김원석 교수팀, 아라인 화학의 신개념 반응 연구 <Advanced Science> 게재
김원석 교수
화학·나노과학전공
아미도벤자인 전구체를 이용한 위치 선택적 아릴화 반응
벤자인 전구체의 Pd/Ag 바이메탈릭 커플링 적용 가능성 검증
화학·나노과학전공 김원석 교수 연구팀은 아미도벤자인(amidobenzyne) 전구체와 플루오르화은(AgF)를 활용해 세계 최초로 헤테로아릴 실버 중간체를 형성하고, 이를 팔라듐 촉매 교차 커플링 반응에 적용하여 아라인 화학(Aryne chemistry)의 범위를 확장하는 새로운 기회를 열었다.
아라인 화학(Aryne chemistry)은 벤젠 고리에 삼중 결합 알카인(alkyne)이 도입된 형태의 화합물을 다루는 화학 분야다. 아라인 화합물은 고에너지 상태에 반응성이 높아 다양한 화합물을 합성할 수 있으며, 산업적으로 의약품 합성, 소재 과학, 나노물질 합성, 전자 소자 등 새로운 기술 및 제품을 개발하는 데 활용될 수 있다.
그동안 유기합성 연구에서 아라인 화학은 고에너지 상태라는 특성으로 인해 중간체의 포획이 어려워 친핵첨가 반응(nucleophilic addition)이나 고리화 반응(cyclization) 등 제한된 활용에 그쳤다. 본교 연구팀은 아라인 중간체의 안정성을 높이기 위해 다양한 3-아미도벤자인 전구체를 디자인하고 합성, 실버 금속을 도입하여 중간체를 포획했다. 또한 실험 및 DFT 계산을 통하여 팔라듐 촉매와의 금속 교환(transmetalation) 단계에서 반응하는 시간을 조절하는 방법을 개발했다. 이를 통해 아릴실버 종을 팔라듐 촉매와의 금속교환(transmetalation) 단계에 도입해 기존에 보고되지 않은 새로운 짝지음 반응(cross-coupling reaction)을 성공적으로 시연했다. 이러한 결과는 아라인 화학에 유기금속화학을 도입하는 새로운 확장의 가능성을 제시하며, 미래의 유기합성 및 금속 유기화학 연구에 새로운 지평을 열 수 있을 것으로 전망된다.
김원석 교수는 “두 개의 다른 커플링 중간체가 각각 생성되어 교차반응을 하는 연구는 많이 진행됐으나, 상대적으로 불안정한 벤자인 중간체를 이용하여 새로운 헤테로아릴 커플링 파트너를 합성한 경우는 없었기에 앞으로 연구할 수 있는 것들이 많다”고 설명했다.
(왼쪽 위부터 시계방향) 임은혜 씨, 이민정 씨, 김원석 교수, 공예진 씨, 권용주 연구교수 | 실버 매개 의 분자내 산화아르겐테이션(intramolecular oxy-argentation)을 통해 생성된 헤테로아릴실버 종과 아릴 팔라듐 종과의 짝지음 반응으로 다양한 C7-아릴화된 벤족사졸 합성
본교 연구팀의 이번 연구 결과는 연구재단 기본연구 및 자율운영중점연구소의 지원을 받아 수행되었으며 「Regioselective Arylation of Amidoaryne Precursors via Ag-Mediated Intramolecular Oxy-Argentation」라는 논문으로 화학 분야의 SCI급 저명 국제학술지인 <Advanced Science(IF:17.5)> 온라인판에 게재됐다. 김원석 교수가 교신저자로, 권용주 연구교수가 제1저자, 공예진, 이민정, 임은혜 석박사통합 및 석사과정 학생들이 공동저자로 참여했다.