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Research

신체 내 반응을 높은 효율로 일으키는 물질 합성 성공

  • 조회. 605
  • 등록일. 2019.08.08
  • 작성자. 홍보팀

신체 내 반응을 높은 효율로 일으키는 물질 합성 성공
- DGIST 신물질과학전공 조재흥 교수팀, 알데하이드 탈포밀화 반응을 선도하는 물질 확보
- 신체모방물질의 직접적인 반응 관여도 함께 확인해..향후 관련 연구에 긍정적 영향이 기대돼

△ DGIST 신물질과학전공 조재흥 교수(위), DGIST 신물질과학전공 김보희 석박사통합과정생(아래 왼쪽), 정동현 석박사통합과정생(아래 오른쪽)

 DGIST 연구진이 신체 대사작용과 연관된 화학 반응의 효율을 높여줄 새로운 생체모방물질 합성에 성공했다. 또한 합성에 성공한 물질이 특정 유기화합물의 산화반응을 일으키는 사실도 함께 발견해, 향후 촉매 개발 분야에 긍정적인 영향을 줄 것으로 기대된다.

 DGIST(총장 국양)는 신물질과학전공 조재흥 교수팀이 알데하이드의 탈포밀화 반응을 일으키는 생체모방물질인 ‘구리-하이드로퍼옥소1) 복합체’를 개발했다고 밝혔다. 이 때, 탈포밀화 반응을 일으키는 기존 복합체들보다도 효율성이 높아, 관련 분야에서 많은 관심을 받고 있다.

 ‘탈포밀화 반응’은 알데하이드나 케톤2) 화합물 내 탄소와 산소가 이중으로 결합된 구조를 다른 형태로 이탈시키는 산화반응3)이다. 특히 성호르몬 성질을 지닌 스테로이드의 변환 반응을 조절하거나, 지방의 환원4) 과정 중 생성되는 지방 알데하이드를 탄화수소로 변환하는 등, 여러 방면에서 중요한 화학반응을 조율하고 담당한다.

 생체모방물질을 합성하기 위해서 연구팀은 산소분자에 전자와 양성자가 결합된 ‘하이드로퍼옥소’를 구리화합물에 결합시켰다. 이렇게 탄생한 ‘구리-하이드로퍼옥소 복합체’는 기존의 다른 물질보다도 탈포밀화 반응을 일으키는데 높은 효율을 자랑한다.

 특히, 구리-하이드로퍼옥소 복합체가 탈포밀화 반응에 직접적으로 관여한다는 사실을 확인한건 이번이 처음이다. 이제껏 구리와 하드로퍼옥소를 합성한 복합체들을 반응 조절에 직접적으로 활용하기보단, 그 복합체를 분해시켜 나오는 중간체를 활용해 관련 반응을 조절하는 것이 전부였기 때문이다.

 DGIST 신물질과학전공 조재흥 교수는 “이번 연구를 통해 생체 내에서 중요한 역할을 하는 탈포밀화 반응에 관여하는 물질 연구의 범위를 넓혔다고 생각한다”며 “앞으로 탈포밀화 반응에 더 높은 효율성과 조절성을 갖는 물질이나 방법에 대한 연구를 계속해서 진행할 것”이라고 후속 연구계획을 밝혔다. 

 이 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 C1가스리파이너리사업, 기초연구사업(중견연구자), 자성기반 라이프케어 연구센터 사업의 지원으로 수행되었다. 세계적 국제학술지인 네이처 자매지인 커뮤니케이션즈 케미스트리(Communications Chemistry)에 7월 18일(목) 게재됐다. 

1) 하이드로퍼옥소(Hydroperoxo) : 산소분자에 전자 2개가 추가된 ‘퍼옥소’에 양성자 하나가 결합된 형태
2) 케톤(Ketone): 카보닐기로 두 개의 작용기가 연결된 탄화수소 유도체
3) 산화반응(Oxidation): 산소 혹은 수소와 화합하는 반응
4) 환원(Reduction): 산화물에서 산소를 제거하는 반응

 

   연구결과개요   

 

Nucleophilic reactivity of a copper(II)-hydroperoxo complex
Bohee Kim, Donghyun Jeong, Takehiro Ohta and Jaeheung Cho 
(Communications Chemistry, Published on  July 18th, 2019)

 생체 내에서 금속효소5)들은 중요한 촉매반응을 진행 시키기 위해 금속과 산소를 채택해 금속-활성 산소 종들을 합성해 왔다. 여기에는 금속-옥소, 수퍼옥소, -퍼옥소6), 그리고 -하이드로퍼옥소 와 같은 다양한 형태가 있다. 효소는 유기분자의 물질대사적7) 변환을 촉매 반응화 시키며, 금속-활성 산소 활성산소 (Active Oxygen) : 일반적으로 보통의 산소에 비해 뚜렷하게 화학 반응성이 풍부한 산소
 종들이 촉매 반응에 중요한 역할을 한다. 예를 들어, 시토크롬 P450는 철- 활성 산소 종을 이용해 포밀기 또는 카보닐기를 포르밀산염 형태로 이탈시키며 이를 통해 남성과 여성의 호르몬을 변환하는 반응을 촉매한다. 또한 남세균 알데하이드 탈포밀화 산소화효소는 지방산의 환원과정에서 형성되는 지방알데하이드를 탈포밀화 시켜 탄화수소로 변환시켜준다. 이와 같이 탈포밀화 반응은 생체 내에서 없어서는 안 될 중요한 반응이다. 이러한 탈포밀화 반응 (친핵성 반응)에 대해 많은 생체모방물질의 반응성 연구가 이루어져 왔다. 
 하지만, 탈포밀화 반응의 연구 범위는 다소 한정적인 편이다. 기존 연구 되어진 구리-활성 산소종들은 친전자성 반응을 주로 보여왔다. 이렇듯 탈포밀화 반응에 관한 연구는 다른 반응들의 연구에 비해 많이 알려지지 않았으며 해결해야 할 과제로 남아 있었다. 아민 배위 화합물을 사용하여 새로운 구리-하이드로퍼옥소 종을 합성하였고, 다양한 물리 화학적 기법과 계산화학을 이용하여 구조적 특성과 전자 분포를 확인하였다. 구리-하이드로퍼옥소 종에서 처음으로 친핵성 반응인 알데하이드 산화 반응 (탈포밀화 반응)을 확인하였다. 특히, 이 구리-하이드로퍼옥소  종은 알데하이드 탈포밀화 반응을 보여주는 금속-활성 산소 종 가운데 가장 활성이 높은 것으로 확인되었다. 탈포밀화 반응의 확인을 위해 두 가지 알데하이드 (2-페닐프로피온알데하이드, 사이크로헥세인카브알데하이드) 를 사용하여 반응 속도론 반응속도론 (Reaction Kinetics) : 반응속도의 물질 농도에 대한 의존성을 연구함으로써 반응속도식 및 반응속도상수를 구하고, 반응 메커니즘에 대하여 다루는 화학동역학
 연구를 진행하였다. 반응 속도론 연구로부터 구해진 음수의 엔트로피 값과 이차 반응 속도 상수를 통해 이 분자 기작 탈포밀화 반응이 일어남을 증명하였다. 
 또한 파라 위치의 탄소에 다양한 치환기를 갖고 있는 아실 클로라이드 유도체들과의 반응성을 통해 친핵성 반응임을 확인하였다. 생성물로서 벤조산을 확인하였다. 이번 연구를 통해 밝혀진 높은 효율로 탈포밀화 반응을 보내는 구리-하이드로퍼옥소 종을 통해, 생체 내에서 중요시되는 탈포밀화 반응에 대해 효과적인 산화 반응을 일으킬 수 있는 촉매 개발이 기대된다. 강한 산화력의 구리-하이드로퍼옥소 종은 알데하이드 이외에도 다양한 유기화합물의 산화 반응을 할 수 있을 것이라 기대된다. 이는 환경 화학 분야나 약학 분야에 유용한 금속 촉매를 기대할 수 있다. 처음 선보이는 구리-하이드로퍼옥소 종의 알데하이드 탈포밀화 반응은 무기화학에서 금속-활성 산소 종 연구의 발전에 크게 기여 할 것으로 보인다.  

5) 금속효소 (Metalloenzyme) : 효소 활성의 발현에 필요한 특정 금속 원자를 그 구성 성분으로서 갖는 효소의 총칭. 생체 내 산화 환원에 관여하는 효소에 많고 금속 원자가 활성 중심을 구성하고 그 산화 환원에 의해 전자 전달을 하고 있는 경우가 많음.
6) 퍼옥소(-peroxo) : 산소분자에서 전자 2개가 추가된 활성산소 중 하나
7) 물질대사적 : 생물체 내에서 일어나는 물질의 분해나 합성과 같은 모든 물질적 변환

 

   연구결과문답  

Q. 이번 성과 무엇이 다른가?
이번 연구를 통해 구리-하이드로퍼옥소 종도 친핵성 반응인 알데하이드 탈포밀화 반응을 수행 할 수 있다는 것을 알 수 있었다. 더 나아가, 구리-하이드로퍼옥소 종이 여태껏 발표된 알데하이드 탈포밀화 반응을 보이는 금속-산소 활성 종 가운데 가장 높은 반응성을 나타내는 것을 알 수 있었다. 

Q. 어디에 쓸 수 있나?
구리-하이드로퍼옥소 복합체로 알데하이드를 탈포밀화 시킬 수 있다는 점을 이용하여 산업적으로 알데하이드를 탈포밀화 시키는 촉매로 사용 할 수 있다. 더 나아가 이 복합체는 다른 산화제보다 높은 산화력을 지니므로 효율성이 높은 산화제 개발에 한발 더 나아 갈 수 있을 것으로 보인다. 

Q. 실용화까지 필요한 시간과 과제는?
알데하이드를 탈포밀화 시키는 복합체로써의 역할은 충분히 수행되고 있다. 그에 대한 산업적 촉매 활용은 바로 실용화 가능 할 것으로 보인다. 

Q. 연구를 시작한 계기는?
자연은 생체 내 촉매 반응을 수행하기 위해 금속과 산소 종을 채택하며, 금속-산소 활성 종들을 합성하여 각각이 가지는 반응성 들을 통해 촉매 반응을 잘 조절하고 있다. 예를 들어 구리를 함유한 팹티딜 글리신 알파-아미 딘 화 모노 옥시게나제와 도파민 베타 모노옥시나제는 구리-슈퍼옥소, -하이드로퍼옥소 그리고 ?옥실 라디칼 종을 통해 외부 유기 물질을 수산화시킨다고 알려졌다. 또한 최근 들어 주목받고 있는 용질 다당류 모노 옥시게나제도 용질 다당류를 구리-슈퍼옥소, -하이드로퍼옥소, 그리고 ?옥실 라디칼 종으로 수산화시켜 잠재적인 생에너지원을 만든다고 알려졌다.
 이러하듯 1주기 전이금속을 함유하고 있으며, 생체 내의 다양한 반응을 촉매하는 효소들이 많이 존재한다. 이는 생체내 효소의 성격 묘사와 반응성 연구가 생무기 화학에서 필수적인 연구임을 뒷받침한다. 생무기 화학에서는 여태껏 금속 종류의 다양화, 배위자의 작용기 변형을 통해 다양한 종류의 금속화합물을 통해 금속-활성산소종을 합성해왔다. 이를 통해 금속의 특성, 배위자가 금속에 미치는 전자적 및 입체 화학적 특성이 금속-활성산소 종에 미치는 영향을 연구할 수 있었다.
 연구팀은 새로운 아민 배위 화합물을 사용하여 새로운 금속-활성 산소 종으로서 구리-하이드로퍼옥소 종을 합성하였고, 알데하이드 탈포밀화 반응에서 높은 효율을 보여주는 것을 확인하였다. 다양한 분광기기 및 계산 화학을 통해 분광학적, 구조적 정보를 얻었으며, 알데하이드와의 반응 기작을 규명하기 위해 반응속도론 연구를 진행하게 되었다. 

Q. 어떤 의미가 있는가?
여지껏 구리-활성 산소 종 가운데 구리-하이드로퍼옥소 종은 두 산소의 결합이 분열되면서 생기는 중간체를 통해 친핵성 반응만 보여져 왔다. 하지만 이번 연구를 통해 구리-하이드로 퍼옥소 종 자체로써 친핵성 반응 (알데하이드 탈포밀화 반응)을 수행 할 수 있다는 것을 증명하였다. 더 나아가 이는 알데하이드 탈포밀화 반응을 효율적으로 보여주는 복합체로써 생무기적으로 큰 의미를 가지고 있다. 

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?

이번 연구를 통해 구리-하이드로퍼옥소 종이 알데하이드 탈포밀화 반응을 수행할 수 있으며, 가장 높은 반응성을 보이는 것을 알 수 있었다. 하지만 알데하이드 탈포밀화 반응이 왜 본 연구팀의 구리-하이드로퍼옥소 종에서만 일어나는지와, 왜 높은 반응성을 보이는지는 알 수 없었다. 즉 여태껏 연구되었던 구리-하이드로퍼옥소 종은 친전자성 반응만 보내왔지만, 이번 연구에서 처음으로 친핵성 반응을 보내는 정확한 이유에 대해서 의문이 있을 수 있다. 향후 목표로 알데하이드 탈포밀화 반응의 전체 반응 기작에 대해 정확한 기작 연구를 하고자 한다. 또한, 알데하이드 탈포밀화 반응의 반응성을 더 높이거나, 조절할 수 있는 연구는 진행되지 않은 상태이다. 본 연구팀은 또 다른 후속 연구로써 탈포밀화 반응의 반응성을 조절하는 연구를 하고자 한다.  


   그림 설명   

[그림] 구리-하이드로퍼옥소 화합물에 의한 알데하이드 탈포밀화 반응 도식


  알데하이드 종과 구리-하이드로퍼옥소 종이 반응하여 알데하이드 탈포밀화 반응을 보이며, 반응속도 결정단계로는 하이드로퍼옥소종의 산소 원자가 알데하이드의 탄소를 공격하며 반응이 진행된다. 더 나아가 파라 위치의 탄소에 다양한 치환기를 가진 아실 클로라이드 유도체들을 사용하여 친핵성 반응을 수행하는 것을 확인하였다.  

 

   논문 바로보기    ☞ Communications Chemistry

 

 

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