[사이테크 플러스] 전극 이용해 분자 화학반응 특성 조절하는 혁신 기술 개발

IBS·카이스트 연구팀 "'만능 작용기'개발…간편한 화학반응 조절 도구 제시"
백무현 교수 "80여년 통용된 화학반응 공식 뒤집어…산업 적용 후속 연구 계획"

국내 연구진이 이른바 '작용기'(유기화합물의 전기적 성질을 결정짓는 원자단)의 화학반응 특성을 전극에 가하는 전압의 미세한 차이를 이용해 자유자재로 조절할 수 있는 기술을 개발했다.

이 기술을 이용하면 작용기 하나를 화학반응에서 여러 특성을 보이는 '만능 작용기'로 활용할 수 있어 향후 화학산업에 적용될 경우 파급효과가 클 것으로 기대된다.

특히 이 연구는 지난 80여년 간 하나의 작용기는 하나의 전기적 효과만 줄 수 있다는 이론을 토대로 널리 사용돼온 전통적 화학 실험법을 대체할 수 있는 새 아이디어를 제시한 것이어서 주목된다.

기초과학연구원(IBS) 분자활성 촉매반응 연구단 백무현 부연구단장(KAIST 화학과 교수) 연구팀과 한상우 카이스트 화학과 교수(나노텍토닉스 창의연구단장)팀은 9일 국제학술지 '사이언스'(Science)에서 전압을 가하는 것만으로 분자의 반응성을 조절할 수 있는 '만능 작용기'를 개발했다고 밝혔다.

작용기는 전자를 끌어당기거나 밀어내는 효과를 통해 유기화합물의 전기적 성질을 결정짓는 원자단으로, 알코올을 만드는 하이드록시기(-OH)나 아세톤을 만드는 카르보닐기(-CO-) 등이 이에 해당한다.

전자를 끌어당기거나 밀어내는 효과는 분자 내 전자밀도 분포에 영향을 줘 분자의 반응성을 결정하며, 이는 화학반응의 평형과 속도에 영향을 미친다.

그동안 화학실험에서는 1937년 미국 화학자 루이스 하메트가 작용기 종류에 따라 분자의 전기적 성질 변화를 정량화한 공식을 만든 이래, 그의 이론이 80여년간 화학반응을 이해하는 공식으로 통용돼 왔다.

하지만 그의 이론에 따르면 작용기가 가질 수 있는 전기적 효과가 하나로 결정돼 분자의 전기적 성질을 세밀하게 조절하기 어렵다.

특히 여러 단계를 거쳐 합성되는 복잡한 분자의 경우 반응마다 최적의 효과를 줄 수 있는 작용기를 활용하기 어려운 한계가 있었다.

연구진은 이 연구에서 분자의 전기적 성질을 결정하는 원자단인 작용기를 전극이 대신할 수 있다는 사실을 증명하고, 전극을 활용해 다양한 화학반응을 제어하는 데 성공했다.

미세한 전압 조정만으로 여러 작용기를 대신할 수 있는 만능 작용기를 개발한 것이다.

연구진이 제작한 작용기는 금 전극에 벤젠과 하이드록시기나 카르보닐기 같은 작용기가 결합된 분자를 부착한 형태다.

전극에 전압을 가하면 분자 내 전자밀도 분포에 미세한 차이가 발생하고, 이로 인해 분자의 전기적 성질에 변화가 생긴다.

전압을 바꿔가며 분자의 전기적 성질 변화를 관찰한 결과, 전극에 음(-) 전압이 걸렸을 때 분자 내 화학반응이 일어나는 부위에 전자가 풍부해지고, 양(+) 전압이 걸렸을 때는 전자가 부족해지는 것으로 나타났다.

이어 이 만능 작용기를 유기반응(에스터 가수분해), 유기금속 촉매반응(스즈키-미야우라 교차 짝지음), 다단계 유기반응(아미드화) 등 대표적 유기화학 반응에 적용, 전극에 전압을 걸어주는 것만으로도 여러 작용기의 효과를 낼 수 있음을 확인했다.

연구팀은 "만능 작용기는 화학반응이 진행되는 도중에도 분자의 반응성을 바꿀 수 있다는 장점이 있다"며 "이 연구는 80여년간 널리 사용돼 온 전통적인 화학 실험법을 대체할 수 있는 새로운 아이디어를 제시했다는 학술적 의미가 있다"고 설명했다.

백무현 부연구단장은 "이 연구는 다양한 화학반응을 간단하게 조절할 수 있는 독창적인 아이디어를 제시한 것으로 다양한 후속 연구를 견인할 수 있을 것"이라며 "금 전극을 탄소 소재로 대체하는 등 산업 규모에서도 적용할 수 있는 '만능 작용기' 개발을 위한 후속 연구를 진행할 계획"이라고 말했다.

/연합뉴스