한국과학기술원 이윤호 교수 연구실

연구실 개요

한국과학기술원 화학과 무기분자변환 연구실 (Inorganic Molcular Conversion Laboratory) 에서는 자연에서 발견할 수 있는 무기화학적, 생무기화학적 원리를 이해하고 이를 이용하여 새로운 소분자 활성 촉매 개발 연구를 진행하고 있다. 본 연구실은 C1 가스 리파이너리 사업단의 지원을 받아, 1주기 전이금속을 매개로 하여 일산화탄소를 활성화하는 상온 • 상압 구동형 히드로포밀화 반응 및 이소시아네이트 생성 반응 촉매 개발에 참여하고 있다. 일산화탄소 활성화 촉매 개발을 위해 세자리 PEP 리간드(E = N, P, Si)가 배위된 1주기 전이금속 착물을 합성하고, 일산화탄소와의 반응을 통해 생성된 중간체를 분석하여 고효율 소분자 활성 촉매를 개발하고 있다.

주요 연구 내용 소개

1. CODH/ACS 효소 모사 촉매 개발

현재 대부분의 화학 촉매 산업에서는 높은 활성과 뛰어난 선택성을 보이는 로듐 • 이리듐 등의 귀금속 촉매가 주류를 이루고 있다. 한편, 산업에서 사용되는 일산화탄소 전환 2 • 3주기 전이 금속 촉매 반응은 저스핀 상태를 선호하는 촉매의 특성 때문에 상대적으로 고온 • 고압에서 진행되어 왔다. 그러나 자연계에서는 유사한 반응이 상온 • 상압 조건에서 일어난다. 그 한 가지 예로 Acetyl Coenzyme A Synthase (ACS)는 상온 • 상압 조건에서 1주기 전이 금속을 이용하여 일산화탄소와 메틸기 간의 C-C 결합 형성을 통해 acetyl CoA를 생성한다. 본 연구실에서는 효소의 활성자리를 모방한 모사 촉매를 합성함으로써 효소 내에서의 반응성을 연구하고 반응 기작을 제안하며, 이로부터 얻은 결과를 바탕으로 최적화된 고효율 촉매를 개발하고 있다. 최근에는 PNP 리간드가 배위된 니켈 착물의 구조와 중심 금속 산화수를 조절하여 일산화탄소의 반응성을 조절하는 연구를 보고하였다. 이러한 연구를 통해 현재까지의 화학 기반 산업에서 사용되는 고온 • 고압 구동형 로듐 • 이리듐 등 2 • 3주기 전이 금속 촉매를 대체하는 새로운 촉매를 개발할 수 있을 것으로 예상된다.

2. 히드로포밀화 반응 히드로포밀화 반응(hydroformylation)은 올레핀과 일산화탄소, 수소로 알데하이드와 알코올을 생성하는 반응으로, 현재 화학 산업에서는 높은 효율과 선택성을 지닌 로듐이나 루테늄과 같은 귀금속이 많이 사용된다. 하지만 귀금속은 고가이며 수급이 원활하지 못하여 반응물의 가격이 촉매 가격에 큰 영향을 받고 있다. 한편 경제성이 높은 1주기 전이 금속은 촉매의 낮은 안정성과 효율성이 문제가 되고 있다. 본 연구실에서는 체계적인 구조적 • 전자적 변화를 유도하기 위해 고안된 PEP 리간드를 이용하여 촉매를 합성한다. 이를 핵자기공명(NMR) 분광기, 전자 스핀 공명(EPR) 분광기, 자외선-가시광선 분광 광도계, 적외선 분광 광도계, 단결정 X-ray 회절 분석기(SC-XRD) 등을 이용하여 특성을 분석함으로써, 높은 안정성과 효율을 갖는 1주기 전이 금속 촉매를 연구하고 있다.

3. 이소시아네이트 생성 반응 이소시아네이트(isocyanate)는 현재 폴리우레탄 폼(polyurethane foam) 합성에 중요한 물질로, 현재 화학 공정에서는 유독한 포스겐을 반응물로 사용하고 부산물로 염산이 생성되는 등 안전 문제가 발생해 왔다. 이를 극복하기 위해 일산화탄소를 활용한 이소시아네이트 생성 반응이 활발히 연구되고 있다. 하지만 아직은 촉매 효율이 낮고, 관련 연구도 현재까지는 초기 단계에 머무르고 있다. 현재 본 연구실에서는 니켈 • 코발트 • 철 등 다양한 1주기 전이 금속을 이용하여 카바메이트를 형성하고 이를 열분해법(thermal cracking) 등을 이용하여 탈알코올화(de-alcoholysis)하는 연구를 진행하고 있다. 또한 저가(low-valent)의 금속 착물에 아자이드(azide)를 도입하여 금속-이마이도(imido) 착물을 확보하고 직접적 카보닐화 반응을 통해 이소시아네이트를 생성하는 반응 또한 연구하고 있다.

연구실 현황