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분자 분광학을 이용한 반응 메커니즘 연구
Using molecular spectroscopy to study reaction mechanisms

해외과학기술동향

2018-03-08


가솔린과 윤활유 같은 소비자 제품들은 화학 첨가제를 넣어 기능을 향상시킨다. 첨가제는 종종 알킬화라고 알려진 화학 반응을 통해 만들어진다. 알킬화는 기존의 분자에 탄소 사슬을 첨가하는 것이다.  화학자들은 산 촉매가 알킬화에 유용하다는 것을 알고 있었지만, 가장 일반적으로 사용되는 촉매 중 하나인 산성 제올라이트(acidic zeolites)가 응축 상에서 알킬화 반응을 일으킨다는 것은 잘 이해하지 못했다.

미국 과학자들은 제올라이트 촉매로 시클로헥사놀(cyclohexanol)으로 페놀을 알킬화 시키는 주요 반응 메커니즘을 밝혀냈다고 보고했다. 이를 위해 연구진은 현장 고온 고압 매직 각도 핵자기공명(MAS-NMR) 분광기를 사용했다고 밝혔다. 관련 연구는 미국화학지(JACS, 2018)에 게제되었다 (DOI: 10.1021/jacs.7b02153).

과학자들은 촉매 활성, 메커니즘, 반응 경로가 세 가지 요인에 의존한다고 말한다. 이들 요인들을 산성 사이트의 농도와 세기, 반응의 공간 제약 및 알킬화 시약의 확인에 있다.

 

동력학 및 분광학 분석에 따르면, 페놀이 시클로헥사놀에 의해 알킬화되는 것은 대부분의 시클로헥사놀이 시클로헥센으로 탈수화 되어야 한다는 것을 보여주었다. 알킬화 반응은 알콜이 존재하는 한 느리게 진행되었다. 반면, 알킬화 생성물은 페놀과 시클로헥센이 포함된 용액에서 만들어질 수 있다고 연구진은 보고했다.

연구진은 현장 MAS-NMR 분광기와 탄소-13 동위원소가 풍부하게 포함된 페놀과 시클로헥사놀을 사용하면 다른 분광 방법으로 증명하기 어려운 반응 경로를 확인할 수 있다고 설명한다. 화학 반응은 경쟁적인 흡착의 결과가 아니라 친전자체(electrophile)의 부재로 일어났다고 연구진은 말했다. 이는 카르베늄이온(carbenium ion)의 형성없이 양성자화된 시클로헥사놀 이합체의 탈수화가 진행되었음을 의미한다.

이번 결과는 현장 분석 방법으로 핵자기공명(NMR) 분광기가 얼마나 중요한 역할을 할 수 있는지를 잘 보여주었다. NMR은 실제 상황 속에서 연구하려는 시료의 자세한 분자 정보를 제공해 준다. 연구진은 촉매 및 NMR 전문가의 공동 연구가 있었기에 고온과 고압에서 일어나는 중요한 화학 공정을 관찰할 수 있었다고 말했다. 기존에는 반응을 멈추었을 때 어떤 일이 일어나는지 측정하거나 최종 생성물을 측정하는 수준이여서, 전체적인 그림을 그리기는 어려웠다고 연구진은 설명했다.  

현재 연구팀은 새로운 반응과 촉매에 대해 연구하고 있으며, 에너지를 화학 결합에 저장하는 분자 또는 에너지 운반자를 생산하는 새로운 반응과 촉매에 대한 연구를 계속하고 있다고 밝혔다.

  • 관련연구자

    Jian Zhi Hu

  • 관련기관

    Pacific Northwest National Laboratory

  • 과학기술분류

    화학

  • 본문키워드(한글)

    핵자기공명분광기, 반응 메커니즘, 시클로헥사놀, 페놀

  • 본문키워드(영문)

    nmr, reaction mechanism, cyclohexanol,phenol

  • 원문언어

    영어

  • 국가

    미국

  • 원문출판일

    2018-03-05

  • 출처

    https://phys.org/news/2018-03-molecular-spectroscopy-reaction-mechanisms.html