밝혀진 촉매 미스터리: 첫 번째

By 기초과학연구원 2023년 8월 10일

기초과학연구원(IBS) 연구진이 아민화 촉매반응에서 생성되는 전이금속-니트레노이드 중간체의 구조와 특성을 실험적으로 확인했다. 출처: 기초과학연구소

기초과학연구원(IBS) 촉매탄화수소 기능화 연구단 장석복 소장 연구팀이 촉매 반응의 핵심 중간체 구조와 반응성 규명에 획기적인 진전을 이루었다. 전이 금속-니트레노이드라고 불리는 이 중간체는 탄화수소를 제약 및 재료 과학 분야에서 중요한 물질인 아미드로 변환하는 데 중요한 역할을 합니다.

화학 반응에서 중간체는 반응물이 생성물로 변환되는 동안 형성되고 소비되는 물질입니다. 따라서 이러한 중간체를 이해하는 것은 반응 경로를 개선하고 효율적인 촉매를 개발하는 데 중요합니다. 예를 들어, 질소 함유 화합물은 약 90%의 의약품의 중추를 형성하며 재료 과학에 필수적입니다. 따라서 질소 기반 작용기가 탄화수소 원료에 도입되는 아미노화 반응에 관여하는 중간체를 식별하는 것이 매우 중요합니다.

금속-아실니트레노이드 종은 핵심 촉매 중간체로 제안되어 있으며, 이는 의약품 및 생리활성 천연 제품에서 중요한 지지체로 인식되는 락탐 및 아크릴아미드를 비롯한 귀중한 질소 함유 분자를 생성합니다. 출처: 기초과학연구소

연구자들은 아미노화 반응에서 반응 중간체의 구조와 특성을 이해하는 것이 중요하다는 것을 인식했습니다. 특히, 전이금속 촉매와 디옥사졸론 시약을 활용한 반응은 의약화학과 재료과학에 매우 유용한 것으로 밝혀져 전 세계 120개 이상의 연구그룹이 이 분야 발전에 기여하고 있다.

The key to understanding these reactions at the fundamental level lay in the ability to study the reaction intermediate that forms when a transition-metal catalyst binds to the dioxazolone reagent – known as metal-acylnitrenoid. These intermediate speciesA species is a group of living organisms that share a set of common characteristics and are able to breed and produce fertile offspring. The concept of a species is important in biology as it is used to classify and organize the diversity of life. There are different ways to define a species, but the most widely accepted one is the biological species concept, which defines a species as a group of organisms that can interbreed and produce viable offspring in nature. This definition is widely used in evolutionary biology and ecology to identify and classify living organisms." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> 종은 반응성이 매우 높아 연구하기가 매우 어려운 것으로 악명이 높았으며, 이는 찰나의 순간에만 존재할 수 있습니다. 또한, 전통적인 촉매 반응은 중간 물질이 다른 분자와 빠르게 반응하는 용액에서 종종 발생하므로 연구하기가 더욱 어렵습니다.

연구진은 로듐 결합 디옥사졸론 배위 복합체의 단결정을 사용하여 광결정학 분석을 통해 원하는 로듐-아실니트레노이드 종을 관찰했습니다. 디옥사졸론이 전이 금속 촉매와 반응하여 금속-아실니트레노이드를 형성할 때 CO2 분자가 압출됩니다. 여기서 관찰된 결정 구조에서 CO2 분자는 생성된 Rh-니트레노이드와 반대 음이온 사이에 잘 ​​자리잡고 있습니다. 출처: 기초과학연구소

이 문제를 해결하기 위해 IBS 팀은 X선 광결정학을 이용한 실험적 접근 방식을 고안했습니다. 또한 그들은 액체 용액이 아닌 고체 상태에서의 화학 반응을 추적하는 데에도 중점을 두었습니다. 이를 위해 그들은 광유도된 금속-리간드 전하 이동이 벤젠과 같은 탄화수소 공급원의 촉매적 C-H 아미드화를 시작하는 두자리 디옥사졸론 리간드를 갖는 새로운 발색 로듐 착물을 개발했습니다.