용기 하나로 화학합성 제어, 새 화학 구조 개발

기초과학연구원(IBS) 첨단연성물질 연구단 바르토슈 그쥐보프스키 그룹리더(UNIST 특훈교수) 연구팀은 하나의 반응 용기에서 여러 화학 공정을 손쉽게 처리할 수 있는 새로운 화학 합성 시스템을 개발했다.

IBS 첨단연성물질 연구진은 서로 섞이지 않는 용액들이 밀도 순서대로 쌓이는 것에 착안, 용매 층별로 화학 합성을 조절하는 회전하는 원통 시스템을 고안했다. 이를 이용하면 용매들을 시험관처럼 사용해 반응물을 이동·분리시키고, 화학반응을 순차적으로 조절할 수 있다.

사실 학계는 복잡하고 어려운 공정들을 자동화 하는 분야에 대해 상당한 관심을 갖고 연구 개발이 한창이다. 기존 화학 공정 자동화 방법으로 연구했던 두 가지 방법 즉, batch reactor(플라스크와 밸브로 이뤄진 합성 플랫폼)와 미세유체칩은 복잡하게 연결된 관 혹은 미세한 관을 다루기 때문에 제작에 공학적인 노력이 요구됐다. 이와 비교했을 때 회전하는 원통에 용매들을 주입하는 것은 굉장히 단순하다고 할 수 있으며, 반응물을 섞거나 옮길 때의 조작도 비교적 단순하다.

시스템을 제어하는 핵심 변수- 회전 속도와 용매층의 두께-를 회전 도중에 조절할 수 있다는 점이 큰 장점이다. 용매가 섞이는 시점과 속도를 조절할 수 있고, 용매 층 두께를 조절해 반응물 이동을 조절하는 등 매우 정교하고 복잡한 제어가 가능하다. 이에 앞서, 원하는 반응물과 합성과정에 맞춰 용매와 밀도 순서를 설계해야 한다.
이는 기존 화학합성 과정을 크게 단순화할 수 있어, 화학산업에서 희귀금속 추출과 다양한 화합물을 합성하는 데 드는 시간과 비용을 줄일 수 있을 것으로 기대된다.

과학기술정보통신부와 기초과학연구원은 이번 성과가 10월 1일 0시(한국시간) 세계 최고 권위의 학술지 네이처(Nature, IF 42.778)에 게재됐다고 6일 밝혔다.

화합물 합성 과정은 석유화학공장처럼 특정 물질에 맞춰진 대형 공정이 아닌 이상, 손으로 한 단계씩 진행해야 하므로 생산 시간과 생산량에 한계가 있었다.

이러한 화학 합성을 일괄 처리하는 방법으로 크게 두 가지 시스템이 이용돼 왔다. 복수의 플라스크와 밸브들을 기계적으로 연동하는 방법과 연속된 액체 흐름을 제어하는 방법이다. 하지만 이러한 방법은 자동화 장치를 제작하고, 반응물의 흐름을 조절하는 데 고도의 공학 기술이 필요하다는 한계점이 있었다.

연구진은 회전하는 용매로 손쉽게 합성을 제어하는 화학 시스템을 새롭게 고안해, 반응물의 혼합·분리·추출을 하나의 반응 용기에서 정밀하게 조절할 수 있음을 규명했다.

개발한 시스템에서는 반응물이 확산을 통해 인접한 용매로 이동한다. 연구진은 원통 회전속도를 주기적으로 변화시켜 확산 속도를 높일 수 있었다. 또한, 용매 층의 성질에 따라 인접한 용매를 분리할 수도 있었다.

연구진은 이를 이용해 실제 의약 화합물(페나세틴, 딜록사니드)들을 단계적 합성에 성공했다. 혼합물에서 특정 유기물(p-니트로벤조에이트 나트륨, 페닐알라닌)을 추출할 수 있음도 확인했다. 이는 계면활성제로 대상 분자를 감싸서 분리하는 기존 추출방법과 달리 모든 과정이 용기 하나에서 이뤄져 합성 전 과정에 드는 시간을 크게 단축했음을 의미한다. 연구진은 분자보다 큰 박테리아나 나노입자도 회전하는 용매에서 제어할 수 있음을 밝혀냈다.

이번 연구는 중소규모 화학 합성 시간과 비용을 줄일 수 있는 새로운 아이디어를 제시하고, 실제 응용성을 보여줬다는 점에서 주목할만 하다.

공동 제1저자인 올게르 시불스키 연구위원은 “이번에 개발한 시스템은 합성 과정에 영향을 미치는 핵심 변수들을 자유자재로 조절할 수 있고, 용매 층 사이 작용을 조절해 기존에 추출이 어려웠던 화합물까지 추출할 수 있어 활용성이 무궁무진하다”라고 말했다.