▲ 시소놀이로 표현한 금속-리간드 협동성 활용 이소시아네이트 합성 모식도. 니켈 기반의 이소시아네이트 합성 촉매는 리간드의 포스파이드로부터 전자를 전달받아 촉매 반응을 일으킨다.

국내 연구진이 독성가스인 포스겐을 사용하지 않고 폴리우레탄의 전구체를 합성하는 방법을 개발했다. 나아가 화학산업에 필요한 일산화탄소 전환 신촉매 개발에 응용될 전망이다.

한국연구재단(이사장 노정혜)은 한국과학기술원 이윤호 교수 연구팀이 이소시아네이트를 합성하는 새로운 촉매법을 개발했다고 1일 밝혔다.

폴리우레탄은 플라스틱의 일종으로, 합성섬유, 페인트 등 산업적 활용 범위가 넓다. 폴리우레탄의 전구체로 쓰이는 이소시아네이트를를 생산하기 위해선 지금까지 독성가스인 포스겐을 활용하기 때문에 유해성 문제로 이를 대체하기 위한 연구가 활발한 상황이다.

이에 연구팀은 금속-리간드의 협동성을 발견하고, 이를 이용해 포스겐 사용을 대체할 수 있는 이소시아네이트 합성법을 보고했다.

금속-리간드 협동성은 3개의 인 원자로 구성된 PPP 리간드가 금속 물질의 화학반응에 직접 참여하는 것이다. 연구팀은 이를 적용해 금속인 니켈과 리간드인 아마이드를 반응시켰다. 여기에 일산화탄소 반응을 더하면 이소시아네이트가 형성된다.

금속-리간드 협동성에서 금속의 산화 상태가 변화함에 따라 인 화합물(phosphide) 기반의 라디칼이 형성되고, 이들이 P-P 결합을 형성한다. 이렇게 형성된 이종핵 금속 착물은 결합력이 약한 것이 특징이다. 균일 분해되어 또 다른 라디칼 종을 형성하는데, 이를 촉매로 이용하면 다양한 화학종의 결합 활성 및 절단이 가능하다.

특히 합성에 이용한 PPP 리간드 기반의 금속-리간드 협동성은 국내 단독 기술로 국가 기간 산업을 성장시키는데 동력원이 될 것으로 기대되고 있다. 이를 위해 연구팀은 현재 연구를 지원하고 있는 C1 가스 리파이너리 사업단과 공동으로 일산화탄소 전환 신촉매를 개발 중이다.

이윤호 교수는 “우리 연구실에서 규명한 금속-리간드 협동성을 활용해, 저온·저압 조건에서 이소시아네이트를 합성할 수 있는 새로운 촉매법을 개발했다”며, “추후 이소시아네이트 기반 산업 및 일산화탄소 기반의 반응 공정 및 촉매 개발에 적용할 수 있을 것으로 기대된다”고 연구의 의의를 설명했다.

한편 이 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 C1가스리파이너리사업 지원으로 수행되었으며, 화학분야 국제학술지 앙게반테 케미(Angewandte Chemie) 9월7일자 논문으로 게재됐다.