IBS, 화학반응 때 생성되는 중간체 모습 최초 확인

분자활성 촉매반응 연구단, 촉매반응 진행 과정 사진 찍듯 기록

로듐-아실나이트렌 중간체 첫 확인…고효율 촉매 개발 기여, Science誌 게재

[대전=뉴시스] 아민화 반응의 핵심 중간체 포착. IBS 연구단은 유용 물질인 질소화합물을 생성하는 아민화 반응 도중 생성되는 중간체 '전이금속-나이트렌'의 구조와 성질을 세계 최초로 실험적으로 확인했다.(사진=IBS 제공) *재판매 및 DB 금지

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 화학반응 도중 빠르게 생성됐다가 사라지는 중간체의 모습을 국내 연구진이 포착해 기록하는데 성공했다.

기초과학연구원(IBS)은 분자활성 촉매반응 연구단 장석복 단장(KAIST 화학과 특훈교수) 연구팀이 자연에 풍부한 탄화수소를 고부가가치의 물질인 질소화합물로 변환시키는 화학반응에서 생겼다가 사라지는 중간체 '전이금속-나이트렌'의 구조와 반응성을 세계 최초로 규명했다고 21일 밝혔다.

질소화합물은 의약품의 약 90%에 포함되는 생리활성에 중요한 분자로 석유·천연가스 등 자연에 풍부한 탄화수소를 질소화합물로 바꾸는 아민화 반응(질소화 반응)을 효율적으로 진행할 수 있는 촉매 개발이 세계적으로 진행되고 있다.

IBS 분자활성 촉매반응 연구단은 지난 2018년 금속-나이트렌 중간체를 형성하는 것으로 알려져진 다이옥사졸론(Dioxazolone) 시약과 전이금속(이리듐) 촉매를 활용해 탄화수소로부터 의약품의 원료가 되는 '락탐'을 합성하는 촉매반응을 개발해 발표했었다.

당시 아민화 반응을 유발하는 핵심 중간체가 전이금속-나이트렌이라는 분석을 내놨고 이후 세계 120여 개 연구팀이 다이옥사졸론 시약을 활용한 아민화 반응 연구를 이어갔다.

하지만 계산화학적으로 구조를 파악할 뿐 전이금속-나이트렌 중간체의 모습을 직접 관찰한 사례는 아직 없다.

대부분의 촉매반응은 용액 상태에서 이뤄지며 용액 내 분자들은 끊임없이 다른 분자와 상호작용하기 때문에 전이금속-나이트렌과 같이 빠르게 반응하고 사라지는 중간체를 규명하는 일은 매우 어렵다.

이번에 IBS 연구팀은 고체상태의 시료에 빛을 쬐며 분자 수준에서 일어나는 구조 변화를 단결정 엑스선(X-ray) 회절 분석을 통해 관찰하는 광 결정학 분석을 활용했다.

우선 연구팀은 빛에 반응하는 로듐(Rh) 기반 촉매를 새롭게 제작했다. 연구팀은 "개발한 새 촉매와 다이옥사졸론 시약이 결합한 복합체는 빛을 받으면 탄화수소에 아민기를 도입하는 과정에서 전이금속-나이트렌을 형성할 것으로 예상하고 연구를 진행했다"며 "이 과정을 포항 가속기연구소의 방사광을 활용한 광 결정학 방법으로 분석했다"고 설명했다.

분석을 통해 연구팀은 기존에 관찰된 적이 없는 '로듐-아실나이트렌' 중간체의 구조와 성질을 세계 최초로 확인하는데 성공했다.

또 로듐-아실나이트렌 중간체가 다른 분자와 반응하는 과정도 광 결정학으로 분석, 고체시료에서 화학결합이 끊어지며 중간체가 생성되고 중간체가 다시 다른 물질과 반응해 새로운 화학 결합을 형성하는 전 과정을 카메라로 사진 찍듯이 포착했다.

이번 연구결과는 21일(한국시간) 최고 권위 국제학술지 '사이언스(Science, IF 56.9)' 온라인판에 실렸다.(논문명:Mechanistic snapshots of rhodium-catalyzed acylnitrene transfer reactions)

연구를 이끈 장석복 단장은 "그간 존재가 제시됐을 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 촉매를 개발할 수 있을 것"이라고 말했다.


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