[1965 노벨화학상] 로버트 우드워드 : 유기 합성을 예술의 경지로 끌어올린 20세기의 연금술사

 

 

 

🎨 "화학은 창조다, 그리고 나는 물질의 건축가다"

 

자연은 위대한 화학자입니다. 식물은 햇빛과 흙으로 복잡한 약효 성분을 만들고, 동물은 세포 안에서 정교한 호르몬을 만들어냅니다.

20세기 초반까지 인간 화학자들의 역할은 자연이 만든 이 위대한 작품들을 '분석' 하고 '흉내' 내는 것에 그쳤습니다. 복잡한 천연물을 실험실에서 인공적으로 합성한다는 것은 불가능에 가까운 도전, 혹은 신의 영역을 침범하는 오만으로 여겨지기도 했습니다.

"스트리크닌이나 엽록소 같은 복잡한 분자를 인간이 만든다고? 그건 원자가 수십, 수백 개나 되는데, 그걸 어떻게 일일이 조립하나? 불가능해."

하지만 1940년대, 이 불가능의 벽을 깨부수고 등장한 한 천재가 있었습니다.

그는 분자의 구조를 보는 순간, 머릿속으로 그것을 만드는 수십 단계의 과정을 건축 설계도처럼 그려냈습니다. 그의 손을 거치면 불가능해 보이던 복잡한 물질들이 마치 마법처럼 플라스크 속에서 만들어졌습니다.

오늘 소개할 1965년 노벨 화학상 수상자는 화학 역사상 가장 위대한 실험가이자, 유기 합성의 제왕이라 불리는 인물입니다.

말라리아 치료제 퀴닌부터 콜레스테롤, 코르티손, 스트리크닌, 엽록소, 그리고 비타민 B12까지. 자연계의 난제들을 도장 깨기 하듯 정복해 나갔던 미국의 화학자 로버트 번스 우드워드(Robert Burns Woodward).

화학을 단순한 실험에서 '예술(Art)' 로 승화시킨 그의 천재적인 삶과, 그가 남긴 위대한 합성의 기록들을 소개합니다.

 

📜 MIT를 중퇴할 뻔한 천재 소년

 

로버트 우드워드는 1917년 미국 보스턴에서 태어났습니다. 그는 어릴 때부터 남달랐습니다. 초등학생 때 이미 대학 수준의 유기화학 교과서를 독파했고, 지하실에 자신만의 실험실을 차려놓고 폭약과 시약을 만들며 놀았습니다.

그는 16살에 월반하여 명문 MIT(매사추세츠 공과대학교) 에 입학했습니다. 하지만 천재들에게 흔히 있는 문제가 발생했습니다. 그는 화학에는 미쳐 있었지만, 역사나 체육 같은 다른 과목은 거들떠보지도 않았던 것입니다.

결국 그는 성적 불량으로 학교에서 제적당할 위기에 처했습니다. 하지만 그의 천재성을 알아본 화학과 교수들이 학교 측을 설득했습니다. "이 아이를 내쫓는다면 MIT는 역사상 가장 위대한 화학자를 잃게 될 것입니다."

학교는 그에게 파격적인 제안을 합니다. "수업은 안 들어도 좋다. 대신 시험만 통과해라." 우드워드는 물 만난 고기처럼 도서관과 실험실을 누볐고, 입학 4년 만인 20살의 나이에 학사 학위와 박사 학위를 동시에 따버리는 기염을 토했습니다.

 

🧐 퀴닌(Quinine) : 100년 묵은 숙제를 풀다

 

1944년, 27세의 하버드 대학 강사였던 우드워드는 첫 번째 전설을 씁니다. 바로 말라리아 치료제인 '퀴닌(Quinine)' 의 합성입니다.

당시 제2차 세계대전 중이던 연합군은 말라리아 때문에 고전하고 있었습니다. 퀴닌은 기나나무 껍질에서만 얻을 수 있었는데, 일본군이 주요 생산지인 동남아시아를 점령해 버렸기 때문입니다. 인공 합성이 시급했습니다.

사실 퀴닌 합성은 1856년 윌리엄 퍼킨(보라색 염료 모브를 발견한 사람)이 시도했다가 실패한 이래, 100년 동안 화학자들의 무덤이었습니다.

우드워드는 동료인 윌리엄 도링과 함께 기발한 전략을 짰습니다. 그는 퀴닌 전체를 한 번에 만들려 하지 않고, 이미 알려진 쉬운 물질에서 시작해 조금씩 살을 붙여 나가는 방식을 택했습니다.

단 14개월 만에, 우드워드는 퀴닌의 합성에 성공했습니다. 이 소식은 전쟁으로 지친 세계에 희망을 주었고, 우드워드는 하루아침에 스타 과학자가 되었습니다. 그는 단순히 약을 만든 게 아니라, "인간의 지성으로 자연물을 복제할 수 있다" 는 자신감을 심어주었습니다.

 

🏔️ 스트리크닌 : 에베레스트를 정복하다

 

퀴닌은 시작에 불과했습니다. 우드워드는 이후 콜레스테롤(1951), 코르티손(1951), 스트리크닌(1954), 레세르핀(1956) 등을 연달아 합성해 냈습니다.

그중에서도 '스트리크닌(Strychnine)' 의 합성은 유기화학계의 에베레스트 등반이라 불렸습니다. 스트리크닌은 7개의 탄소 고리가 얽히고설킨 아주 기괴하고 복잡한 구조를 가지고 있습니다. 당시 로버트 로빈슨(1947년 수상자)이 구조를 밝히는 데만 40년이 걸렸을 정도였습니다.

우드워드는 이 복잡한 미로를 꿰뚫어 보았습니다. 그는 분자 내부의 전자들이 어떻게 움직이고, 원자들이 입체적으로 어떻게 꼬여 있는지(입체화학)를 완벽하게 이해하고 있었습니다.

그는 마치 블록을 쌓듯 탄소 고리 하나를 만들고, 그 위에 다른 고리를 얹고, 다시 비틀어 연결하는 방식으로 스트리크닌을 완성했습니다.

"우드워드의 합성 과정은 마치 한 편의 교향곡과 같다. 낭비되는 단계가 없고, 모든 반응이 필연적으로 다음 반응을 이끈다."

동료들은 그의 합성을 보고 '우아하다(Elegant)' 고 표현했습니다. 그는 주먹구구식이 아니라, 철저한 논리와 미적 감각으로 분자를 디자인했습니다.

 

🌿 엽록소의 합성 : 녹색의 마법을 재현하다

 

1960년, 우드워드는 식물의 에너지 공장인 '엽록소(Chlorophyll)' 합성에 도전합니다. 엽록소는 1915년 리하르트 빌슈테터, 1930년 한스 피셔가 연구했던 그 거대한 초록색 분자입니다.

이 분자는 포르피린 고리 안에 마그네슘이 박혀 있고, 복잡한 곁가지들이 달려 있어 합성이 거의 불가능해 보였습니다. 하지만 우드워드는 4년 만에 이 거대한 산을 넘었습니다.

그는 엽록소 합성에 성공함으로써, 식물이 수억 년 진화를 통해 만들어낸 광합성의 핵심 물질을 인간의 손으로 재현해 냈습니다. 이것은 유기 합성이 도달할 수 있는 정점이었습니다.

 

🏆 노벨상 : 예술가를 위한 헌사

 

1965년, 스웨덴 왕립과학원은 로버트 우드워드에게 노벨 화학상을 수여합니다. 수상 이유는 특정 물질의 발견이 아니었습니다. "유기 합성 기술에 대한 탁월한 공로" 였습니다.

노벨 위원회는 "우드워드 교수는 유기 합성을 단순한 기술이 아닌 '예술(Art)' 의 경지로 끌어올렸다"고 극찬했습니다.

그는 어떤 새로운 원소나 법칙을 발견한 게 아니었습니다. 그는 이미 있는 재료들을 가지고, 아무도 상상하지 못한 방법으로 조립하여 새로운 가치를 창조했습니다. 그것은 과학이라기보다 창작에 가까웠습니다.

 

⚡️ 비타민 B12와 우드워드-호프만 규칙

 

노벨상을 받은 후에도 그의 도전은 멈추지 않았습니다. 그의 마지막 목표는 세상에서 가장 복잡한 비타민, '비타민 B12' 였습니다.

비타민 B12는 엽록소보다 훨씬 더 복잡하고 입체적인 구조를 가지고 있습니다. 우드워드는 스위스의 알베르트 에schenmoser 교수와 연합군을 결성했습니다. 두 연구실에서 100명이 넘는 박사후 연구원들이 10년 넘게 매달렸습니다. (이를 두고 '화학계의 우드스톡 페스티벌'이라 부르기도 합니다.)

이 과정에서 우드워드는 합성이 잘 안 되는 단계에 부딪혔습니다. 그는 제자인 로알드 호프만과 함께 이 문제를 파고들다가, 화학 반응이 일어날 때 전자의 궤도(오비탈)가 대칭성을 유지해야 한다는 '우드워드-호프만 규칙(Woodward-Hoffmann Rules)' 을 발견합니다.

이것은 실험 화학자가 이론 화학의 영역까지 정복한 대사건이었습니다. 이 규칙 덕분에 화학자들은 반응이 일어날지 안 일어날지를 양자역학적으로 예측할 수 있게 되었습니다. (호프만은 이 공로로 1981년 노벨상을 받지만, 우드워드는 그 전에 사망하여 두 번째 노벨상을 놓쳤습니다.)

1973년, 우드워드 팀은 마침내 총 72단계의 과정을 거쳐 비타민 B12 합성에 성공합니다. 유기 합성의 에베레스트 정상에 깃발을 꽂은 것입니다.

 

📚 TMI : 파란 양복의 신사

 

1. 파란색의 집착

우드워드는 항상 파란색 양복에 파란색 넥타이를 매고 다녔습니다. 심지어 그의 연구실도 파란색으로 칠해져 있었고, 그의 차도 파란색이었습니다. 그는 "파란색은 지성을 상징한다"고 믿었다고 합니다.

2. 3시간 수면의 워커홀릭

그는 지독한 일벌레였습니다. 하루에 3~4시간만 자면서 연구에 몰두했습니다. 늘 담배를 피워 물고, 한 손에는 분필을 든 채 칠판 가득 분자 구조를 그리는 모습이 그의 트레이드 마크였습니다. 그의 강의는 너무나 아름다워서, 학생들이 강의가 끝나면 칠판을 지우지 말고 사진을 찍게 해달라고 할 정도였습니다.

3. 담배와 이른 죽음

그는 줄담배를 피웠고, 술(특히 마티니)을 좋아했습니다. 건강을 돌보지 않는 생활 탓에 그는 1979년, 62세라는 비교적 이른 나이에 심장마비로 세상을 떠났습니다. 그가 조금만 더 살았다면 1981년 노벨 화학상(우드워드-호프만 규칙)은 확실히 그의 것이었을 것입니다.

 

🌏 맺음말 : 인간은 자연을 창조할 수 있는가

 

로버트 우드워드의 삶은 "인간의 지성이 자연의 복잡성을 어디까지 따라잡을 수 있는가" 에 대한 대답이었습니다.

그는 자연이 수천 년에 걸쳐 만든 물질을, 인간의 논리와 손기술로 며칠, 몇 년 만에 만들어냈습니다. 그가 남긴 수많은 합성법과 이론들은 오늘날 제약 회사들이 신약을 개발하고, 화학 공장이 신소재를 만드는 데 있어 교과서이자 내비게이션이 되고 있습니다.

그는 스스로를 '분자의 건축가' 라고 불렀습니다. 보이지 않는 원자들을 벽돌 삼아 쌓아 올린 그의 건축물들은, 20세기 과학이 남긴 가장 정교하고 아름다운 예술품으로 남아 있습니다.