폭발 공정 지운 전기화학… 의약품 원료 생산 방식 바꾼다

제약 산업에서 필수적인 원료 화합물을 얻기 위해 감수해야 했던 폭발 위험과 복잡한 다단계 공정이 사라진다. 강한 산화제나 위험한 중간 물질 없이 오직 전기화학 반응만으로 의약품 핵심 원료를 대량 생산하는 기술이 상용화 문턱을 넘었다.

한국연구재단은 포스텍(POSTECH) 김현우 교수 연구팀이 단순 알켄(Alkene)에서 의약품 핵심 중간체인 '시스-아지리딘(cis-Aziridine)'을 직접 합성하는 기술을 확보했다고 7일 밝혔다.

아지리딘은 질소 원자를 포함하는 고리 구조 화합물로 반응성이 높아 의약화학과 기능성 소재 합성의 필수 재료다. 하지만 기존 합성법은 폭발 위험이 있는 다이아조(Diazo) 전구체(Precursor)를 거쳐야 해 공정 안전성이 떨어졌다. 또한 생성물의 입체구조가 원료 물질에 종속돼 특정 방향을 바라보는 '시스' 형태를 선택적으로 추출하기 까다로웠다.

김현우 교수 연구팀은 코발트 촉매와 전기화학적 산화를 결합해 기존 공정의 한계를 돌파했다. 별도의 전구체 설계 없이 원료 물질인 말단 알켄에서 목표 화합물을 바로 형성했다. 고리 형성 단계가 반응을 주도하도록 설계해 느린 반응 속도를 끌어올리고 효율과 선택성을 동시에 확보했다.

연구팀은 밀도범함수이론(DFT) 계산으로 시스-생성물 중간체의 열역학적 안정성을 입증했으며, 멘톨, 나프록센과 같은 복잡한 분자 구조에도 아지리딘을 도입해 범용성을 증명했다.

새로운 합성법은 강한 산화제 대신 전기를 사용하는 온화한 공정으로 친환경성을 구현했다. 단일 단계로 그램(g) 단위의 생성물 생산이 가능해 산업적 대량 생산의 확장성도 갖췄다. 복잡한 다단계를 단일화하고 폭발 위험을 원천 차단해 제약 및 정밀화학 산업의 제조 비용을 낮출 핵심 기술로 평가받는다.

연구 결과는 화학 분야 국제학술지 '앙게반테 케미 인터내셔널 에디션(Angewandte Chemie International Edition)' 지난달 20일 자에 실렸다.

김현우 교수는 "전기화학으로 반응 경로를 정밀 제어해 기존에 불가능했던 입체선택적 합성을 구현했다"며 "유기합성의 반응 경로 설계 방식 자체를 바꾸는 전환점이 될 것"이라고 강조했다. 위험을 통제하는 방식에서 위험 요소를 원천 배제하는 방향으로 화학 공정의 패러다임이 이동하고 있다.