[1947 노벨화학상] 로버트 로빈슨 : 식물의 독과 약을 요리하다, '알칼로이드' 합성의 대가

 

 

 

🍄 식물은 위대한 화학 공장이다

 

식물은 움직이지 못합니다. 그래서 적으로부터 자신을 보호하기 위해, 혹은 벌과 나비를 유혹하기 위해 몸속에서 아주 강력한 화학 물질들을 만들어냅니다.

양귀비의 아편(모르핀), 코카나무의 코카인, 마전의 스트리크닌, 벨라돈나의 아트로핀. 이 물질들은 소량 쓰면 명약이 되지만, 과하면 치명적인 독이 됩니다. 화학자들은 식물이 만드는 이 질소 화합물들을 통틀어 '알칼로이드(Alkaloid)' 라고 부릅니다.

20세기 초, 화학자들의 꿈은 이 복잡하고 기묘한 알칼로이드의 구조를 밝혀내고, 실험실에서 인공적으로 만들어내는 것이었습니다. 하지만 식물이 효소로 뚝딱 만들어내는 이 물질을 인간이 흉내 내려면 수십 단계의 복잡한 공정과 엄청난 비용이 들었습니다.

"자연은 저렇게 쉽게 만드는데, 왜 우리는 이렇게 힘들게 만들어야 하지?"

오늘 소개할 1947년 노벨 화학상 수상자는 이 질문에 대해 가장 우아한 대답을 내놓은 영국의 화학자입니다.

복잡한 화학 반응을 마치 요리하듯 단순하게 만들어버린 유기 합성의 마술사, 로버트 로빈슨(Sir Robert Robinson).

그가 보여준 '우아한 합성(Elegant Synthesis)' 의 세계와, 현대 유기화학 교과서의 기초가 된 '전자 이론' 이야기 속으로 들어가 봅니다.

 

📜 전설의 시작 : 트로피논의 기적

 

로버트 로빈슨의 천재성을 가장 잘 보여주는 일화는 1917년의 '트로피논(Tropinone) 합성' 입니다.

트로피논은 아트로핀이나 코카인 같은 알칼로이드의 기본 골격이 되는 물질입니다. 당시 독일의 위대한 화학자 리하르트 빌슈테터(1915년 수상자)가 이 물질을 처음으로 합성하는 데 성공했습니다. 하지만 그 과정은 고난의 행군이었습니다.

• 빌슈테터의 방법: 무려 21단계의 복잡한 과정을 거쳤고, 온갖 비싼 시약을 쏟아부었지만, 최종적으로 얻은 양은 원료의 0.75% 에 불과했습니다. (100개를 넣으면 1개가 나올까 말까 한 수준)

리버풀 대학의 젊은 교수였던 로빈슨은 생각했습니다.

"식물 세포 안에 저런 복잡한 공장이 있을 리가 없다. 식물은 분명 더 쉽고, 더 간단한 방법으로 이것을 만들 것이다."

그는 광합성이나 대사 과정에서 생기는 아주 흔하고 간단한 물질 3가지를 골랐습니다.

1. 석신알데하이드 (Succindialdehyde)
2. 메틸아민 (Methylamine)
3. 아세톤 (Acetone)

로빈슨은 이 세 가지를 그냥 비커에 넣고 섞었습니다. 특별한 가열도, 압력도, 비싼 촉매도 없었습니다. 그저 상온에 두었습니다.

결과는 화학계를 뒤집어 놓았습니다. 단 한 번의 단계(One-pot synthesis) 로 트로피논이 만들어졌고, 수율은 무려 17% (나중에는 90%까지 개선)에 달했습니다.

"이것은 화학 반응이 아니다. 이것은 예술이다!"

로빈슨의 이 합성은 '생체 모방 합성(Biomimetic Synthesis)' 의 시초가 되었습니다. 인간이 억지로 분자를 비틀어서 만드는 것이 아니라, 자연이 만드는 순리를 이해하고 흉내 낼 때 가장 효율적이라는 사실을 증명한 것입니다.

 

🧐 전자의 춤을 그리다 : 굽은 화살표

 

로빈슨이 단순히 운이 좋아서 트로피논을 만들었을까요? 아닙니다. 그는 분자 내부에서 일어나는 '전자(Electron)' 의 움직임을 꿰뚫어 보고 있었습니다.

당시 유기화학은 "A랑 B를 섞으니 C가 되더라"라는 경험적 지식이 많았습니다. 하지만 로빈슨은 "왜?" 를 파고들었습니다.

그는 화학 반응이 일어날 때 전자가 어디서 어디로 이동하는지를 화살표로 그리기 시작했습니다.

• 전자가 풍부한 곳에서 전자가 부족한 곳으로 굽은 화살표(Curly Arrow) 가 날아갑니다.
• 그러면 결합이 생기거나 끊어집니다.

오늘날 모든 화학과 학생들이 유기화학 시간에 배우는 그 '전자 이동 메커니즘' 의 기초를 로빈슨이 닦은 것입니다. 그는 머릿속으로 전자들이 춤추는 경로를 시뮬레이션했고, 그 결과 트로피논을 만드는 3가지 재료가 완벽하게 조립될 것을 예측했던 것입니다.

 

🌹 붉은 장미와 푸른 수레국화 : 안토시아닌

 

트로피논으로 명성을 얻은 로빈슨은 1930년대, 꽃의 색깔을 연구하기 시작했습니다. 그는 1915년 수상자인 빌슈테터의 연구를 이어받아, 꽃과 과일의 색소인 '안토시아닌(Anthocyanin)' 과 '안토시아니딘' 의 구조를 파헤쳤습니다.

그는 장미의 붉은색, 수레국화의 푸른색, 제비꽃의 보라색이 모두 비슷한 화학 구조에서 곁가지 몇 개가 바뀌거나 당(Sugar)이 붙는 방식에 따라 달라진다는 것을 규명했습니다.

그리고 그는 멈추지 않고 이 복잡한 색소들을 실험실에서 '인공적으로 합성' 해냈습니다. 자연이 만든 색깔을 인간의 손으로 똑같이 재현해 낸 것입니다.

 

💊 페니실린 구조의 비밀

 

제2차 세계대전 중, 연합군은 기적의 항생제 '페니실린' 을 대량 생산해야 했습니다. 하지만 페니실린의 화학 구조가 너무나 특이해서 아무도 정확한 모양을 몰랐습니다.

당시 미국과 영국의 내로라하는 화학자들이 매달렸습니다. 대부분은 "안정한 옥사졸론 구조일 것이다"라고 추측했습니다.

하지만 로빈슨은 "베타-락탐(Beta-lactam)" 이라는, 당시로서는 매우 불안정하고 기이해 보이는 사각형 고리 구조를 제안했습니다. "에이, 설마 그런 불안한 구조가 약이 되겠어?" 모두가 의심했지만, 나중에 엑스선 결정학(도로시 호지킨, 1964년 노벨상 수상자)으로 확인해 본 결과 로빈슨의 예측이 맞았습니다.

그의 직관은 전자의 흐름을 읽는 능력에서 나왔으며, 이는 페니실린 대량 생산의 발판이 되었습니다.

 

🏆 노벨상 : 유기화학의 대부

 

1947년, 스웨덴 왕립과학원은 로버트 로빈슨에게 노벨 화학상을 수여합니다. 수상 이유는 "생물학적으로 중요한 식물 생성물, 특히 알칼로이드에 관한 연구 공로" 였습니다.

그는 평생 500편이 넘는 논문을 썼고, 모르핀, 스트리크닌, 브루신 등 당대 가장 복잡한 천연물들의 구조를 밝혀냈습니다. 그는 20세기 전반기 유기화학을 지배한 제왕과도 같은 존재였습니다.

 

📚 TMI : 위대한 라이벌, 인골드

 

1. 전자 이론의 원조 논쟁

로빈슨에게는 평생의 라이벌이 있었습니다. 바로 영국의 화학자 크리스토퍼 인골드였습니다. 두 사람은 유기화학 반응의 원리(전자 이론)를 놓고 격렬하게 대립했습니다. 로빈슨은 직관적이고 정성적인 설명을 선호했고, 인골드는 엄밀하고 체계적인 분류(SN1, SN2 같은 용어)를 만들었습니다. 학계는 두 사람의 싸움을 '화학계의 1차 대전'이라 불렀습니다. 결국 노벨상은 로빈슨이 받았지만, 교과서에 남은 용어들은 대부분 인골드의 것이 되었습니다.

2. 체스 챔피언

로빈슨은 지독한 체스광이었습니다. 그는 옥스퍼드셔 체스 챔피언이었고, 심지어 세계 챔피언과 대국을 펼칠 정도의 실력자였습니다. 그는 복잡한 분자를 조립하는 것을 체스 게임처럼 즐겼습니다. "다음에 전자가 어디로 이동할지"를 예측하는 수읽기는 체스에서 온 것일지도 모릅니다.

3. 등산가

그는 알프스, 피레네산맥, 심지어 뉴질랜드의 산들까지 정복한 열정적인 등산가였습니다. 70세가 넘어서도 암벽 등반을 즐겼다고 하니, 그의 체력과 도전 정신은 실험실 안팎을 가리지 않았습니다.

 

🌏 맺음말 : 자연을 흉내 내는 지혜

 

로버트 로빈슨은 우리에게 "가장 좋은 디자인은 자연을 닮은 디자인" 이라는 것을 보여주었습니다.

억지로 힘을 써서 분자를 비틀고 붙이는 것이 아니라, 분자가 원래 가지고 있는 성질과 흐름을 이해하고 멍석만 깔아주면(조건만 맞춰주면), 분자들은 알아서 춤추듯 결합하여 복잡하고 아름다운 구조를 만들어냅니다.

그가 보여준 이 '우아한 합성' 의 철학은, 오늘날 신약을 개발하고 친환경 화학 공정을 설계하는 현대 화학자들에게 여전히 가장 중요한 나침반이 되고 있습니다.