화학과 홍성유 교수·Jan-Uwe Rohde 교수 공동연구팀은 ‘질소함유 다환방향족탄화수소화합물’를 원스텝(One-step)으로 합성하는 방법을 개발했다고 밝혔다. 간단한 아진계 물질을 반응 시작물질로 활용한 합성법이다. 합성된 ‘질소함유 다환방향족탄화수소화합물’은 정밀화합물, 고분자 및 에너지 소재로서 응용성 가치가 있는 소재다.
연구 성과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션 (Nature Communications)’에 게재됐다.
다환방향족탄화수소는 특별한 화학적, 전기화학적, 광물리학적 특성으로 인해 학계뿐만 아니라 산업계에서도 주목받고 있는 소재로, 유니스트 연구팀은 분자를 화학적으로 조립하여 분자 크기와 구조를 정확하게 제어할 수 있는 ‘바텀 업(bottom-up)’ 방식을 제안했다.
유니스트 연구팀은 ‘라디칼 연쇄 반응’을 이용해 탄소-탄소 결합 형성하는 합성법을 개발했다. 일반적인 탄소-수소 결합 활성화를 통한 아릴화 반응이 고가의 전이금속 촉매와 리간드가 필요한 반면, 이 합성법은 전이금속을 이용하지 않고도 별도의 전처리 과정 없이 탄소-탄소 결합을 형성한다는 게 큰 특징이다.
그림1. 연구팀이 개발한 라디칼이 이용한 질소 함유 나노 그래핀 조각 합성법
또한 메카니즘 규명을 위해 화학적 및 분광학적 분석 (electron paramagnetic resonance (EPR) analyses)을 진행했다.
이번 연구에 합성연구를 담당한 이재빈 박사, 정서영, 전지환 박사과정 연구원은 “아진과 디아릴요오도늄염 간의 라디칼 연쇄 반응을 통해 질소함유 다환방향족탄화수소 화합물을 효율적으로 합성할 수 있다.”며 “바텀 업 방식을 이용하면서도 시간과 비용이 많이 드는 까다로운 단계적 반응 없이 한 단계 반응만으로 질소 함유 나노그래핀 조각을 만들 수 있는 획기적인 합성법이다“고 말했다.
그림2. 반응 메커니즘을 규명하기 위한 분광학(EPR) 실험
이번 연구에서 분광학적 분석을 전담했던 화학과 김건하 박사과정 연구원은 “홀전자(unpaired electron)의 존재를 직접 관측할 수 있는 전자 상자기 공명법(EPR Spectroscopy)을 이용해 전자공여체의 생성과 라디칼 연쇄 반응을 통한 소모를 보여 본 합성법의 동작 원리를 제시하였다.”고 설명했다.
홍성유 교수는 “이번 연구 결과는 낮은 반응성을 가져 활용하기 어려웠던 ‘아진’ 전구체를 전이금속 촉매를 이용하지 않고도 라디칼 반응을 이용해 효과적으로 기능화한 사례”라며 다양하고 효율적인 합성법에 적용할 수 있을 것이라고 내다봤다.
Jan-Uwe Rohde 교수는 “합성과 메커니즘 분석에 대한 상보적 전문 지식을 갖춘 연구그룹 간의 공동연구가 새로운 반응의 개발과 심도 있는 이해를 가능케 한 훌륭한 사례이다”라고 평했다.
연구 수행은 ERC 미세플라스틱 대응 화공/바이오 융합 공정 연구센터 , 한국전자통신연구원 (ETRI) 기본사업 공동연구, UNIST 연구과제의 지원으로 이뤄졌다.
