서울특별시 성동구 왕십리로 222 한양대학교 화학과 318호
02) 2220-1746
한양대학교 차세대유기합성연구센터(CNOS, 센터장 조천규 교수)는 2014년 한국연구재단 선도연구센터(SRC)로 선정되어‘새로운 고효율·고선택성·친환경성 유기반응 개발과 기능성 복잡·복합 유기 분자의 효율적 합성’이라는 목표로 통합적 협력 연구를 수행하고 있다. 탄소를 기반으로 하는 물질은 현대사회의 다양한 영역에서 필수불가결하며 이러한 수요를 수용할 수 있는 탄소화합물을 발굴하고 이들을 효율적으로 합성하는 새로운 방법의 개발은 중요한 연구 과제이다. 통상 탄소화합물의 목적지 향적 합성과 반응 개발 연구 분야는 별도의 노력으로 진행되어 왔으나 본 센터에서는 두 분야의 긴밀 한 상호작용을 통해 도전적인 반응과 전략을 개발하고 복잡·복합 유기분자의 전합성에 적용하여 합성의 효율을 혁신적으로 개선하고자 한다. 또한 복잡·복합 분자골격이 제공하는 영감과 동기를 발판으로 고도의 선택성과 친환경성을 지닌 개념적으로 새로운 유기반응의 개발 연구도 본 센터가 추구하는 중요한 연구지향점이다. 연구센터는 2014년부터 2020년까지 7년간 우리나라 유기합성 분야의 발전에 기여한 성과를 인정받아서 2021년 후속지원 과제로 선정되었으며 유기반응 개발과 전합성 분야의 협력 연구를 통해 새로운 시너지를 창출하고 기능성 고부가가치 유기화합물의 발굴과 효율적 합성에 유용한 방법을 개척하기 위한 지속적인 연구를 수행 중이다.
연구센터는 새로운 반응성의 탐색을 통하여 고효율·고선택성 유기반응을 개발하는 연구팀, 지속 가능한 원료와 에너지원을 활용하는 반응을 개발하는 친환경 및 촉매 반응 연구팀 그리고 반응 개발연구를 바탕으로 창의적인 합성전략과 경로를 개척하여 복잡·복합 유기분자를 합성하는 세 그룹의 연구 팀으로 구성되어 있으며 최근 연구 내용을 아래에 소개한다.
project 1. 복잡 · 복합 유기분자 합성 연구
제1그룹은 원자 간 연결구조가 고도로 정교하고 입체화학이 복잡하여 합성이 매우 어려운 골격을 지닌 천연물 및 생리활성 유도체 타겟을 짧은 단계로 간결하게 합성하는 연구를 중점적으로 수행하고 있다. 조천규 교수(한양대), 하현준 교수(한국외대), David Chen 교수(서울대), 이철범 교수(서울대), 천철홍 교수(고려대) 연구팀이 이 그룹의 멤버로서 참여하고 있으며 천연물 전합성 및 새로운 합성전략 개발 연구가 활발하게 진행되고 있다.
조천규 교수 연구실은 접합 고리 인돌 천연물을 합성하는 새로운 경로 도출을 위하여 엔올 트리플레이트와 아릴 하이드라지드 간의 짝지음을 매개하는 전이금속 촉매반응을 개발하였고 얻어진 생성물을 위치선택적 Fischer 인돌화 반응에 활용하는 합성법을 개발하였다. 새로운 합성법은 aspidospermidine, tabersonine, ervatamine 등 다양한 인돌 알칼로이드 천연물을 간결하게 합성하는 경로의 개척에 활용되었다. 최근 N- 아릴-N’-알케닐 하이드라지드 합성 과정에서 탄소-질소 결합형성 짝지음 반응이 엔올 트리플레이트 작용 기를 포함하는 탄소 고리의 크기에 따라서 팔라듐 또는 구리 촉매가 선택적인 효용성을 보이는 흥미로운 반응의 메커니즘을 계산 및 실험을 통하여 규명함으로써 Fischer 인돌화 합성법의 중요한 가이드라인을 제시하였고 lundurine A 합성에 응용하여 접합 고리 인돌 알칼로이드 합성에 폭넓게 활용할 수 있는 계기를 제공하였다. 또한 전혀 새로운 형태의 비대칭적 분자내 Diels-Alder 반응을 3,5-dibromo-2-pyron에 적용하여, lycopladine A의 합성을 완성하였으며, 최근 platensimycin의 합성에도 성공적으로 적용하여, 현재 합성단계의 최적화 연구를 수행하고 있다.
질소가 포함된 3각 고리 화합물인 아지리딘의 독특한 반응성을 지속적으로 연구해온 하현준 교수팀은 카이랄 보조물이 부착된 아지리딘을 용이하게 구축하고 입체선택적 고리열림 반응 및 간단한 일련의 반응을 통하여 유용한 생리활성을 지닌 물질에 손쉽게 접근하는 합성법 개발 연구를 지속적으로 추진 중이다. 최근 항경련제 라코사마이드와 유도체를 아지리딘 고리열림 반응과 후속 반응으로 합성하였고 아지리딘 화학 연구를 5각 질소고리에 확장하여 N-알킬피롤리딘 화합물도 N-탈알킬화 반응을 통하여 고리 열림이 가능함을 보였고 반응경로와 메커니즘을 계산 결과로 뒷받침하였다. 아지리딘 화학 연구 경험을 바탕으로 활성화 과정의 핵심 중간체인 아지리디늄 이온 및 연쇄적으로 부착된 아지리딘 화합물의 합성과 응용을 조망하는 총설을 발표하였다.
David Chen 교수 연구팀은 다양한 알칼로이드 계열 천연물의 분자골격 구축에 전례 없는 접근법을 활용하여 actinophylic acid, dendrobine, morphinans, strychnine, communesin F 및 동류 천연물 들의 전합성을 완결하였다. 최근 대칭성을 지닌 중간체의 비대칭화 과정을 전합성의 핵심단계에 접목시 켜 전합성의 효율을 획기적으로 높이는 독창적 합성전략을 개발하였고 oxycodone, reserpine, quinine, quinidine, houamine A 등 학문적으로 중요한 위상을 지닌 천연물의 전합성을 성공적으로 완수하는 성과를 거두었으며 zaragozic acid A 와 같이 고도로 복잡한 산소 작용기를 지닌 천연물 타겟까지 전합성 연구 대상을 확장하고 있다.
이철범 교수 연구팀은 항알츠하이머 생리활성을 지닌 식물유래 천연물 garsubellin A 전합성 연구를 지속적으로 수행하여 최근 완결하였다. 기존 라세미 전합성과는 달리 보호기를 사용하지 않는 간결한 비대칭 합성경로를 개발하여 최초로 순수한 거울상 이성질체 형태로 합성함으로써 생리활성 연구의 발판을 마련하였다.
천철홍 교수 연구팀은 시안화 음이온을 촉매로 이용한 이미노-스테터 반응을 이용한 생리활성을 띠는 인돌계 화합물의 전합성에 관한 연구를 지속적으로 수행하였다. 이미노-스테터 반응을 통해서 인돌 중간체를 손쉽게 확보한 이후 인돌계 천연물인 antirhine, hinckdentine A와 iheyamine B의 전합성법을 개발하였다. 뿐만 아니라, 난소암 및 전립선암 치료제인 rucaparib의 효율적인 합성 경로를 개발하였다. 이미노-스테터 반응의 개념을 확장하고자하는 연구를 진행하였으며, N-benzyl-2-aminocinnamic acid 유도체를 염기성 조건에서 벤질 위치에 음이온을 형성한 후 고리화 반응을 통해서 인돌린 화합물의 신규합성법 개발과 aza-신남산 유도체와 알데히드 사이의 이미노-스테터 반응을 통한 aza-인돌 화합물의 신규합성법도 개발 하였다.
Project 2. 고효율·고선택적 유기반응 개발 연구
제2그룹은 간단한 물질로부터 복잡성을 가진 분자를 높은 효율성과 선택성으로 합성하는 유기반응 개발을 목표로 새로운 반응성 탐구를 중점적으로 수행 중이다. 신승훈 교수(한양대), 윤소원 교수(한양대), 오창호 교수(한양대), 박철민 교수(UNIST)가 제2그룹의 멤버이며, 파이 시스템을 지닌 간단한 반응물이 분자 복잡도가 높은 고리구조를 지닌 생성물로 단숨에 변환되는 새로운 고리화 촉매반응을 개발하기 위한 연구가 진행 중이다. 신승훈 교수 연구팀은 알카인 기능화 반응 개발 연구의 일환으로 아인아마이드로부터 아마이드 카보닐의 알파 위치에 친전자체를 만들어내는 극성반전 반응을 개발하였고 반응이 SN2’경로로 진행됨을 밝혔다. 또한 아인아마이드 화합물이 산촉매 할로겐화 반응을 통해 클로로엔아마이드가 형성되고 브뢴스테드 산의 산성 도가 케텐이미늄의 화학선택성에 끼치는 영향을 규명하였다. 브뢴스테드 산을 활용한 활성화 연구는 최근 N-아실옥시 인돌에 적용되어 친핵체가 인돌 고리에 도입되는 극성반전 반응의 개발로 확장되었고 여기에서 발전하여 반응의 시발점이 되는 질소-산소 결합의 분해가 이온성 메커니즘 뿐만 아니라 전이금속 및 가시 광촉매가 매개하는 다양한 경로를 통하여 진행될 수 있으며 거울상선택적 반응으로의 개발 가능성을 열었다.
윤소원 교수 연구팀은 다양한 금속 촉매나 N-헤테로고리 카빈 유기 촉매를 이용하여 탄소-수소 결합 활성화 또는 다중 결합 활성화를 거쳐 위치 선택적으로 새로운 탄소-탄소 및 탄소-헤테로원자 결합이 형성되는 여러가지 고리화 반응을 개발하였다. 이를 통해 인돌, 카바졸, 파이롤, 피라졸, 아이소인돌리논, 옥사졸리딘, 프탈라이드 등의 5각 헤테로고리와 퀴놀린, 쿠마린, 아이소쿠마린 등의 6각 헤테로고리를 높은 선택성과 수율로 합성할 수 있었다. 연속적 다결합 형성을 위한 새로운 한단계 촉매 반응 개발에 대한 지속적인 연구를 수행하여 기존의 합성법으로는 구축하기 어려운 신규 헤테로고리 골격 합성은 물론, 효율성과 선택성이 극대화된 새로운 반응 개발과 그에 대한 메커니즘 연구를 수행하고 있다.
오창호 교수 연구팀은 알카인과 금으로부터 유래하는 착화합물의 특이 반응성을 활용하여 일련의 촉매반 응을 개발하고 반응 메커니즘 연구를 수행하였다. 최근 프로파질 에스테르 화합물이 금촉매의 작용을 통하여 벤젠고리로 변환되는 고리이성질화 반응의 메커니즘을 X-선 분석 데이터를 기반으로 재조명하였다. 금 촉매를 활용한 알카인 활성화 전략은 알카인, 알켄, 카보닐 작용기의 적절한 조합을 통하여 다양한 고리이 성질화 반응으로 개발될 수 있으며 다른 방법으로 구축하기 어려운 다중고리 구조를 쉽게 형성할 수 있음 을 보여주는 연구가 계속되고 있다.
project 3. 친환경 유기반응 및 촉매 개발 연구
제3그룹은 지속가능한 원료물질과 에너지원을 사용하여 부산물을 최소화하는 친환경 유기반응을 연구하고 유기합성 분야 뿐만 아니라 태양광 촉매, 친환경 고분자화 촉매 등 공업적으로 적용이 가능한 재사용 촉매의 개발을 목표로 연구를 수행 중이다. 홍순혁 교수(KAIST), 김현우 교수(KAIST), 조은진 교수(중앙대), 유은정 교수(경희대)가 제3그룹의 멤버이며 가시광촉매, 전기화학 및 입체선택적 고분자화 반응 개발 연구가 활발히 진행 중이다.
홍순혁 교수 연구팀은 전이금속 촉매 및 광촉매를 활용, 단전자 및 이전자 메커니즘 기반 반응 전략으로, 비 활성화된 탄소-수소 결합의 작용기화 연구를 진행, 일반적인 C-H 결합을 C-C(acyl), C-CN, C-CF3, C-N, C-S 등 작용기가 도입된 기능성 결합으로 변환시키는, 다양한 합성 방법들을 개발하였다. 또한, 분자적 구조 설계를 통해, 고리화 화합물의 고리스트레인 에너지를 증가시켜, 난제였던 사이클로헥센 유도체의 고리열림 이중결합복분해 반응을 수행하여, 화학적 재활용이 가능한 산소차단 기능성 고분자 소재를 개발하였다.
조은진 교수 연구팀은 가시광선에 의해 유도되는 유기반응 개발 연구를 지속적으로 수행하여 별도의 감광제를 사용하지 않고 온화한 반응 조건에서 2,2’-다이아미노아릴에서 카바졸 유도체를 형성하는 반응을 개발하였다. 이러한 친환경 반응은 다양한 형태의 불소화알킬 그룹을 방향족 및 알켄 파이 결합에 도입하는 합성법으로 활용될 수 있음을 보였고, 광화학적 조건에서 일어나는 1,2,4-옥사다이아졸린의 반응이 전기화 학적 방법을 사용할 경우 상이한 경로를 통하여 진행됨을 밝히고 퀴나졸린 합성법으로 개발하였다. 가시광 선 광촉매반응과 전기화학반응을 접목하여 고전적 방법으로는 활용하기 힘든 라디칼 짝지음 반응을 트라이 플루오로알킬화 3차 알코올을 합성법으로 발전시켰다.
핵자기공명 분광법을 이용한 광학 순도 측정 방법을 중점적으로 수행해온 김현우 교수 연구팀은 최근 카이랄 산촉매로 널리 사용되는 유기인산의 광학순도를 정량적으로 분석할 수 있는 코발트 착화합물을 개발하였다. 또한 전이금속 착화합물의 디자인, 합성 및 응용 연구를 확장하여 라세미 락타이드로부터 입체선 택적으로 헤테로택틱 폴리락타이드를 합성하는 타이타늄 기반 촉매 시스템을 개발하고 반응성과 선택성을 최대화하는 최적 구조를 도출하였다.
유은정 교수 연구팀은 다양한 헤테로고리 화합물의 합성이 가능한 친환경 고리화첨가 반응을 개발하고있다. 탈방향족성 고리화 반응 개발에 경험을 바탕으로, 비대칭 고리화반응 및 고리-재구성 반응 연구를 차례 로 발표하였다. 약리활성이 예상되는 다양한 카이랄 고리 화합물를 확보해 바이오 응용 연구도 수행하고 있 으며, 비활성 방향족 화합물의 비대칭 작용기화 반응 개발에도 관심을 갖고 있다.
한양대학교
차세대유기합성연구센터(CNOS)
조천규 교수는 한양대학교 공업화학과를 졸업한 후 미국 존스홉킨스대학에서 박사 학위를 취득했으며, 미국 매사추세츠공과대학에서 박사 후 연구원을 지냈다. 1997년 한양대학교 화학과에 부임한 후 천연물 전합성 및 유기반응 개발에 대한 연구에 매진하고 있다. 대한화학회에서 수여하는 ‘장세희 학술상(2008년)’, ‘시그마 알드리치 상 (2014년)’, ‘헵스켐 한만정 학술상(2017년)’, 한국유기합성학회에서 수여하는‘학술상(2016년)’, 한양대학교에서 수여하는 ‘HYU 학술상(2017년)’ 그리고 한국유기합성학회의 ‘이남순 학술대상(2023년)’을 각각 수상하였으며, 2014년과 2015년에각 각‘Organic Synthesis Lectureship’과 ‘Asian Core Program Lectureship’의 수상자로 선정되었다.『Organic Letters』의 Editorial Advisory Board Member와『BKCS』의 Associate Editor로 활동하였으며, 대한화학회 유기분과회 회장과 한국유기합성학회 회장을 각각 역임하였다.
조천규 센터장
한양대학교 화학과 교수