이번 연구를 수행한 조재흥(윗줄 가운데) 교수 연구팀.[UNIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 화합물에서 전자를 뺏어오는 산화력이 우수한 촉매가 국내 연구진에 의해 개발됐다. 합성 화학뿐 아니라 금속 촉매 개발 등 다양한 분야의 초석이 될 것으로 기대된다.

울산과학기술원(UNIST) 화학과 조재흥 교수팀은 새로운 망간-플루오린 촉매 합성에 성공했다. 이온이나 분자가 원자 주위를 둥그렇게 둘러싸고 결합하는 거대고리 피리디노판 배위 시스템을 활용했다. 개발된 촉매를 활용하면 유독성 물질인 ‘톨루엔 유도체’가 전자를 쉽게 잃도록 만드는 ‘산화’ 반응을 유도할 수 있다는 것 또한 확인했다.

조재흥 교수는 “강한 탄소-수소 결합을 가진 유기물이 활성화될 수 있었던 것은 높은 환원 전위를 지닌 망간-플루오린 종의 특징 때문이다”고 설명했다.

탄소-수소 결합 활성화를 통한 유기물 촉매 개발은 의약품이나 산업 공정에 활용될 수 있는 주요 연구 분야 중 하나다. 특히 생체 모사 연구에서 다양한 금속효소의 활성을 모방해 경제적인 금속 촉매를 만들고자 노력 중이다.

최근 금속 효소 중 철, 망간 등 전이금속과 플루오린과 같은 할로젠 원자가 결합된 금속-할라이드 물질이 다양한 유기물을 산화시키는 중간체로 주목받고 있다.

연구팀은 망간-플루오린 촉매를 새롭게 합성했다. 그동안 보고된 금속-할라이드 종들 중 가장 반응성이 높았다. 반응성이 높아지면 강하게 겹합된 원자들을 분해해 다른 화합물로 전환시킬 수 있다. 다양한 산업 공정에서 무궁무진하게 사용될 수 있는 것이다.

높은 환원 전위를 지닌 고원자가 망간-플루오린 종의 합성 도식.[UNIST 제공]

연구팀은 개발된 촉매가 어떻게 산화 반응을 시키는지에 대한 원리를 분석했다. 개발된 촉매로 각종 화합물의 전자적인 환경을 조절해 변화된 반응속도를 확인했다. 특히 새로 개발된 촉매는 높은 효율로 톨루엔 유도체를 산화시킬 수 있었다. 기존 금속-할라이드 종에선 관찰할 수 없었던 반응이다.

톨루엔 유도체는 유기 물질로 높은 농도로 노출될 경우 건강에 부정적인 영향을 미칠 수 있는 유독성 물질이다. 개발된 촉매를 활용하면 톨루엔 유도체가 산화되며 더 독성이 약한 화합물로 변화하는 것을 확인한 것이다.

조재흥 교수는 “전이금속-플루오린 종의 높은 산화 능력을 증명한 것에 있어 특히 학술적 의미가 크다”며 “합성 화학 뿐 아니라 환경 및 산업 분야에서도 중요한 금속 촉매 개발에 도움이 될 수 있을 것”이라고 전망했다.

이번 연구결과는 화학분야 국제학술지 ‘미국화학회지(JACS)’에 2월 4일 온라인 게재됐다.