수십 년간의 화학이 다시 쓰여졌습니다. 교과서 반응이 방금 뒤집혔습니다.

펜실베이니아 주립대학교 화학자들은 산화 첨가 반응이라는 핵심 반응이 반대로 일어날 수 있다는 것을 발견했습니다. 즉, 유기 분자가 금속에 전자를 제공하는 것이 아니라, 금속이 유기 분자에 전자를 제공하는 것입니다. 출처: Shutterstock

화학 반응 속도를 높이는 것은 산업 공정을 개선하거나 원치 않거나 유해한 폐기물을 줄이는 데 핵심적입니다. 이러한 개선을 실현하려면 화학자들이 문서화된 반응 경로를 기반으로 설계해야 합니다. 이제 펜실베이니아 주립대 연구팀은 산화 첨가 반응이라는 근본적인 반응이 동일한 목적을 달성하기 위해 다른 경로를 따를 수 있다는 것을 발견했습니다. 이는 이러한 새로운 반응 순서가 원래부터 발생해 온 것인지, 그리고 잠재적으로 화학 설계에 새로운 지평을 열어줄 수 있는지에 대한 의문을 제기합니다.

해당 연구를 설명하는 논문은 2025년 6월 23일 미국 화학회 저널에 게재되었습니다.

탄소, 수소, 산소, 그리고 몇 가지 다른 원소를 포함하는 유기 화합물의 반응은 유기 원소 특유의 결합 패턴과 전자 배열에 의해 제한됩니다. 백금과 팔라듐과 같은 또 다른 원소인 전이 금속은 더 많은 전자 배열을 가지고 있습니다. 전이 금속이 유기 화합물과 상호 작용할 때, 이러한 추가적인 복잡성은 유기 화합물의 전자 구조를 변화시켜 화학 결합을 끊거나 순수 유기 화합물에서는 불가능한 반응을 촉매하는 등 더욱 다양한 잠재적 반응을 유발할 수 있습니다. 연구진에 따르면, 이러한 화학 반응이 발생할 수 있는 다양한 방식을 이해하면 화학자들이 전이 금속을 활용하여 산업 공정의 효율성을 높이거나 환경 오염 물질을 줄이는 등 새로운 해결책을 찾는 데 도움이 될 수 있습니다.

펜실베이니아 주립대 에버리 과학대학 화학과 조교수이자 연구팀 책임자인 조너선 쿠오는 "전이 금속은 유기화학의 '규칙을 깨는' 특성을 가지고 있습니다."라고 말했습니다. "예를 들어, 생물학적 시스템은 대체로 유기물로 여겨지지만, 세포 내 화학 반응의 상당 부분은 금속 보조 인자가 실제로 반응성을 주도하는 활성 부위에서 발생합니다. 전이 금속은 산업 규모의 화학 반응을 촉매하는 데에도 사용됩니다. 이러한 반응의 작동 원리를 이해하는 것은 자연의 효율성에 접근하거나 자연에서 알려진 유사점이 없는 반응을 만들어내는 방법입니다."

화학 반응은 분자를 구성하는 원자들이 더 안정적인 상태에 있기를 "원하기" 때문에 발생합니다. 이러한 안정화는 주로 전자들이 원자핵 주위의 구름처럼 위치할 가능성이 높은 영역인 오비탈 간의 전자 재배열을 통해 이루어집니다. 예를 들어, 수소 원자는 "1s" 오비탈에 전자가 하나만 존재합니다. 그러나 두 개의 수소 원자가 결합하여 이수소(H₂)를 형성할 수 있으며, 두 개의 1s 오비탈이 혼합되어 두 개의 혼성 오비탈을 형성합니다. 두 혼성 오비탈 중 더 안정적인 오비탈이 두 전자를 수용하여 순 에너지 절감과 안정성 향상을 가져옵니다. 더 크고 복잡한 원소는 에너지 준위가 서로 다른 여러 개의 s 오비탈과 다양한 모양과 용량을 가진 p, d, f 오비탈을 가질 수 있으며, 이는 전자 구조의 다양성과 더 다양한 유형의 화학 반응을 야기합니다.

"자연에서 수소 원자는 유일한 오비탈 자원인 1s 오비탈만을 사용하여 전자를 지탱할 수 있습니다."라고 쿠오는 말했다. "하지만 두 수소 원자가 만나면 '우리에겐 전자 두 개와 오비탈 자원 두 개가 있는데, 이 자원들을 서로 나누는 가장 효율적인 방법은 무엇일까?'라고 묻습니다. 대부분의 유기 원소는 s 오비탈과 p 오비탈만 가지고 있지만, 전이 금속은 d 오비탈을 추가로 가지고 있습니다."

산화 첨가 반응에 대한 대부분의 설명에서, 전이 금속은 결합 과정에서 유기 기질에 전자를 제공한다고 합니다. 유기 분자와 전이 금속의 근접성은 두 오비탈 세트가 혼합될 수 있게 하여 다양한 유형의 반응을 유도합니다. 이 때문에 전자 밀도가 높은 전이 금속 화합물을 개발하려는 많은 노력이 있어 왔으며, 이는 잠재적으로 더욱 강력한 활성제가 될 수 있습니다.

"그러나 일부 산화적 첨가 반응은 약간 다르다는 점이 발견되었습니다."라고 쿠오는 말했다. "소그룹은 실제로 전자가 부족한 전이 금속 화합물에 의해 가속됩니다. 우리는 전이 금속이 전자를 제공하는 대신, 반응의 첫 단계에서 유기 분자에서 전이 금속으로 전자가 이동하는 것으로 설명할 수 있었습니다. 이종 분해라고 알려진 이러한 유형의 전자 흐름은 잘 알려져 있지만, 순 산화적 첨가 반응을 유발하는 것으로 이전에는 관찰된 적이 없습니다."

연구팀은 전자 밀도가 낮은 전이 금속인 백금과 팔라듐을 포함하는 화합물을 사용하여 수소 가스에 노출시켰습니다. 그런 다음 핵자기공명(NMR) 분광법을 사용하여 전이 금속 착물의 변화를 모니터링했습니다. 이를 통해 수소가 금속 착물에 전자를 제공한 중간 단계를 관찰할 수 있었는데, 이는 산화적 첨가 반응과 구별할 수 없는 최종 합성 상태에 도달하기 전이었습니다.

"전이 금속 반응에 이 새로운 방법을 추가하게 되어 기쁩니다."라고 쿠오는 말했다. "이런 일이 가능하다는 것을 보여주면 전이 금속 화학을 활용할 수 있는 새롭고 흥미로운 방법이 열릴 것입니다. 저는 특히 잘 분해되지 않는 오염 물질을 분해할 수 있는 반응을 찾는 데 관심이 있습니다."

쿠오 외에도 연구팀에는 펜실베이니아 주립대학교 화학과 대학원생이자 제1저자인 니샤 라오가 포함되어 있습니다. 펜실베이니아 주립대학교 에버리 과학대학의 지원을 받아 이 연구를 수행했습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/07/250727235819.htm