전 세계적으로 화학 산업에서 활용되는 카보닐화 반응의 로듐 촉매를 대체할 니켈 촉매가 개발됐다.
UNIST(총장 이용훈) 화학과 유창호 교수는 니켈 촉매의 안정성과 반응성을 향상시킬 수 있는 카벤 리간드를 활용한 카보닐화 촉매 반응을 개발했다. 이번 성과는 세계 최고 권위지인 Science에 11월 17일 공개됐다.
그림1. 기존 촉매 및 신규 개발된 니켈-카벤 촉매의 요약
카보닐화 반응은 메탄올을 아세트산으로, 에스터화합물을 유기산무수물(Anhydride)로 전환하는 아세틸 공정의 핵심 반응이다. 1960년대 상용화됐고 현재까지도 전 세계적으로 매년 1,300만톤 이상의 아세틸 화합물들이 이 공정을 통해 생산되고 있다.
기존의 상업적 공정에서는 귀금속인 로듐과 이리듐을 촉매로 사용한다. 하지만 귀금속은 희소성, 높은 단가, 독성, 환경 유해성 등의 문제점이 있다. 유 교수는 전 세계에 풍부하게 존재하는 니켈 전이금속을 활용했다.
기존 니켈 촉매는 낮은 촉매 활성을 갖는 것으로 알려져, 70년대 이후 산업적인 시도가 중단됐다. 유 교수는 기존 니켈 촉매에서 사용되는 포스핀 리간드 대신 이미다졸 기반의 N-헤테로 고리 카벤 리간드를 활용해 안정성과 활성이 높은 촉매를 개발했다. 카벤 리간드는 기존 포스핀 리간드보다 금속에 강하게 결합하며, 더 좋은 전자주개로 작동한다. 높은 안정성과 활성을 가져 상업용으로 활용되는 로듐 촉매와 동등한 수준의 활성을 나타내는 것으로 확인됐다.
그림2. 기존 니켈-포스핀 촉매, 신규 개발된 니켈-카벤 촉매 및 로듐 촉매의 카보닐화 반응 활성 비교
유 교수는 “기존 로듐 촉매과 동등 수준의 활성을 갖는 니켈 촉매를 개발했다”며 “학문적 의미뿐만 아니라 1주기 전이 금속을 활용하여 실제 산업에서 사용될 가능성이 높은 촉매 개발했다는 점에서 의미가 크다”고 말했다.
연구 결과는 유 교수가 미국 노스캐롤라이나 주립대 (Universith of North Carolina at Chapel Hill) 알렉산더 밀러 (Alexander J. M. Miller) 교수 연구팀에서 수행한 연구로, Eastman Chemical Company의 지원 및 공동 연구를 통해 진행됐다.
