빛을 이용해 화학반응을 멈출 수 있는 촉매가 국내 연구진에 의해 개발됐다. 기존 광(光) 스위칭 촉매들은 모두 빛을 받을 때 반응이 시작됐으나 이번 연구는 빛을 받으면 반응이 멈추는 최초의 사례다.
지스트(광주과학기술원) 화학과 홍석원 교수 연구팀은 빛을 이용해 반응성을 실시간으로 조절할 수 있는 루테늄 올레핀 복분해 촉매를 개발했다고 16일 밝혔다.
루테늄(ruthenium)은 백금족 원소의 하나로 단단하면서도 잘 부스러지는 금속이다. 다른 백금족 촉매와 마찬가지로 수소화·산화의 촉매가 된다. 올레핀 복분해(olefin metathesis)는 금속 촉매를 이용해 출발 물질의 탄소-탄소 이중 또는 삼중 결합이 분해돼 각각 새로운 탄소-탄소 이중 또는 삼중 결합 화합물을 형성하는 반응을 말한다.
자연이 만들어낸 최고의 촉매인 효소는 외부 자극에 의해 유기적으로 활성, 비활성 상태를 전환할 수 있는데 화학자들은 단순한 촉매를 넘어서 외부 자극으로 전환 가능한 기능성 촉매를 만들기 위해 도전하고 있다.
복분해 촉매 반응은 유기화합물에 새로운 결합을 형성하게 하거나 다양한 작용기 도입을 가능하게 해 고분자, 연료의 첨가제, 의약물질과 같은 생물학적 활성을 지닌 유기 화합물의 합성 등에 폭넓게 응용된다. 최근에는 이러한 복분해 반응을 외부 자극을 통해 스위칭이 가능한 촉매 개발이 진행되고 있다.
기존 온오프(on-off) 스위칭 촉매들은 외부자극에 의한 반응성 조절이 미미하거나, 산 염기 또는 산화 환원 반응과 같은 실사용이 불편한 자극원을 이용했다.
빛은 화학 반응 도중 쉽게 조절할 수 있는 좋은 자극원이다. 기존 광 스위칭 촉매들은 모두 빛을 받을 시 반응이 시작되는 복분해 촉매만 존재했다.
연구팀이 이번에 개발한 스위칭 촉매는 기존과는 반대로 빛을 받을 시 반응이 멈추는 첫 사례로 꼽힌다.
연구팀은 빛에 감응하는 아조벤젠 작용기가 빛을 받을 때 구조가 바뀌는 것에 착안해 이 구조를 기존 복분해 촉매에 도입함으로써 빛에 따라 구조가 바뀌는 촉매를 확보할 수 있었다.
개발된 촉매는 여러 복분해 반응에서 빛에 따른 극적인 반응성 차이(60배~300배)를 보이며 이는 동일전략을 이용한 기존 촉매의 반응성 차이(1.5배 ~ 2.5배)보다 큰 것으로 나타났다. 또 신규 개발한 촉매는 반응 중 빛 조사조건을 바꿔주면 그에 따라 반복적으로 반응성이 온오프(on-off) 전환 될 수 있음을 보였다.
홍석원 지스트 화학과 교수는 “이번 연구 성과는 빛으로 반응을 멈출 수 있는 첫 촉매 사례라는 점에서 그 의의가 크다”면서 “개발된 온오프 스위칭 촉매를 이용해 포토리소그래피와 같은 빛을 이용한 패터닝(patterning) 기술 적용이 기대된다”고 말했다.
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