화학이 실생활에 기여한 사례 - hwahag-i silsaenghwal-e giyeohan salye

국내 전문가들이 평가한 노벨화학상 업적…"화학의 전통적 문제 해결하고 제약 산업화 기여"

2021 노벨화학상 수상자로  베냐민 리스트 독일 막스플랑크연구소 교수 데이비드 맥밀런 미국 프린스턴대 화학과 교수가 선정됐다. 전문가들은 중금속 오염이라는 유기 금속 촉매의 전통적 문제를 해결한 업적을 인정받았다며 이들이 개발한 유기촉매가 다양한 산업계에 적용되고 있다고 평했다. 노벨위원회 제공

스웨덴 왕립과학원 노벨상위원회는 6일(현지시간) 2021년 노벨 화학상 수상자로 베냐민 리스트 독일 막스플랑크연구소 교수와 데이비드 맥밀런 미국 프린스턴대 화학과 교수를 선정했다고 발표했다. 반응 조건이 쉽고, 조작이 간단하며 중금속의 오염이 없어 제약산업에 혁신을 유기 촉매를 만든 공로를 인정받았다. 전문가들은 중금속 오염이라는 유기 금속 촉매의 전통적 문제를 해결한 업적을 인정받았다며 이들이 개발한 유기촉매가 다양한 산업계에 적용되고 있다고 평했다.

맥밀런 교수 연구실에서 박사후연구원으로 연구했던 장혜영 아주대 화학과 교수는 6일 한국과학기술단체총연합회에서 진행된 노벨 화학상 수상자 발표 설명회에서 "두 연구자 모두 유기 촉매 분야를 개척했다"며 "학교 연구 수준을 넘어 제약산업에도 적용할 수 있는 연구를 해낸 것이 업적"이라고 말했다. 

2021 노벨화학상 수상자로 선정된 베냐민 리스트 독일 막스플랑크연구소 교수 데이비드 맥밀런 미국 프린스턴대 화학과 교수. 노벨위원회 제공

장 교수는 "미국 제약사인 머크와도 긴밀한 협력을 하며 함께 공동 연구개발, 인력 교류 등을 현재도 이어나가고 있다"며 "이런 식으로 계속 연구팀의 성과가 산업화로 이어지고 있다"고 덧붙였다.

화학 반응에서 촉매란 반응 물질들이 소모되거나 화학 특성이 변하지 않은 채 반응 속도를 빠르게 하는 물질을 말한다. 화학적 특성이 변하지 않고 다른 화학 반응의 속도를 높이는 물질이다. 

식물의 광합성을 비롯해 생명체의 생리 활성에 관여하는 모든 유기 화학물을 비대칭 합성 화학 물질이라고 한다. 의학적 효과가 있거나 영양분에 포함된 분자들은 비대칭 합성을 통해 만들어지는데 이때 통상 금속과 리간드(유기물질)가 필요하다. 하지만 생리 활성을 위한 의약품을 화학적으로 만들 때 촉매에 사용된 금속이 남으면 독성을 유발할 수 있어 유기 촉매 기술 필요성이 높아졌지만 화학에서 난제로 여겨졌다. 

리스트 교수 연구실에서 박사후연구원으로 일한 배한용 성균관대 화학과 교수는 두 연구자의 경쟁적 유기 촉매 개발로 금속없이 반응을 유발하는 촉매가 개발됐다고 설명했다. 배 교수는 "금속을 뺀 유기 촉매의 원리가 이전에도 존재했다"며 "다만 실제 이런 촉매를 구현하는 것이 난제였다"고 말했다. 배 교수는 "2000년대 이 두 연구자가 동시에 유기 촉매를 경쟁적으로 연구하기 시작했다"고 덧붙였다.

스웨덴 왕립과학원 노벨상위원회가 2021 노벨화학상 수상자들의 업적을 설명하고 있다. APF/연합뉴스 제공

리스트 교수 연구실에서 박사후연구원으로 지낸 김혜진 한국화학연구원 의약바이오연구본주 감염병치료연구센터 선임연구원은 전화 인터뷰에서 “두 분의 연구 이전까지는 금속을 이용한 촉매와 효소를 이용한 촉매가 전부였다”며 “새로운 촉매 기술인 비대칭 유기 촉매를 개발하면서 화학 분야에서 큰 변화를 가져왔다”고 설명했다. 

특히 큰 변화를 가져온 분야는 제약 분야다. 김혜진 선임연구원은 “유기촉매의 대칭성을 이용해 의약품에 필요한 화학물질을 선택적으로 만들 수 있게 됐다”며 “이와 함께 대부분 독성이 있는 중금속 중심으로 이뤄지는 금속 촉매를 대체할 수 있도록 해 의약품에 널리 쓰이게 됐다”고 밝혔다. 비대칭 유기 촉매 기술로 개발된 대표적인 의약 물질이 우울증 치료제로 쓰이는 ‘듀록세틴’과 당뇨병 치료제로 쓰이는 ‘시타글립틴’이다. 신종 코로나바이러스 감염증(COVID-19·코로나19)에 걸린 심혈관 질환 환자에 쓰이는 항응고제인 '와파린' 개발에도 이 기술이 활용된다.

한수봉 한국화학연구원 의약바이오연구본부 감염병제어기술연구단장은 전화 인터뷰에서 “비대칭 유기 촉매는 의약품 합성에 매우 중요하고 산업적으로 파급력을 불러일으켰다”며 "금속은 금속 폐기물이 남는 반면 유기는 친환경적"이라고 말했다. 유기 촉매는 현재 제약 외에도 천연물이나 향수 물질 등을 합성하는 데도 쓰인다. 이덕환 서강대 화학과·과학커뮤니케이션학과 명예교수는 "전통적인 유기 화학의 문제를 해결한 업적을 인정받았다"고 말했다.

안녕하세요, 한화토탈 블로그지기입니다. 매년 4월은 과학의 달인데요, 1968년 과학기술처가 중앙행정기관으로 독립한 날인 4월 21일을 과학의 날로 지정하면서 시작됐답니다. 4월 과학의 달을 맞아 지금의 편리한 생활이 가능하게 한 화학 발명품 3가지를 선정해봤는데요. 생활 필수품이 된 '폴리에틸렌'부터 첨단 전자제품과 태양광 에너지 핵심 소재가 된 '실리콘', 그리고 미래 복합소재로 각광받고 있는 '탄소나노튜브'까지. 인류 역사를 바꾼 근대 화학 발명품을 소개하겠습니다.  

01

플라스틱 대표 물질 '폴리에틸렌'

자동차부터 전자제품, 장난감, 식품용기부터 우리 생활에 있어서 플라스틱은 없어서는 안될 물질인데요. 그 중에서도 비닐봉투와 음료수병, 그리고 전선용 피복재료 등 생활 속에서 가장 많이 사용되고 있는 플라스틱은 바로 ‘폴리에틸렌(PE)’입니다. 

폴리에틸렌은 처음 발견한 사람은 독일 화학자인 ‘한스 폰 페치만(Hans von Pechmann)’ 박사인데요. 1898년 실험실에서 한 시험관의 바닥에 밀랍 물질이 달라붙어 있는 것을 발견하고 이 물질을 ‘폴리에틸렌’이라고 지었지만, 당시에는 실용성이 없어 보여 잊혀졌습니다.

그리고 1933년 영국 임페리얼화학공업사(ICI)의 화학자인 에릭 포셋(Eric William Fawcett)과 레지널드 깁슨(Reginald Gibson)은 고압반응에 관한 실험을 하는 동안 산소가 누출됐는데 페치만 박사가 만들었던 것과 같은 물질이 만들어지는 것을 발견했고 2년 후 산소를 이용한 폴리에틸렌을 생산하기 시작했습니다. 

폴리에틸렌은 밀도에 따라 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)과 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)으로 나뉘는데, 고밀도 폴리에틸렌은 1953년 독일의 칼 치글러(Karl Waldemar Ziegler)가 발견했습니다. 고밀도 폴리에틸렌은 단단해서 파이프나 연료탱크, 병뚜껑 등 딱딱한 제품을 만드는 데 주로 사용되고 있습니다. 

02

반도체, 태양전지 핵심소재 '실리콘'

규소(Si)는 지구에서 산소 다음으로 풍부한 원소로, 규소의 영어 원소명이 바로 ‘실리콘(Silicon)’입니다. 실리콘은 반도체와 태양전지에 사용되는 핵심물질로, 지금의 첨단전자시대를 살게 해준 대표 물질이기도 합니다. 

1787년 프랑스의 과학자 앙투안 라부아지에가 처음으로 규소에 대한 연구를 시작했는데 그는 더 이상 분해할 수 없는 물질을 ‘원소’로 정의하고 당시 기술로는 분해가 되지 않던 규소 산화물인 실리카를 원소로 보았습니다.

1808년 험프리 데이비가 순수한 규소를 얻으려는 시도를 하고 ‘실리시움(silicium)’이라는 이름을 붙였으며, 1823년 스웨덴 화학자 베르셀리우스(J. Berzelius)가 플루오린, 칼륨, 규소의 화합물에서 순수한 형태의 규소를 얻는데 성공했습니다.

실리콘은 현재 컴퓨터 반도체, 태양광발전의 태양전지를 만드는 데 없어서는 안될 필수 소재인데요. 실리콘의 발명으로 첨단전자시대와 친환경 에너지 시대를 맞을 수 있게 됐습니다. 

03

강철보다 100배 강한 '탄소나노튜브(CNT)'

탄소나노튜브는 탄소 6개로 이뤄진 육각형들이 서로 연결되어 관 모양을 하고 있는 신소재인데요. 머리카락 굵기의 10만분의 1로 먼지보다 작지만, 열전도율은 구리의 1천배, 강도는 강철의 100배에 달해 복합소재로 각광받고 있습니다.

1985년 미국 스몰리(Richard E. Smalley) 교수는 동료 화학자 로버트 칼(Robert F. Curl), 헤롤(Harold W.Kroto)와 함께 탄소의 동소체인 풀러렌(탄소 원자 60개가 모인 것：C60)을 발견했는데요, 이후 1991년 일본전기회사(NEC) 이이지마 박사가 전기방전시 흑연 음극상에 형성된 탄소 덩어리를 투과 전자 현미경으로 분석하는 과정에서 발견하여 네이처 지에 처음으로 발표했습니다. 

탄소원자 하나는 주위의 다른 탄소 원자 3개와 sp2* 결합을 하여 육각형 벌집무늬를 형성하고, 이 튜브의 직경이 대략 수 나노미터(nm) 정도로 작기 때문에 나노튜브라고 부르게 되었습니다. 

* sp2란? 탄소는 최대 4개까지 다른 원자와 결합할 수 있는데, 탄소와 결합한 원자의 개수가 4개면 '혼성 오비탈'은 sp3, 3개면 sp2, 2개면 sp입니다. '혼성 오비탈'은 ‘혼합한다’는 개념과 비슷한데, s 오비탈과 p 오비탈을 혼합하면 새로운 sp 오비탈이 만들어집니다. 즉, 혼성화를 통해 만들어진 새로운 오비탈이 ‘혼성 오비탈(hybrid orbital)’입니다. 

- 오비탈(orbital): 원자(또는 분자 등)에 귀속된 전자

탄소나노튜브는 전기전도성을 요구하는 정전기 방지용 고분자 복합소재, 발열 및 방열 복합소재, 경량/고강도 복합소재 등 광범위하게 적용할 수 있는데요. 최근에는 스마트 섬유와 웨어러블 기기, 리튬 배터리 등으로 개발되어 새로운 첨단산업시대를 예고하고 있습니다. 

화학자들의 끊임없는 연구와 노력으로 우리의 생활은 점점 더 편리해지고 있는데요. 앞으로 또 어떤 화학기술이 등장해 새로운 가치 있는 삶을 만들어낼지 기대가 됩니다. 

종합 케미칼 & 에너지 리더,

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