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[바이오토픽] (RIP) 조지 앤드류 올라(1927~2017)
생명과학 양병찬 (2017-04-18 09:18)

탄화수소 화학연구로 연료·물질·약물을 바꿔, 1994 노벨화학상을 수상한 헝가리 출신의 미국 과학자

조지 올라의 자서전 표지
조지 올라의 자서전 표지

조지 올라는 유기화학과 유기반응에 대한 이해를 바꿨다. 그가 등장하기 전까지만 해도, 탄소양이온(carbocation)은 일반적으로 '양전하를 갖는 탄소원자를 포함하는 불안정한 화학종'으로 알려졌었다. 그에게 노벨상을 안겨준 탄화수소에 대한 연구는 석유 및 가스 정제방법의 향상, 소분자의 새로운 합성방법, 신약과 신물질의 발견으로 이어졌다.

지난 3월 8일 세상을 떠난 올라는 1927년 5월 22일 헝가리 부다페스트에서 태어났다. 그는 피아리스트회(Piarist Fathers)의 짐너시움(Gymnasium)에 다녔는데, 그곳은 고전, 역사, 어학, 교양과목, 철학을 중시하는 가톨릭 계통의 중등교육기관이었다. 그가 학업을 마칠 무렵, 제2차 세계대전이 맹위를 떨쳤다. 『마법과도 같았던 화학자의 삶』(2nd edn, Wiley, 2015)이라는 제목의 자서전에서, 그는 당시의 끔찍한 경험을 기술(記述)했다. 숨어서 살았던 일, 러시아 전쟁포로 수용소에서 형제를 잃었던 일, 폭격을 맞은 도시에서 (허물어진 건물의) 돌무더기를 치우던 일...

올라는 전쟁이 끝난 후 부다페스트 기술대학에서 유기화학을 공부하여 1949년 게저 젬플렌(Géza Zemplén) 문하에서 박사학위를 취득했는데, 젬플렌은 노벨화학상 수상자인 독일의 유기화학자 에밀 피셔의 제자였다. 같은 해에 유디트 렌젤과 결혼함으로써 연구의 동반자이자 인생의 동반자를 얻었다. 그 후 기술대학의 조교수로서 경력을 시작하여, 1954년 유기화학부를 이끌며 헝가리 과학아카데미 중앙연구소의 부소장을 맡았다.

전후(戰後)의 헝가리는 여러 모로 어려웠다. 1956년 소비에트에 대항하여 일어난 의거가 실패한 후, 헝가리의 미래는 암울해 보였다. 올라는 아내, 갓 걸음마를 시작한 아들 게오르게와 함께, (20만 명의 헝가리인들이 그랬던 것처럼) 좀 더 나은 삶을 위해 조국을 떠났다.

1957년, 올라는 캐나다 사니아에 있는 다우케미컬에 입사했다. 당시 다우케미컬은 프리델-크래프츠형 친전자성 치환반응(Friedel–Crafts type electrophilic substitution)을 이용하여 폴리스티렌(polystyrene)을 만들고 있었다. 그것은 탄소양이온을 포함하는 반응이었는데, 올라는 ‘오래 지속되는 탄소양이온’을 만드는 획기적인 방법을 개발함으로써 1994년 노벨화학상을 거머쥐게 되었다.

초산(superacid)이란 100% 황산보다 수십억 배, 심지어 수조 배 강력한 산(酸)을 말하는데, 올라는 다우케미컬에서 일하는 동안 초산(超酸)이 탄소양이온을 안정화시킬 수 있음을 깨달았다. 1965년 올라는 케이스웨스턴리저브대학교의 교수로 임용됨으로써 학계에 복귀했다. 그의 연구실에서 한 멤버가 크리스머스 촛불을 대상으로 초산을 실험해 보기로 결심했는데, 실험 결과는 놀라웠다. 초산은 양초를 둘로 쪼개, 오래 지속되는 탄소양이온을 만드는 게 아닌가! 그 후 잇따라 발표한 논문에서, 올라는 그 물질을 마법의 산(magic acid)라고 불렀다.

올라가 본격적인 연구를 시작하기 전까지, 탄소양이온은 산촉매 전환(acid-catalysed transformation) 과정에서 눈 깜짝할 동안(밀리세컨드 미만) 존재하는 초단기중간체(fleeting intermediate)로만 알려져 있었다. 올라는 탄소양이온을 안정화한 다음, 저온의 핵자기공명법(NMR)과 엑스선분석을 이용하여 구조를 해명했다. 그의 천재성은 탄화수소반응의 메커니즘을 이해하는 길을 열었으며, 이는 원유 및 가스 정제방법의 향상으로 이어졌다.

올라는 '양전하를 가진 중심탄소가 세 개의 다른 그룹과 결합을 형성하는' 카르베늄 이온(carbenium ion; R3C+)과 '탄소가 다섯 개 이상의 그룹과 결합을 형성하는' 카르보늄 이온(carbonium ion; R5C+)을 명확히 구분할 것을 제안했다. 그는 "두 가지 탄소양이온이 모두 친전자반응(electrophilic reaction)의 중간체이지만, 생성되는 방법이 다르다"는 점을 입증했다. (전자의 경우, 이중결합에서 발견되는 π 오비탈에서 전자가 공여된다. 이에 반해 후자는 σ 오비탈에서 전자가 공여되는데, 이는 세 개의 원자가 두 개의 전자를 공유하는 비고전적 상황이다.) 이는 매우 중요한 차이임에도 불구하고, 그 이전까지 확립되지 않았었다.

올라의 연구는 '탄소원자는 4개 이상의 다른 원자와 결합할 수 없다'던 오랜 통념을 뒤집었다. 그는 2-보르닐 양이온(2-norbornyl cation)의 존재를 증명했는데, 이는 그의 친구 사울 윈스테인이 제안한 비고전적 이온(non-classical ion)이었다. 고전적 이온과 비고전적 이온을 둘러싼 논쟁의 한복판에서, 올라는 저온 NMR과 초산을 이용하여 2-보르닐 양이온의 비고전적 구조를 확립했다.

'네 개 이상의 결합을 가진 탄소원자'를 포함하는 화합물에 관한 올라의 연구는 초탄소 화학(hypercarbon chemistry)이라는 새로운 분야의 탄생으로 이어졌다. 그는 친전자종(electrophile)을 활성화시켜 초친전자종(superelectrophile)으로 만드는 방법을 보임으로써, 가능한 반응의 종류를 확장했다. 플루오린 화학(fluorine chemistry)에 대한 그의 연구 덕분에, 수천 명의 연구자들이 불소 첨가 약물(fluorinated pharmaceutical)을 연구·개발할 수 있었다. 현재 출시되어 있는 약물의 25%는 플루오르화 화합물이다.

1977년, 올라는 연구진을 이끌고 UCLA로 자리를 옮겨, 로커 탄화수소연구소(Loker Hydrocarbon Research Institute)를 설립했다. 노벨상을 받은 후, 그는 오랜 동료 수리아 프라카시와 함께 이산화탄소의 포집 및 재활용 과정에서 나오는 청정연료를 집중적으로 연구했다. 그들은 특히 천연가스나 셰일가스를 메탄올로 효율적으로 전환시키는 방법을 연구했는데, 이것은 재생가능한 청정액체연료로서, 석유나 디젤 대신 사용할 수 있으며 석유화학제품의 원료로도 사용될 수 있다. 현재 아이슬란드 그린다비크 근처에 있는 조지 올라 재생메탄올 공장(George Olah Renewable Methanol Plant)에서는, 이산화탄소를 메탄올로 상업적으로 전환하고 있다.

올라는 예지력 있는 과학자였으며, 그의 폭넓은 지식은 타의 추종을 불허했다. 우주공간에서 탄소가 관찰되었다는 보고서를 접하고 나서, 그는 "메탄올이 '생물학의 복잡한 요소들이 진화하는 과정'에서 핵심역할을 수행했으며, 궁극적으로 생명의 진화에 기여했을 것"이라고 제안했다.

그는 화학계의 히어로이자 롤모델인 동시에, 배려심 많은 인물이었다. 그의 동료 중 한 명인 화학자 치 막(Chi Mak)은 이렇게 말했다. "그는 대담한 인물로서, 상상할 수 없는 것을 상상하고, 생각할 수 없는 것을 생각했으며, 불가능한 것을 꿈꿨다."

※ 출처: Nature 544, 162 (13 April 2017) http://www.nature.com/nature/journal/v544/n7649/full/544162a.html





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양병찬 (약사, 번역가)
서울대학교 경영학과와 동대학원을 졸업하고, 은행, 증권사, 대기업 기획조정실 등에서 일하다가, 진로를 바꿔 중앙대학교 약학대학을 졸업하고 약사면허를 취득한 이색경력의 소유자다. 현재 서울 구로구에서 거주하며 낮에는 약사로, 밤에는 전문 번역가와 과학 리포터로 활발하게 활동하...
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