[1979 노벨화학상] 허버트 브라운·게오르크 비티히 : 붕소와 인이 바꾼 유기합성의 지형

유기 합성 — 원하는 분자를 설계하고 만드는 화학자의 창조적 행위.

20세기 중반까지 유기 합성의 세계에는 풀리지 않는 난제들이 있었습니다. 탄소-탄소 이중결합을 원하는 위치에 정확하게 만들어내는 것, 알코올이나 케톤을 선택적으로 다른 관능기로 변환하는 것 — 이런 기본적인 변환조차도 선택성과 효율성 면에서 많은 한계가 있었습니다.

1979년 노벨화학상은 이 한계를 돌파한 두 사람에게 돌아갔습니다. 허버트 C. 브라운과 게오르크 비티히.

브라운은 붕소를 이용한 완전히 새로운 반응 경로를 개척했고, 비티히는 인을 이용하여 카르보닐 화합물을 알켄으로 변환하는 혁신적인 반응을 발견했습니다. 두 사람의 발견은 각각 독립적이었지만, 유기 합성 화학을 새로운 차원으로 끌어올렸다는 점에서 같은 방향을 가리켰습니다.

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🏆 붕소와 인이 합성 화학에 가져온 혁명 — 수상의 의미

 

 

 

"유기 합성에서 각각 붕소- 및 인-함유 화합물을 중요한 시약으로 개발한 공로를 인정하여"

 

 

1979년 노벨위원회의 수상 이유는 두 사람을 하나의 문장으로 묶었습니다. 그러나 그들의 기여는 성격이 달랐습니다.

브라운의 수소붕소화(hydroboration) 반응은 알켄을 통해 알코올이나 다양한 유기화합물을 합성하는 완전히 새로운 경로를 열었습니다. 이 반응은 높은 입체선택성과 지역선택성을 가지며, 기존 방법으로는 접근하기 어려운 분자 구조들을 쉽게 만들 수 있게 해주었습니다.

비티히의 비티히 반응(Wittig reaction)은 인 일리드(phosphonium ylide)를 이용하여 카르보닐 화합물(알데하이드 또는 케톤)을 알켄으로 변환하는 반응입니다. 이중결합의 위치가 정확히 제어되는 이 반응은 자연물 합성과 의약품 합성에 혁명을 일으켰습니다.

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📜 허버트 C. 브라운 — 런던 태생 미국 화학자

 

허버트 찰스 브라운은 1912년 5월 22일 영국 런던에서 태어났습니다. 그의 가족은 그가 두 살 때 미국 시카고로 이주했고, 브라운은 시카고에서 성장했습니다.

대공황의 어두운 시절을 지나며 그는 형편이 어려운 집안에서 교육 기회를 찾아야 했습니다. 라이트 주니어 칼리지에서 시작하여 시카고 대학교로 편입한 그는, 1936년 졸업 시 여자친구(훗날 아내가 되는 사라)로부터 졸업 선물로 붕소 화학에 관한 작은 책을 받았습니다. 그 책이 그의 평생 연구 방향을 결정짓는 계기가 되었습니다.

 

디보란과의 운명적 만남

 

시카고 대학교 대학원에서 허먼 슐레징거(Herman Schlesinger) 교수의 지도 아래 박사 과정을 밟으면서, 브라운은 보란 화합물들을 집중적으로 연구했습니다. 1943년 박사 학위를 취득한 후 이어진 연구에서 그는 결정적인 발견을 했습니다.

디보란(B₂H₆)이 유기 분자의 카르보닐 화합물(알데하이드, 케톤, 에스터 등)을 환원시킬 수 있다는 것이었습니다. 이것은 전통적으로 리튬 알루미늄 하이드라이드 같은 반응성이 매우 높고 다루기 어려운 시약이 필요했던 반응을 훨씬 더 온화하고 선택적으로 수행할 수 있음을 의미했습니다.

 

수소붕소화의 발견

 

브라운의 가장 중요한 발견은 1956년에 이루어졌습니다. 그는 알켄(이중결합을 가진 탄화수소)이 디보란과 반응하여 유기붕소 화합물을 생성한다는 것을 발견했습니다. 이것이 수소붕소화(hydroboration) 반응입니다.

이중결합에 B-H가 첨가되면서 붕소 원자가 탄소에 결합하는 이 반응은, 이후 여러 가지 유용한 변환의 출발점이 됩니다. 생성된 유기붕소 화합물을 산화시키면 알코올이 되고, 다른 조건에서 처리하면 알킬할라이드, 알킬아민, 알데하이드 등을 만들 수 있습니다.

더욱 중요한 것은 이 반응의 입체화학적 특성입니다. 수소붕소화 반응은 일반적으로 입체특이적으로 시스 첨가 방식으로 진행됩니다. 또한 마르코프니코프 규칙과 반대되는 방향으로 첨가가 이루어져(B는 덜 치환된 탄소에 붙음), 원하는 위치의 탄소에 선택적으로 작용기를 도입할 수 있습니다.

이 조합 — 지역선택성과 입체선택성 — 이 수소붕소화를 유기 합성의 강력한 도구로 만들었습니다.

 

퍼듀 대학교에서 꽃핀 연구

 

브라운은 1947년 퍼듀 대학교에 자리를 잡아 이후 수십 년간 이곳에서 연구를 이어갔습니다. 퍼듀에서의 그는 수소붕소화 반응을 정교하게 발전시키고, 다양한 붕소 시약들을 개발했습니다. 이 시약들은 유기 합성 화학자들에게 필수적인 도구가 되었습니다.

특히 그는 비대칭 수소붕소화 반응을 위한 키랄 붕소 시약들을 개발하여, 거울상 이성질체 중 한 가지만 선택적으로 합성하는 것을 가능하게 했습니다. 이것은 의약품 합성에서 특히 중요한 발전이었습니다.

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⚗️ 게오르크 비티히 — 인 일리드의 마법사

 

게오르크 비티히는 1897년 6월 16일 독일 베를린에서 태어났습니다. 그는 1923년 마르부르크 대학교에서 박사 학위를 취득하고, 이후 독일 여러 대학교를 거쳐 최종적으로 하이델베르크 대학교에서 1956년부터 1967년까지 교수로 재직했습니다.

 

비티히 반응의 탄생

 

1954년 비티히는 자신의 이름을 영원히 화학 교과서에 새기게 될 반응을 발표했습니다.

인 일리드(phosphonium ylide)를 알데하이드나 케톤과 반응시키면 알켄(olefin, 이중결합 화합물)이 생성된다는 것이었습니다. 이것이 비티히 반응입니다.

반응의 메커니즘을 간단히 설명하면 이렇습니다. 먼저 트리페닐포스핀(PPh₃)과 알킬 할라이드(R-X)가 반응하여 포스포늄 염이 만들어집니다. 이것을 강염기로 처리하면 탄소 원자에서 양성자가 제거되면서 일리드(ylide)가 형성됩니다. 일리드는 탄소에 양전하와 음전하가 동시에 존재하는 쌍극성 화학종입니다.

이 일리드가 알데하이드나 케톤의 카르보닐 탄소(C=O)와 반응하면, 산소 원자가 인과 결합하고 탄소끼리 결합하면서 알켄과 산화 트리페닐포스핀이 생성됩니다.

 

비티히 반응이 혁명적인 이유

 

비티히 반응이 유기 합성에서 혁명적인 이유는 이중결합의 위치가 정확히 제어된다는 점입니다.

카르보닐 화합물에서 이중결합을 만들 때, 기존 방법으로는 이중결합이 어디에 생길지 정확히 제어하기 어려운 경우가 많았습니다. 예를 들어 알돌 축합 반응이나 탈수 반응을 이용하면 여러 위치에서 이중결합이 형성될 가능성이 있었습니다.

비티히 반응에서는 이중결합이 항상 원래 카르보닐 화합물의 탄소 위치에 형성됩니다. 이 '이중결합 위치의 정확한 제어'가 복잡한 자연물 합성을 가능하게 만드는 핵심 요소입니다.

예를 들어 비타민 A의 합성에서, 비티히 반응은 측쇄의 이중결합을 정확히 원하는 위치에 만드는 데 활용되었습니다. 오늘날 비타민 A의 상업적 합성에서 비티히 반응이 핵심 단계로 사용됩니다.

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🌱 두 발견의 현대적 응용

 

브라운의 수소붕소화와 비티히의 반응은 오늘날에도 유기 합성 실험실에서 매일 사용되는 핵심 반응들입니다.

 

의약품 합성에서

 

비티히 반응은 비타민 A(레티놀), 비타민 D, 다양한 항생제, 항암제, 스테로이드 계열 의약품들의 합성에 활용됩니다. 자연계에서 이중결합의 위치와 기하학(E/Z)이 생물 활성에 결정적인 영향을 미치는 분자들이 많기 때문에, 이중결합을 정밀하게 제어하는 비티히 반응의 가치는 매우 높습니다.

수소붕소화 반응은 복잡한 천연물 합성에서 특정 위치에 히드록실기(-OH)를 도입하거나, 입체특이적인 탄소-탄소 결합 형성에 활용됩니다.

 

고분자 화학에서

 

붕소를 이용한 반응들은 고분자 화학에서도 중요한 역할을 합니다. 팔라듐 촉매와 함께 붕소 화합물을 이용하는 스즈키 커플링 반응은 현대 유기 합성에서 가장 많이 사용되는 탄소-탄소 결합 형성 반응 중 하나이며, 이는 브라운이 개척한 붕소 유기화학의 연장선상에 있습니다.

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💡 두 거장의 말년과 유산

 

허버트 브라운은 2004년 12월 19일, 92세로 인디애나 주 웨스트 라파예트에서 세상을 떠났습니다. 그는 퍼듀 대학교에서의 연구가 끝난 후에도 오랫동안 화학의 발전을 지켜보며, 새로운 붕소 시약들의 응용 가능성을 탐구했습니다.

게오르크 비티히는 1987년 8월 26일, 90세로 하이델베르크에서 별세했습니다. 그는 노벨상 수상 이후에도 꾸준히 연구실을 방문하며 젊은 화학자들을 격려했습니다.

두 사람이 각각 탐구한 붕소와 인의 화학은, 오늘날 유기 합성 화학의 언어를 풍부하게 만들었습니다. 복잡한 의약품, 농약, 재료 분자들을 설계하고 합성하는 능력의 상당 부분은 이 두 사람이 개척한 길에서 비롯되었습니다.

원소 주기율표 속의 두 원소 — 붕소와 인. 이 두 원소를 유기 합성의 강력한 도구로 만든 두 화학자. 브라운과 비티히가 없었다면, 현대 의약품 산업과 유기 합성 화학은 지금과는 많이 다른 모습이었을 것입니다.