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2015/03/25 한양뉴스 > 학술 > 이달의연구자

제목

[이달의 연구자] 은 촉매로 화합물 합성의 효율을 높이다

3월 이달의 연구자상 윤소원 교수(자연대·화학)

김유나

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http://www.hanyang.ac.kr/surl/ugVC

내용

촉매의 경제성과 접근성 두 마리 토끼를 잡다

촉매란 본 성질을 유지하면서 화학 반응의 속도를 증가 또는 감소시키는 물질을 뜻한다. 어떤 성질의 촉매를 적용하느냐에 따라 화학 반응은 비용과 시간이 많이 소요될 수도 있고, 또는 높은 효율을 보이며 안정된 결과를 도출해 내기도 한다. 우리 생활에 유의미한 화학 합성물일지라도 활발한 합성법 개발이 이루어져야 실제 활용될 수 있는 만큼, 화학에서 촉매는 빠져서는 안될 역할을 맡고 있다. 특히 탄소 화합물을 연구하는 유기화학 분야에서 촉매는 빠른 시간 안에 일관된 반응으로 화합물을 합성하는 중요한 요소다. 우리대학 유기화학 전공 윤소원 교수(자연대·화학)는 Ag(I)염, 즉 은 촉매(Ag2CO3)를 이용한 인돌 화합물의 효율적 합성법을 개발하며 3월 이달의 연구자로 선정됐다. 윤 교수의 이번 연구는 'Silver(I)-Mediated C-H Amination of 2-Alkenylanilines: Unique Solvent-Dependent Migratory Aptitude'라는 제목의 논문으로 쓰여 학술지 Advanced Synthesis & Catalysis의 2015년 1월호에 게재됐다. 해당 지는 유기화학 분야 가운데 최고 저명 학술지로 알려져 있다.

인돌 화합물과 은 촉매를 이용한 고효율 합성법


그렇다면 인돌 화합물이란 무엇이며, 은 촉매는 어떻게 화합물 합성의 효율성을 높인 것일까. 인돌 화합물은 생리기능을 조절하는 천연물에 존재하는 헤테로 고리 구조(유기화합물 중 탄소 이외에 질소나 산소 등의 원자로 형성된 고리 구조)를 띄고 있으며, 생물학, 의약학 등에서 쓰일 뿐만 아니라 재료과학, 전자 등의 공학 분야에까지 폭넓게 쓰이고 있는 물질이다. 산업 분야에서 중요하게 다뤄지는 화합물이기 때문에, 유기화학 분야에서는 보다 더 효율적인 인돌 구조 합성법을 디자인하고 이것을 실제로 만들어 내는 것이 중요한 과제다. 합성법을 고안하는 과정에서 첫째로는 효율성이 중요히 여겨지며, 최근에는 환경적인 요인도 함께 고려된다. 윤 교수가 발견한 은 촉매는 기존 물질들에 비해 효율성과 환경 측면에서 모두 우수하다.

화학 분야에서 고효율은 반응성이 높고 원하는 생성물만 얻어지는 것을 의미한다. 그리고 친환경적 반응이 되기 위해서는 촉매가 불필요한 부산물을 발생시키지 않고, 반응이 이루어지는 데 최소한의 단계들이 동원되어야 한다.

인돌화합물 합성에서 은 촉매를 이용한 반응은 기존 반응들에 비해 반응시간이 짧다. 즉, 효율성이 높다. 윤 교수의 은 촉매는 화합물 합성에 하루 이상 걸리던 반응 시간을 30분 이내로 단축시켰다. 이뿐만 아니라 사용했던 Ag(I)염은 재활용이 가능하기 때문에 비용이 덜 들고 환경친화적이다. 일반적으로 촉매를 회수해서 재사용할 때, 타 경우에는 재활용을 반복할수록 촉매로서의 기능이 떨어지는 데 비해 이번에 사용했던 Ag(I)염은 그렇지 않았다. 또한 화합 과정에서 반응성을 높이기 위한 은 촉매 이외에 별도의 다른 작용기나 반응 과정이 필요없기 때문에 부산물이 발생하지 않는다. 인돌 화합물은 특히 활용빈도가 높다는 점에서 촉매로 쓰이는 물질의 가격도 중요하다. 기존의 금, 백금, 로듐 등과 같이 금속을 이용한 촉매반응은 비용이 많이 들기 때문에 보편적으로 쓰이기 어려웠다. 그러나 은 촉매는 타 금속에 비해 상대적으로 저렴하다. 은에 해당하는 Ag(I) 염 시약의 가격은 매우 저렴한 편에 속한다.

윤 교수의 인돌 화합물 합성법은 기존에 알려지지 않은 새로운 반응 메커니즘(전자의 움직임을 표시해 화합물을 생성하기까지의 과정과 반응의 특성을 나타낸 것)을 제시한 점에서도 그 의미가 있다. 뿐만 아니라 반응 조건을 조절해 다른 치환 형태의 인돌 구조 화합물을 만들어낼 수 있기 때문에 학계의 주목을 받고 있다.

화합물을 만들 때는 분자 구조에 존재하는 결합과 화학적 성질을 고려해야 한다. 화합물의 분자 구조에 존재하는 여러 결합 가운데 어느 것을 만드는지에 따라 화합물의 합성법이 결정된다. 같은 화학 구조일지라도 결합방식에 따라 합성법이 다르기 때문에 촉매가 반응하는 과정과 추진력도 달라진다. 인돌 화합물의 화학식은 C8H7N으로 탄소와 수소, 질소가 여러가지 결합을 이루고 있다. 은 촉매는 그 중에서도 1번 질소와 2번 탄소 자리의 결합을 형성해 인돌 구조를 만들어 낸다. 탄소와 질소의 결합을 이용한 인돌구조 합성법은 Ag(I) 염만 사용하는 간단한 실험과정이기 때문에 고등학생 수준에서도 쉽게 인돌 화합물을 만들 수 있다. 그래서 은 촉매 합성이 일관되고 안정적인 결과를 도출해 내기에 용이하다.

유기화학, 윤택한 삶을 만드는 초석이 되기를

유기화학은 이론뿐만 아니라 실제 실험에서도 안정적인 결과를 도출해야 하는 학문이다. 같은 실험도 수백 번 반복해서 재연성을 확인해야 하는 것이 유기화학이다. 누가 실험하든 비슷한 결과를 도출할 수 있도록 하는 것이다. 유기화학이란 어떤 학문인지에 대한 질문에 윤 교수는 "사소한 실험환경이나 연구자에 따라 서로 다른 결과가 나오기도 하기 때문에 단기간의 실험으로 성과를 거두기 어려운 공부"라고 말했다. 하나의 반응을 개발하는 데 그치지 않고 더 나아가 저렴한 촉매는 없을지, 문제점을 보이는 화합물이 있으면 어떻게 개선할지 고민하며 진행된 연구는 결코 쉽지 않은 여정이었다. 연구의 시작이 된 계기는 무엇이었으며, 그 목표는 무엇이었을까. 윤 교수는 다음과 같이 답했다. "촉매로는 반응성이 좋은 금속이 많이 쓰입니다. 그러나 기존의 인돌화합물 합성법에는 여러가지 제한성과 문제점이 존재해 왔습니다. 예를 들어 반응물의 구조 및 합성된 인돌 구조의 제한성, 낮은 수율, 부산물 생성, 값비싼 귀금속의 사용 필요 등등. 그래서 기존의 방법을 대신할 고효율 합성법을 연구했습니다. 그리고 이렇게 만들어진 인돌 화합물이 기초가 되어 의약품과 공학 분야에 두루 쓰이듯이 화학은 우리 생활을 윤택하게 하는 도구라고 생각해요. 화학이 우리생활과 아주 밀접한 학문인 만큼, 우리 생활을 더욱 편리하게 만드는 방법을 제공하는 것이 저의 꿈입니다."

은 촉매를 이용해 기존 합성법을 개선하기까지의 여정은 쉽지 않았다. 특히 윤 교수는 유기화학이 끈기와 인내를 요구하는 학문이라고 설명했다. "유기화학 연구는 성과를 내는 데 비교적 많은 시간을 들여야 합니다. 유기화학 분야는 논문이 나오는 데 짧아도 6개월, 길게는 4년에 가까운 시간이 걸려요. 이번 연구도 논문을 완성하기까지 1년 정도의 시간이 필요했습니다. 최적의 촉매를 찾기까지 팔라듐, 금, 백금 루테늄, 로듐 등 주기율표에서 볼 수 있는 금속이라면 거의 다 실험해 봤어요. 해당 물질이 일관된 반응성을 보이는지 그 재연성을 확인하기 위해서 수백 번에 가까운 검증을 거쳤는데, 연구에 참여한 사람들 모두에게 힘들었던 과정이었습니다. 연구에 참여한 석·박사과정의 학생들도 밤 늦게까지 실험에 매진해야 했고요."

고등학생 때부터 화학에 흥미가 많았던 윤 교수는 유기화학 분야 중에서도 반응 개발을 연구하고 있다. 은 염과 같은 금속촉매뿐만 아니라 유기촉매에 대한 연구도 함께 진행중이다. "촉매로는 반응성이 좋은 금속이 많이 쓰여왔어요. 그러나 금속은 불순물이 조금이라도 섞이면 독성을 갖게 돼요. 의약품에도 활용되는 인돌 화합물의 경우 부작용이 치명적일 수 있어요. 그래서 금속을 대신할 유기촉매에 대한 고민을 하며 화합물의 합성법을 연구했습니다."

화학분야에서는 매일같이 새로운 연구결과들이 쏟아져 나온다. 해당 분야의 새로운 결과들을 지속적으로 공부하고 생각하고 시도하는 열정에서 윤 교수의 이번 연구는 결실을 거두었다. 뭐든지 열심히 하는 사람은 이길 수 없다는 윤 교수의 말처럼 끈기는 은 촉매를 이용한 연구에서 중요한 역할을 했다. 윤 교수는 어떤 전공을 가진 사람이든 끈기와 지속적인 노력이 필요하다고 말했다. 꿈과 노력 두 가지가 균형을 이루며 모두가 각자 원하는 일을 이루는 촉매가 돼주길 바라본다.


김유나 기자 caecilgreen@hanyang.ac.kr
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사진/조유미 기자 lovelym2@hanyang.ac.kr

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