(대전ㆍ충남=뉴스1) 김태진 기자 = 국내 연구진이 카메라로 사진을 찍듯 순간적으로 나타났다 사라지는 중간체의 모습을 최초로 포착했다.
기초과학연구원(IBS) 분자활성 촉매반응 연구단 장석복 단장 연구팀은 자연에 풍부한 탄화수소를 고부가가치의 물질인 질소화합물로 변환시키는 화학반응에서 생겼다가 사라지는 ‘전이금속-나이트렌 중간체'의 구조와 반응성을 세계 최초로 규명했다고 21일 밝혔다.
아이는 청소년기를 거쳐 성인이 된다. 화학반응도 반응물에서 생성물이 생겨나는 일종의 성장 과정에서 중간 단계인 ‘중간체’가 만들어진다.
사진과 영상으로 기록할 수 있는 사람의 청소년기와 달리 화학반응 도중 빠르게 생성됐다가 사라지는 중간체의 모습을 기록하는 것은 매우 어렵다.
질소화합물은 의약품의 약 90%에 포함될 정도로 생리 활성에 중요한 분자로, 제약뿐만 아니라 소재, 재료 분야에서도 중요한 골격이 된다.
현대 화학자들이 석유·천연가스 등 자연에 풍부한 탄화수소를 질소화합물로 바꾸는 아민화 반응(질소화 반응)을 효율적으로 진행할 수 있는 촉매 개발에 몰두하는 이유다.
대부분의 촉매반응은 용액 상태에서 이뤄진다. 용액 내 분자들은 끊임없이 다른 분자와 상호작용하기 때문에 전이금속-나이트렌과 같이 빠르게 반응하고 사라지는 중간체를 규명하는 일은 매우 어려웠다.
이에 연구팀은 고체상태의 시료에 빛을 쬐며 분자 수준에서 일어나는 구조 변화를 단결정 엑스선(X-ray) 회절 분석을 통해 관찰하는 광 결정학 분석을 활용하자는 아이디어를 냈다.
우선 연구팀은 빛에 반응하는 로듐(Rh) 기반 촉매를 새롭게 제작했다. 이 촉매와 다이옥사졸론 시약이 결합한 복합체는 빛을 받으면 탄화수소에 아민기를 도입하는 과정에서 전이금속-나이트렌을 형성할 것으로 예상했다.
연구팀은 이 과정을 포항 가속기연구소의 방사광을 활용한 광 결정학 방법으로 분석한 결과, 기존 관찰된 적 없는 ‘로듐-아실나이트렌’ 중간체의 구조와 성질을 세계 최초로 확인할 수 있었다.
또 로듐-아실나이트렌 중간체가 다른 분자와 반응하는 과정도 광 결정학으로 분석했는데, 이는 고체 시료에서 화학 결합이 끊어지며 중간체가 생성되고 중간체가 다시 다른 물질과 반응해 새로운 화학 결합을 형성하는 전 과정을 마치 카메라가 사진을 찍듯이 포착했다는 의미다.
장석복 단장은 “그간 존재가 제안됐을 뿐 입증된 적 없는 아민화 반응의 핵심 중간체의 모습을 최초로 공개했다”며 “현재 밝혀낸 로듐-아실나이트렌 중간체의 구조와 친전자성 반응성을 바탕으로 여러 산업에서 쓰이는 차세대 촉매 반응을 개발할 수 있을 것”이라고 말했다.
이번 연구 결과는 최고 권위의 국제학술지 ‘사이언스(Science)’ 온라인 판에 이날(한국시간 21일) 게재됐다.
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