문화 속의 과학 노벨 화학상 (Nobel Prizes in Chemistry) 1993년-1995년

2011 + Autumn 67

노벨 화학상 (Nobel Prizes in Chemistry)

1993년-1995년

글∣도춘호(순천대 고분자공학과, choondo@sunchon.ac.kr)

노벨 화학상 수상자 수상 업적

1993년 Kary B. Mullis (미국), Michael Smith (영국) DNA의 화학반응과 중합효소 사슬반응 개발

1994년 George A. Olah (미국) 탄소양이온(carbocation) 화학에 기여

1995년 Paul J. Crutzen (네덜란드), Mario J. Molina (멕시코), F. Sherwood Rowland (미국) 대기 화학, 특히 오존의 생성과 분해에 관한 연구

1993-1995년 사이의 노벨 화학상 수상자들과 수상 업적

노벨 화학상 수상 내용을 살펴보면 화학 발전의 흐름과 화학

이 인류 사회에 기여한 내용을 파악하고 이해할 수 있다. 최근

10년간, 2000년부터 2010년 사이의 노벨 화학상에 관한 저자

의 글은 이전 화학교육 및 화학세계 잡지에서 볼 수 있다.1 이

번에는 20세기 마지막 10년인 1990년-1999년 사이의 노벨 화

학상을 살펴보려고 하는데, 1990-1992년 사이의 노벨 화학상

수상자와 그 업적은 금년 화학교육지 여름호에 실렸고2 이번에

는 1993-1995년 사이의 노벨 화학상의 내용과 수상자들에 대

해서 살펴본다. 1996-1999년 사이의 노벨 화학상에 대해서는

다음 기회에 소개하고자 한다.

요즈음 DNA 연구와 범죄 수사에 널리 응용되고 있어서 이

름이 익숙한 PCR 기술, 돌연변이를 발생시키고 연구하는 새로

운 방법, 유기 화학 반응에서 기본적으로 설명되는 카보양이

온에 대한 설명, 새로운 석유화학 제조, 대기층의 오존 형성, 배

기 가스와 프레온 가스의 문제점, 남극의 오존층 구멍 확대 등

지구 환경에 대한 경종을 울린 연구들이 모두 1993-1995년 노

벨 화학상 수상자들의 연구 결과들이다. 새삼 이들의 연구 업적

이 단순히 학문의 발전뿐만 아니라 인류의 안전과 번영을 위한

노력이라는 것을 실감하게 된다. 1993-1995년 사이의 노벨상

수상자와 업적을 정리하면 과 같다. 내용은 주로 노벨재

단 홈페이지의 노벨 화학상 관련 내용에서 가져온 것이다.3

1. 1993년 노벨 화학상

1993년 노벨 화학상은 DNA-기반 화학에 대한 공로로 미국

물리스 교수(Prof. Kary B. Mullis)와 영국 스미스 교수((Prof.

Michael Smith)가 공동으로 수상하였다. 물리스 교수는 중합

효소 사슬 반응(PCR) 방법을 발명한 공로로(“for his invention

of the polymerase chain reaction (PCR) method”)로 수상하였

고, 스미스 교수는 올리고뉴크레오타이드-기반하고 위치지향 돌

연변이와 이것의 발전을 통한 단백질 연구에 대한 기초 연구에

대한 공로로(“for his fundamental contributions to the establish-

ment of oligonucleotide-based, site-directed mutagenesis and

문화 속의 과학 노벨 화학상 (Nobel Prizes in Chemistry) 1993년-1995년

68 CHEMICAL EDUCATION

피 한 방울에서...

DNA 분자의 일부를 분리해서...

온도를 90oC로 올려서 사슬을 두가닥으로 분리한다.

온도를 55oC로 내리고 합성 DNA 조각을 넣는다. 이 조각들은 정확한 위치에 결합한다.

전체 과정은 복사기처럼 반복한다.온도를 70

oC로 올리고 DNA 중합효소를 넣는다. 새로운 두가닥의 DNA가 생긴다.

수백만개의 분자가 단시간에 만들어진다.

90-55-70 세 온도 과정을 반복한다.

[그림 1] PCR 방법으로 DNA 조각을 복제하는 과정

Kary B. Mullis (미국) Michael Smith (영국)

its development for protein studies”) 수상하였다. 유전 물질인

DNA 분자를 연구하는 화학적 방법은 물리스 교수와 스미스

교수가 개발한 방법으로 유전 공학 발전을 더욱 빠르게 했고

의약과 생물 기술에 새롭게 응용하는 길을 열었다.

▪물리스 교수의 업적 - 중합효소 사슬 반응(Polymerase Chain Reaction (PCR))

물리스 교수가 발전시킨 PCR 방법은 이미 널리 쓰이고 있

다. 생화학과 유전공학 연구에 중요한 DNA 조각을 시험관 속

에서 수시간 안에 수백만배 증폭시키는 기기로 응용되고 있다.

이 방법은 특히 HIV 바이러스 발견 또는 유전병과 관련된 잘

못된 유전자 발견 등 의료 진단에 사용된다. 개인이나 유기체

의 유전 물질을 서로 비교하는데 아주 편리하게 되었다. PCR

기술은 1985년 개발되었고, DNA를 분석하는데 가장 널리 사

용되고 있다.

혈액 중에서 DNA 조각을 분리해 내고, 이것을 90 oC로 가

열하면 두 가닥이 풀어져서 단일 가닥으로 된다. 온도를 55 oC

로 내리고 합성한 DNA조각을 넣는다. 그러면 조각들은 바른

자리에 찾아가서 결합한다. 그다음 온도를 70 oC로 높이고

DNA 중합효소를 넣는다. 그러면 새로운 이중나선의 DNA

분자가 생긴다. 이것을 분리하고 복제하는 방법을 반복하면

마치 복사기에서 복사하는 것처럼 DNA 조각을 만들 수 있다

(그림 1).

인간의 유전자를 모두 규명하는 인간게놈 프로젝트(Human

genome Project), 범죄 수사, 수백만 년 수천만 년 전 화석이

된 멸종 동물 및 식물의 재현 등도 모두 PCR 덕분이라고 할

수 있다.

2011 + Autumn 69

단일가닥 DNA 분자를 분리한다.

살아있는 세포에서

박테리아 속에서 증식된다.

합성 DNA 조각을DNA 분자에 붙인다.

화학적으로 DNA 암호를 변경한 DNA 조각

천연 단백질

원래(천연) 암호를 가진 살아있는 세포

이중가닥 DNA 분자가 DNA 중합효소의 도움으로 완성된다.

박테리아 속에서 증식된다. 돌연변이 암호

를 가진 살아있는 세포

아미노산이 변경된 돌연변이 단백질

[그림 2] 위치지향 돌연변이를 이용해서 새로는 단백질을 만드는 과정.

▪스미스 교수의 업적 - 위치지향 돌연변이(Site-directed mutagenesis) 연구

모든 살아있는 유기체의 유전 물질은 화학적으로 DNA로

구성되어있다. DNA는 두 사슬(또는 끈)로 꼬여 있는 실(또는 밧

줄)로 상상하면 그 구조를 이해하기 쉽다. 각각의 사슬은 뉴클레

오타이드라고 하는 작은 분자로 이어져 있다. 뉴클레오타이드는

4 종류가 있는데, 각각 A, T, C, G로 표시한다. DNA의 두 사슬은

서로 상보적이다. 즉, 한 사슬에 A 뉴클레오타이드가 있으면 다른

사슬의 같은 위치에는 T 뉴클레오타이드가 존재한다. 즉, A와 T,

C와 G는 서로 두 사슬에서 서로 마주보며 존재한다. A와 T, C와

G 사이는 수소 결합으로 서로 당긴다. 단백질 합성을 위해 유전

정보를 읽으려면 두가닥 사슬이 풀어진다. DNA에 들어있는 유

전 정보는 긴 암호로 이루어져 있다. 각 암호는 3글자로 이루어져

있다. 예를 들면, CAG, ACT와 같은 세글자 암호는 20종류의 아

미노산 중 한가지를 의미한다. 즉, 이어진 3 뉴클레오타이드는 한

종류의 특정 아미노산을 의미한다. 살아있는 세포 속에서 기능을

하는 것은 생명을 유지하는데 필요한 여러 종류의 화학 반응을 가

능하게 하는 기능을 가진 효소와 같은 단백질이다. 단백질의 삼차

원적 입체 구조와 기능은 여러 종류의 아미노산의 배열 순서에

따라서 정해진다.

유전 정보는 DNA로부터 전달 분자인 RNA를 통해서 단백

질로 전달된다. DNA 분자의 유전 정보를 수정하면, 예를 들어

CAC를 GAC 로 변경하면, 아미노산이 히스티딘 대신 아스파

트산으로 바뀌어진 단백질을 얻을 수 있다. 자연에서는 마구잡

이로 유전 정보가 일어나고(돌연변이), 대부분 생명체에 치명적

이다. 그러나, 생화학 연구자들은 DNA의 유전자 코드를 변경

해서 자연의 단백질과 돌연변이된 단백질의 성질을 연구하고자

하는 것이 꿈이었다. 이것이 스미스 교수의 올리고뉴클레오타

이드에 기반한 위치지향 돌연변이를 통해서 현실이 되었다.

1970년대 초 스미스 교수는 짧은 단일가닥 DNA 조각인 올리

고뉴클레오타이드를 화학적으로 합성했다. 스미스 교수는 이 합

성한 조각이 바이러스 DNA에 어떻게 붙는가도 연구했다. 스미

스 교수는 합성된 DNA 조각의 한 글자가 틀려도 바이러스

DNA에 제 자리와 결합하고 새로운 DNA 합성때 사용된다는 것

을 알았다. 1978년 스미스 교수와 공동연구자들은 박테리아파지

바이러스를 이용해서 돌연변이를 일으키고 또 정상으로 돌리는

실험에 성공했다. 4년 뒤에는 미리 정해진 아미노산이 교환된 상

당량의 돌연변이 효소를 만들고 분리하는데 성공했다(그림 2).

문화 속의 과학 노벨 화학상 (Nobel Prizes in Chemistry) 1993년-1995년

70 CHEMICAL EDUCATION

George A. Olah

스미스 교수 방법은 단백질의 삼차원 구조가 어떻게 정해지

는지, 세포 속에서 단백질이 다른 분자와 어떻게 적용하는 단

백질 기능을 연구하는 새로운 방법을 개척했다. 질병 연구와

식량 생산 증진 등에도 새로운 길을 열었다.

위치지향 돌연변이를 이용해서 체계적으로 효소의 아미노산

을 변경시켜서 효소의 구조와 기능을 연구해서 중요한 생체촉매

를 이해할 수 있게 되었다. 또한 단백질 분자가 어떻게 삼차원적

으로 접히고 작용하는가를 이해하는데도 이용될 수 있다. 그뿐만

아니라 이 연구는 복잡한 세포내의 반응이 유전적으로 어떻게 조

절되고 암과 같은 질병에 감염되는가를 이해하는데도 응용할 수

있다. 스미스 교수 방법으로 인해 유전자 코드를 변경할 수 있게

되었고 단백질에서 특정 아미노산을 치환할 수 있게 되었다. 이

것이 위치지향 돌연변이(site-directed mutagenesis)이다. 단백질

분자의 구조와 기능 연구가 근본적으로 변하게 되었고 새로운 기

능을 가진 단백질 합성이 가능하게 되었다. 즉, 기술적 공정 중

단백질의 안정성을 증가시킬 수 있고, 암 세포를 공격하는 항체

를 만들 수 있고, 빨리 수확할 수 있는 농작물을 만드는 단백질로

변경시킬 수도 있게 되었다. ‘단백질 디자인 (protein design)’이

라는 용어가 스미스교수의 연구로 이제 일반 개념이 되었다.

▪물리스(Kary B. Mullis)1944년 12월 28일 미국 노스캐로라이나주 르노에서 태어났

다. 성장기는 시골 농장에서 자랐으며, 고등학교는 콜롬비아에

서 다녔다. 조지아공과대학 화학과 학부생 때 첫 결혼을 했다.

수학 물리 및 화학을 공부했다. 1966년 켈리포니아 버클리로

옮겨서 J. B. Neillands 교수밑에서 생화학 전공으로 박사학위

를 받았다. 세터스(Cetus) 회사에서 올리고뉴클레오타이드를

합성하는 일을 하고 있을 때 PCR을 발명하였다.

▪스미스(Michael Smith)1932년 4월 26일 영국 블랙풀에 있는 외할머니집에서 태어

났다. 1943년 초등학교를 졸업하고 사립고등학교에 입학했다.

운동은 잘 하지 못했지만, 화학 교사가 스미스 교수에게 흥미

를 가지도록 지도했다. 1943-1950년 사이 사립학교를 다니는

동안 보이스카우트에도 가입해서 활동을 했다. 이것으로 평생

야외 생활과 활동하는 것을 좋아하게 되었다. 라틴어를 잘 하

지 못해서 옥스퍼드나 캠브리지 대학에는 지원하지 못했으나

화학과가 유명한 맨채스터 대학에 1950년 입학해서 1953년 학

부를 졸업하고, H. B. Henbest 교수밑에서 유기화학 전공으로

1956년 박사학위를 받았다. 박사후 과정으로 캐나다 벤쿠버에

있는 G. Khorana 교수 밑에서 1956년 9월부터 DNA 및 RNA

조각을 합성하는 일에 참여했다. Khoroana 교수팀은 1960년

미국 위스콘신대학교로 옮겼는데 이때 같이 따라갔다. Khorana

교수는 1968년 폴리뉴클레오타이드 합성(DNA 및 RNA 조각

합성) 공로로 노벨생리의학상을 받았다. 1961년 스미스 교수는

캐나다 벤쿠버에 있는 브리티시 콜롬비아 대학교에 부임했다.

2. 1994년 노벨 화학상

올라 교수(Prof. George A. Olah)는 유

기 화학 분야에서 탄소양이온 화학에 대

해서 기여한 공로("for his contribution to

carbocation chemistry")로 1994년 노벨

화학상을 받았다. 올라(George A. Olah)

교수의 업적은 크게 양이온의 구조와 성

질을 밝힌 것, 초강산, 초강산과 알칸의

반응 이렇게 세가지로 나누어 볼 수 있다.

▪유기화학과 카보양이온1920년대 주로 C.-K. Ingold ( (1893-1970, 영국)의 연구에

의해 유기화학의 반응 메카니즘이 설명되었다. 유기 합성에서

가장 많이 사용되는 반응은 친핵성 치환 반응과 제거 반응이

다. 친핵성 친환반응에서 친핵체(nucleophile)는 전자쌍을 가

지고 있어서 이것을 사용해서 기질과 새로운 결합을 만든다.

이탈기는 전자쌍을 가지고 이탈한다. 제거반응에서 탄소원자

의 이웃 두 그룹은 떨어져 나가고 알켄이 생성된다. 화합물의

구조와 용매 등에 따라서 이 반응들은 두 단계로 일어난다. 그

예가 염화 이소프로필이 친핵체 Nu‒의 존재하에 치환반응 또는 제거 반응 생성물이 생기는 것을 보여준다(그림 3).

2011 + Autumn 71

2

13

4

5

6

H

H

+

7

2

13

4

5

6+

7

6

25

4

7

1

3

+2

1 3

4

5

6+

7

H H

H+

(a)

(b)

[그림 4] (a) 비전형적 이온 : 노보닐 카르보늄 이온, (b) 평형상태의 카르베늄 이온

(CH3)2CHNu

(CH3)2CHCl (CH3)2CH+ + Cl-

Nu- 치환반응

제거반응

CH2=CHCH3

-H+

[그림 3] 염화 이소프로필이 친핵체, Nu-와 반응 할 때 치환 반응과 제거 반응 생성물

▪양이온 구조와 성질유기 화학 반응에서 탄소 화합물의 양이온, 카보양이온

(carbocation)은 화학반응에서 중요한 중간체이다. 반응 메커

니즘을 밝히는데 아주 중요한데, 반응성이 매우 크고 수명은

아주 짧아서 카보양이온의 구조와 성질을 이해하기 어려웠다.

올라 교수는 카보양이온의 수명을 길게 만들어서 직접 관찰 할

수 있도록 했다. 올라 교수는 tertiary butyl fluoride를 ‒78 oC 에서 superacid, SbF5와 반응시켜서 수명이 긴 양이온을 만들

었다(식 1). 이 양이온을 NMR과 ESCA로 분석해서 양이온 구

조와 성질을 규명하였다.

C

H3C

H3C

CH3

F+ SbF5

CH3

H3C CH3

+ + SbF6‒ (식 1)

▪비전형적(non-classical) 이온1860년대 Kekule 이래 탄소 원자는 4개의 다른 원자(단)과

결합한다는 것은 잘 알려져 있다. 1950년대 미국의 S. Winstein

은 다섯 개가 배위한 탄소를 발견하고 이것을 비전형적 이온이

라고 불렀다. 다른 학자들은 평형상태에 있는 다른 구조라고

주장했다(그림 4). 이런 논란은 올라 교수가 카보양이온을 조사

해서 비전형적 양이온 구조가 맞다는 것을 밝혀서 해결되었다.

▪알칸과 초강산과의 반응초강산(superacid)은 100% 황산보다 더 강한 산이다. 알칸

에 양성자를 붙이는 초강산은 HF를 사용해서 만들 수 있다

(식 2-3). 그러나 루이스산 (Lewis acid)인 SbF5와 반응시키면

반응이 식 3에서 오른쪽으로 크게 이동한다. 초강산은 100%

황산보다 1018 배 더 강한 산이다. 이런 초강산을 사용하는 용매

는 염기성도가 아주 낮은 SO2, SO2ClF, SO2F2 같은 것들이다.

HF H+ + F- (식 2)

HF + SbF5 H+ + SbF6- (식 3)

1960년대 올라 교수는 초강산 HF:SbF5 를 사용해서 메탄에

양성자를 붙여서 CH5+를 만들었다. 이것은 이성화하고 다른

메탄과 반응해서 에탄을 형성한다(식 4). 이 방법은 석유를 생

산하는 새로운 방법을 개척하였다.

C

H

H

HH

H+

C

H

H

HH

H

+

-H2

C

H

HH

+CH4

H3C CH3

H +-H+

CH3CH3

(식 4)

문화 속의 과학 노벨 화학상 (Nobel Prizes in Chemistry) 1993년-1995년

72 CHEMICAL EDUCATION

Paul J. Crutzen Mario J. Molina F. Sherwood Rowland

▪올라 (George A. Olah)1927년 5월 22일 헝가리 부다페스트에서 출생했다. 노벨화학

상 수상 당시 미국 캘리포니아에 있는 남가주대학교(University

of Southern California) 교수로 재직중이었다. 올라 교수의 성

장기는 일차대전과 이차대전 기간과 겹친다. 올라 교수는 부다

페스트의 중학교와 고등학교 교육이 합쳐진 짐나지움에서 8년

간 라틴어, 독어, 불어를 필수 외국어로 하는 인문학을 중시하

는 교육을 받았다. 고등학교 때는 화학에 대해서 큰 관심을 가

지지 않았고, 역사, 문학 등에 관심을 가지고 독서를 많이 했다.

올라 교수는 일찍부터 특정한 과목에 치중하는 것은 균형잡힌

넓은 교육보다 모자란다고 생각한다. 고등학교를 졸업후 부다

페스트 기술대학(Technical Univ. of Budapest)에 입학해서 전

쟁의 참화와 전쟁에서 황폐된 나라에서 생존하는 것을 고려하

고 화학의 다양성에 흥미를 느껴서 화학을 공부했다. 당시 대

학 실험 시설이 적어서 학급의 절반은 구두 시험에서 떨어졌다.

그러나 화학 실험은 매우 훌륭하고 엄격하게 진행되어서 이때

올라 교수의 화학에 대한 기반이 닦여졌다. 졸업 후 이 대학의

G. Zemplen 교수 밑에서 연구 조수로 일했다. 이 때 불소 화학

의 연구를 시작했으며, 1949년 결혼했다. 소련 지배에 반기를

든 1956년 혁명에 실패한 후 많은 헝가리 시민들은 외국으로

도피하였고, 올라 교수 가족도 1956년 12월 하순 영국을 거쳐

1957년 봄 캐나다에 도착했다. 1957년 5월 캐나다 온타리오

사니아에 있는 다우화학(Dow Chemical)에 취직했다. 1964년

미국 마사츄세스주에 있는 다우 화학 연구소로 옮겨갔다.

1965년 여름 클래브랜드에 있는 웨스턴 리저브 대학(Western

Reserve Univ.) 화학과 교수 및 학과장으로 부임했다. 1976년

가을 로스안젤레스에 있는 남가주대학교로 옮겼다.

3. 1995년 노벨 화학상

1995년 노벨 화학상은 대기 화학, 특히 오존의 형성과 분해

에 관한 공로로(“for their work in atmospheric chemistry,

particularly concerning the formation and decomposition of

ozone”)로 네덜란드의 크루젠 교수(Paul J. Crutzen), 멕시코의

모리나 교수(Mario J. Molina), 그리고 영국의 로랜드 교수

(F. Sherwood Rowland) 3인이 공동으로 받았다.

▪오존층(ozone layer)지구를 둘러싸고 있는 대기에는 소량의 오존이 존재한다. 오

존의 양은 많지 않지만, 오존은 지구상 생명체들에게 근본적으

로 중요한 역할을 한다. 오존은 산소와 함께 햇빛 중 자외선 부

분의 대부분을 흡수해서 지표면에 위험한 자외선이 도달하지

않도록 한다. 대기권에 오존층(ozone layer)이 없으면, 적어도

땅위에서는 동물과 식물이 존재할 수 없다. 그러므로 대기 중의

오존을 조절하는 과정을 이해하는 것은 중요하다. 1995년 노벨

수상자 3명, 크루젠 교수, 모리나 교수, 로랜드 교수 모두 오존

이 대기중에서 화학적 반응 과정을 거쳐서 어떻게 생기고 분해

하는가에 대해서 선구적 기여를 했다. 특히, 인간이 만든 몇가

지 화합물들의 방출의 영향에 오존층이 얼마나 민감한가를 보

여주었다. 얇은 오존층은 대기 조성의 사소한 변화에도 심각하

게 손상을 입는 아킬레스 발꿈치와 같은 약점이 있다. 오존층의

두께에 영향을 미치는 화학반응 메커니즘을 설명해서 세 연구

자들은 재앙을 불러올 지구 환경 문제를 해결하는데 기여했다.

오존은 태양에서 오는 자외선에 의해서 대기 중의 일반적인

산소 분자가 분해해서 생성된다. 분해되어서 생성된 산소 원자

는 산소 분자와 반응해서 오존을 만든다(식 5).

O2 + UV-light → 2O

O + O2 + M → O3 + M(식 5)

여기서 M 은 공기 중의 질소 또는 산소 분자

2011 + Autumn 73

고도 고도

온도 오존 농도

오존층

[그림 5] 대기층 높이와 대기 온도 및 오존의 농도 변화.

▪배기 가스와 질소 산화물오존층에 대한 더 깊은 화학적 이해에는 크루젠 교수가 기여

했다. 1970년 크루젠 교수는 질소 산화물, NO 및 NO2 가 촉매

역할을 해서 오존 농도를 줄이는 것을 가속시킨다는 것을 알아

냈다(식 6).

NO + O3 → NO2 + O2NO2 + O → NO + O2

O3 + UV-light → O2+O_____________________알짜 반응식: 2O3 → 3O2

(식 6)

질소 산화물들은 공기 중에서 땅속의 미생물로부터 유래한

화학적으로 안정한 N2O 의 분해로 만들어진다. 크루젠 교수가

밝힌 땅속의 미생물과 오존층의 두께와의 관계는 최근 지구의

생물지구화학 순환과정(biogeochemical cycle) 에 대한 급속

한 연구에 동기를 부여했다.

질소 산화물들이 오존을 분해한다는 것은 질소 화합물에 대

해서 광범위하게 연구한 미국 연구자 Harold Johnston 에 의

해서도 알려졌다. 1971년 그는 초음속 여객기와 초음속 여행

은 오존층에 위험하다는 것을 지적했다. 초음속 여객기들은 질

소 산화물들을 20 km 상공인 오존층의 가운데 배출할 가능성

이 있다. 크루젠의 연구와 존스톤의 연구는 연구자들 뿐만 아

니라 기술자들과 정책 입안자들 사이에 아주 열띤 논쟁을 불러

일으켰다. 이것은 또한 대기 화학에 대한 집중적인 연구가 시

작되었다. 초음속 여객기의 운항의 취소는 환경 위험 문제보다

는 다른 이유로 취소되었다.

▪프레온 가스오존 화학에 대한 우리의 지식은 1974년 Mario Molina 와

Sherwood Rowland가 분무 깡통, 냉장고에 냉매, 플라스틱 발

포용 프레온 가스 (chlorofluorocarbon (CFC))가 오존층에 위

협이 된다고 발표로 한단계 뛰어 올랐다. 모리나와 로랜드의

결론은 다른 연구자들의 두가지 중요한 기여에 바탕을 두었다:

(1) 영국의 James Lovelock 는 대기 중의 아주 낮은 농도의 유기

기체를 측정할 수 있는 아주 감도가 높은 장치인 전자 포착 검출

기 (electron capture detector)를 개발했다. 이 장치를 사용해서

전세계적으로 대기 중에 화학적으로 안정한 CFC 가 퍼져있음

을 밝혔다. (2) 미국의 Richard Stolarski 및 Ralph Cicerone 는

공기 중의 염소 원자는 질소 산화물과 마찬가지로 촉매반응으로

오존을 분해할 수 있음을 밝혔다(식 7).

Cl + O3 → ClO2 + O2O3 + UV-light → O2 + O

O + ClO → Cl + O2_____________________알짜 반응식: 2O3 → 3O2

(식 7)

모리나와 로랜드는 화학적으로 불활성인 CFC가 차츰 오존

층으로 올라가서 매우 강한 자외선을 만나 분해해서 염소 원자

를 생성한다는 것을 알았다. 이들은 인간이 CFC 가스를 계속

해서 사용하면 수십년 안에 오존층이 없어질 것이라고 계산했

다. 이들의 예상은 엄청난 관심을 가져왔다. CFC 가스들은 여

러 기술 과정에서 사용되어왔고, 화학적으로 매우 안정하고 독

성이 없으므로 환경적으로도 이상적이라고 생각해 왔다. 많은

사람들이 모리나와 로랜드의 계산에 비판적이었지만, 더 많은

사람들이 오존층의 소멸 가능성에 심각하게 관심을 가지게 되

었다. 오늘날 우리는 모리나와 로랜드가 근본적으로 옳았다는

것을 알고 있다. 실제로는 이들의 계산은 위험을 더 적게 평가

문화 속의 과학 노벨 화학상 (Nobel Prizes in Chemistry) 1993년-1995년

74 CHEMICAL EDUCATION

1955 1965 1975 1985 1995

연도

[그림 6] 남극 Halley 만에서 측정한 오존층의 두께 (10월달 평균치). 1970년대 이래 급격하게 줄어들고 있음을 보여준다.

했다는 것이 밝혀졌다.

모리나와 로랜드의 발표는 1970년 후반에서 1980년초에 이

르는 사이 CFC 방출을 억제하도록 이끌었다. 1985년 전까지

는 실제 충격이 올 때까지 방출 제한에 대한 국제적인 협상에

대한 실질적인 긴급성이 없었다. 영국의 Joseph Farman과 그

의 동료들은 남극 대륙위의 오존층이 급격하게 줄어든다는 것,

즉 오존 구멍이 생긴다는 것을 알았다(그림 6). 오존층의 주기

적 감소는 이전에 CFC 효과로 계산한 것보다 훨씬 컸다. 연구

자들 사이에 격론이 벌어졌다. 이것은 자연적인 기후변화의 한

가지인가? 또는 인간이 불러온 화학적 분해에 의한 것인가?

미국의 Susan Solomon과 James Anderson으로 포함한 크루

젠, 모리나, 로랜드 등 선구적인 연구 덕분에 사실이 분명해 졌

다. 오존층의 감소는 주로 산업에서 만들어지는 염소나 브롬

가스와 오존이 반응해서 생긴다.

남극 대륙의 오존층의 놀라울 정도로 급격한 감소는 기체의

이동 과정이나 기체상 화학반응으로 설명할 수 없었다. 오존층

의 분해를 가속시키는 다른 메커니즘이 존재함을 알 수 있다.

크루젠과 그의 동료들은 성층권에서 구름 입자 표면에서 화학

반응이 일어남을 확인했다. 남극대륙의 오존 감소는 아주 낮은

온도에서 물과 질산이 응축해서 ‘극 성층권 구름’ (‘polar

stratospheric clouds’ (PSCs)을 형성하는 것과 관련지었다. 이

구름의 존재하에서 오존 분해반응이 아주 빨리 일어나게 되는

것이다. 이런 해석은 ‘입자 위의 불균일한 화학 반응’이라는 새

로운 대기 화학 분야를 열었다.

오존 문제는 인간이 기후에 미치는 영향에 대한 문제와 관

련이 있다. 오존은 이산화탄소와 메탄과 마찬가지로 지구 표

면의 온도를 높이는 온실가스 중의 하나이다. 모형 계산은 기

후는 대류권 (troposphere)에서 특히 오존 함량의 변화에 민감

하다는 것을 보여준다. 지난 세기 동안 주로 자동차와 산업 과

정, 그리고 열대지방의 생물 폐기물의 연소에서 생긴 질소 산

화물, 일산화 탄소, 탄화 수소 때문에 오존 함량이 크게 증가했

다. 낮은 대기층에서의 오존량의 증가는 그 자체가 수확량과

인간의 건강에 해를 미치는 환경 문제가 된다. 크루젠은 낮은

대기층에서 오존량을 결정하는 화학 메커니즘의 지도를 그리

는 전문가이다.

크루젠, 모리나, 로랜드 덕분에 우리가 오존 문제에 대해서

과학적으로 이해하게 되었고, 이제 오존을 파괴하는 가스들의

방출을 금지하는 결정을 할 수 있게 되었다. 유엔 주최 하에

1987년 캐나다 몬트리올에서 오존층을 보호하자는 의정서에

서명하게 되었다. 몬트리올 의정서를 더욱 공고히 하기위해 가

장 위험한 가스들은 1996년부터 완전히 금지하게 되었다(개발

도상국가들은 몇 년간 유예기간을 두기로 했다). 오존파괴 가

스들이 오존층에 도달하려면 수년이 걸리므로 남극 대륙뿐만

아니라 북반구의 일부에서도 오존이 감소하는 것을 감수해야

한다. 금지가 지켜지면 21세기가 지나는 사이 점차적으로 오존

층이 회복될 것이다(그림 7). 오존층이 회복되는데 적어도 100

년은 걸릴 것이다.

▪크루젠(Paul J. Crutzen)크루젠 교수는 네덜란드 암스테르담에서 1933년 12월 3일

태어났다. 노벨화학상 수상 당시 독일 Max-Planck-Institut für

Chemie, Mainz, 소속이었다. 크루젠 교수는 초등학교를 1940

년 가을 입학했는데, 초등학교 시절은 이차대전 시기와 겹친

2011 + Autumn 75

1950 1975 2000 2025 2050 2075 2100

연도

(a)

(c)

(b)

[그림 7] 세가지 가정을 둔 현재와 미래의 성층권의 염소 농도: (a) 제약업이 그대로 방치하는 경우 (b) 1987년 몬트리올 협정에 따른 경우 (c) 현재 국제적으로 약속한 것에 따르는 경우.

다. 1946년 5년제 중학교에 입학했다. 졸업을 하기위해서는 불

어, 영어, 독어 등 3개 국어에 능숙해야 했는데, 3개 국어를 모

두 잘했다. 이때 화학보다는 수학과 물리 과목을 좋아했다. 축

구, 자전거타기, 장거리 스케이팅 등 스포츠도 좋아했다. 체스

도 좋아했고, 여행, 천문학, 다리, 터널 관련 서적들도 탐독했

다. 고교졸업당시 고열로 인해 졸업시험에 좋은 성적을 받지

못해서 대학 장학금을 지원받을 수 없었다.

4년 동안 경제적 지원을 받을 집안 형편이 아니었으므로, 3

년제 기술학교에 토목 공학자가 되기 위해 입학했다. 3년 과정

이지만, 2년째는 실습과정으로 취직을 해서 돈을 모아서 나머

지 학업을 마쳤다. 1954년부터 1958년까지 암스테르담 교량건

설국에서 일했다. 이 사이 21개월 동안 군복무도 마쳤다. 1958년

결혼했다. 1958년 스톡홀름에서 200 Km 떨어진 갈브 시에 건축

과에 취직했다. 1959년 1월부터 스톡홀름대학교(Stockholm

Univ.) 기상학과의 컴퓨터 프로그래머로 취직했다. 대학에서 강

의를 수강할 수 있었기 때문에 1963년 석사 과정에 해당하는

수학, 통계학, 기상학 관련 과학 전공 학위를 받을 수 있었다.

물리와 화학을 배울 수 없었는데, 이것은 실험 등 시간을 많이

요구하는 교육과정을 마칠 수 없었기 때문이었다. 기상학 박사

학위에 해당하는 학위를 받았다. 1965년 경 미국 과학자들과

성층권, 중간층, 열권 등 고공 대기 중 산소 동소체의 분포에 대

한 연구를 하게 되었다. 1960년대 후반부터 1970년대 산성비

에 대한 발견과 토론도 많았다. 크루젠 교수는 순수한 학문 영

역인 성층권의 오존에 대한 연구를 계속했다.

▪모리나(Mario J. Molina)모리나 교수는 1943년 3월 19일 멕시코 수도인 멕시코시에

서 태어났다. 노벨상 수상 당시 미국 MIT 교수로 재직중이었

다. 멕시코시에서 초중고를 졸업했다. 어려서부터 화학에 대해

서 흥미가 많았고 화학자가 되겠다고 생각했다. 1960년 멕시

코 국립대학교 (UNAM (Universidad Nacional Autónoma de

México (National Autonomous University of Mexico))에서

화학 공학을 전공하고 졸업했다. 졸업후 물리 화학으로 박사

학위를 받겠다고 독일 Freiburg 대학에 입학했다. 고분자 중

합 반응 속도에 대한 연구를 2년쯤 하다가 멕시코로 돌아가서

UNAM 화학공학과 조교수로 부임했다. 1968년 미국 버클리

에 있는 캘리포니아대학 George Pimentel 교수 밑에서 레이

저를 이용한 연구로 1972년 물리 화학 전공 박사 학위를 받

았다. 1973년 가을 박사후 과정으로 어바인에 있는 캘리포니

아대학교 로랜드 교수팀에 합류했다. 여기서 CFC-오존 관계

의 연구를 하게되었다. 1975년 캘리포니아대학교 조교수가

되었다. 1982년 모리나 교수는 좀더 연구에 몰두하기 위해

Jet Propulsion Lab.의 분자 물리 및 화학부로 옮겼다. 여기서

염소 과산화물(chlorine peroxide)라는 새로운 화합물이 극지

방 성층권의 오존층을 파괴하는데 중요한 역할을 한다는 것도

발견하였다. 1989년 MIT로 옮겨서 지구 대기화학에 대해서

연구하고 있다.

▪로랜드(F. Sherwood Rowland)로랜드 교수는 1927년 6월 28일 미국 오하이오주 델라웨어

에서 세아들 중 둘째로 태어났다. 노벨상 수상 당시 미국 어바

인에 있는 켈리포니아대학교 교수였다. 로랜드 교수 부친이

1926년 오하이오 웨스리얀 대학교(Ohio Wesleyan Univ.) 수

학과 학과장 겸 교수로 부임해서 가족이 델라웨어로 이사를 왔

다. 거기서 공립 초, 중등학교를 졸업했다. 초등학교 때 월반하

는 제도가 있어서 5살에 입학하고 4학년은 건너뛰어서 12살에

문화 속의 과학 노벨 화학상 (Nobel Prizes in Chemistry) 1993년-1995년

76 CHEMICAL EDUCATION

고등학교에 입학했고 만16살 전에 고등학교를 졸업했다. 고등

학교 때는 테니스, 배구를 해서 학교 대표선수를 했다. 이차대

전 중이었지만, 나이가 18세가 되지 않아서 징집되지 않고 고

등학교 졸업후 웨스리얀 대학교에 입학했다. 대학에서 화학,

물리 및 수학 등 과학을 전공했지만, 인문과학도 강조하는 대

학에서 열심히 공부했다. 한편 대학에서 농구와 야구 선수를

하기도 했다. 부모의 영향으로 시카고 대학교(University of

Chicago) 대학원 화학과에 1948년 가을 입학했다. 지도교수

는 Willard F. Libby(1908-1980) 교수였는데, 리비 교수는 탄

소-14 연대 결정에 관한 연구로 1960년 노벨화학상을 받았다.

리비 교수 밑에서 사이클로트론에서 생성된 방사성 브롬 원자

의 화학 상태를 연구하였다. 1952년 결혼하였으며, 1952년 8

월 프린스톤대학교 강사, 1956년 캔사스 대학교 화학과 조교

수로 부임했다. 1964년 어바인에 있는 캘리포니아대학교 화

학과 첫 학과장 겸 교수로 부임했다. 삼중수소, C-14, 38Cl, 18F

를 사용해서 방사성 추적 광화학에 대해서 연구를 시작했다.

1970년 환경 문제가 국제적으로도 중요한 문제였기 때문에

방사선을 환경 문제에 적용하려고 했다. 1973년 모리나 교수

가 박사후 과정으로 로랜드 교수 연구팀에 합류했고 같이 염

화불화탄화수소가 대기 중에서 어떻게 변하는가를 연구하기

시작했다. 염화불화탄화수소-오존 문제는 1974년 후반기에 대

중의 큰 관심을 끌게 되었다.

참고문헌 • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •1. 도춘호, 화학교육, 2011년 여름호, pp 69-74 (2011)2. 2000-2010년도 노벨화학상에 관한 글은 다음 잡지들에서 볼 수 있습니다: (a)도춘호, “화학교육”, 2009년, 여름호, pp 4-13; (b) 도춘

호, “화학교육”, 2010년, 여름호, pp 6-11; (c) 도춘호, “화학교육”, 2010년, 겨울호, pp 2-6; (d) 도춘호, “화학교육”, 2007년, 겨울호, pp 10-12; (e) 도춘호, “화학교육”, 2009년, 봄호, pp 4-8; (f) 도춘호, “화학세계”, 2010년, 1호, p 58; (g) 도춘호, “화학교육”, 2010년, 가을호, pp 12-15.

3. 도춘호, ‘화학교육’, 2011년, 여름호, pp 69-74.4. (1) "Press Release: The 1993 Nobel Prize in Chemistry". Nobelprize.org. 5 Oct 2011 http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/

chemistry/laureates/1993/press.html; (2) "Press Release: The 1994 Nobel Prize in Chemistry". Nobelprize.org. 5 Oct 2011 http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1994/press.html; (3) "Press Release: The 1995 Nobel Prize in Chemistry". Nobelprize.org. 5 Oct 2011 http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1995/press.html; (4) http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1995/illpres/illpres.html