새로운 붕소 뭉치화합물 합성-붕소 중성자 포획치료 물질 합성에 이용 기대
등록일 2020.06.11.
새로운 붕소 뭉치화합물 합성
붕소 중성자 포획치료 물질 합성에 이용 기대
□ 한국연구재단(이사장 노정혜)은 이필호 교수(강원대학교 화학과) 연구팀이 새로운 붕소 뭉치화합물의 합성법을 개발했다고 밝혔다.
□ 붕소로 이뤄진 포도송이 같은 뭉치화합물은 화학적으로 안정하고 생체 내에서 분해되지 않으며 독성이 낮고, 중성자를 흡수할 수 있는 능력이 크다.
○ 이 화합물들은 주로 의약, 재료, 및 초분자 화학 분야에 사용된다. 따라서 붕소 뭉치화합물에 선택적으로 치환체를 도입하는 합성법 개발은 매우 중요하나 현재 기술로는 한계가 있다.
□ 탄소, 붕소, 수소로 이루어진 대표적 뭉치화합물 카보레인은 화학적, 생물학적, 열적으로 안정하며 독성이 낮은 특징을 지녀 의약 및 재료화학 분야뿐만 아니라 리간드, 초분자 등으로 많이 이용되며, 붕소 중성자 포획치료에도 사용된다.
※ 붕소 중성자 포획치료(BNCT, boron neutron capture therapy) : 중성자 포획치료는 붕소 등 중성자를 흡수하는 약물을 인체 암 부위에 주입하고 이곳에 중성자를 쪼여 이들 원소와 중성자 간 핵반응을 일으킬 때 나오는 강력한 에너지로, 암세포 사멸을 유도해 치료하는 방사선치료의 한 분야이다.
□ 특히 20면체 구조인 카보레인의 12개 꼭지점에 탄소 및 헤테로고리와 같은 유용한 치환체를 선택적으로 도입하는 연구가 활발하다.
○ 지금까지는 사슬 형태나 간단한 치환체들이 주로 도입되었으나 고리 형태나 공액계 파이 전자계를 선택적으로 도입하는 방법은 합성이 어려웠다.
※ 공액계 파이 전자계 : 유기 화합물에서 이중결합과 단일결합이 번갈아 가며 나타나는 상태로 전자가 특정 결합에 치우치지 않고 퍼져 있음.
□ 연구팀은 이리듐 촉매를 사용해 카보레인 뭉치화합물 4번 위치에 선택적으로 5각 고리와 공액계 파이 전자계의 도입 방법을 개발하였다.
○ 개발한 반응은 카보레인 뭉치화합물의 4번 붕소-수소 결합을 선택적으로 활성화했고, 5각 고리와 공액계 파이 전자계를 선택적으로 도입, 이를 연속반응으로 수행했고 신규 뭉치화합물을 합성했다는 점에서 의미가 있다.
□ 지금까지 합성이 불가능했던 카보레인 골격에 5각 고리와 공액계 파이 전자계를 선택적으로 도입이 가능해져 향후 의약 및 재료화학과 리간드, 초분자 합성과 붕소 중성자 포획치료에 응용될 수 있을 것으로 기대된다.
□ 과학기술정보통신부·한국연구재단 리더연구지원사업의 지원으로 수행된 이번 연구성과는 화학분야 국제학술지 ‘미국화학회지 (Journal of the American Chemical Society)’에 6월 3일 게재되었다.
주요내용 설명
<작성자 : 강원대학교 이필호>
키워드
붕소 뭉치화합물, 촉매반응, 5각 고리 및 공액계 파이 전자계
논문명
Iridium-Catalyzed Cyclative Indenylation and Dienylation through Sequential B(4)−C Bond Formation, Cyclization, and Elimination from o-Carboranes and Propargyl Alcohols
저널명
미국화학회지
저 자
이필호 교수(교신저자/강원대학교), 백용현 박사(제1저자/강원대학교), 정기운 (제1저자, 강원대학교)
< 연구의 주요내용 >
1. 연구의 필요성
○ 카보레인은 탄소, 붕소, 수소로 이루어진 일종의 뭉치화합물로 벤젠의 3차원 구조로 인식되고 있다. 이 화합물은 의약 및 재료화학 분야에서 많이 이용되고 있다. 또한, 리간드, 초분자 등 다양한 분야에서 활용되며 특히, 붕소 중성자 포획치료에도 사용되고 있다.
※ 붕소 뭉치화합물 (Boron cluster) : 붕소로 이루어진 포도송이와 같은 화합물
○ 따라서, 카보레인의 12개 꼭지점에 유용한 치환체를 선택적으로 도입 하는 연구는 매우 중요하며 도전적인 과제이다. 지금까지 카보레인 골격에 다양한 치환체들이 붕소-수소 활성화 반응을 통해 도입되었다. 그러나, 고리화 반응이 일어나거나 공액계 파이 전자계를 선택적으로 도입하는 경우는 없다.
2. 연구내용
○ 연구진들은 이리듐 촉매를 사용하여 카보레인 산과 프로파질 알코올을 반응시킬 경우 전자나 용매효과에 의해서 물과 이산화탄소가 제거되면서 붕소 4번 위치에서 5각 고리와 공액계 파이 전자계가 선택적으로 도입된다는 사실을 발견하였다.
○ 개발한 반응은 카보레인의 4번 붕소-수소 결합을 선택적으로 활성화했고, 5각 고리와 공액계 파이 전자계를 붕소 4번 위치에 선택적으로 도입했으며, 이를 연속반응으로 수행했고 신규한 붕소 뭉치화합물을 합성했다는 점에서 의미가 있다.
3. 연구성과/기대효과
○ 이 연구는 지금까지 합성이 불가능했던 카보레인 골격에 5각 고리와 공액계 파이 전자계를 붕소 4번 위치에 선택적으로 도입하는 방법으로 의약 및 재료화학과 리간드, 초분자 등 다양한 분야에서 활용될 수 있으며 특히, 붕소 중성자 포획치료에 이용될 수 있다.
그림 설명
(그림1) 카보레인의 4번 붕소-수소 결합을 선택적으로 활성화했고, 5각 고리와 공액계 파이 전자계를 4번 위치에 선택적으로 도입했으며, 이를 연속반응으로 수행했고 신규한 붕소 뭉치화합물을 합성했다는 점에서 의미가 있다.
출처 : 강원대학교 이필호 교수
(그림2) 카보레인의 4번 붕소에 5각 고리와 공액계 파이 전자계가 도입된 붕소 뭉치화합물 구조
출처 : 강원대학교 이필호 교수
연구 이야기
<작성자 : 강원대학교 이필호>
□ 연구를 시작한 계기나 배경은?
리더연구자지원사업을 수행하면서 탄소-수소 활성화 분야를 연구하였으나 경쟁이 치열하여 이 분야에서 쌓은 경험을 가지고 새롭게 떠오르는 블루 오션인이라 생각하는 붕소-수소 활성화 반응연구에 뛰어들었다. 또한, 개인적으로 새로운 학문 분야를 개척하고 도전하고 싶었다.
□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?
붕소 뭉치화합물에 대한 연구 경험이 전무한 상태에서 새로운 과제를 시작하여 애로 사항이 많았으나 새로운 연구 분야를 개척하고 싶은 학문적 열정으로 극복하였다.
□ 이번 성과, 무엇이 다른가?
이번 성과는 고리화반응이 일어나며 선택적으로 5각 고리와 공액계 파이 전자계를 붕소 뭉치화합물에 도입하는 경우이며 선례가 없기 때문에 차별성이 있다.
□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?
최근 새로운 항암치료법으로 떠오르는 붕소 중성자 포획치료에 향후 이용될 수 있길 기대한다. 이를 위해서는 더 선택적이며 다양한 붕소 뭉치화합물이 합성되어야한다.
□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은?
최근 새롭게 떠오르는 연구분야인 붕소-수소 활성화 분야에서 신규한 붕소 뭉치화합물의 합성법을 개발하며 이를 통해 새로운 학문 영역을 구축하고 싶다.