빠르게 사라지는 중간체 구조… IBS 연구팀, 세계 최초로 규명

IBS 분자활성 촉매반응 연구단은 탄화수소에서 질소화합물로 변환되는 화학반응에서 빠르게 생성됐다가 사라지는 '전이금속-나이트렌' 중간체 구조와 반응성을 세계 최초로 규명했다. IBS 제공

광결정학 실험을 통해 얻은 '로듐-아실나이트렌 중간체' 모습 IBS 제공

장석복 IBS 분자활성 촉매반응 연구단장(왼쪽부터), 김동욱 연구위원(공동 교신저자), 정회민 박사후연구원(제1저자).

국내 연구진이 현대 과학의 난제로 여겨졌던 촉매 화학반응의 중간체 구조를 마치 카메라로 사진을 찍듯이 전 과정을 포착하는 데 성공했다. 고효율, 고부가가치 차세대 촉매 개발의 힌트를 얻었다는 데 의미가 있다.

기초과학연구원(IBS)은 장석복 분자활성 촉매반응 연구단장(KAIST 화학과 특훈교수) 연구팀이 석유, 천연가스 등 자연에 풍부한 탄화수소를 고부가가치 물질인 질소화합물로 변환시키는 화학반응 과정에 빠르게 생겼다 사라지는 '전이금속-나이트렌' 중간체 구조와 반응성을 세계 최초로 규명했다고 21일 밝혔다. 이 연구결과는 세계 최고 권위의 학술지 '사이언스(21일자)' 온라인판에 실렸다.

현대 화학자들은 탄화수소를 질소화합물로 바꾸는 아민화 반응을 효율적으로 진행하는 촉매 개발에 도전하고 있다. 아민화 반응은 탄소 원자와 결합해 있는 수소 원자를 아미노기로 치환하는 것을 뜻한다.

질소화합물은 의약품의 90%에 포함될 정도로 생리 활성에 중요한 분자로, 제약, 소재, 재료 분야에 널리 쓰인다.

연구팀은 앞서 2018년 다이옥사졸론 시약과 전이금속 촉매를 활용해 탄화수소에서 의약품 원료인 '락탐'을 합성하는 촉매반응 연구결과를 국제 학술지 '사이언스'에 발표한 바 있다. 당시 아민화 반응을 유발하는 핵심 중간체가 전이금속-나이트렌임을 밝혔지만, 중간체 모습은 직접 관찰하지 못했다.

대부분의 촉매 반응은 용액 상태에서 이뤄지는데, 전이금속-나이트렌같이 빠르게 반응하고 사라지는 중간체 구조를 규명하는게 어려웠다. 연구팀은 빛에 반응하는 로듐(Rh) 기반 촉매와 다이옥사졸론 시약이 결합된 복합체가 빛을 받아 탄화수소에 아민기를 도입하는 과정을 포항 방사광가속기를 이용해 분석한 결과, '로듐-아실나이트렌' 중간체 구조와 성질을 확인했다. 아울러, 로듐-아실나이트렌 중간체가 다른 분자와 반응하는 과정에서 화학 결합이 끊어져 중간체가 생성되고, 중간체가 다른 물질과 반응해 새로운 화학결합을 형성하는 모든 과정을 카메라로 찍듯이 포착하는 데 성공했다.

장석복 단장은 "그동안 존재가 제안됐을 뿐 입증된 적이 없는 아민화 반응의 핵심 중간체 모습을 최초로 관찰했다는 점에서 의미가 크다"며 "로듐-아실나이트렌 중간체를 활용해 차세대 촉매반응을 개발할 수 있을 것"이라고 말했다. 이준기기자 bongchu@dt.co.kr