Press release

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귀금속 촉매 없이 단번에 만든다!.. 차세대 에너지 소재 합성법 개발

촉매 대신 짝 잃은 전자(라디칼) 연쇄 반응으로 질소 함유 나노그래핀 분자 조립
분광 분석으로 합성 경로도 규명해... 홍성유·얀 로데 교수팀 Nat. Commun. 게재

물질을 분자 수준에서 조립해 나가는 정밀 합성법은 고가의 금속 촉매와 다단계 화학반응이 필요한 경우가 많다. 귀금속 촉매를 쓰지 않고, 반응 단계를 줄이는 합성법 개발이 중요한데, UNIST 화학과 공동연구팀이 이러한 화학 합성법을 개발했다.

UNIST 홍성유·얀 로데 교수 연구팀은 라디칼(Radical) 연쇄 반응으로 ‘질소 함유 나노 그래핀 조각’을 합성하는 방법을 개발했다고 4일 밝혔다. 이 물질은 정밀화합물, 차세대 고분자·에너지 소재로 주목받는 물질이다.
[연구그림]연구팀이 개발한 질소 함유 나노 그래핀 조각 합성법

개발한 합성법은 라디칼이 촉매 역할을 대신해 고가의 희귀 금속 촉매를 쓰지 않아도 된다. 라디칼은 홀전자(unpaired electron)를 갖는 물질의 총칭으로, 홀전자의 짝을 이루려는 성질 때문에 반응성이 뛰어나 촉매 역할을 대신할 수 있다. 또 기존에는 촉매 효율을 높이기 위해 탄소 고리에 화학 작용기를 붙이는 전처리 과정이 필요했는데, 이 같은 전처리도 필요 없다.

연구팀은 이 합성법으로 아진 계열 분자(탄소 고리에 질소가 끼어 있는 분자)와 디아릴요오도늄염을 화학적으로 조립해 질소 함유 나노그래핀 조각을 합성해냈다. 또 라디칼 홀전자의 존재를 직접 관측할 수 있는 분광기법 분석을 통해 정확한 합성 과정도 규명했다.
[연구그림] 반응 메커니즘을 규명하기 위한 분광학(EPR) 실험

홍성유 교수는 “낮은 반응성을 갖는 것으로 알려진 아진 전구체를 귀금속(팔라듐) 촉매를 이용하지 않고도 라디칼 반응을 이용해 효과적으로 활용한 사례”라며 “이 같은 방식은 새로운 화학 합성개발에도 활용할 수 있을 것”이라고 내다봤다.

연구의 합성 부문은 화학과 이재빈 박사, 정서영, 전지환 박사과정 연구원이 참여했다. 연구팀은 “원료를 잘게 분해해 내려오는 방식보다 훨씬 정교하면서도 시간과 비용이 많이 드는 까다로운 단계적 반응 없이 한 단계 반응만으로 질소 함유 나노 그래핀 조각을 만들 수 있는 획기적인 합성법”이라고 설명했다.

분광학 분석은 김건하 박사과정 연구원이 주도했다. 김건하 박사과정 연구원은 “홀전자의 존재를 직접 관측할 수 있는 전자 상자기 공명법(EPR Spectroscopy)으로 연쇄 라디칼 반응으로 이뤄진 합성법의 원리를 밝혀낼 수 있었다”라고 설명했다.

얀 로데 (Jan-Uwe Rohde) 교수는 “전문 분야가 다른 두 연구그룹이 긴밀히 상호 협력해 새로운 화학 반응의 개발한 훌륭한 사례이다”라고 평했다.

연구 수행은 한국연구재단, 한국전자통신연구원(ETRI)의 지원으로 이뤄졌다. 연구 결과는 다학제 분야 전문 학술지인 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 공개됐다.

논문명: Rapid access to polycyclic N-heteroarenes from unactivated, simple azines via a base-promoted Minisci-type annulation
자료문의

대외협력팀: 김학찬 실장, 양윤정 팀원 (052) 217 1228

화학과: 홍성유 교수 (052) 217 2528
  • [연구그림] 반응 메커니즘을 규명하기 위한 분광학(EPR) 실험
  • [연구그림] 연쇄 라디칼 반응을 이용한 탄소-탄소 화학결합 형성 과정
  • [연구그림]연구팀이 개발한 질소 함유 나노 그래핀 조각 합성법
 

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

다환방향족탄화수소 화합물은 특별한 화학적, 전기화학적, 광물리학적 특성으로 인해 학계뿐만 아니라, 이차전지 및 플라스틱 산업계에서도 주목받고 있는 소재이다. 그래핀계 물질을 작은 분자로 쪼개 내려가는 ‘탑 다운(top-down)’ 방식은 분자 구조를 제어하기 어렵다는 단점이 있다. 반면, 분자를 화학적으로 조립하여 분자 크기와 구조를 정확하게 제어할 수 있는 ‘바텀 업(bottom-up)’ 방식은 기질을 미리 기능화하기 위해 여러 단계의 화학적 처리가 필요한 어려움이 있다.

전이금속을 이용한 아릴-고리화 반응 (APEX, annulative-π extension)은 사전 활성화 과정 및 Scholl 반응의 필요성을 없애, 빠르게 다환방향족탄화수소를 제조할 수 있는 방법으로 상당한 진전이 있는 방법임에도 불구하고, 비활성화 상태의 아진을 시작물질로 하는 아릴-고리화 반응은 여전히 합성적 부문에서 어려운 주제로 남아 있었다.

2. 연구내용

연구팀은 디아릴이오도늄 염 및 포타슘 터트-부톡사이드를 이용하여 아진 계열분자를 시작 물질로해 다환헤테로방향족탄환수소 화합물 형성 반응을 개발하여, 질소함유 고리화합물 제조에 성공했다. 또 화학적-분광학적 분석을 포함한 메카니즘 이해를 통해 합성 경로를 규명하였다.

3. 기대효과

전이 금속이 없는 상황에서 진행되는 라디칼 기반 반응과 기작 연구는 복잡한 다환헤테로방향족 탄화수소의 합성법에 개발 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
 

[붙임] 용어설명

1. 다환방향족탄화수소

2개 이상의 벤젠고리가 융합된 유기화합물

2. 아진

질소 함유 방향족 6원자 헤테로고리 화합물.

3. 홀전자

전자쌍에 대응되는 개념으로, 원자나 분자의 오비탈에 하나의 전자만이 존재하는 것

 
 

[붙임] 그림설명
 

그림1. 연구팀이 개발한 질소 함유 나노 그래핀 조각 합성법

 
 

그림2. ‘연쇄 라디칼 반응’을 이용한 탄소-탄소 화학결합 형성 과정

반응 중 생성된 요오다닐 라디칼이 아진(민트색 육각 고리 분자)을 활성화 한다. 탄소-탄소 결합은 육각형 고리가 연결되기 위한 결합이다.

 
 

그림3. 반응 메커니즘을 규명하기 위한 분광학(EPR) 실험. 하단 그래프의 모양(peak)을 통해 홀전자 존재 여부를 읽어낼 수 있다.

 
 
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