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 끊임없이 고민해 왔습니다. 스스로를 "전문 음향 엔지니어"라고 칭하는 그는 자신의 몸에서 일어나는 반응뿐 아니라 새로운 반응을 유발하는 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 반응을 유도하는 촉매를 설계했고, 실제로 그 반응이 일어났습니다. 예를 들어, 적절한 촉매를 선택하고 반응 조건을 조절하면 이산화탄소를 포름산, 메탄올 또는 포름알데히드로 전환할 수 있습니다.
화학 및 화학생물학(인문대학) 교수이자 콩 교수의 지도교수인 카일 랭커스터에 따르면, 콩 교수의 접근 방식은 랭커스터 연구실의 "발견 중심" 접근 방식과 잘 맞아떨어진다고 합니다. 랭커스터 교수는 "리처드는 주석을 이용해 화학 반응을 개선하자는 아이디어를 냈는데, 이는 제가 구상했던 방식에는 전혀 없었던 것입니다."라고 말하며, "주석은 이산화탄소를 더 가치 있는 물질로 선택적으로 전환하는 촉매인데, 이산화탄소는 부정적인 인식이 많이 퍼져 있죠."라고 덧붙였습니다.
콩 교수와 그의 연구팀은 최근 특정 조건 하에서 이산화탄소를 포름산으로 변환할 수 있는 시스템을 발견했습니다.
콩 교수는 “현재로서는 최첨단 반응성에는 미치지 못하지만, 우리 시스템은 높은 수준의 맞춤 설정이 가능합니다.”라고 말했습니다. “따라서 어떤 촉매가 다른 촉매보다 더 빠르게 작용하는 이유, 어떤 촉매가 본질적으로 더 우수한지 더 깊이 이해할 수 있습니다. 촉매의 매개변수를 조정하고 이러한 촉매가 더 빠르게 작용하는 요인을 파악하려고 노력할 것입니다. 촉매가 더 빠르게 작용할수록 분자를 더 빨리 생성할 수 있기 때문입니다.”
콩은 클라만 펠로우로서 수로에 독성을 띠며 스며드는 일반 비료인 질산염을 환경에서 무해한 물질로 전환하는 연구도 진행하고 있다고 말합니다.
콩 교수는 알루미늄과 주석 같은 흔한 지구 금속을 촉매로 사용하는 실험을 진행했다. 그는 이러한 금속들이 저렴하고 무독성이며 지구 지각에 풍부하게 존재하기 때문에 지속가능성 문제를 야기하지 않을 것이라고 말했다.
"저희는 또한 이 금속들 중 두 가지가 서로 상호작용하는 촉매를 만드는 방법을 연구하고 있습니다."라고 콩 교수는 말했습니다. "두 가지 금속을 골격에 사용함으로써, 이중 금속 시스템에서 어떤 종류의 반응과 흥미로운 질문들을 얻을 수 있을까요?"
콩에 따르면, 비계는 이러한 금속들이 존재하는 화학적 환경이다.
지난 70년 동안 화학적 변환을 달성하기 위해 단일 금속 중심을 사용하는 것이 일반적이었지만, 최근 10년 정도 동안 이 분야의 화학자들은 화학적으로 결합되거나 인접한 두 금속 사이의 시너지 효과를 탐구하기 시작했습니다. 콩 교수는 "이러한 방식은 더 많은 자유도를 제공합니다."라고 말했습니다.
콩 교수는 이러한 이중 금속 촉매를 통해 화학자들이 금속 촉매의 강점과 약점을 활용하여 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 분야에서 정말 독특하고 놀라운 반응들이 나타나기 시작하고 있습니다."
콩 교수는 분자 형태로 금속들이 서로 결합하는 방식에 대해서는 여전히 많은 불확실성이 있다고 말했습니다. 그는 화학 반응 자체의 아름다움과 그 결과에 모두 큰 흥미를 느꼈습니다. 콩 교수는 X선 분광학 분야의 전문성을 인정받아 랭커스터 연구소에 초빙되었습니다.
"이것은 공생 관계입니다."라고 랭커스터는 말했다. "X선 분광법은 리처드가 그 이면에 숨겨진 원리와 주석이 특히 반응성이 높고 이러한 화학 반응을 일으킬 수 있는 이유를 이해하는 데 도움이 되었습니다. 우리는 그의 광범위한 주족 원소 화학 지식 덕분에 새로운 분야를 개척할 수 있었습니다."
이 모든 것은 기본적인 화학과 연구에 달려 있으며, 이러한 접근 방식은 오픈 클라만 펠로우십 덕분에 가능해졌다고 콩 교수는 말했다.
"보통은 실험실에서 반응을 직접 진행하거나 컴퓨터로 분자를 시뮬레이션할 수 있습니다."라고 그는 말했다. "우리는 가능한 한 완전한 화학적 활성도를 파악하려고 노력하고 있습니다."