신기루처럼 사라지는 화학반응 중간체 순간포착…“차세대 촉매 개발 기대”

IBS 분자활성 촉매반응 연구단

기초과학연구원(IBS) 연구진이 탄화수소를 질소화합물로 바꾸는 과정에서 금세 사라지는 중간체를 포착했다. 고성능 촉매 개발에 활용할 수 있을 것으로 기대를 모은다./기초과학연구원

국내 연구진이 촉매 반응 중간체의 모습을 촬영하는 데 성공했다. 화학 반응 에너지를 줄여주는 촉매는 반응이 효율적으로 일어날 수 있는 중간체를 거쳐 필요한 물질을 더 저렴하게 만들도록 돕는다. 이번에 확인된 중간체를 분석하면 기존보다 효율적인 촉매를 개발할 수 있을 것으로 기대를 모은다.

장석복 기초과학연구원(IBS) 분자활성 촉매반응 연구단 단장이 이끄는 연구진은 탄화수소를 질소화합물로 바꾸는 화학반응에서 빠른 시간에 사라지는 중간체를 포착했다고 21일 밝혔다. 연구 결과는 국제 학술지 ‘사이언스’에 공개됐다.

질소화합물은 의약품의 90% 가량에 들어 있을 정도로 생리 활성을 촉진하는 데 중요한 물질이다. 제약뿐 아니라 소재, 재료 분야에서도 중요한 재료로 활용된다. 질소화합물을 만들 때는 탄화수소를 이용한 질소화 반응(아민화 반응)을 사용한다. 이 반응의 효율을 높이는 촉매는 최근 화학자들의 주요 관심사 중 하나다.

IBS 연구진은 2018년 다이옥사졸론과 이리듐 촉매를 활용해 탄화수소로 락탐을 합성하는 촉매를 개발했다. 락탐은 의약품의 생산에 사용되는 물질이다. 아민화 반응을 유도하는 핵심 중간체가 ‘전이 금속-나이트렌’이라는 분석도 내놨다.

중간체의 구조를 정확히 파악하면 효율성이 높은 촉매를 만들 수 있는 만큼 전 세계 120여개 연구진이 전이금속-나이트렌 중간체 연구를 시작했다. 그러나 계산화학적으로 구조를 파악할 수 있을 뿐 실제 그 모습을 관찰하지는 못하는 상황이다.

대부분 촉매반응은 용액 상태에서 일어난다. 용액의 분자들은 끊임없이 다른 분자와 상호작용하기 때문에 전이금속-나이트렌과 같이 빠르게 반응하고 사라지는 중간체를 규명하는 일은 매우 어렵다.

연구진은 이 한계를 극복하기 위해 고체 상태에서 분자 구조의 변화를 추적하는 방법을 사용했다. 전이금속인 로듐을 기반으로 촉매를 만들고 분자 구조를 단결정 엑스선(X-ray) 광 결정학 분석법으로 관측했다.

관측 결과 로듐-아실나이트렌 중간체의 구조와 성질은 물론 다른 분자와 반응하는 과정을 확인했다. 마치 카메라로 순간적인 변화 장면을 포착하듯 화학 반응의 순간을 촬영한 것이다.

장석복 단장은 “그간 입증된 적 없는 아민화 반응의 핵심 중간체의 모습을 처음으로 공개했다”며 “로듐-아실나이트렌 중간체의 구조와 친전자성 반응성을 바탕으로 여러 산업에서 쓰이는 차세대 촉매 반응을 개발할 수 있을 것”이라고 말했다.

참고자료

Science, DOI: https://doi.org/10.1126/science.adh8753

이번 연구에 참여한 연구진. 왼쪽부터 장석복 기초과학연구원(IBS) 분자활성 촉매반응 연구단장, 김동욱 연구위원, 정회민 박사후연구원./기초과학연구원

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