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자연과학연구기구 분자과학연구소 연구그룹은 고활성, 높은 거울상체 과잉률, 높은 부분입체 이성질체 선택성 및 재이용할 수 있는 불균일 유기분자 촉매를 개발하였다. 비대칭 유기분자 촉매반응은 촉매가 고가이며 재이용이 불가능하였지만, 이번 성과로 그 가능성을 제시하였다. 

2차원 유기골격 구조체는 규칙적인 분자배열을 가지고 있으며, 나노크기의 1차원 채널구조를 창출하는 고분자이다. 구성 유닛의 설계에 의해 일차 구조뿐만 아니라 고차원 구조를 디자인할 수 있는 물질로서 최근 크게 주목을 받고 있다. 특히 주기적인 골격구조 및 1차원 채널 구조를 활용한 기능재료의 개척이 활발하게 이루어지고 있다. 

이번에 2차원 유기 골격구조체가 가진 결정구조의 안정화에 착안하여 2차원 고분자 시트 사이에 상호작용을 강하게 함으로써 물, 산 및 염기에 강한 결정성 다공구조체의 구축에 성공하였다. 안정된 2차원 유기구조체를 기본으로 다양한 기능개척 및 응용 전개가 가능하게 된다. 본 연구에서는 그 가능성 중 하나로서 1차원 채널을 이용한 촉매시스템의 개척을 수행하였다. 

이민결합을 가진 2차원 유기 골격구조체에 전자공여성인 메톡시 유닛을 구조체의 가장자리에 위치하는 페닐기에 도입하여 이민결합의 분극을 완화시킴으로써 층간 작용을 현저하게 강하게 한 2차원 유기 골격구조체의 구축에 성공하였다. 이 2차원 유기 골격구조체는 높은 결정성, 높은 안정성 및 높은 표면적(2,105 m2/g)을 갖추고 있다. 메틸포름아미드, 디메틸술폭시드, 테트라히드로퓨란, 메탄올, 시클로로헥산 등 유기용매에 1주일간 분산시켜도 그 결정성과 표면적은 변하지 않고, 결정 및 다공구조가 유지된다는 것을 알았다. 

또한 실온 및 100도의 물에 1주일간 두어도 구조가 변하지 않았다. 그리고 농염산 및 수산화나트륨(14M)에 각각 1주일 두어도 적층구조 및 1차원 채널 구조는 유지된 상태이었다. 이와 같이 다양한 유기용매, 물, 강산 및 강염기에 안정적으로 존재하는 2차원 유기 골격구조는 없었다. 안정된 구조체는 다양한 기능개척 및 응용전개를 가능케 한다. 

본 연구에서는 이 2차원 유기 골격구조체에 비대칭 촉매기능을 부여하기 위해 채널벽에 유기분자 촉매 활성점을 도입하여 2차원 유기 골격구조체를 기본으로 한 불균일계 촉매시스템을 구축하였다. 이 방법에서는 촉매 사이트의 밀도를 상세하게 조정할 수 있다. 이러한 구조체는 실온의 물에서 비대칭 마이클반응을 촉매로 기능한다는 것을 발견하였다. 나노크기의 세공은 기질을 농축하고 균일 유기촉매에 의해 높은 반응성을 나타내었다. 이러한 촉매는 높은 거울상체 과잉률 및 부분 입체 이성질체 선택성을 나타내어 다양한 기질에 대해 효율적으로 촉매로서 기능할 수 있다는 것을 나타내었다. 

2차원 유기 골격구조체는 촉매반응 후 다공구조 및 키랄구조를 유지할 수 있다는 것이 구조분석으로 밝혀졌다. 이러한 불균일 촉매는 원심분리 및 여과 등을 이용하여 반응 후 간편하게 회수할 수 있으며, 재이용 가능하다는 큰 장점이 있다. 비대칭 유기분자 촉매반응은 촉매가 고가로 재이용이 어려웠다. 이번에 고활성, 높은 거울상체 과잉률, 높은 부분 입체 이성질체 선택성 및 재이용 가능한 불균일 유기분자 촉매가 개발됨으로써 응용 가능성이 확대되었다. 

촉매반응은 물질전환의 열쇠로 에너지절약으로 효율적인 생산을 짊어질 기술, 물질기반으로서 큰 주목을 받고 있다. 특히 비대칭 유기분자 촉매반응은 의약품의 개척, 생산과 깊이 관련된 중요한 변환반응 중 하나이다. 금속이온 등을 사용하지 않고, 수중, 실온에서 진행되며, 친환경적인 비대칭 유기분자 촉매의 구축에 새로운 기반을 제공하는 것으로 혁신적인 기술 향상에 공헌할 것으로 기대된다 
KISTI 미리안 글로벌동향브리핑 2015-09-30






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