장석복 연구실의 대표적인 연구 축은 전이금속 촉매를 활용하여 비활성 탄소-수소 결합을 직접 탄소-질소 결합으로 전환하는 유기합성 방법론 개발이다. 기존의 유기합성에서는 작용기 전환을 위해 미리 반응성 핸들을 도입해야 하는 경우가 많았지만, 이 연구는 분자 내에 이미 존재하는 C–H 결합을 선택적으로 활성화함으로써 합성 단계를 줄이고 원자 효율을 높이는 데 초점을 둔다. 특히 질소 함유 화합물이 의약품, 농약, 기능성 분자에서 매우 높은 비중을 차지한다는 점에서 이러한 직접 아민화 전략은 학문적·산업적으로 모두 큰 중요성을 가진다. 연구실은 로듐, 이리듐, 니켈 등 다양한 전이금속 촉매를 정교하게 설계하여 반응성, 위치선택성, 화학선택성을 동시에 제어하는 전략을 발전시켜 왔다. Science에 발표된 감마-락탐 합성 연구는 맞춤형 이리듐 촉매를 통해 경쟁적인 이소시아네이트 형성을 억제하고 원하는 C–H 아미드화를 유도한 사례로, 촉매 리간드의 전자적·입체적 성질을 조절해 반응 경로를 바꿀 수 있음을 보여준다. 또한 Nature Catalysis의 비대칭 β-락탐 합성 연구는 NiH 촉매를 이용해 고부가가치 고리형 아마이드 구조를 입체선택적으로 구축함으로써, 단순한 결합 형성을 넘어 정밀한 분자 구조 제어까지 가능하다는 점을 입증했다. 이 연구 분야는 후기 기능화와 복잡한 질소화합물의 신속 합성에 특히 강점을 가진다. 아미노산 유도체나 생리활성 분자에 직접 적용 가능한 반응을 개발함으로써 신약 후보물질 탐색, 기능성 소재 합성, 천연물 유도체 제작에 폭넓게 활용될 수 있다. 앞으로도 연구실은 새로운 질소 중심 반응중간체와 촉매 설계를 결합해 더욱 온화한 조건, 더 넓은 기질 범위, 더 높은 입체선택성을 갖는 C–H 기능화 기술을 확장해 나갈 것으로 기대된다.

장석복 연구실은 새로운 반응을 발견하는 데 그치지 않고, 반응이 실제로 어떻게 진행되는지를 분자 수준에서 규명하는 메커니즘 연구를 핵심 역량으로 삼고 있다. 유기금속 촉매 반응은 짧은 수명의 반응중간체와 복잡한 경쟁 경로가 공존하기 때문에, 선택성과 효율을 높이기 위해서는 정밀한 작동 원리에 대한 이해가 필수적이다. 연구실은 이러한 문제를 해결하기 위해 실험 유기화학, 유기금속화학, 분광학, 계산화학을 통합하는 접근을 취한다. 대표적으로 로듐 촉매 아실나이트렌 전달 반응에 대한 Science 논문에서는 기존에 추정만 되었던 Rh-acylnitrenoid 종을 실제로 포착하고 구조적으로 분석함으로써 반응 메커니즘의 핵심 단계를 시각적으로 제시했다. 광유도 전하이동, 광결정학적 분석, 친핵체와의 반응 추적을 결합하여 singlet nitrenoid가 실제 반응의 주된 활성종이라는 점을 설득력 있게 보여준 것은 촉매 반응 연구에서 매우 중요한 성과다. 또한 DFT 계산을 통해 전이상태 에너지와 리간드 효과를 해석하고, 이를 다시 촉매 설계에 반영하는 선순환 구조를 구축하고 있다. 이러한 메커니즘 중심 연구는 단지 학술적 설명을 제공하는 데 그치지 않는다. 어떤 금속, 어떤 리간드, 어떤 반응 조건이 원하는 생성물을 가장 잘 만들 수 있는지 예측 가능성을 높여 주기 때문에, 새로운 촉매 개발 속도를 크게 향상시킨다. 결과적으로 연구실의 방법론은 경험적 최적화에 의존하던 전통적 촉매 개발을 데이터와 이론에 기반한 정밀 설계로 전환하는 데 기여하며, 차세대 선택적 유기합성 플랫폼 구축의 토대를 제공한다.

최근 장석복 연구실의 연구는 고전적 유기합성 방법론을 넘어 지속가능한 질소화학과 분자 조립 반응으로 확장되고 있다. 수행 중인 과제들을 보면 조절 가능한 분자 조립 반응을 통해 복잡한 질소 함유 화합물을 간단히 구축하는 전략, 가시광을 이용한 질소 중심 반응중간체 생성, 그리고 차세대 분자 촉매를 이용한 암모니아 합성과 활용 연구가 중요한 방향으로 제시된다. 이는 유기합성의 효율 향상뿐 아니라 에너지·환경 문제와 연결되는 넓은 시야를 보여준다. 구체적으로 연구실은 가시광 광화학을 이용해 하이드록사메이트 등으로부터 삼중항 나이트렌 또는 아미딜 라디칼을 생성하고, 이를 탄화수소의 C–H 아민화 반응에 활용하는 방법을 탐구하고 있다. 이러한 전략은 고온·고압이나 과량의 산화제를 필요로 하는 전통적 공정보다 더 온화하고 친환경적인 경로를 제시할 수 있다. 또한 질소-중심 라디칼, 아자-알레늄 중간체, 고립된 루이스 산염기 쌍과 같은 새로운 반응 개념을 접목해, 기질에 따라 서로 다른 골격과 기능기를 선택적으로 조립하는 고차원적 합성 플랫폼을 구축하려 하고 있다. 한편 암모니아 관련 연구는 질소 고정과 지속가능 에너지 전환이라는 거시적 과제와 직결된다. 하버-보슈 공정의 높은 에너지 비용을 넘어설 수 있는 분자 촉매 기반 질소 전환 전략은 미래 화학 산업에서 매우 중요한 의미를 가진다. 장석복 연구실은 유기금속 촉매, 광화학, 메커니즘 연구를 결합하여 질소 자원의 친환경적 활성화와 고부가가치 화합물 전환을 모색하고 있으며, 이는 유기합성과 에너지 화학을 연결하는 차세대 융합 연구로 평가할 수 있다.