IBS(기초과학연구원·원장 김두철)는 장석복 분자활성 촉매반응 연구단 단장(KAIST 화학과 교수)과 백무현 부연구단장(KAIST 화학과 교수) 공동연구팀이 이리듐을 촉매로 상온에서도 분자 내 원하는 위치에 아릴기를 선택적으로 도입하는 반응기를 개발했다. 또 계산화학으로 반응 메커니즘도 밝혀냈다고 26일 밝혔다.

탄화수소는 자연상태에 많이 존재하지만 일반적 조건에서는 반응성이 낮아 합성의 원료로 사용되기 어렵다. 반응을 촉진시키기 위해 금속촉매를 활용하는 등 다양한 연구가 이루어지고 있다. 

특히 의·약학이나 재료화학에서 활용되는 대부분의 화합물이 분자내 아릴기를 포함하고 있어 위치 선택적 아릴기를 도입할 수 있는 반응 개발은 주요 연구 주제였다. 아릴화는 X-H로 표시되는 화합물의 수소원자를 직접 치환하거나 X를 직접 치환해 X-Ar(아릴기)의 화합물을 얻는 것을 말한다.

그러나 지금까지 개발된 아릴화 반응은 대부분 고온의 반응온도, 과량의 첨가물이 필요한 격렬한 반응 조건을 필요로 했다. 무엇보다 탄소-수소 결합이 분자내에 많이 존재해 선택성 확보 역시 어려웠다.

연구팀은 이리듐을 촉매로 아릴실레인(arylsilanes)을 반응제로 사용해 탄소-수소 결합 활성화를 통한 아릴화 반응을 상온에서 구현하는 데 성공했다. 또 분자 내에서 위치선택적으로 아릴기를 도입할 수 있음을 확인했다.

상온에서 아릴기 도입 반응에 성공할 수 있었던 것은 실험과 이론연구가 동시에 이뤄졌기에 때문이다. 연구팀은 메커니즘 연구와 전이금속을 촉매로 탄소-수소 결합 활성화를 통한 아릴화 반응에서 금속교환반응 중간체를 분리, 분석하는데 성공했다.

무엇보다 금속교환반응 중간체만을 선택적으로 산화시키는 새로운 경로를 개발해 에너지 장벽을 효과적으로 낮췄다. 또 밀도범함수를 활용한 계산화학으로 실험 결과를 토대로 제안된 반응경로의 타당성을 검증했다. 

연구팀은 비싼 전이금속인 이리듐을 촉매로 사용한 만큼 후속 연구를 통해 이리듐을 대체할 값싼 전이금속 기반의 촉매를 개발할 예정이다.

장석복 단장은 "상온에서 위치 선택적 아릴화 반응을 이끌어 낸 것과 더불어 반응 메커니즘 연구를 통해 기존에 통상적으로 제안되어져 왔던 진행경과와는 다른 새로운 반응경로로 반응이 이루어짐을 규명했다"면서 "이 반응경로를 알아내고 이를 바탕으로 고온이나 과량의 첨가물 없이도 선택적인 반응방법을 개발하였다는 점에서 그 의의가 크다"고 연구의미를 강조했다.

한편 연구결과는  연구결과는 국제학술지 네이처 케미스트리(Nature Chemistry, IF 25.87) 온라인판에 11일 게재됐다.