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.

연구진은 서로 섞이지 않는 용액들이 밀도 순서대로 쌓이는 것에 착안해, 용매 층별로 화학 합성을 조절하는 회전하는 원통 시스템^*을 고안했다. 이를 이용하면 용매^**들을 시험관처럼 사용하여 반응물을 이동·분리시키고, 화학반응을 순차적으로 조절할 수 있다.
* 빠르게 회전하는 원통에서는 원심력 때문에 밀도가 높은 액체가 바깥쪽으로 쏠린다.
** 용매 : 소금이 물에 녹을 때, 녹는 소금은 용질이고, 이를 녹이는 물이 용매다.

이는 기존 화학합성 과정을 크게 단순화할 수 있어, 화학산업에서 희귀금속 추출과 다양한 화합물을 합성하는 데 드는 시간과 비용을 줄일 수 있을 것으로 기대된다.

과학기술정보통신부(장관 최기영)와 IBS(원장 노도영)는 이번 성과가 10월 1일 0시(한국시간) 세계 최고 권위의 학술지 네이처(Nature, IF 42.778)에 게재되었다고 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 이용되어 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 고안하여, 반응물의 혼합·분리·추출을 하나의 반응 용기에서 정밀하게 조절할 수 있음을 규명하였다.

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 단계적으로 합성하는데 성공하였다. 또한 혼합물에서 특정 유기물(p-니트로벤조에이트 나트륨, 페닐알라닌)을 추출할 수 있음을 확인했다. 이는 계면활성제^*로 대상 분자를 감싸서 분리하는 기존 추출방법과 달리 모든 과정이 용기 하나에서 이뤄져 합성 전 과정에 드는 시간을 크게 단축했다. 연구진은 나아가, 분자보다 큰 박테리아나 나노입자도 회전하는 용매에서 제어할 수 있음을 밝혀내었다.
* 세제의 주성분으로, 물과 기름에 동시에 붙을 수 있는 분자

이번 연구는 중소규모 화학 합성 시간과 비용을 줄일 수 있는 새로운 아이디어를 제시하고, 실제 응용성을 보여주었다는 데 의의가 있다.

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 의미를 밝혔다.

그림설명

▲ [그림 1] 서로 다른 용매가 채워진 회전하는 원통회전하는 시스템에 투명한 용매와 서로 다른 색깔로 염색한 용매들이 번갈아 쌓여 있다. 이 때 가장 바깥쪽 용매가 가장 무거운 용매다. 원통이 회전하는 동안 용매를 무거운 순서대로 주입했다.

▲ [그림 2] 페나세틴 합성 과정통증과 발열 완화제로 널리 쓰였던 페나세틴을 회전하는 용매 층에서 합성했다. 가장 안쪽의 3번 용매에서부터 시작해, 바깥쪽인 2번, 1번 용매로 차례로 이동하며 반응을 일으켰다.

▲ [그림 3] 페닐알라닌 추출 과정(위) 필수 아미노산 중 하나인 페닐알라닌을 복잡한 혼합물인 용매 1로부터 용매 3으로 추출하는 실험. (아래) 용매 1에 든 페닐알라닌(빨강)이 용매 2에 있던 디-(2-에틸헥실)인산(파랑)과 결합해 용매2로 이동한다(중앙 아래). 이 결합체는 용매 3과 만났을 때 양성자(초록)와 페닐알라닌을 교환하면서 페닐알라닌이 용매 3으로 이동하게 된다. 양성자와 결합한 디-(2-에틸헥실)인산은 다시 용매 1로 이동해 또다른 페닐알라닌 분자를 ‘붙잡아’온다.