오늘은 2005년의 노벨상인 물리학상과 생리의학상을 소개한대 이어 화학상의 수상 이유를 소개하려고 한다. 2005년의 노벨 화학상(The Nobel Prize in Chemistry)은 프랑스 Institut Francais du Petrole Rueil-Malmaison의 쇼뱅(Yves Chauvin, 1930-) 교수, 미국 California Institute of Technology(Caltech)의 그럽스(Robert H. Grubbs, 1942-) 교수, 그리고 미국 Massachusetts Institute of Technology(MIT)의 슈록(Richard R. Schrock, 1945-) 교수가 고분자 유기화합물(유기합성)에서의 복분해(複分解, 상호교환반응, metathesis, double decomposition) 발견 및 이를 위한 촉매 개발 및 발전의 공로(for the development of the metathesis method in organic synthesis)로 수상했다. 쇼뱅은 금속착물촉매에 의한 복분해 작용을 설명했고 슈록은 처음으로 촉매를 개발해 냈으며 그럽스가 이를 발전시켰다. 이들의 연구업적은 앞으로 인간과 지구를 위협할 수 있는 위험한 폐기물을 줄이는 '그린화학'을 위한 큰 걸음에 발판을 마련했고, 알츠하이머병, 다운증후군 등 현대 의학으로는 해결하기 힘든 치료제 개발을 위한 신물질 개척에 앞장을 서게 했으며, 이 밖에도 휘는 성질이 크지만 절대로 깨지지 않는 고분자 플라스틱 등 지금까지 나오지 않은 전혀 새로운 물질 개발에도 활용되고 있다(아래 사진 제공 : 노벨상 선정 위원회).
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[목차]

1. 화학 결합의 법칙
2. 복분해(metathesis, double decomposition)란? 프랑스 쇼뱅 교수의 업적, 신소재 공학에 영향
3. 금속촉매의 발견 및 개발, 그럽스 교수와 슈록 교수의 업적
4. 노벨화학상 수장자들의 실용화 업적 및 향후 기대
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1. 화학 결합의 법칙

약물과 수용체와의 결합 - 약물이 고유의 작용을 나타내자면 약물은 조직 세포의 수용체와 결합하여야 한다. 그러기 위하여는 약물과 수용체 사이에 서로 끌어 당길 힘이 있어야 함은 물론 일련의 효과가 나타날 수 있을 만큼 그 결합이 일정시간 동안 지속하여야 한다. 이러한 결합력은 화학적 결합력으로서 다음의 네 가지가 있다.

(1) 공유 결합(Covalent bond)：두 원자 사이에 서로 전자쌍을 공유함으로써 결합하는 것이다. 이 결합은 약물-수용체 결합 중 가장 강하여(100 Kcal/mole) 불가역적인 약물-수용체의 복합체 상태가 지속된다. 공유 결합에서 공유하고 있는 전자는 보통 두 원자에서 각각 한 개씩 공급한다. 그러나 때로는 공유 전자중 어느 한쪽의 원자에서만 공급되는 경우도 있다. 이것을 특히 배위 공유 결합(coordinated covalent bond)이라고 하고 원자가 전자 2개를 공유하는 것을 단일결합이라고 하고 전자 4개를 공유하는 것을 이중결합(double bonds)이라고 한다.
(2) 이온 결합(Ionic bond)：서로 상반된 전하를 가진 양이온과 음이온 사이에 정전기적 인력(coulombic force)에 의하여 결합되는 것으로서 많은 이온 상태의 약물이 수용체와 이온 결합을 한다. 이 결합력은 비교적 강하여 5 Kcal/mole 이다.
(3) 수소 결합(Hydrogen bond)：수소 원자가 산소 또는 질소와 같이 전기 음성도가 강한 원자로부터 전자쌍을 받아 결합하는 것으로서 수소 원자를 중심으로 하여 양쪽으로 동시에 결합이 형성되게 된다. 즉 X-H:Y(H는 수소, X는 수소와 정상 결합한 원소, Y는 전기 음성도가 큰 원소)로서 결합력은 약 3 Kcal/mole이다.
(4) 반데왈스 결합(Van der Waals bond 또는 dipole-induced dipole bond)：두 원자가 접근되었을 때 각 원자의 핵을 둘러싸고 있는 전자 구름에 변동이 생김으로 약하나마 정전기적 인력이 생겨서 두 원자가 결합되는 것이다. 그러나 그 결합력은 비교적 약하여 0.5 Kcal/mole에 불과하다.

2. 복분해(metathesis, double decomposition)란? 프랑스 쇼뱅 교수의 업적, 신소재 공학에 영향

쇼뱅 박사는 1970년대에 유기물의 일부 분자가 어떻게 금속 촉매에 의해 치환되는지 그 기전(메커니즘)인 복분해(複分解, 상호교환반응, metathesis, double decomposition)를 세계 처음으로 규명한 공로를 인정받았다. 복분해란 두 종류의 화합물이 반응할 때 성분이 교환돼 새로운 두 종류의 화합물이 생기는 반응이다. 이 세상에 존재하는 모든 물질은 원자와 원자가 전자를 공유하는 공유결합(Covalent bond)으로 이뤄져 있다. 이 중 원자가 전자 2개를 공유하는 것을 단일결합이라고 하고 전자 4개를 공유하는 것을 이중결합이라고 한다.

놀라운 사실은 어떻게 보면 단순하기 이를 데 없는 물질의 구성형태가 조금만 바뀌면 물질 성질이 크게 바뀔 수 있다는 것이다. 구조가 조금만 바뀌면 주위에서 흔히 볼 수 있는 물질들이 억만금을 주고도 사기 힘든 값비싼 새로운 물질로 바뀐다. 그러나 왜 이 같은 현상이 일어나는지는 이전까지 밝혀지지 않았다. 왜 쓸모없는 광물질이 값비싼 화학물질로 바뀌는지? 어떻게 하면 이 같은 현상을 인간이 인위적으로 만들 수 있을지? 쇼뱅 교수는 이 같은 점에 착안했다.

'왜'라는 기초적인 질문에 근거해 당시까지 인간의 힘으로는 밝혀낼 수 없었던 미지의 영역에 도전하게 된다. 수많은 시행착오를 거듭한 끝에 그는 '금속'에서 해답을 얻는다. 이중결합으로 이뤄진 물질에 금속물질이 촉매제로 개입하게 되면 원자와 전자간 결합형태가 다양하게 바뀌게 된다. 그는 이 같은 사실을 밝혀내고 금속촉매로 물질 구성형태가 바뀌는 것을 '상호교환반응'이라 명명했다. 쇼뱅 교수의 이 같은 발견은 자연계 물질에 인위적인 힘을 가해 전혀 새로운 물질을 만들어 내는 '신소재 공학' 분야에 큰 영향을 미치게 된다.
[쇼뱅의 이론은 짝을 바꿔 춤을 추는 댄스 파티에 비유할 수 있다. 그림 첫번째처럼 탄소가 이중 결합돼 있는 화합물팀과 촉매로 구성돼 있는 팀이(검은 머리카락 부분) 한 무대에서 춤을 추게 되면 그림 가운데처럼 한꺼번에 결합하게 된다. 그러다 조금 지나면 각각의 팀은 처음의 파트너를 버리고 새로운 파트너와 결합, 모두 완전히 새로운 화합물이 된다(그림 마지막).]

복분해(metathesis)란 화학에서의 가장 중요한 상호반응(reactions) 중 하나이다. 이 복분해로 다양한 종류의 분자들이 만들어진다. 이 분자들을 빌딩블록하면 또 다른 분자물질들을 만들 수 있다. 모든 유미 물질(organic substances)들은 기본적인 탄소(carbon)를 포함하고 있다. 이 탄소 원자들은 긴 체인이나 원을 형성하고 수소나 산소같은 다른 원자들과 결합한다. 지구상에 존재하는 모든 생물체들은 바로 이 같은 탄소 화합물(carbon compunds)로 이루어져 있다. 그렇지만 이들을 잘 조절하면 인위적으로 다른 유리 조합물을 만들 수 잇는 것이다.

복분해란 한 마디로 장소를 바꾼다(change-places)는 뜻이다. 복분해 상호교환작용(metathesis reactions)에서는 이중결합(double bonds)이 깨지고(broken) 다른 원자 그룹과 결합하게 된다. 이는 바로 특별한 촉매 분자(catalyst molecules)들에 의해 가능하다. 즉 댄스 파트너를 바꾼다는 뜻이다(Metathesis - a change-your-partners dance).
[쇼뱅의 복분해 과정(Chauvins' mechanism) 그림 1 - 검은 머리 카락을 가진 가운데 분자는 촉매 역할의 이중 결합 분자(catalyst pair = black hair = catalyst)로 주위에 다른 이중 결합 분자 물질(alkene pair)들이 돌면서 춤을 추고 있다. 사진 : 노벨상 선정위원회]
[쇼뱅의 복분해 과정(Chauvins' mechanism) 그림 2 - 검은 머리 카락을 가진 가운데 분자는 촉매 역할의 이중 결합 분자(catalyst pair = black hair = catalyst)로 주위에 돌던 다른 이중 결합 분자 물질(alkene pair) 중 하나를 파트너로 선정한다. 사진 : 노벨상 선정위원회]
[쇼뱅의 복분해 과정(Chauvins' mechanism) 그림 3 - 그 다음 상호교환작용인 한꺼번에 춤을 추게 된다. 사진 : 노벨상 선정위원회]
[쇼뱅의 복분해 과정(Chauvins' mechanism) 그림 4 - 그러다 조금 지나면 각각의 팀은 처음의 파트너를 버리고 새로운 파트너와 결합, 모두 완전히 새로운 화합물이 된다. 사진 : 노벨상 선정위원회]

석유화합물 등 유기물의 분자 일부를 치환하는 것은 대단히 어렵다. 각 분자가 서로 단단하게 연결돼 있기 때문이다. 그러나 어떤 특별한 기능을 할 수 있도록 하기 위해서는 그 분자 중 일부를 바꿔야 한다. 쇼뱅 박사는 그 분자를 바꾸는 방법과 경로를 밝혀낸 것이다. 레고블록처럼 조립된 유기 분자 중 한두 개를 새로운 분자로 바꿔치기 하는 식이다. 그러면 유기물의 성질이 완전히 바뀌어 새로운 물질이 된다. 예컨대 항암 기능이 없던 물질도 그 분자 한두 개를 바꿔줌으로써 암 세포를 죽이는 능력을 갖게 되는 것이다.

3. 금속촉매의 발견 및 개발, 그럽스 교수와 슈록 교수의 업적

그럽스 교수와 슈록 교수는 각각 이 같은 쇼뱅 교수 연구결과를 토대로 실제로 새로운 물질을 만드는 데 촉매로 쓸 수 있는 금속촉매를 만들어냈다. 슈록 교수가 1990년에 몰리브덴(Mo), 그럽스 교수가 1992년 루세늄(Ru)이 포함된 금속착물촉매를 각각 만드는 데 성공했다. 이들은 금속의 고유한 원자에 유기 화합물 분자를 부착해 촉매를 개발했다. 쇼뱅 교수의 기본적인 이론을 바탕으로 슈록 교수와 그럽스 교수가 실제로 활용할 수 있는 발명을 해 낸 것이다.

그럽스와 슈록 교수는 상용 가능한 촉매를 개발해 유기 화합물 산업이 꽃을 피우는 데 결정적인 역할을 했다. 촉매는 물질의 화학반응을 대단히 빠르게 일어나게 한다. 촉매가 없을 때는 그런 반응이 거의 일어나지 않기도 한다. 그럽스와 슈록 교수가 몰리브덴과 루세늄 계열의 촉매를 개발하기 전에는 촉매가 상온에서 불안정해 상용화하기 어려웠다.

4. 노벨화학상 수장자들의 실용화 업적 및 향후 기대

이들의 이 같은 발명은 이후 암과 에이즈 치료제 개발에 기반이론으로 작용하고 있으며 알츠하이머병, 다운증후군 등 현대 의학으로는 해결하기 힘든 치료제 개발을 위한 신물질 개척에 앞장을 서고 있다. 이 밖에도 휘는 성질이 크지만 절대로 깨지지 않는 고분자 플라스틱 등 지금까지 나오지 않은 전혀 새로운 물질 개발에도 활용되고 있다. 즉 고분자 유기화학 발전을 견인하고 현대 유기 화합물 분야에선 이들의 연구 성과가 안 쓰이는 곳이 거의 없을 정도다.

이들의 발견이 더욱 가치를 인정받고 있는 것은 이른바 '친환경적인 방법으로 새로운 물질을 개발할 수 있다'는 것이다. 신물질을 개발하는 데는 많은 비용과 노력이 들지만 환경에 미치는 영향도 무시할 수 없다. 신소개 개발 연구를 하다 보면 자연에 유해를 미칠 수 있는 여러 부산물이 나올 수 있다. 그러나 이들의 발견은 금속물질이라는 자연계에 존재하는 촉매를 활용해 새로운 물질을 개발할 수 있게 했다.

스웨덴 왕립과학원은 노벨화학상 수상자로 이들을 공식 발표하면서 "쇼뱅은 금속착물촉매에 의한 복분해 작용을 설명했고 슈록은 처음으로 촉매를 개발해 냈으며 그럽스가 이를 발전시켰다"고 선정이유를 밝혔다. 과학원은 이어 "이들의 연구업적은 앞으로 인간과 지구를 위협할 수 있는 위험한 폐기물을 줄이는 '그린화학'을 위한 큰 걸음이다.

중앙대 화학과 함승욱 교수는 "유기물 분자의 상호 교환반응은 제약이나 화학공업 외에도 곤충의 호르몬인 페로몬 합성에도 이용되고 있다"고 말했다. 소나무 에이즈로 불리는 재선충의 경우 잠을 자게 하는 페로몬을 합성해 뿌려주면 계속 잠에서 깨어나지 못하게 할 수 있다. 또 작물의 해충을 유인하는 페로몬을 개발해 해충을 모아 죽이는 데 이용할 수 있다.

이들의 업적이 난치병 정복 등 인류와 사회, 환경 이익에 얼마나 중요하게 적용될 수 있을지 기대된다" 고 덧붙였다. 이들 세 사람은 오는 12월 10일 스웨덴 스톡홀름에서 열리는 시상식에서 노벨 상 메달과 함께 상금 1000만 크로네(약 13억5000만원)를 3분의 1씩 나눠 갖게 된다.

[참고]

[Nobelprize.org- The Nobel Prize in Chemistry 2005 - Animation]

[소스]

[Nobelprize.org-The Nobel Prize in Chemistry 2005(05/Oct/2005)]
[중앙일보-노벨화학상 미국 그럽스·슈록, 프랑스 쇼뱅 수상, 유기물의 분자 바꾸는 방법 개발, 항암제·플라스틱 소재산업에 기여(06/Oct/2005)]
[중앙일보-美 로버트 그럽스 등 3인 노벨화학상 수상(06/Oct/2005)]
[매일경제-[커버스토리] 친환경 화학ㆍ난치병 치료'큰걸음'(13/Oct/2005)]