▲ 전통적인 주족원소 촉매 설계 방식(A)과 새로운 설계 방식(B) 비교. 여러 원자를 가까이 배치해 협력하게 하면, 원자 수가 늘수록 에너지 준위가 갈라지며 원자 하나로는 얻을 수 없는 전자 구조가 만들어진다.

국내 연구진이 자연에 흔한 황 원자 4개를 한 팀처럼 협력하도록 설계해, 값비싼 희귀 금속 없이도 의약품처럼 복잡한 분자를 마지막 단계에서 손쉽게 바꿀 수 있는 새로운 촉매를 개발해 고부가 화합물 제조에 활용이 기대되고 있다.

한국연구재단(이사장 홍원화)은 서울대학교 홍승윤 교수 연구팀이 여러 주족원소가 하나의 촉매 중심처럼 협동하도록 설계한 ‘다원자 주족원소 촉매’를 개발했다고 6일 밝혔다.

촉매는 적은 양으로도 화학반응을 빠르고 선택적으로 일어나게 하는 물질로, 의약품·농약·첨단소재 제조의 핵심 기술이지만 현재 촉매는 상당수 팔라듐 같은 전이금속을 사용하기 때문에 공급이 불안정하고 비싸며, 일부는 독성 문제도 있다.

대안으로 자연에 흔한 주기율표 양쪽의 1·2족과 13~18족 원소인 주족원소가 주목받고 있으나 전자를 유연하게 주고받지 못하고 성질을 조절하기 어려워 촉매 활용에 한계가 있다.

이에 연구팀은 원자 하나의 성질에 기대던 기존 방식 대신, 여러 원자가 힘을 합칠 수 있도록 탄소 원자 하나를 중심에 두고 황 원자 네 개를 입체적으로 배치했다. 황 원자는 직접 연결되지 않았지만, 공간을 통해 영향을 주고 받아 원자 네 개가 한 팀처럼 움직이며 새로운 성질을 갖게 됐다.

이 촉매를 할로젠화 반응에 적용한 결과, 현존 방법 중 가장 높은 반응성과 넓은 기질 범위를 보였다. 특히 기존 방법으로는 반응이 어려웠던 의약품·농약 유사 분자에도 적용 가능하며, 거의 완성된 분자를 마지막 단계에서 원하는 형태로 바꿀 수 있어, 신약 후보 물질을 빠르고 다양하게 만드는 데 활용할 수 있다.

연구팀은 촉매의 고성능 원리도 밝혔다. 황 원자가 할로젠을 분자에 넘길 때 할로젠과 직접 결합하지 않은 나머지 황 원자들이 공간을 통해 영향을 미쳐 황과 할로젠 사이의 결합을 느슨하게 만들어 할로젠 전달을 돕는다. 이는 여러 원자가 반응의 각 단계에서 하나의 팀처럼 협력해 촉매 성능을 높인다는 점을 보여준다.

홍승윤 교수는 “원자들을 공간적으로 잘 배치하면 원자 하나로는 얻기 어려운 성질과 반응성을 끌어낼 수 있다”며 “앞으로 다른 주족원소와 다양한 화학반응으로 연구를 넓히고, 촉매의 안정성과 대량 생산 가능성을 높여 실제 산업 현장에서 쓰일 수 있도록 하겠다”고 밝혔다.

한편 이번 연구 성과는 촉매 분야 국제학술지 네이처 카탈리시스(Nature Catalysis)에 9월2일 온라인 게재됐다.