초분화 화학과 쿠커비투릴(cucurbituril)
- 편집팀
- 2월 16일
- 1분 분량
'초분자화학'이라는 분야를 들어보았는가? 우리들의 세상을 이루고 있는 원자들은 서로 결합하여 분자를 이룬다. 그리고 이러한 분자들 사이에는 수소 결합, 반데르발스 힘, 이온 쌍극자 힘 등 각각의 분자들 사이에서의 힘 또한 작용하며 우리의 세상을 이루고 있다. 초분자화학에서 말하는 초분자는 두 개 이상의 분자가 공유 결합이 아닌 방금 전 언급한 수소 결합에 의한 힘, 반데르발스 힘, 쌍극자 결합 등 일반적으로 우리가 알고 있는 공유결합과 같이 강한 힘이 아니라 비교적 약한 힘에 의해 결합한 하나의 덩어리라고 생각하면 쉬울 것 같다. 그리고 이러한 초분자의 예시로는 호박처럼 생긴 거대한 분자, 쿠커비투릴(cucurbituril)이 있다. 지금부터 이 쿠커비투릴이라는 분자에 대해 알아보도록 하자.
호박을 닮은 분자 쿠커비투릴
쿠커비투릴(cucurbituril)은 1905년 로베르트 베헨드(Robert Behrend)에 의해 처음으로 합성되었다. 하지만 처음 합성되었을 당시에는 쿠커비투릴에 대한 구조가 어떻게 생겼는지도 모르고 쿠커비투릴의 별다른 특성에 대해 알지 못해 오랜 기간 관심을 받지 못한 분자였다. 이런 무관심 속 William L. Mock은 1981년에 X-ray와 NMR(nuclear magnetic resonance)을 활용해 쿠커비투릴의 구조를 밝혀내었으며 당시 그의 논문에 있는 쿠커비투릴의 구조에 대한 사진은 다음과 같다.
쿠커비투릴의 구조를 보면 둥근 구조에 가운데에 큰 구멍이 뚫려있는 독특한 형태를 갖고 있는 것을 확인할 수 있다. 이러한 쿠커비투릴의 구조를 자세히 보면 마치 호박과 유사하게 생겼다. 이러한 호박을 닮은 구조때문에 cucurbituril이라는 이름은 호박의 학명, cucurbitaceae에서 이름을 따와 지어지게 되었다.
호스트-게스트 반응
초분자화학에서 큰 주목을 받고 있는 중요한 반응 중에 호스트-게스트 반응이 있다. 호스트 게스트 반응은 일반적으로 거대한 크기를 지니는 호스트 분자 안에 비교적 작은 크기의 분자가 게스트로써 들어가 비공유 결합을 통해 하나의 초분자를 이루는 것을 말한다. 일반적으로 호스트 분자는 게스트 분자를 담을 수 있도록 큰 구멍과 같은 구조를 지니고 있다. 이러한 호스트-게스트 반응은 물리적, 화학적으로 다른 성질을 지닌 분자들에 대해 특정 분자들만 게스트 분자로 내부에 가둬 약물 전달을 위한 분자 캡슐이나 혹은 센서로 사용할 수 있는 등 활용할 가능성과 연구 가치가 높은 반응이다. 쿠커비투릴이 가지는 가장 특별한 성질 또한 분자의 중심이 뻥 뚫린 도넛과도 같은 형태이다. 앞서 설명한 내용에서 유추 가능하듯 쿠커비투릴이 갖고 있는 이러한 큰 구멍은 쿠커비투릴보다 작은 분자를 구멍 안에 넣어 하나의 초분자를 이룰 수 있다. 이러한 쿠커비투릴이 다른 분자를 쿠커비투릴 내에 넣는 것은 호스트-게스트 반응의 대표적인 예시이다.
쿠커비투릴에 대한 구조를 처음 밝혔던 William L. Mock가 구조를 밝혀낸 뒤에 이러한 호스트-게스트 반응에 대한 연구를 진행했었는데 당시의 William L. Mock연구에서 사용한 게스트 분자는 끝에 암모늄기(NH3+)를 가지는 RNH3+형태의 긴 양이온들이었다. 그리고 쿠커비투릴의 호스트-게스트 반응에 대한 연구는 지금까지 계속해서 큰 관심을 받으며 활발하게 진행되고 있다.
쿠커비투릴 동족체
쿠커비투릴의 합성 과정을 간략하게 설명을 하면 아래의 사진과 같은 구조를 갖고 있는 글라이코우릴(glycoluril)을 단량체로 포름알데하이드(formaldehyde)와 함께 결합하여 고리형의 구조를 이루게 된다.
지금까지 이야기했던 쿠커비투릴은 글라이코우릴 6개가 결합하여 이루어진 분자이다. 그런데 꼭 6개의 글라이코우릴이 결합하여 육각형의 고리형을 이루어야 할까? 5개, 7개, 8개 혹은 더 많은 양의 글라이코우릴이 결합해 만들어진 쿠커비투릴의 동족체가 존재한다. n개의 글라이코우릴이 결합해 만들어진 쿠커비투릴의 이름은 Cucurbit[n]uril, 혹은 간략히 줄여서 CB[n]과 같이 표기한다. 쿠커비투릴을 이루는 단량체가 많아지면 많아질 수록 쿠커비투릴 내부 구멍의 지름 또한 증가한다. 따라서 게스트 분자로 사용할 수 있는 분자의 종류도 달라진다. CB[7]은 일반적으로 물에 잘 녹지 않는 다른 쿠커비투릴 동족체와 다르게 물에 잘 녹는다는 특징이 있는데 이렇듯 각각의 동족체들이 가지는 화학적 성질 또한 조금씩 다르다.
분자의 기계적 결합
그렇다면 쿠커비투릴 내부에 길쭉한 형태의 분자를 넣은 뒤에 분자의 길쭉한 형태의 분자를 서로 잇거나 양 끝을 거대한 크기의 치환기로 치환시킨다면 어떻게 될까? 쿠커비투릴의 양 끝이 막혀 쿠커비투릴이 양 끝으로 빠져나가지 못하는 상태가 될 것이라고 예상할 수 있다. 아래의 그림은 한국의 김기문 교수(현재 정년퇴임)가 쿠커비투릴을 이용하여 목걸이 형태의 분자를 합성한 모습이다.
위와 같이 결합한 초분자는 공유결합과 같이 강한 결합이 아님에도 불구하고 서로 분리가 불가능하다. 여러개의 분자가 위상 수학적으로 결합해있기 때문이며 이러한 결합을 기계적 결합이라고 한다. 쿠커비투릴은 위의 상황과 같이 목걸이 형태로 기계적 결합을 한 모습으로 일종의 카테네인(catenane)이다. 다른 예시로 쿠커비투릴 안에 긴 막대 형태의 분자를 넣은 뒤 양쪽을 아령과 같은 형태로 막아 로탁세인(rotaxane)을 만들 수도 있다. 초분자화학에서 이러한 기계적 결합은 중요한 요소 중에 하나이다. 이러한 기계적 결합은 분자 기계 제작에 유용하게 쓰이는데 2016 노벨 화학상이 분자 기계일 만큼 분자 기계에 대한 연구의 가능성은 무궁무진한데, 쿠커비투릴 또한 이러한 분자 기계에 유용하게 쓰일 수 있는 것이다.
쿠커비투릴의 응용
이러한 쿠커비투릴은 다양한 분야에서 응용이 가능하며 연구가 진행되고 있다. 기계적 결합을 이용한 분자 기계로써의 응용에 대해서도 연구가 진행되고 있으며 그 밖에도 센서, 약물 전달을 위한 분자 캡슐, 수중 벨크로 등 다양한 응용이 가능하다. 특정 물질을 게스트 분자로 가뒀을 때 생기는 화학적, 물리적 변화를 이용하면 쿠커비투릴로 특정 분자의 존재 유뮤를 확인할 수 있으며 약물을 분자 안에 가둔 뒤에 약물의 전달을 원하는 위치에서 게스트 분자를 분리시켜 약물의 전달체 역할도 할 수 있다. 또한 쿠커비투릴과 호스트-게스트 반응이 잘 일어나는 물질을 이용하면 벨크로와 같이도 응용할 수 있다. 쿠커비투릴과 결합이 잘 되는 물질이 코팅된 표면과 쿠커비투릴이 결합되어 있는 표면이 접촉하게 될 경우 쿠커비투릴과 게스트 분자 간의 힘으로 두 물체를 고정시킬 수 있다. 이렇듯 쿠커비투릴은 쿠커비투릴의 독특한 특징 덕에 정말 다양한 곳에서의 응용이 가능하다. 따라서 이러한 쿠커비투릴의 가능성은 앞으로 쿠커비투릴에 대한 연구가 계속됨에 따라 더더욱 커져가기를 기대하며 쿠커비투릴이라는 물질이 세상에 좀 더 알려지기를 바라는 바이다.
이현민 학생기자 | 화학생물 | 지식더하기
참고자료
[1] Mock, W. L, and N. Y Shih. “Host-Guest Binding Capacity of Cucurbituril.” Journal of organic chemistry48.20 (1983): 3618–3619. Print.
[2] Whang, Dongmok et al. “Molecular Necklace: 8AJournal of the American Chemical Society120.19 (1998): 4899–4900. Print.
첨부 이미지 출처
Comentários