기초과학연구원(IBS) 분자활성 촉매반응 연구단 장석복 단장(KAIST 화학과 특훈교수) 연구팀은 탄화수소를 고부가가치 물질인 질소화합물로 변환시키는 화학반응 과정에서 생겼다가 사라지는 '전이 금속-나이트렌' 중간체의 구조와 반응성을 세계 최초로 규명했다고 21일 밝혔다.

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 촉매 개발에 몰두하는 이유다.

IBS 분자활성 촉매반응 연구단은 2018년 다이옥사졸론 시약과 전이 금속(이리듐) 촉매를 활용해 탄화수소에서 의약품 원료가 되는 락탐을 합성하는 촉매반응을 개발했다.

당시 아민화 반응을 유발하는 핵심 중간체가 전이 금속-나이트렌이라는 분석을 내놓았고, 이후 세계 120여개 연구팀이 다이옥사졸론 시약을 활용한 아민화 반응 연구를 이어갔지만 전이 금속-나이트렌 중간체의 모습을 직접 관찰한 적은 없었다.

대부분 촉매반응은 용액 상태에서 이뤄지는데 용액 내 분자들은 끊임없이 다른 분자와 상호작용하기 때문에 전이 금속-나이트렌과 같이 빠르게 반응하고 사라지는 중간체를 규명하는 일은 매우 어렵다.

연구팀은 이 한계를 극복하기 위해 고체상태 시료에 빛을 쬐며 분자 수준에서 일어나는 구조 변화를 단결정 엑스선(X-ray) 회절 분석을 통해 관찰하는 광 결정학 분석을 활용했다.

연구팀은 빛에 반응하는 로듐(Rh) 기반 촉매를 새롭게 제작했다.

이 촉매와 다이옥사졸론 시약이 결합한 복합체는 빛을 받으면 탄화수소에 아민기를 도입하는 과정에서 전이 금속-나이트렌을 형성할 것으로 예상하고, 이 과정을 포항 가속기연구소 방사광을 활용한 광 결정학 방법으로 분석했다.

그 결과, 기존에 관찰된 적 없는 '로듐-아실나이트렌' 중간체 구조와 성질을 세계 최초로 확인했다고 연구팀은 설명했다.

로듐-아실나이트렌 중간체가 다른 분자와 반응하는 과정도 광 결정학으로 분석했다.

이는 고체 시료에서 화학 결합이 끊어지며 중간체가 생성되고, 중간체가 다시 다른 물질과 반응해 새로운 화학 결합을 형성하는 전 과정을 마치 카메라가 사진을 찍듯이 포착했다는 의미라고 연구팀은 전했다.

장석복 단장은 "그간 존재가 제안되었을 뿐 입증된 적 없는 아민화 반응의 핵심 중간체 모습을 최초로 공개했다"며 "현재 밝혀낸 로듐-아실나이트렌 중간체 구조 등을 바탕으로 여러 산업에서 쓰이는 차세대 촉매 반응을 개발할 수 있을 것"이라고 말했다.

연구 결과는 이날 국제학술지인 사이언스(Science) 온라인판에 실렸다.