신기루 같은 '중간체', 카메라 찍듯 생생히 포착했다

IBS 분자활성 촉매반응 연구단

장석복 단장이 이끄는 연구팀이 '전이금속-나이트렌' 중간체의 구조를 사진찍듯 포착했다. IBS 제공

국내 연구진이 화학반응 도중 빠르게 생성됐다가 사라지는 '중간체'의 모습을 생생하게 포착하는 데 성공했다. 질소화 반응을 유발하는 핵심 중간체의 구조를 밝히게 됐다.

기초과학연구원(IBS)은 장석복 단장(KAIST 화학과 특훈교수)이 이끄는 IBS 분자활성 촉매반응 연구단이 '전이금속-나이트렌' 중간체의 구조와 반응성을 세계 최초로 규명해 국제학술지 '사이언스'에 21일(한국시간) 발표했다고 밝혔다.   

중간체는 화학반응 중 생성물이 생겨나는 과정에서 짧은 순간 생겼다가 '신기루처럼' 사라지는 화학종이다. 대부분의 촉매반응은 용액 상태에서 이뤄지는데 이때 용액 내 분자들은 끊임없이 다른 분자와 상호작용한다. 따라서 전이금속-나이트렌과 같이 빠르게 반응하고 사라지는 중간체를 규명하는 일은 매우 어렵다. 

연구진은 자연에 풍부한 탄화수소를 고부가가치 물질인 질소화합물로 변환시키는 화학반응 과정에서 생기는 '전이금속-나이트렌' 중간체를 분석했다. 이 중간체는 질소화합물로 바꾸는 '아민화 반응(질소화 반응)'을 유발하는 핵심 중간체다.

IBS 분자활성 촉매반응 연구단은 2018년 촉매반응 실험에서 아민화 반응(질소화 반응)을 유발하는 핵심 중간체가 전이금속-나이트렌이라는 결과를 내놓은 바 있으나 전이금속-나이트렌 중간체의 모습을 직접 관찰한 건 이번이 처음이다.

연구진은 빛에 반응하는 로듐(Rh) 기반 촉매를 새롭게 제작했다. 로듐은 전이금속 원소의 하나다. 연구진은 로듐 촉매와 다이옥사졸론 시약이 결합된 복합체에 빛을 쬐면 아민화 반응을 일으키며 그 과정에서 전이금속(로듐)-나이트렌이 형성될 것으로 예상했다. 

연구진이 아민화 반응 과정을 포항 가속기연구소의 방사광을 이용한 광 결정학 방법으로 분석했더니 전이금속-나이트렌 중간체의 구조와 성질이 드러났다. 또 이 중간체가 다른 분자와 반응하는 과정도 생생하게 포착할 수 있었다.

연구를 이끈 장석복 단장은 "그간 입증된 적 없는 아민화 반응의 핵심 중간체의 모습을 최초로 공개했다"며 "현재 밝혀낸 전이금속-나이트렌 중간체의 구조와 친전자성 반응성을 바탕으로 여러 산업에서 쓰이는 차세대 촉매 반응을 개발할 수 있을 것"이라고 말했다.

[박건희 기자 wissen@donga.com]