화학 반응은 우리 주변에서 항상 일어나고 있습니다. 생각해보면 너무나 당연한 사실이지만, 자동차 시동을 걸거나, 계란을 삶거나, 잔디밭에 비료를 줄 때 얼마나 많은 사람들이 화학 반응을 의식하고 있을까요?
화학 촉매 전문가인 리처드 콩은 화학 반응에 대해 깊이 고민해 왔습니다. 그가 스스로를 "전문 조율사"라고 칭하는 만큼, 그는 자연적으로 발생하는 반응뿐 아니라 새로운 반응을 찾아내는 데에도 관심을 갖고 있습니다.
문리과대학 화학 및 화학생물학 분야의 클라만 펠로우인 콩은 원하는 결과를 얻기 위해 화학 반응을 촉진하는 촉매를 개발하여 안전하고 부가가치가 높은 제품을 만들고 있으며, 이러한 제품들은 사람의 건강에 긍정적인 영향을 미칠 수 있습니다. 수요일.
콩 교수는 "상당수의 화학 반응은 촉매 작용 없이 자연적으로 일어납니다."라며, 자동차가 화석 연료를 연소할 때 이산화탄소가 배출되는 것을 예로 들었다. "하지만 점점 더 복잡해지는 화학 반응은 자동으로 일어나지 않습니다. 바로 이 지점에서 화학 촉매 작용이 중요해집니다."
콩과 그의 동료들은 원하는 반응이 일어나도록 촉매를 개발했습니다. 예를 들어, 적절한 촉매를 선택하고 반응 조건을 실험함으로써 이산화탄소를 포름산, 메탄올 또는 포름알데히드로 전환할 수 있습니다.
화학 및 화학생물학과(인문대학) 교수이자 콩의 발표 지도교수인 카일 랭커스터에 따르면, 콩의 접근 방식은 랭커스터 연구실의 "발견 중심" 접근 방식과 잘 맞아떨어진다고 합니다. 랭커스터 교수는 "리처드는 주석을 이용해 화학 반응을 개선하려는 아이디어를 냈는데, 이는 제가 전혀 예상하지 못했던 것이었습니다."라고 말하며, "그는 언론에서 많이 언급되는 이산화탄소를 선택적으로 더 가치 있는 물질로 전환할 수 있는 촉매를 개발했습니다."라고 덧붙였습니다.
콩 교수와 그의 연구팀은 최근 특정 조건 하에서 이산화탄소를 포름산으로 변환할 수 있는 시스템을 발견했습니다.
콩 교수는 “아직 반응 속도 면에서 최첨단은 아니지만, 우리 시스템은 맞춤 설정이 매우 용이합니다.”라고 말했습니다. “이러한 방식으로 어떤 촉매가 다른 촉매보다 더 빠르게 작용하는 이유, 어떤 촉매가 본질적으로 더 우수한지 더 깊이 이해할 수 있습니다. 촉매의 매개변수를 조정하고 어떤 요인이 촉매의 반응 속도를 높이는지 파악하려고 노력할 수 있습니다. 촉매가 더 빠르게 작용할수록 더 효율적으로 작동하고, 더 빠르게 분자를 생성할 수 있기 때문입니다.”
콩 교수는 클라만 펠로우로서 수로에 독성을 띠며 스며드는 일반적인 비료인 질산염을 환경에서 제거하고 더 무해한 물질로 바꾸는 연구도 진행하고 있다고 밝혔다.
콩 교수는 알루미늄과 주석처럼 지구에서 발견되는 금속을 촉매로 사용하는 실험을 진행했다. 그는 이러한 금속들이 저렴하고 무독성이며 지각에 풍부하게 존재하기 때문에 지속가능성 문제를 야기하지 않을 것이라고 말했다.
콩 교수는 “두 금속이 서로 상호작용하는 촉매를 만드는 방법도 연구하고 있다”며, “하나의 구조에 두 금속을 사용함으로써 어떤 반응과 흥미로운 화학적 과정을 이중 금속 시스템에서 얻을 수 있을지 탐구하고 있다”고 말했다.
콩 교수는 "숲은 이러한 금속들을 품고 있는 화학적 환경이며, 마치 날씨에 맞는 옷을 입어야 하는 것처럼, 이러한 금속들이 제 기능을 발휘할 수 있도록 잠재력을 끌어내는 데 매우 중요하다"고 말했다.
지난 70년 동안 화학적 전이를 달성하기 위해 단일 금속 중심을 사용하는 것이 표준이었지만, 최근 10년 정도 동안 해당 분야의 화학자들은 화학적으로 또는 매우 가까운 위치에 있는 두 금속의 결합을 연구하기 시작했습니다. 콩 교수는 "첫째, 이는 더 많은 자유도를 제공합니다."라고 말합니다.
콩 교수는 이러한 이중 금속 촉매를 통해 화학자들이 금속 촉매의 강점과 약점을 바탕으로 조합할 수 있다고 설명합니다. 예를 들어, 기질과의 결합력은 약하지만 결합을 잘 끊는 금속 중심은 결합을 잘 끊지는 못하지만 기질과의 결합력이 좋은 다른 금속 중심과 함께 사용할 수 있습니다. 두 번째 금속의 존재는 첫 번째 금속의 특성에도 영향을 미칩니다.
"두 금속 중심 사이에서 시너지 효과라고 부르는 현상이 나타나기 시작할 수 있습니다."라고 콩 교수는 말했다. "이중 금속 촉매 분야는 이미 매우 독특하고 놀라운 반응성을 보여주기 시작했습니다."
콩 박사는 분자 화합물에서 금속들이 서로 결합하는 방식에 대해서는 여전히 많은 부분이 모호하다고 말했습니다. 그는 화학 자체의 아름다움과 그 결과에 모두 큰 흥미를 느꼈습니다. 콩 박사는 X선 분광학 분야의 전문성을 인정받아 랭커스터 연구소에 합류하게 되었습니다.
"이것은 공생 관계입니다."라고 랭커스터는 말했다. "X선 분광법은 리처드가 이면에서 무슨 일이 일어나고 있는지, 그리고 주석이 왜 특히 반응성이 높고 이러한 화학 반응을 일으킬 수 있는지 이해하는 데 도움이 되었습니다. 우리는 그의 주요 원소 화학에 대한 폭넓은 지식 덕분에 새로운 연구 분야를 개척할 수 있었습니다."
콩 교수는 "모든 것은 기본적인 화학과 연구에 달려 있다"며, 이러한 접근 방식은 오픈 클라만 장학금 덕분에 가능하다고 말합니다.
"평소에는 실험실에서 반응을 진행하거나 컴퓨터 앞에 앉아 분자를 시뮬레이션합니다."라고 그는 말했다. "우리는 화학적 활동에 대한 가능한 한 완벽한 그림을 얻으려고 노력하고 있습니다."