d라이브러리

2021년 노벨 화학상은 비대칭 유기촉매를 발견하고 개발한 두 명의 과학자에게 돌아갔어요. 촉매란 무엇일까요? 그것이 우리에게 왜 필요한 걸까요?

더욱 빠르게! 촉매만 있다면 문제없어요
올해 노벨 화학상의 키워드는 ‘비대칭 유기촉매’예요. 촉매란 화학 반응 속도를 빠르게 변화시키며, 자기 자신은 변하지 않는 물질이에요. 이런 특성 덕분에 촉매는 셀 수 없이 많은 화학 반응에서 사용되고 있어요. 2021년 이전까지 촉매 연구에 준 받은 노벨 화학상만 8개에 달할 정도죠.

독일 막스플랑크 연구소 베냐민 리스트 교수와 미국 프린스턴대학교 화학과 데이비드 맥밀런 교수의 수상 공로로 인정된 비대칭 유기촉매란 무엇일까요? 양 손바닥을 펼쳐 보세요. 서로 닮았지만 둘은 거울에 비친 모습이라 똑같지 않아요. 화학에서는 이런 형태의 화합물을 ‘비대칭 화합물’이라고 해요.

우리 삶 속에는 비대칭 화합물이 많아요. 단백질, 탄수화물 등 우리 몸의 신진대사에 관여하는 물질 대부분이 비대칭 화합물이에요. 예를 들어 탄수화물이 분해되면 단맛이 나는 포도당이 되지만, 이것의 비대칭 구조는 단맛이 나지 않으며 소화조차 되지 않아요. 또한 몸에서 일어나는 여러 반응뿐만 아니라 의약품, 식품 첨가제, 향수와 같은 화학 제품에도 비대칭 화합물이 필요해요. 이렇게 중요한 비대칭 화합물을 만들기 위해선 구조가 비대칭인 촉매가 필요해요. 그래서 많은 화학자들이 여러 가지 비대칭 촉매를 만들기 위해 노력해왔답니다.

촉매가 뚫어주는 터널로 빠르게 반응하자!

촉매는 화학 반응에 필요한 에너지를 줄여 화학 반응 속도를 조절한다. 예를 들어 평소 산을 넘어서 가야 하는 목적지가 있다면, 촉매는 목적지까지 터널을 뚫어 빠르게 갈 수 있는 것이라고 볼 수 있다. 이 덕분에 같은 상태에서도 화학 반응 속도가 다르다.

유기촉매, 그 위대한 탄생!
비대칭 화학 반응에 쓰이는 촉매로는 ‘유기금속촉매’, ‘효소’, ‘유기촉매’ 등이 있어요. 이 중에서 효소는 화학 반응에 필요한 분자를 식별하는 능력이 굉장히 뛰어나요. 우리 삶에 필요한 화학 제품을 만들기 위해선 효소의 능력을 닮은 촉매가 필요하죠. 하지만 효소는 구조가 복잡하고, 몸 밖에선 불안정해 금방 분해돼 만들기 어렵다는 문제가 있어요. 1990년대 효소를 연구하던 리스트 교수는 ‘효소의 구성성분인 아미노산 자체를 촉매처럼 쓸 수 있을까?’라는 호기심이 생겼어요. 그래서 그는 기존 아미노산 연구 자료를 조사하던 중 ‘프롤린’이라는 아미노산이 비대칭 화학 반응에 참여한다는 기록을 찾았고, 이후 촉매로도 쓸 수 있다는 사실을 발견했죠.

유기금속촉매는 만들기 쉽다는 장점이 있어요. 다만 이를 이용해 화학 약품을 만들면, 촉매의 금속 성분이 그 약품 안에 남게 돼요. 금속은 몸속으로 들어가면 부작용을 일으킬 가능성이 있어요. 가격도 비싸고요. 맥밀런 교수는 이런 문제가 있는 유기금속촉매 대신 값싼 유기물을 사용해 새로운 촉매를 만들고 ‘유기촉매’라 이름 붙였어요. 이런 특성 덕분에 유기촉매는 다양한 분야에서 사용하고 있답니다.