경금속 이온을 포함한 다공성 경금속 착체 신규 합성

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-01-26

일본 과학기술 진흥기구(JST) 전략적 창조 연구 추진 사업에서 홋카이도 대학 전자 과학 연구소의 연구팀은 저렴한 가격으로 생물 친화 경금속 이온을 포함한 다공성 경금속 착체의 신규 합성법을 개발했다. 금속 이온과 유기 배위자가 조합된 다공성 금속 착체는 촉매 재료나 물질의 분리, 흡착 자료로 사용되어 온 제올라이트 및 활성탄에 이은 차세대 다공성 재료로서 주목 받고 있다. 그동안에는 금속 이온으로 중금속 이온이 주로 사용되어 왔다. 한편, 중금속 이온보다 저가이면서 생물 친화적인 경금속 이온은 다공성 구조를 형성하기 위한 파트너 유기 배위자가 한정되면서 그 이용이 제한되고 있었다. 향후 개발된 합성법을 이용한 다양한 구조를 가진 재료 합성을 통해 값싸고 안전한 다공성 금속 착물의 실용화가 기대된다. 본 연구 성과는 2015년 1월 16일(영국 시간)영국 과학 잡지 "Nature Communications"의 온라인 속보판에서 공개되었다. 금속 이온과 유기 리간드에서 구축된 고결정성의 다공성 금속 착체는 다공의 형상, 크기, 표면 특성을 정밀하게 제어할 수 있기 때문에 차세대 다공성 재료로서 주목을 받고 있으며, 그 합성과 저장, 분리, 촉매 기능 등의 연구가 세계적으로 활발히 이루어지고 있다. 이미 기존의 다공성 재료의 성능을 상회하는 다양한 다공성 금속 착체가 보고되고 있지만, 이들을 실용화하는데 큰 문제가 되는 것이 제조 비용과 안전성이다. 지금까지는 금속 이온으로 아연, 구리 등의 중금속 이온이 많은 종류의 유기 리간드와 조합이 가능하기 때문에 주로 이용되어 왔다. 하지만, 중금속 이온의 대부분은 미래에 고갈이 우려되는 희귀 금속이며, 또한, 생체에 유해한 것이 많아, 실용화를 가로막는 큰 요인 중 하나로 되어 있다. 한편, 중금속 이온 대신 지구상에 대량으로 존재하는 저렴하고 생물 친화적인 마그네슘과 칼슘 같은 경금속 이온을 이용할 수 있으면, 이런 문제가 해결되고, 그 결과, 다공성 금속 착체의 실용화에 가까워진다. 그러나 경금속 이온에 적합한 파트너는 지금까지 카르복실레이트계 유기 리간드로 한정되어 있었기 때문에(그림 1), 그 합성 예는 중금속 이온에 비해 압도적으로 적고, 구조 다변화의 방해가 되고 있었다. 이번에 경금속 이온을 연결할 수 있는 새로운 파트너로서 전하 분리된 중성의 유기 리간드를 이용했다. 경금속 이온은 HSAB에 따르면 경산으로 분류된다. 실험에 이용한 피리딘 옥시드 부위를 가진 유기 리간드 비피리딘디옥시드(BPDO)는 산소에 음전하가, 질소상에 양전하가 각각 편재한 전하 분리 상태를 맞추기 때문에 경염기라 생각된다(그림 2). 경산은 경염기와 궁합이 좋기 때문에 중성 BPDO 유기 리간드는 경금속 이온 간을 연결할 수 있다고 예측했다. 거기서 본 연구에서는 경금속 이온으로서 마그네슘과 칼슘 이온을 선택하고, 보조 유기 리간드의 공존 속에서 BPDO 유기 리간드와 반응시켜 한 차원의 다공을 가진 다공성 경금속 착체를 합성하는데 성공했다. 또한, BPDO 유기 리간드가 경금속 이온 사이를 교차하고 있음을 단결정 X선 구조 해석을 통해 확인했다(그림 3). 개발한 다공성 경금속 착체는 다공 내부에 들어 있었던 용매 분자를 제거한 뒤에도 안정한 것으로 드러나 CO2와 메탄의 혼합 가스에서 CO2를 고선택적으로 분리 흡착할 수 있음을 실증했다.(그림 3). 중성 유기 리간드에서 교차된 다공성 경금속 착체의 합성 및 그 가스 분리 실증 사례는 거의 없고, 다공성 경금속 착체의 과학을 선도할 수 있는 획기적인 연구 성과이다 그동안 다양한 구조를 가진 다공성 경금속 복합체의 합성은 곤란했었는데, 전하 분리된 중성 유기 리간드를 이용하는 본 합성법을 적용함으로써, 마그네슘, 칼슘 같은 저가이면서 생물에게 친화적인 금속 이온으로 구축되는 다공성 경금속 착체를 합리적으로 합성하는데 성공했다. 또한, 전하 분리된 중성 유기 리간드는 알루미늄과 나트륨, 칼슘 같은 다른 경금속 이온 가교에도 유효하다고 생각되며, 다공성 경금속 착체 구조의 다변화, 심지어 가스 저장, 분리막, 드러그 딜리버리 등 실용화의 길이 가속적으로 열리는 것으로 기대된다. [논문정보] 1) 제목 : “Porous coordination polymers with ubiquitous and biocompatible metals and a neutral bridging ligand” 2) doi: 10.1038/ncomms6851 zu1.gif zu2.gif zu3.gif http://www.jst.go.jp/pr/announce/20150116/index.html