촉매 알케인 활성화를 위한 성배 발견

유기 촉매는 화학자들에게 탄화수소를 활성화하는 데 중요한 단계를 정밀하게 제어할 수 있는 기능을 제공합니다.

일본 홋카이도 대학의 연구원들은 화학 산업에서 중요한 역할을 하는 화합물인 알칸을 활성화하는 새로운 방법을 개발하여 유기 화학 분야에서 중요한 돌파구를 마련했습니다. Science 에 게재된 이 새로운 기술은 이러한 구성 요소를 귀중한 화합물로 전환하는 것을 더 쉽게 만들어 의약품과 최첨단 소재 생산에 진전을 제공합니다.

알케인은 화석 연료의 주요 성분이며 플라스틱, 용매, 윤활제와 같은 다양한 화학 물질과 재료의 생산에 필수적인 구성 요소이기도 합니다. 그러나 강력한 탄소-탄소 결합으로 인해 매우 안정적이고 불활성이어서 유용한 화합물로 전환하려는 화학자에게 과제를 안겨줍니다. 이 문제를 해결하기 위해 과학자들은 다른 알케인보다 반응성이 더 높은 고리 구조를 가진 특정 유형의 알케인인 시클로프로판에 초점을 맞췄습니다.

크래킹이라고 알려진 긴 사슬 알칸을 분해하는 기존 기술 중 다수는 분자 혼합물을 생성하는 경향이 있어 원하는 제품을 분리하는 데 어려움을 겪습니다. 이러한 어려움은 반응 중간체인 카보늄 이온에서 발생하는데, 이 이온은 화학 교과서에서 일반적으로 카보양이온에 대해 설명하는 3개 그룹 대신 5개 그룹에 결합된 탄소 원자를 가지고 있습니다. 이로 인해 매우 반응성이 높고 선택성을 제어하기 어렵습니다.

연구팀은 이미도디포스포리미데이트(IDPi)라고 ​​불리는 특정 종류의 한정된 키랄 브뢴스테드 산이 이 문제를 해결할 수 있다는 것을 발견했습니다. IDPi는 매우 강한 산으로, 프로톤을 기증하여 시클로프로판을 활성화하고 미세환경 내에서 선택적 단편화를 촉진할 수 있습니다. 이러한 한정된 활성 부위 내에서 프로톤을 기증할 수 있는 능력은 반응 메커니즘을 더 잘 제어할 수 있게 하여 가치 있는 제품을 생산하는 데 있어 효율성과 선택성을 개선합니다.

"이러한 산의 특정 종류를 활용함으로써, 우리는 사이클로프로판이 알켄으로 분해되는 동시에 생성된 분자의 원자 배열이 정밀하게 유지되도록 하는 제어된 환경을 구축했습니다." 홋카이도 대학교 화학 반응 설계 및 발견 연구소의 노부야 츠지 부교수와 함께 연구를 주도하고, 막스 플랑크-쾰른 연구원과 홋카이도 대학교에 소속되어 있는 교수 벤자민 리스트가 말했습니다. "입체 선택성이라고 알려진 이러한 정밀성은 분자의 특정 형태가 기능에 상당한 영향을 미칠 수 있는 제약과 같은 산업에서 매우 중요합니다."

이 방법의 성공은 반응 중에 형성된 독특한 일시적 구조를 안정화하여 공정을 원하는 제품으로 유도하고 원치 않는 부산물을 최소화하는 촉매의 능력에서 비롯됩니다. 연구자들은 접근 방식을 최적화하기 위해 촉매의 구조를 체계적으로 개선하여 결과를 개선했습니다.

"촉매의 특정 부분에 한 수정을 통해 원하는 생성물과 분자의 특정 형태를 더 많이 생산할 수 있었습니다." 이 연구의 다른 책임 저자인 노부야 츠지 부교수가 설명합니다. "고급 계산 시뮬레이션을 사용하여 산이 시클로프로판과 상호 작용하는 방식을 시각화하여 반응을 원하는 결과로 효과적으로 조종할 수 있었습니다."

연구자들은 또한 다양한 화합물에 대해 이 방법을 시험하여 특정 유형의 시클로프로판뿐만 아니라 더 복잡한 분자도 귀중한 제품으로 전환하는 데 효과적이라는 것을 입증했습니다.

이 혁신적인 접근 방식은 화학 반응의 효율성을 높이고 일반적인 탄화수소 공급원에서 귀중한 화학 물질을 만드는 새로운 길을 열어줍니다. 최종 제품의 원자 배열을 정확하게 제어할 수 있는 능력은 제약에서 첨단 소재에 이르기까지 다양한 응용 분야에 대한 타겟 화학 물질의 개발로 이어질 수 있습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/10/241010142530.htm