윌리엄 노울스: 비대칭 수소화, L-도파, 그리고 노벨 화학상

2001년 11월 Tina Hager가 촬영한 조지W. 부시 대통령과 7인의 노벨상 수상자 단체사진(윌리엄 노울스포함) "출처: 위키미디어커먼즈(Bush7NobelLaureates.jpg), 라이선스: 퍼블릭도메인"

 

 

혹시 파킨슨병 치료제로 사용되는 L-도파(L-DOPA)라는 약물을 들어보셨나요? 이 약물은 파킨슨병 환자의 뇌에서 부족한 도파민을 보충해 주는 역할을 합니다. **윌리엄 스탠디쉬 노울스(William Standish Knowles, 1917~2012)**는 L-도파를 효율적으로 합성하는 방법을 개발한 미국의 화학자입니다. 그는 비대칭 수소화 반응을 이용하여 카이랄 분자를 선택적으로 합성하는 촉매를 개발했고, 이 업적으로 2001년 노벨 화학상을 수상했습니다. 이 글에서는 노울스의 삶과 그의 핵심 연구 업적인 비대칭 수소화 반응, 그리고 L-도파 합성에 대해 자세히 알아보고, 그것이 현대 화학 및 제약 산업에 미친 영향을 살펴보겠습니다.

1. 비대칭 수소화: 카이랄 분자, 거울상 이성질체, 그리고 선택적 합성

윌리엄 노울스는 1917년 미국 매사추세츠 주에서 태어났습니다. 그는 하버드 대학교에서 화학을 전공했고, 컬럼비아 대학교에서 박사 학위를 받았습니다. 1942년부터 몬산토(Monsanto)라는 화학 회사에 입사하여 연구원으로 일했으며, 이곳에서 그의 핵심 연구 업적인 비대칭 수소화 반응을 개발했습니다. 비대칭 수소화 반응이란 수소 분자(H₂)를 유기 화합물에 첨가하는 반응으로, 유기 합성에서 매우 중요한 반응 중 하나입니다. 특히, 비대칭 수소화 반응은 카이랄 분자를 합성하는 데 매우 유용합니다. 카이랄 분자 란 거울상 이성질체를 갖는 분자로, 왼손과 오른손처럼 서로 겹쳐지지 않는 두 가지 형태가 존재합니다. 이 두 가지 형태를 거울상 이성질체(enantiomer)라고 합니다. 흥미로운 것은 카이랄 분자의 두 거울상 이성질체는 물리적 및 화학적 성질이 거의 동일하지만, 생체 내에서 전혀 다른 활성을 나타낼 수 있다는 것입니다. 예를 들어, 한쪽 거울상 이성질체는 약효를 나타내지만, 다른 쪽 거울상 이성질체는 독성을 나타낼 수도 있습니다. 따라서 의약품 합성에서는 원하는 카이랄 분자만을 선택적으로 합성하는 것이 매우 중요합니다. 노울스는 비대칭 수소화 반응을 이용하여 카이랄 분자를 선택적으로 합성하는 촉매를 개발했습니다. 그는 카이랄 리간드를 갖는 전이 금속 촉매를 사용하여 비대칭 수소화 반응을 수행했고, 이를 통해 원하는 거울상 이성질체를 선택적으로 합성하는 데 성공했습니다.

2. L-도파: 파킨슨병 치료제, 비대칭 합성의 눈부신 성과

노울스는 비대칭 수소화 반응을 이용하여 파킨슨병 치료제인 L-도파(L-DOPA)를 합성하는 방법을 개발했습니다. L-도파는 뇌에서 도파민이라는 신경 전달 물질로 전환되어 파킨슨병 증상을 완화하는 데 도움을 줍니다. L-도파는 카이랄 분자이며, 두 가지 거울상 이성질체 중 L-형 이성질체만이 약효를 나타냅니다. 노울스는 자신이 개발한 비대칭 수소화 반응을 이용하여 L-도파를 선택적으로 합성하는 데 성공했습니다. 이는 비대칭 합성 분야의 획기적인 성과로, 의약품 합성에 새로운 지평을 열었습니다. 노울스의 연구 이전에는 L-도파를 합성하기 위해 여러 단계의 화학반응을 거쳐야 했고, 이는 낮은 수율과 많은 부산물을 초래했습니다. 하지만 노울스의 비대칭 수소화 반응을 이용하면 단 한 번의 반응으로 L-도파를 선택적으로 합성할 수 있으며, 이는 생산 비용을 절감하고 환경오염을 줄이는 데 크게 기여했습니다.

3. 노벨 화학상 수상: 비대칭 촉매 반응, 화학 합성의 새로운 패러다임

윌리엄 노울스는 료지 노요리(Ryōji Noyori), 칼 배리 샤플리스(K. Barry Sharpless)와 함께 비대칭 촉매 반응 연구 업적을 인정받아 2001년 노벨 화학상 을 공동 수상했습니다. 노벨 위원회는 "비대칭 촉매 반응은 화학 합성 분야에 혁명을 일으켰다 "며, "이 반응은 새로운 물질을 만들고, 기존의 합성 방법을 개선하는 데 사용될 수 있다"라고 평가했습니다. 비대칭 촉매 반응은 의약품, 농약, 그리고 향수 등 다양한 분야에서 새로운 물질을 만드는 데 활용되고 있으며, 더 효율적이고 친환경적인 화학 합성 방법을 제공합니다. 노울스의 연구는 비대칭 촉매 반응 분야의 선구적인 업적으로, 카이랄 의약품 합성에 큰 영향을 미쳤습니다. 그의 연구 덕분에 과학자들은 더 효율적이고 선택적인 방법으로 카이랄 분자를 합성할 수 있게 되었고, 이는 신약 개발과 의료 기술 발전에 크게 기여했습니다.