성균관대 연구진, 초고성능 루이스산 이차 실릴륨 유기촉매 기술 세계 최초 개발

-'다이에틸실릴륨 이온'으로 기존 불가능했던 케톤의 환원성 설폰아미드화 구현

-당뇨치료제 시타글립틴 3단계 스케일-업 합성으로 실용성 입증

화학과 배한용 교수 연구팀은 연세대학교 화학과 및 양자정보학과 허준석 교수 연구팀과 함께, 새로운 실릴륨 유기촉매 반응 기술을 세계 최초로 개발했다. 이 기술은 이차 실릴륨 이온인 다이에틸실릴륨과 약배위 음이온을 조합한 이온 쌍 촉매를 활용해, 기존 촉매 방식으로는 반응이 어려웠던 베타-케토에스터를 포함한 기능성 케톤 화합물에 직접적으로 설폰아미드기를 도입할 수 있는 것이 특징이다.

이번 연구에서 개발된 촉매 시스템은, 복잡한 구조의 분자를 합성할 때 질소-탄소 결합 형성을 정밀하게 제어하는 '환원성 설폰아미드화(reductive sulfonamidation)' 분야에서 큰 진전을 이뤘다. 연구진은 기존의 전이금속 촉매나 고압 수소가스 대신, ‘트리틸 테트라키스(펜타플루오로페닐)보레이트’와 ‘다이에틸실란’을 조합하여 반응 용기 내에서 강력한 실릴륨 이온 쌍을 곧바로 생성하는 새로운 촉매반응 조건을 구현했다. 다이에틸실란은 환원제와 실릴륨 전구체의 두 가지 역할을 동시에 수행하며, 생성된 신규 촉매는 반응 속도뿐 아니라 기질 활성화와 선택성까지 정밀하게 제어할 수 있도록 작동한다.

특히 이번 연구에서는 기존에 일반적으로 쓰이던 삼차 실릴륨 촉매로는 반응 전환율이 매우 낮았던 케토이민 중간체의 환원 단계를 포함한 일련의 과정을 하나의 반응 용기 안에서 구현해냈다. 이 반응을 통해 알킬 베타-아미노 에스터 계열 화합물을 최고 95%의 높은 수율로 합성하는 데 성공했으며, 용매·금속·수소·첨가제 없이도 스케일-업 반응이 원활히 진행되는 친환경적 공정을 실현했다.

또한 연구진은 실험 결과뿐 아니라 밀도 범함수 이론(DFT) 계산, 핵자기공명(NMR) 분광법, 고분해능 질량분석(HR-MS)을 통해 이 새로운 촉매 시스템이 어떻게 작동하는지 상세히 규명했다. 단순히 새로운 반응을 개발한 것을 넘어, 이차 실릴륨 이온이 삼차 실릴륨보다 낮은 입체 장애로 인해 더 강한 루이스 산성을 나타내고, 약배위 음이온과의 이온쌍 형성에서도 더 효과적으로 기질을 활성화한다는 점을 과학적으로 입증한 것이다.

배한용 교수는 "이번 연구는 이차 실릴륨 이온이라는 전혀 새로운 개념의 촉매 시스템을 제시했다는 데 큰 의미가 있다"며, "향후 다양한 탄소-헤테로원자 결합 형성 반응에서 널리 활용될 수 있을 것으로 기대된다"고 말했다.

허준석 교수는 "실험과 이론 양쪽에서 입증된 이 기술은 당뇨병 치료제 시타글립틴을 비롯한 천연물, 의약품, 항생제 등 고부가가치 화합물의 합성에 적용될 수 있는 기반 기술이 될 것"이라고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부, 교육부, 보건복지부, 성균관대학교, 연세대학교의 지원을 받아 수행되었으며, 세계적 권위의 학술지 어드밴스드 사이언스(Advanced Science)에 2026년 5월 26일 온라인 게재되었다.

논문 제목: A Strong Lewis Acidic Diethylsilylium Catalyst for Direct Sulfonamidation of Challenging Ketones

웹페이지: https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.75783