신약 개발을 위해서 생리활성물질을 찾는 것 외에도 이를 쉽게 합성하는 기술을 개발하는 것이 중요하다. 최근에는 경제성뿐만 아니라 환경까지 고려한 합성법이 많이 연구되고 있는데 깨끗한 전기에너지를 이용해 의약품의 성분이 되는 질소고리화합물의 한 종류를 합성한 연구가 발표됐다.

UNIST 자연과학부 박철민 교수 연구팀은 전기에너지를 이용해 질소고리화합물의 하나인 인돌로파이란(indolopyran)을 만드는 합성법을 개발했다. 금속 촉매나 고온 등의 오염을 유발하는 요소를 뺀 데다가, 공기 중에 풍부한 산소를 이용해 반응을 유도한 친환경적이고 경제적인 합성법이다. 같은 합성법으로 산소고리화합물도 합성이 가능해 신약 개발 연구에 큰 도움을 줄 것으로 기대된다.

질소고리화합물은 최근 FDA의 승인을 받는 약품 중 약 60%에 포함된 물질이다. 고리(ring) 형태로 결합한 탄소 원자 사이에 질소 원자가 끼어 있는 구조인데, 여기에 작용기를 결합해 약품을 합성한다. 고리의 모양이나 작용기의 종류에 따라 합성 난이도가 다르다. 최근 항암, 항염 효과로 인해 주목받는 인돌로파이란은 합성하기 까다로운 물질 중 하나다. 합성 방법도 많지 않고 그마저도 시약(base)과 금속 촉매가 필요하거나 고온에서만 합성할 수 있다.

박철민 교수 연구팀은 전극의 음극과 양극에서 일어나는 반응을 통해 인돌(indole)과 활성 메틸렌(methylene)이라는 두 물질을 짝지어 인돌로파이란을 합성했다. 상온(room temperature)에서 공기 중의 산소를 시약으로, 금속 대신 아이오다이드(Iodide)를 촉매로 사용했다. 반응이 일어나려면 탈양성자화 능력이 있는 별도의 시약(염기)이 필요한데, 이 합성법은 공기 중의 산소를 예비 염기(pre-base)로 사용할 수 있는 장점이 있다. 또 일정한 전압을 유지하는 정전압 모드를 이용한 합성법으로 높은 전압에 의한 작용기 손상 문제도 극복했다.

연구를 주도한 최수빈 자연과학부 석·박사통합과정 연구원은 “주로 한쪽 극만 활용하는 합성법과 달리 양극(anode)과 음극(cathode)에서 발생하는 반응 모두를 이용해 복잡한 구조를 갖는 인돌로파이란을 합성할 수 있었다”고 설명했다.

연구팀은 밀도범함수이론(Density Functional Theory)과 다양하게 디자인된 반응 경로 규명 실험을 수행해 인돌로파이란 생성 원리를 찾았다. 전극(음극 및 양극)에서 아이오딘과 산소가 각각 산화 및 환원돼 아이오딘 라디칼(Radical)과 슈퍼 옥사이드 라디칼이 만들어지고 이때 슈퍼옥사이드(superoxide) 라디칼이 염기로 작용해 반응이 진행된다. 인돌과 활성 메틸렌 화합물의 커플링 반응 후에 만들어진 중간물질은 최종적으로 고리 모양이 만들어지는 전자고리화반응을 통해 인돌로파이란이 완성된다.

또 연구팀은 규명된 원리를 바탕으로 동일한 합성법을 적용해 산소고리물질인 다이하이드로퓨란 골격체(약물에 작용기가 결합하는 뼈대)도 합성했다. 인돌 대신 엔아민(enamine)을 출발물질로 사용해 오각형 탄소 고리에 산소가 포함된 다이하이드로퓨란을 합성한 것이다.

박철민 교수는 “기존 합성법과 달리 전기에너지를 이용하는 친환경적이고 경제적인 유기합성 방법을 적용해 질소고리화합물을 합성할 수 있었다”며 “반응 경로를 알아내 다양한 출발물질로부터 여러 고리 모양의 골격체를 합성하는 방법을 제시했다는 점에서도 의의가 크다”고 밝혔다.

이번 연구는 화학 분야 저널인 앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition)에 주목받는 논문(Hot Paper)으로 선정돼 7월 7자로 출판됐다. 연구 수행은 한국연구재단의 지원을 받아 이뤄졌으며, 논문명은 ‘Electrosynthesis of Dihydropyrano[4,3-b]indoles based on Double Oxidative [3+3] Cycloaddition’다.