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순식간에 사라지는 라디칼… 새로운 합성법 개발

- 친환경 2차 전지 양극재 등 다양한 응용가능성 열어 -

화학 및 생체반응은 반응물이 생성물로 바뀌는 일련의 과정을 의미한다. 반응 도중 생겨난 중간체‘라디칼 물질(이하 라디칼)’은 순식간에 생성물로 변한다. 유기 라디칼은 금속화합물과 달리 환경오염을 시키지 않고, 상대적으로 가벼워 최근 연구가 활발하다.

일반적인 물질은 전자가 쌍을 지어 화학적으로 안정하나, 라디칼은 전자가 홀수 개 있어 불안정하다. 우선 라디칼을 추출하고 활용하려면 안정화가 필요하다. 대표적인 안정화 물질로는 유기물인 질소헤테로고리카벤(N-Heterocyclic Carbene,이하 NHC 화합물)1)이 있다.

연구진이 구현한 라디칼은 유기 라디칼로 세 개의 질소 원자가 이어진 ‘트리아지닐 라디칼(Triazenyl Radical)’과 탄소, 질소, 산소 원자가 순서대로 연결된 ‘옥심 라디칼(Oxime Radicals)’로 나뉜다.

미국화학회지(Journal of the American Chemical Society, IF 13.858) 논문의 제1저자인 백지수 연구원이 트리아지닐 라디칼의 제작을 주도했다. 백 연구원은 NHC 화합물을 이용해 안정한 트리아지닐 양이온을 합성하고, 이를 칼륨으로 환원시키는 방법으로 트리아지닐 라디칼을 만들었다.

안게반테 케미(Angewandte Chemie, IF 11.994) 논문의 제1저자 김영석 연구원은 NHC 화합물과 일산화질소를 반응시킨 뒤, 네 가지의 다른 친전자체와 결합시켜 네 종류의 옥심 라디칼 양이온을 만들어냈다.

연구진은 나아가 트리아지닐 라티칼을 리튬이온 전지의 양극재로 활용한 실험을 진행했다. 그 결과 이론적인 방전용량(33 mAh/g)의 76 %를 실험값으로 얻었다.

두 논문의 교신저자 이은성 연구위원은 “이번에 발표한 라디칼들은 기존의 불안정한 라디칼과는 달리 2차 전지 등 산화・환원 반응을 이용한 전지의 양극재와 다양한 화학 반응의 유기산화제, 유기환원제로 응용할 수 있다”고 내다봤다.

미국화학회지의 연구성과는 11월 1일 온라인 게재 되었으며, 2017년 11월 6일 미국화학학회(American Chemical Society, ACS)가 발행하는 전문잡지 C&EN(Chemical & Engineering News)에 소개되었다. 안게반테 케미의 연구성과는 12월 4일 온라인 게재되었다. 특히, 트리아지닐 라디칼은 C&EN의 올해의 분자로 선정되었다.

그림설명


▲ [그림 1] 옥심 라디칼 물질의 결정 구조.NHC 화합물로 만든 네 가지의 서로 다른 라디칼 중 두 가지 라디칼의 결정 구조이다. 옥심 라디칼의 핵심구조는 동일하며 추가적으로 붙은 원자들이 다양한 만큼 확장의 용이성을 보여준다. 분자 구조는 단결정 엑스선 회절 실험으로 확인했다.


▲ [그림 2] 트리아지닐 라디칼 구조와 전자 상자성 공명 분광법(Electron paramagnetic resonance) 분석 그래프.왼쪽은 이번 연구에서 합성한 트리아지닐 라디칼의 분자 구조, 오른쪽 위는 트리아지닐 라디칼의 결정 구조, 오른쪽 아래는 전자 상자성 공명 분광법 결과 그래프이다. 세 개의 질소 원자가 연속해서 결합되어 있고 양쪽에 질소 헤테로고리 화합물이 불안정한 트리아지닐 라디칼을 안정화 시켜주고 있다. 전자 상자성 공명 분광법 그래프 확인 결과 홀 전자가 대부분 가운데의 질소 원자에 몰려있음을 알 수 있다.

1) 질소를 함유한 고리형 카벤. 카벤은 CH2와 같이 이가의 탄소원자를 가진 불안정한 반응 중간체이다. 카벤 화합물 역시 매우 불안정한 구조를 갖는다. 하지만 질소 헤테로고리 카벤은 다양한 라디칼 화합물과 반응하여 해당 라디칼을 안정화시키는 특징을 지닌다.

Center for Self-assembly and Complexity (복잡계 자기조립 연구단)

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이은성
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    최종수정일 2017-11-15 02:43