촉매가 없으면 세상이 다르게 보일 것이다. 이러한 반응 촉진제 없이는 많은 화학 물질, 의약품 및 일상 제품이 존재하지 않을 것이다. 그러나 최적의 촉매는 아직 모든 곳에서 발견되지 않았다. 따라서 촉매 연구는 오늘날 화학 분야에서 "뜨거운" 주제 중 하나다.

▲ 노벨화학상 수상자 벤자민 리스트와 막스 플랑크 석탄 연구 연구소의 직원들. © David Ausserhofer/MPG

촉매제가 없으면 자동차 배기가스가 더 더럽게 될 뿐만 아니라 우리 주변의 많은 것들, 예를 들어 플라스틱, 약품, 인공 비료 등 대부분이 아예 존재하지 않을 것이다. 촉매제는 또한 기후에 피해를 주는 가스 배출을 줄이는 데 도움이 된다. 그래서 우리는 반응 촉진제에 많은 빚을 지고 있다. 추정에 따르면 촉매는 모든 화학 공정의 80~90%에서 사용된다. 

벤자민 리스트(Benjamin List)는 자신의 작업 분야인 촉매 연구에 대해 “이러한 방식으로 만들어진 제품은 전 세계 국내총생산(GDP)의 최대 3분의 1에 기여하는 것으로 계산됐다”라고 말한다. 이 화학자는 막스 플랑크 석탄 연구소 소장이며 촉매 작용을 “인류의 가장 중요한 기술 중 하나”로 간주한다.

촉매는 무엇에 좋은가
촉매 작용의 역사는 사실상 화학 산업의 역사만큼 오래되었다. 이론적인 배경이 없고 메커니즘을 알지 못하더라도 실무자들은 특정 조건에서 많은 중요한 반응이 더 빨리 일어난다는 것을 일찍부터 배웠다. 산업 촉매 작용의 첫 번째 예 중 하나는 황산 생산을 위해 1746년에 개발된 납 챔버 공정이다. 이산화질소는 이산화황에서 삼산화황으로의 산화를 촉매한다. 19세기에 개발된 접촉 과정에서 백금과 나중에는 오산화바나듐이 촉매로 작용했다.

촉매가 할 수 있는 일과 할 수 없는 일
비료 생산에 중요한 염소, 질산, 플라스틱, 메탄올, 남색 염료 또는 암모니아인지는 중요하지 않다. 수많은 중요한 화학 물질의 합성에서 중요한 전환 속도를 보장하는 것은 촉매다. 촉매 작용의 초기 정의 중 하나는 19세기 말에 화학 반응에 대한 촉매의 영향을 집중적으로 연구한 빌헬름 오스발트(Wilhelm Ostwald)에서 나왔다. 이것에서 그는 이미 반응 속도에 대한 영향을 고려했다. 

▲ 많은 분자는 거울상 이성질체라고 하는 두 가지 거울상 변이체로 제공된다. ©NASA

후에 촉매란 화학반응의 속도를 증가시키거나, 화학반응에서 소모되지 않고 애초에 반응이 일어나도록 하는 물질이라는 설명에서 오늘날까지 유효한 설명이 유래되었다. Ostwald는 이 효과를 시계 장치의 바퀴에 윤활유가 미치는 영향을 비유했다. 두 경우 모두 기존 저항이 감소합니다. 시계 장치에서는 기계적 마찰로, 화학 반응기에서는 에너지 장벽으로 인해 감소한다. Ostwald는 그의 기초 연구로 1909년 노벨 화학상을 받았다. 

촉매는 열역학적으로도 유리한 반응, 즉 제품의 에너지 수준이 출발 물질의 에너지 수준보다 낮은 반응만 가속화하거나 활성화할 수 있다. 똑같이 중요하다. 반응의 열역학적 평형은 촉매의 영향을 받지 않는다. 촉매의 특징은 기존 결합을 끊기 위해 소비해야 하는 활성화 에너지를 낮추어 새로운 결합을 가진 새로운 상태가 발생할 수 있다는 것이다.

촉매는 일반적으로 더 적은 에너지 입력으로 도달할 수 있는 특수 전이 상태를 활성화하여 이 에너지 소비를 줄인다. 예를 들어, 반응 파트너 중 하나와 일시적으로 공유 또는 수소 결합을 형성해 반응성에 영향을 주어 이를 수행한다. 덧붙여서, 실제로는 “소진되지 않는다”가 항상 맞는 것은 아니다. 특히 일반적으로 촉매가 고체상에 적용되는 불균일 촉매에서는 코킹(coking) 또는 소결(sintering) 공정과 같은 공정 중에 변화가 발생한다. 따라서 이러한 공정의 운영자는 때때로 촉매 물질을 교체해야 한다.

▲ 활성 성분 thalidomide는 두 거울상 이성질체의 혼합물로 Contergan이라는 약물에서 판매되었다. 그러나 한 가지 변종만이 수면제 역할을 하고, 다른 변종은 임산부가 복용할 때 태아에게 기형을 일으킨다. © gemeinfrei

비대칭 유기 촉매
스톡홀름을 보면 화학에서 촉매 작용이 얼마나 중요한지 알 수 있다. 좁은 의미의 촉매 연구로 1909년 이래로 총 10개의 노벨 화학상이 있었다. 프리츠 하버(Fritz Haber)와 칼 보쉬(Carl Bosch)와 같은 잘 알려진 화학자들이 수상자들이었다. 촉매에 대한 10개의 노벨상 중 6개는 2000년 이후에야 수여됐다. 이는 이 연구 분야가 여전히 “핫“하다는 것을 보여준다.

2021년 노벨상 수상자 시리즈의 마지막은 뮐하임에 있는 막스 플랑크 석탄 연구소의 벤자민 리스트와 버클리의 캘리포니아 대학의 데이비드 맥밀런이었다. 그들은 “비대칭 유기촉매의 개발”로 권위 있는 상을 받았다. 밀레니엄이 시작될 무렵 두 연구원은 서로 독립적으로 이 새로운 특별한 촉매 분야의 문을 열었다. 화학자들은 촉매가 유기 분자일 때 유기 촉매 작용을 말한다. 이러한 화학 반응이 가속화될 수 있다는 것은 오랫동안 알려져 왔다. 

유스투스 폰 리빅(Justus von Liebig)은 이미 약 200년 전에 방향족 α-하이드록시케톤 형성을 위한 촉매로 시안화물을 사용하거나 나중에 다른 합성에서 아세트알데하이드의 촉매 효과를 발견했을 때 이미 이를 사용했다. 리스트(List)와 맥밀란(MacMillan)의 작업에서 새로운 것은 유기 촉매를 사용한 비대칭 합성이었다. “비대칭”이란 두 가지 가능한 거울상 이성질체 중 하나만 선택적으로 유도하는 반응을 의미한다. 이러한 거울상 이성질체 쌍은 예를 들어 분자가 입체중심을 포함할 때 존재한다. 

특히 하나의 거울상 이성질체를 선택적으로 유도하는 합성은 약물, 살충제 또는 방향제 및 향료와 같은 생물학적 시스템에 사용되는 물질에 종종 필요하다. 그 이유는 종종 두 거울상 이성질체 중 하나만 약학적 효과 또는 특정 냄새 및 맛과 같은 원하는 효과를 갖는다. 2017년의 추정에 따르면, 의학에 사용되는 거의 모든 물질에는 입체 중심이 있다. 그러나 제조업체가 모든 경우에 거울상 선택성 합성을 달성할 수 있는 것은 아니다.

공간 제어가 중요하다
비대칭 촉매에 대한 요구 사항은 높다. 활성화 에너지를 낮추는 것만으로는 충분하지 않다. 반응 과정에서 거울상 선택적 효과를 갖기 위해서는 반응에 관여하는 분자에 대해 매우 특정한 공간적 환경을 조성해야 한다.

예를 들어, 한 반응 파트너는 다른 쪽이 차폐되어 있기 때문에 한 쪽에서 다른 쪽에만 부착할 수 있다는 사실로 이어진다. 효소의 경우 단백질 분자의 복잡한 구조가 이러한 “입체 조절”을 제공한다. 전이 금속 기반 촉매의 경우 먼저 금속 원자를 리간드라고도 하는 적절한 분자 구조로 둘러싸면 효과가 나타난다. 두 경우 모두 결정적인 반응은 공간(입체)상의 이유로 하나의 거울상 이성질체만 우선적으로 유도하는 반면 미러 이미지 분자의 형성은 훨씬 더 어렵다. 

▲ 촉매는 또한 이산화탄소를 사용 가능한 연료나 기타 화합물로 전환하는 데 중요한 역할을 한다. © Dmitry Kovalchuk

작은 유기 분자와도 작동
얼마 전까지만 해도 전이 금속 착물과 효소만이 비대칭 촉매 작용에 적합하다고 가정했다. 2021년 노벨 화학상 수상자만이 프롤린과 같은 작은 유기 분자도 이에 적합하다는 것을 발견하고 증명했다.

Max Planck 연구소의 화학자 Benjamin List는 처음에 항체 기반 단백질 촉매를 연구했다. 결정 구조 분석은 항체의 아미노산 그룹과 산 그룹이 촉매 작용에 관여하는 것으로 나타났다. 리스트는 스스로에게 “단순한 유기 분자가 아미노기와 산기를 가지고 있다면 같은 효과를 낼 수 있을까?”라고 물었다. 

예를 들어, 아미노산은? 그의 첫 번째 시도에서 그는 천연 아미노산 L-프롤린이 아세톤과 알데히드의 알돌 반응을 거울상 선택적으로 촉매할 수 있는지 여부를 테스트했다. 케톤과 프롤린에 의해 형성된 엔아민 상태는 실제로 알데히드와 공간적으로 제어된 반응을 거쳤다. 이 작업 이후 20년이 조금 넘었다. 이 기간 유기 촉매 분야는 빠르게 발전했다.

통제된 반응 : 더 쉽고 저렴하고 친환경적으로
전 세계의 많은 연구 그룹이 현재 유기 촉매에 대해 연구하고 있다. 당연하다. 대부분의 금속 화합물과 달리 유기 촉매는 일반적으로 더 간단하고 원칙적으로 지속 가능한 원료에서 생산할 수 있으며 저렴하고 독성이 없다.
 

반면에 전이 금속은 종종 이미 제한되어 있고 때로는 접근하기 어려운 광상에서 생태학적으로 어려운 조건에서 추출해야 한다. 가장 좋은 경우 반응 조건도 온건하다. 예를 들어, 프롤린과의 알돌 반응은 실온에서 몇 시간 내에 발생한다. 따라서 유기촉매의 도움으로 가능한 한 많은 화학 반응을 가속화할 수 있다. 

이것이 원칙적으로 비대칭 촉매에도 적합하다는 사실은 특히 연구에 영감을 주었다. 이러한 반응은 종종 업계에 골칫거리가 되기 때문이다. 반응의 거울상 생성물을 확인할 수 없는 경우에는 두 가지 단점이 있다. 하나는 출발 물질의 일부가 반응하여 원하지 않는 이성질체를 형성하는 경우 원하는 거울상 이성질체의 수율을 감소시킨다. 

다른 하나는 거울상으로부터 원하는 거울상 이성질체를 분리하는 것은 노력, 에너지 및 비용을 야기한다. 따라서 제조업체는 합성을 가능한 한 선택적으로 만들기 위해 노력하고 있다. 그러나 거울상 선택성 합성이 성공적이지 않아 제조업체가 낮은 수율과 거울상 이성질체 분리를 수용해야 하는 경우가 여전히 있다. 단순화를 위해 많은 약물이 라세미체, 즉 두 거울상 이성질체의 혼합물을 포함한다. 물론 이것은 원치 않는 분자 변형이 무해한 경우에만 가능하다.

성공적인 사례
이러한 배경에서 유기 촉매는 새로운 트렌드를 만들 수 있다. 예를 들어, 제2형 당뇨병 치료에 사용되는 약물의 활성 성분인 시타글립틴 합성에서. 마지막 합성 단계인 거울상 이성체 선택적 수소화의 경우, 과거에 일반적이었던 금속 촉매를 사용하는 기술적인 문제를 피하는, 소위 디티오말로네이트(dithiomalonate)라고 하는 유기 촉매를 사용한 솔루션도 있었다. 

또 다른 예는 시안화수소산과 2-부탄온의 반응으로, 이는 일부 활성 제약 성분의 중요한 전구체로 이어진다. 오랫동안 중요한 거울상 선택적 경로는 없었다. 2022년 Benjamin List와 그의 팀은 처음으로 거울상 선택성이 높은 유기 촉매를 발표했다. 촉매 분자는 프롤린보다 훨씬 더 크고 복잡하다. 

“이것은 이제 정상이다. 그 이유 중 하나는 우리가 반응에 대한 공간적 통제력을 더 많이 확보하기 때문이다”라고 리스트는 설명했다. 또한 오늘날의 촉매 분자는 훨씬 더 효율적으로 작동하도록 특별히 설계됐다. 즉, 더 적은 수가 필요하다. 20% 이상의 프롤린이 알돌 반응을 위해 반응물에 첨가되어야 했지만, 많은 현대식 유기촉매로 1% 미만이면 충분하고 어떤 경우에는 훨씬 적다.

▲ 이성질체 촉매의 단계 (출처:https://de.wikipedia.org/wiki/Katalyse#/media/Datei:Heterogene_Katalyse_2.svg)

화학의 마법봉
벤쟈민 리스트(Benjamin List)의 경우 그의 작업 분야에서 특히 흥미로운 점은 극단적인 경우 단일 촉매 분자로 톤 단위로 제품을 제조하기에 충분하다는 것이다. 그는 “마법 분자”에 대해 이야기하는 것을 좋아한다. 마술사의 “요술 지팡이”와 확실히 비교할 수 있기 때문이다. “마술사는 그것들을 사용하여 물체를 변형시키고 우리 화학자는 분자를 변형시키는 데 사용한다”라고 List는 말했다.

화학 노벨상 수상자인 Benjamin List는 그의 팀과 함께 화학을 근본적으로 변화시키는 것을 목표로 촉매의 추가 혁신을 위해 끊임없이 노력하고 있다. 무엇보다도 List는 많은 중요한 화학물질이 앞으로 더 적은 수의 반응 단계로 더 쉽게 합성될 수 있기를 희망하며, 아마도 당분간은 많은 화학 제품의 대체할 수 없는 원료로 남아 있는 원유 성분에서 직접 합성할 수 있기를 바란다. 그는 노벨상 시상식 연설에서 “기후 변화나 에너지 전환과 같은 현재 인류가 직면한 과제는 촉매 작용을 통해서만 해결될 수 있다”고 말하면서 미래 과제를 마스터하는 데 촉매의 중요성을 강조했다.

CO2 포집에 대한 아이디어도
가장 중요한 온실가스인 이산화탄소와 관련하여 그는 개인적으로 매우 특별한 비전을 가지고 있다. 그는 이 가스를 대기에서 제거하고 자외선을 사용해 탄소와 산소로 직접 분해하는 것을 꿈꾼다. “탄소를 묻힐 수 있다”라고 List는 말했다. 그러나 전체 시나리오의 전제 조건은 새로운 결합이 직접 형성되지 않고 탄소와 두 개의 산소 원자 사이의 강한 이중 결합을 분해하는 적절한 촉매가 될 것이다.

[이미디어= 문광주 기자]  

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