| KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-02-04 |
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 자연과학연구기구 분자과학연구소 연구팀을 팔라듐 화합물이 용액 중에서 벤젠을 포획하는 메커니즘을 해명하는데 성공하였다. 팔라듐(Pb)은 유기화합물의 변환을 촉진하기 위한 촉매로서 상당히 중요한 전이금속이다. 팔라듐 화합물이 반응을 촉진할 때는 일단 팔라듐 화합물에 유기화합물이 결합하고 그 후 팔라듐 원자와 유기화합물 원자 사이에서 화학결합을 재편성함으로써 유기화합물의 변화를 돕는다. 최근 유기용매 및 물에 용해되는 팔라듐 화합물이 유기분자를 포획하여 변환하는 메커니즘의 이해가 상당히 진행되어 팔라듐 화합물을 촉매로 하는 반응을 정밀하게 설계하는 것이 가능하게 되었다. 그러나 팔라듐 화합물이 공업적으로 중요한 유기화합물인 벤젠을 용액 중에서 어떻게 안정하게 포획한다는 것은 수수께끼였다. 벤젠은 가장 기초적인 유기화합물 중 하나이며, 벤젠을 변환함으로써 다양한 기초화학품을 합성할 수 있다. 대표적인 안정 유기분자인 벤젠을 변환하기 위해 효과적인 화학합성법으로서 금속 촉매를 이용하는 화학반응이 개발되었지만, 촉매로서 우수한 활성을 나타내는 팔라듐 화합물이 용액 중에서 벤젠을 안정하게 포획하는 메커니즘은 알지 못하였다. 팔라듐 화합물과 벤젠이 결합하는 힘은 상당히 약하다고 알려져 있으며, 용액 중의 팔라듐 화합물이 벤젠을 안정하게 포획하는 현상 자체가 지금까지 관측되지 않았다. 연구팀은 팔라듐 원자가 복수개 모여 생성되는 팔라듐 클러스터가 벤젠을 안정적으로 포획하는 능력을 가질 가능성에 착안하여 연구를 진행하였다. 그 결과 팔라듐 원자가 3개 모인 클러스터가 벤젠을 안정적으로 포획하는 것을 처음으로 밝혀내는데 성공하였다. 연구팀은 팔라듐 원자 1개만으로는 벤젠을 안정적으로 포획할 수 있는 능력이 부족하지만, 복수의 팔라듐 원자로 1개의 벤젠분자를 안정적으로 포획할 수 있을 것으로 생각하였다. 연구팀은 지금까지 팔라듐 원자의 개수를 제어하면서 집합시켜 팔라듐 클러스터를 용액 중에서 합성하는 방법을 개발하였다. 이번에 3개의 팔라듐 원자를 집합시킨 팔라듐 클러스터가 벤젠을 안정적으로 포획하는 것을 관측하는데 성공하였다. 이 성공의 열쇠는 3개의 팔라듐 원자를 배면에서 지지하는 배위자를 적절하게 선택한 것이다. 8개의 탄소원자가 고리형태로 연결된 8원환 분자인 시클로옥타테트라엔(cyclooctatetraene)을 배면 배위자로서 이용하면 팔라듐 클러스터가 벤젠을 강하게 결합한다는 것을 발견하였다. 한편 배면 배위자로서 6원환 분자 및 7원환 분자를 이용한 경우에는 벤젠을 안정적으로 포획하는 능력이 나타나지 않았다. 8원환 유기분자가 벤젠을 포획하는데 중요한 역할을 담당하고 있는 요인에 관하여 이론적인 계산을 수행하여 규명하였다. 그리고 연구팀은 팔라듐 원자를 4개 집합시킨 클러스터가 나프탈렌을 안정적으로 포획하는 것을 관측하는데 성공하였다 이 경우에도 8원환 시클로옥타테트라엔이 팔라듐 클러스터의 배면을 지지하는 우수한 배위자로서 기능한다. 그림 1. 3개의 팔라듐 원자로 이루어진 클러스터가 벤젠을 안정적으로 포획 그림 2. 팔라듐 클러스터를 지지하는 배면 배위자를 적절하게 선택하는 것이 성공의 열쇠가 된다. 8원환 시클로옥타테트라엔을 이용한 경우에 벤젠을 포획하는 능력이 높게 된다. 그림 3. 벤젠 및 나프탈렌을 포획한 팔라듐 클러스터의 분자 구조 | |
