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1. 이소프레노이드 천연물 합성을 위한 빌딩 블록(Building Block)의 개발

목표 지향적(target-oriented) 유기 합성법 개발은 해당 물질의 제조에는 유용하게 사용될 수 있을 지라도 이를 일반화하여 다양한 물질의 합성에 적용하기는 어렵다. 항산화, 면역기능, 자기보호 등을 위해 생체 내에서 2차 대사물질로 제조되는 다양한 생리활성 이소프레노이드 화합물의 생합성에서 IPP (Isopentenyl Pyrophosphate)가 수 만종의 천연물을 생성하는 기본 빌딩 블록으로 사용되는 원리를 모방하여, 다양한 이소프레노이드 합성에 필요한 빌딩 블록들을 개발하였다. IPP는 여러 효소에 의해 체인확장, 산화, 및 고리화 반응 등이 일어나는데, 유기 합성에서는 이러한 효소를 이용하여 반응을 제어하는 대신, 다양한 작용기를 함유하는 빌딩 블록을 제조함으로써 반응의 선택성을 확보하도록 계획하였다.

탄소 5개 (C5)로 이루어진 이소프렌을 시작물질로 이용하여 위치 선택적으로 두 종류의 다른 작용기를 도입하는 방법을 개발하였고, 입체적 전자적 요소를 이용한 체인 확장 반응의 방향성 및 선택성을 유도할 수 있었다. 특히 알릴릭 에폭사이드 화합물의 DMF 용매에서 구리 촉매와 thiol 친핵체를 이용하는 위치 선택적 고리 열림 반응을 개발하여 체인확장을 위한 빌딩 블록을 효율적으로 제조할 수 있었다. 한편, 카로틴 화합물의 구조를 효율적으로 합성하는데 필요한 C10 unit을 대칭성을 활용하는 방법으로 개발하였고, 카로틴 합성을 위해 단일 반응으로 이중결합 4개를 동시에 형성하는데 필요한 새로운 C10 dialdehyde를 부타디엔으로부터 합성하는 방법도 개발하였다.

2. 빌딩 블록의 체인 확장에 의한 생리활성 이소프레노이드 천연물의 합성법 개발

IPP로부터 생합성 되는 이소프레노이드는 그 구조적 유사성에 따라 카로틴류, 테어펜류로 분류된다. 카로틴류는 컨쥬게이트 폴리엔 체인의 구조를, 테어펜류는 탄소-탄소 이중결합과 단일결합이 번갈아 나타나는 구조를 띤다. 이들은 공통의 빌딩 블록으로부터 설폰을 이용한 탄소 체인의 확장 반응을 통해 골격을 형성한 다음, 설폰기를 제거하는 방식을 달리하여, 즉 팔라듐 촉매에서 붕소 시약 LiBHEt3를 사용하여 설폰기를 환원시켜 테어펜 화합물로 제조하였고, KOMe 등의 염기를 사용하여 이중결합을 형성하며 카로틴 화합물을 제조할 수 있었다.

카로틴 및 테어펜 화합물들은 체인의 말단에 고리구조와 다양한 산소 작용기를 함유하기도 하는데, 이들의 합성을 위해서 고리구조나 산소 작용기를 함유하는 빌딩 블록들도 개발하였다. 폴리엔 체인 구조의 카로틴 화합물은 빛과 열에 약하며 특히 산성 조건에서 쉽게 변질되기 때문에 이들의 합성은 매우 까다롭다. 따라서 필요한 골격의 체인을 확장한 후, 마지막 단계에서 여러 이중결합을 동시에 형성하며 폴리엔 체인을 제조하는 방법을 개발하게 되었다. 코엔자임 Q-10은 2002년 개발 당시 산업적 요구가 매우 높았던 천연물로서 하이드로퀴논 핵에 데카프레니올(C50)을 Friedel-Craft 반응으로 부착시키는 것은 고리화 부 반응 문제가 심각했기 때문에, 안정한C5 설폰 빌딩 블록을 먼저 부착시킨 뒤, 이를 담뱃잎 등에서 추출되는 솔라네솔(C45)과 결합한 뒤, 설폰기를 제거하는 방법으로 실용성과 효율성을 갖춘 방법을 개발할 수 있었다.

3. 간단한 체인 화합물로부터 유용한 탄소-고리화합물의 제조