황 원자 4개 협동 작용하는 촉매 개발…복잡한 분자 할로젠화에 적용

서울대학교 홍승윤 교수 연구팀이 황 원자 네 개의 공간적 상호작용을 활용한 촉매를 개발해 복잡한 의약·농약 유사 분자의 할로젠화 반응에 적용했다.

한국연구재단에 따르면 연구팀은 하나의 탄소 중심 주위에 황 원자 네 개를 입체적으로 배치했다. 직접 결합하지 않은 황 원자들이 공간을 통해 전자적으로 상호작용하도록 설계한 ‘다원자 주족원소 촉매’다. 이우진·김재순 서울대 화학부 연구원이 공동 제1저자로 참여했다.


황 원자 배열로 촉매 전자구조 조절
연구팀은 황 원자 네 개를 탄소 중심 주위에 스파이로(spiro) 구조로 배치했다. 이 구조에서는 직접 연결되지 않은 황 원자의 오비탈이 공간을 통해 상호작용한다. 오비탈은 전자가 원자나 분자 안에 존재할 가능성을 나타내는 개념이다.

연구팀에 따르면 황 원자들의 협동 작용으로 전자를 주는 오비탈의 에너지는 높아지고, 전자를 받는 오비탈의 에너지는 낮아졌다. 원자 하나의 성질에 의존하는 대신 여러 원자의 배열로 촉매의 전자구조를 조절한 것이다.

의약·농약 유사 분자에 할로젠 도입
개발한 촉매는 방향족 화합물에 염소·브로민·아이오딘을 도입하는 할로젠화 반응에 적용됐다. 할로젠 도입은 의약·농약 유사 분자의 물성을 바꾸거나 새로운 유도체를 만드는 데 활용된다.

연구팀은 대표적인 기존 할로젠화 촉매법과 직접 비교한 기질 범위에서 새 촉매가 높은 반응성과 적용 범위를 보였다고 설명했다. 기존 방법으로는 반응이 어렵거나 효율이 낮았던 복잡한 분자와 헤테로방향족 화합물에도 적용해, 합성 후기 단계에서 분자를 변환할 수 있음을 확인했다.

인접 황 원자가 할로젠 전달 도와
연구팀은 촉매가 할로젠을 포착해 반응 대상 물질에 전달하는 과정도 분석했다. 할로젠과 직접 결합하지 않은 인접 황 원자가 공간을 통해 황–할로젠 결합을 약화시키는 ‘2차 오비탈 상호작용’을 확인했다. 이 작용이 할로젠 전달에 기여한다는 설명이다.

홍승윤 교수는 “이번 연구는 촉매 설계의 단위를 원자 하나에서 여러 원자의 협력으로 넓힌 것”이라며 “원자들을 공간적으로 잘 배치하면 원자 하나로는 얻기 어려운 성질과 반응성을 끌어낼 수 있다”고 말했다.

이어 “앞으로 다른 주족원소와 다양한 화학반응으로 연구를 넓히고, 촉매의 안정성과 대량 생산 가능성을 높여 실제 산업 현장에서 쓰일 수 있도록 하겠다”고 밝혔다.

연구 결과를 담은 논문 ‘Harnessing Through-Space Orbital Interactions for Multicentred Organosulfur Catalysis’는 국제학술지 ‘네이처 카탈리시스(Nature Catalysis)’에 9월 2일 온라인 게재됐다.