유기실란은 규소·탄소가 결합돼 이뤄진 실리콘 화합물로 의약품 개발, 신소재 제조, 반도체 재료 등에 핵심 원료로 폭넓게 활용된다.
그러나 유기실란 합성 시 실란 반응성을 높이기 위해 전이금속을 사용하거나 공기와 수분에서 불안정한 중간체 합성이 필수적이었다. 합성 후 금속 촉매 폐기물이 발생해 환경적, 경제적 부담이 있었다.
한국과학기술연구원(KIST·원장 오상록)은 한서정 화학생명융합연구센터 박사팀이 고온·고압이 아닌 온화한 조건에서 전이금속 없이도 유기실란 화합물을 합성하는 반응을 개발했다고 15일 밝혔다.
기존과 달리 고가의 리튬, 니켈, 팔라듐과 같은 금속 촉매를 전혀 사용하지 않아 환경 보호와 생산비용 절감을 동시에 실현할 수 있는 혁신적인 합성법을 제시했다.
연구팀은 유기실란을 합성하기 위해 분자 구조 자체를 활용해 실란의 반응성을 높이는 방법을 개발했다.
이를 위해 아라인, 포스파이트, 플루오로실란의 삼성분 짝지음 반응(세 가지 물질이 동시에 반응에 참여해 새로운 결합을 형성하는 화학 반응)을 활용함으로써 금속 촉매 없이 분자 구조만으로 실란을 활성화하는 데 성공했다.
특히, 플루오로실란의 실리콘과 플루오린 결합은 강력한 결합 세기 때문에 반응성이 낮아 이를 활성화하는 게 매우 어렵다.
이를 해결하기 위해 분자 내에 포스포늄 루이스산을 도입해 플루오라이드 이온과 상호 작용하게 함으로써 강한 실리콘과 플루오린 결합을 활성화해 실란의 반응성을 높였다.
연구팀이 개발한 합성법은 실험실 수준을 넘어 산업적 활용이 가능한 그램 스케일(gram-scale)에서도 유기실란 화합물을 안정적으로 합성하는 것으로 확인됐다.
또 이 방법으로 합성한 유기실란을 용도에 맞게 물리적, 화학적 성질을 개선하는 데 필요한 산화반응 및 치환반응에서도 안정적인 성능을 보였다.
이번 연구는 친환경성과 경제성을 동시에 충족하는 합성 기술을 통해 화학 산업의 지속가능성을 한 단계 끌어올릴 것으로 기대된다.
특히, 폐수와 폐기물 처리 과정에서 환경 오염의 주요 원인으로 지목되는 금속 촉매를 사용하지 않는 장점이 있다.
또 매장량이 한정적이어서 가격 변동성이 큰 금속 자원에 대한 의존도를 낮출 수 있어 환경 보호와 생산 비용 절감이라는 두 가지 과제를 동시에 해결했다는 점에서 의의가 있다.
한서정 박사는 “이번 합성법은 고가 금속 촉매를 대체함으로써 제조 비용을 크게 절감하고, 대량 생산에도 적합한 기술로 검증돼 산업적 활용 가능성을 입증했다”며 “이 기술은 의약품, 농업, 신소재 등 다양한 산업 분야에서 활용될 수 있으며 지속가능한 화학 산업으로의 전환을 앞당길 중요한 발판이 될 것”이라고 말했다.
본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유상임)의 지원을 받아 KIST 주요사업 및 국가신약개발사업, 창의형 융합연구사업 등으로 수행됐다.
이번 연구 성과는 국제 학술지 Angewandte Chemie International Edition에 게재됐으며 Back Cover 이미지로 선정됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
