산업 및 생활환경으로부터 배출되는 유독물질, ‘알데히드’를 ‘카복실산’으로 수월하게 산화시킬 수 있는 촉매 설계법이 나왔다. 사람 몸에 존재하는 금속 효소와 활성산소가 만나 이뤄진 ‘금속-활성산소 종’을 이용하는 방법이다.
UNIST(총장 이용훈) 화학과 조재흥 교수팀은 금속-활성산소 종의 하나인 ‘망간–요오드실벤젠 종’이 유독성의 알데히드 화합물을 카복실산으로 산화시키는 것과 이 반응이 새로운 친전자성 메커니즘에 따른 것이라는 점을 규명했다. 이번 연구는 인체나 환경에 해로운 유기 물질을 분해하는 금속 촉매 개발에 도움을 줄 전망이다.
알데히드는 정유산업에서 부산물이나 일상생활에서 발생된다. 알데히드는 공기 중에 섞이면 대기오염을 유발하고, 생체 내에서 유전자 독성을 갖고 돌연변이를 유발하는 발암성 물질로 알려졌다. 특히, 생체 내 알코올 분해 대사 과정에서 부산물로 형성되어 많은 영향을 미친다. 따라서 이 물질을 분해하는 일은 환경화학‧생화학 분야에서 중요하게 인식된다.
알데히드를 산화시키기 위해선 과망간산칼륨(KMnO4) 등과 같은 강한 산화제가 필요하거나 강한 염기 조건을 통한 불균화 반응을 일으켜야 한다. 또한 반응을 개시하기 위한 친핵체도 필요로 한다. 이번 연구에서는 온화한 조건에서 친핵체의 도움없이 알데히드를 카복실산으로 전환할 수 있는 금속 촉매를 개발한 것이다.
망간-요오드실벤젠 종의 알데히드 산화 반응 도식
제1저자인 정동현 UNIST 화학과 연구원은 “기존 알데히드 강한 산화촉매를 이용한 산화 반응이 필요로 했다”며 “기존과는 다른 친전자성 공격을 통해 안정적으로 알데히드를 산화시킬 수 있는 촉매를 설계해 온화한 조건에서도 알데히드를 카복실산으로 전환할 수 있었다”고 말했다.
자연계에서 금속 효소는 외부의 산소와 전자를 이용해 ‘금속-활성산소 중간체’를 형성하고, 이 중간체가 유기물의 산화 반응에 직접 관여한다. 이번 연구에서는 요오도소 벤젠을 통해 ‘망간–요오도실벤젠 종’을 합성하고, 이 물질이 알데히드의 산화 반응에 관여하는 과정을 규명했다. 또한 반응속도론 연구를 통해 새로운 알데히드 산화 반응 기작을 제시했다.
조재흥 화학과 교수는 “생체 모방 화학을 통해 합성한 ‘망간-요오도실벤젠 종’의 수소화이온 흡수 성질을 통해 새로운 알데히드 산화촉매를 개발했다는 점에서 학문적 의미가 크다”며 “이번 연구는 향후 환경 및 산업 분야에서 환경오염물질을 분해하는 촉매의 개발과 알데히드의 다양한 작용기로의 전환을 연구하는 데에 도움을 줄 것”이라고 전망했다.
이번 연구는 조재흥 교수 연구팀 정동현 연구원과 김효경 박사과정학생이 공동 1저자로 참여했다. 연구결과는 2023년 1월 4일 화학 분야 저명 국제학술지인 ‘미국화학회지(JACS, Journal of the American Chemical Society)’에 발표됐다.
연구 수행은 한국연구재단이 주관하는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업(중견연구자)과 단계도약형 탄소중립기술 개발사업 지원으로 이뤄졌다.
