IBS 연구진이 우리 주변에 흔한 타이타늄(Titanium)¹⁾촉매를 활용해 플라스틱, 의약품 원료로 사용하는 올레핀(olefins)²⁾합성에 성공했다. 석유화학산업 분야 주요 소재인 올레핀은 보통 800℃ 고온으로 석유를 증기 분해(steam cracking)³⁾하여 제조한다. 매우 높은 열과 에너지가 투입되며 이산화탄소 등 온실가스가 발생하는 것이 단점이다.

기초과학연구원(IBS, 원장 김두철) 분자활성 촉매반응 연구단(단장 장석복) 백무현 부연구단장과 마노즈 마네(Manoj V. Mane) 연구위원은 계산화학을 통해 타이타늄을 최적의 촉매로 선택했으며, 탄화수소(hydrocarbon)⁴⁾의 수소를 선택적으로 없애는 탈수소반응⁵⁾을 구현했다. 이로써 기존 공정에 비해 10분의 1정도 낮은 온도(75℃)에서 올레핀을 합성했다.

올레핀은 플라스틱, 고분자 화합물, 의약품 등에 활용하는 기초 원료이다. 활용도가 커 올레핀 합성 과정은 많은 연구자들이 연구주제로 삼고 있다. 올레핀은 탄화수소가 수소를 잃으면서 탄소(C) 두 개가 이중결합(C=C)해 생성되는데 증기 분해 방식은 반응 중 탄소-탄소 결합이 끊어져 올레핀 혼합물이나 다른 탄화수소들이 합성되는 단점이 있다. 또 석유 대신 천연가스에서 올레핀을 합성하려면 온실가스가 발생해 오염과 공해 문제가 뒤따랐다.

화학자들은 석유와 천연가스 등 탄화수소 화합물을 가공하거나 분해할 때, 열과 에너지를 적게 사용하고, 환경오염이 덜한 화학반응을 구현하기 위해 다양한 촉매반응을 연구해왔다. 탄소와 수소만으로 결합된 탄화수소는 두 분자 간 결합이 매우 강하기 때문에 결합을 끊고 반응을 유도하는 촉매 개발이 주요 과제였다. 이리듐(Iridium), 로듐(rhodium), 루테늄(ruthenium) 등 전이금속을 촉매로 적용했으나 비용이 너무 비싸 실제 산업에 활용하기는 어려웠다.

백 부단장은 비싼 전이금속 보다 수십 배 저렴한 타이타늄⁶⁾을 촉매로 적용했다. 백 부단장은 밀도범함수⁷⁾를 활용한 계산 화학을 통해 최적의 촉매 후보물질로 타이타늄을 제안했고, 미국 펜실베니아대학 연구진은 약 75℃에서 탈수소반응이 성공적으로 이뤄졌음을 실험으로 확인했다. 지난해 이리듐 촉매로 메탄가스의 강력한 탄소-수소 결합을 분해(사이언스, 16.04)한 데 이어 이번 연구에서도 계산화학으로 정확한 촉매를 예측했다. 또 탈수소반응에 이리듐 촉매를 활용할 때, 탄화수소가 이성질화(isomerization)⁸⁾되는 문제도 타이타늄 촉매로 해결됨을 관찰했다.

백 부단장은 "이리듐은 반응성이 매우 크지만 값이 비싸고 구하기 어렵다. 반면 타이타늄은 값이 매우 저렴하고 구하기 쉽다"며 "향후 타이타늄 촉매의 반응성과 효율성을 높인다면⁹⁾ 기존 올레핀 합성공정의 비용이 줄어들 것"이라고 말했다.

이번 연구는 미국 펜실베니아 대학의 대니얼 민디올라(Daniel J. Mindiola) 교수 그룹과 공동으로 진행되었다. 연구결과는 27일 국제학술지 네이처 케미스트리(Nature Chemistry, IF 25.87)¹⁰⁾에 게재되었다.

▲ [그림 1] 연구진이 제안한 타이타늄 촉매를 활용한 탈수소반응 메커니즘 위 그림은 탄화수소 중 하나인 알케인(보라색 상자, H3C-CH2R)이 탄소-탄소 이중결합(C=C)의 올레핀(초록색 박스)을 만드는 과정을 물레에 비유했다. 촉매인　　타이타늄(Ti)이 물레　중앙에　위치해　있으며 오른쪽에는 일라이드(Ylide) 물질이 그려져 있다. 일라이드는 반응이 잘 일어나는 물질로 위의 그림에서는 물레가 잘 돌아가게 도와주는 역할로 그려졌다.
올레핀은 플라스틱, 폴리머(고분자), 의약품 등 다른 화합물을 합성하는데 중요한 물질이다. 본 연구는 탄화수소의 탈수소반응을 타이타늄 촉매를 활용하여 성공한 첫 사례이다. 올레핀 힙성 시 값이 싼 타이타늄 촉매를 활용해 효율성을 높인다면 기존의 공정에 비해 비용이 줄어들 것으로 보인다.

▲ [그림 2] 밀도범함수를 활용한 계산화학으로 본 탈수소반응 메커니즘 IBS 분자활성 촉매반응 연구단 백무현 부연구단장은 계산화학을 활용해 촉매 후보물질을 예측한다. 본 연구에서 연구진은 타이타늄 촉매를 활용해 탄소-수소 단일결합 형태인 알케인의 탈수소반응 메커니즘을 예측했고 실험으로 증명하는데 성공했다. 연구진은 낮은 온도에서 선택적으로 수소를 제거해 알케인이 알파-올레핀으로 변형될 수 있음을 확인했다. 위 이미지는 계산화학을 활용해 컴퓨터 시뮬레이션으로 본 화학반응이다.