이효원, 김정곤* | 전북대학교 화학과, jeunggonkim@jbnu.ac.kr
서 론
화학의 발전은 인류 생활의 전 영역의 발전에 기여하였다. 특히 1800년대 후반부터 1900년대 후반에까지 우리는 새로운 소재를 사용하여 제품을 싸고 빠르게 많이 만드는 것에 집중하였다. 만드는 과정, 만들어진 제품, 그리고 사용을 마친 폐기물에 관련된 고민은 지구가 호소하는 아픔이 인류의 생존에 심각한 위험이 된다는 것에 공감한 1990년대 이후 시작하였으며, 화학 분야에서는 녹색화학이 시작되었다.[참고문헌 1,2] 지금까지의 화학과는 달리, 처음 시작부터 마지막 버릴 때까지 지속 가능성을 고민하는 다양한 노력을 하고 있다. 지속 가능성은 짧은 기간이 아닌 오랜 시간을 고려할 때 더 경제적이라는 사실을 강조하고자 한다.
녹색 화학의 구현에서 중요한 비중을 차지하는 것은 용매이다. 용매는 화학 반응에서 1) 물질들이 서로 만나게 하기 위하여 균일상으로 녹여주는 역할, 2) 에너지를 전달하는 매개체, 3) 반응의 최적화를 돕는 보조제로서 다양한 일을 한다. 하지만, 그 사용에 따르는 다양한 부작용이 함께한다. 우리는 용매의 회수와 제거에 많은 에너지를 사용한다. 어떤 경우는 화학 사고가 반응이 아닌 용매에서 발생한다. 기존에 많이 사용하던 용매 가운데 다수가 독성 및 위험 문제로 사용 금지로 전환되었다. 그에 따라 여러 산업에서 녹색 용매로의 전환에 애를 쓰고 있다. 하지만 근본적으로, 과연 용매는 화학반응에서 꼭 필요한 것인가?
용매를 사용하지 않는 화학 반응 또는 공정은 상당수 개발되었다. 하지만 많은 경우 반응물 가운데 하나가 용매 역할을 동시에 하는 액체인 경우가 대부분이다. 그러면 두 화합물이 만나서 화학 반응을 해야 하는데 두 물질이 고체라면 우리는 어떻게 해야 할 것인가? 여기에 대한 해답으로 기계화학법을 소개하고자 한다.
기계화학(Mechanochemistry)은 물체의 움직임에서 발생하는 에너지를 활용하여 화학 변환을 일으키는 분야이다. 예를 들면 볼밀, 회전 스크루 등을 이용하여 반응물을 직접 혼합하면서 동시에 화학 반응에 필요한 에너지를 공급하는 방식이다.[참고문헌 3-6] 일반 합성법과 달리 용매를 사용하지 않기 때문에 녹색 화학 공정의 새로운 방법으로 주목을 받고 있고, 또한 용액 조건에서 구현되지 않는 새로운 화학 반응의 개발도 가능하다.[참고문헌 7] 2019년 국제 순수 응용 화학 연합(IUPAC) 에서는 세상을 바꿀 10가지 화학 혁신 가운데 하나로 기계 화학을 선정하였다.
오래전 문헌들에서는 고체 시료를 막자와 막자사발에서 직접 인력으로 갈아 반응을 수행한 결과를 보고 하였다. 하지만 에너지의 공급에 한계가 있으며, 인력의 부분은 정교한 재현이 어렵다. 이에 대응하여 규격화된 다양한 기계를 사용하여 기계화학자들은 연구를 하고 있다. 대표적인 기계 화학적 장비로는 기계적인 원심력을 이용한 유성 볼밀과 수평적인 힘을 전달하는 믹서 볼밀을 활용한다[그림 1].
기계화학법에서 반응성 확보를 위해 고려하는 요소는 기존의 용액반응과는 다르다. 플라스크와 가열 교반기를 이용 하는 경우 우리는 농도, 온도, 부피 등을 조절하여 반응성과 선택성을 확보하려 한다. 기계화학에서는 화학양론, 온도 및 반응 시간과 같은 표준반응의 매개 변수뿐만 기계 운동을 뜻하는 1/2 mv^2의 변수를 이용한다. m에 해당하는 질량의 경우 볼밀 기기 내에서 운동하는 볼의 크기와 함께 재료의 밀도를 조절한다. 마찰력이 우수한 베어링에 사용되는 재료들이 많으며, 질화규소(3.3 gcm^-3), 이산화지르코늄 (5.7 gcm^-3), 스테인리스강(7.8 gcm^-3) 및 탄화텅스텐(14.3 gcm^-3)이 대표적이다. 일반적으로 밀도가 증가할수록 수율이 증가한다. 밀링 재료만큼 밀링 볼의 크기와 수도 중요한 매개변수로 작용한다. 밀도와 마찬가지로 구슬의 크기가 크면 단일 충돌 시 절대 에너지가 높다. 구슬의 수는 같은 시간에서 충돌의 횟수에 관련하며, 재료의 혼합에 관여한다. 그리고 볼밀 기기의 움직이는 속도, 진동 또는 회전수는 v 와 연결되어 있다. 빠른 움직임에 따른 운동에너지 증가와 함께 재료의 혼합을 도와주어 반응을 촉진한다. 이러한 매개변수는 조정할 수 있지만 이에 수반되는 온도 변화는 조정하기 어렵기 때문에 고려해야 할 사항이다.
본 연구실에서 기계화학을 시작한 2016년과 비교를 하여도, 전 세계적으로 기계화학법을 연구하는 절대적인 수가 크게 늘었으며, 그 시스템에 대한 근본적인 연구 결과들은 기계화학법을 이용한 반응 설계에 도움을 주고 있다. 무기, 유기, 고분자 등 다양한 합성 분야에서 연구가 활발히 지속 되고 있으며, 본 총설에서는 기계화학으로 구현하는 다양한 지속 가능성 가운데 용매와 관련된 내용을 대표 사례를 이용하여 소개한다.
본 론
1. 용매반응과 무용매 기계화학적 합성의 원자 경제성 비교
미국 EPA에 제안한 12가지 녹색화학의 법칙 가운데 원자 경제성은 다음과 같이 정의한다.‘화학 공정에서 투입되는 물질의 구성 원소들이 최종 제품에 최대한 들어가도록 하는 합성법을 사용한다. 즉 반응 완료 후에 제품을 구성하지 않고 발생되어 버려지거나, 회수하는 화합물의 양을 최소화한다.’[참고문헌 1,2]
투입되는 물질이 최종 제품에 남도록 하는 것은, 즉 반응을 돕는 물질의 양을 줄이는 것이다. 그 가운데 가장 큰 부피와 질량을 차지하는 용매를 줄이는 것이 그 효과가 가장 클 것이다. 앞서 소개하였듯이 기계화학에서 용매는 사용되지 않거나 매우 소량만 추가하여 수행한다. 다음의 예시 분석을 통하여 기계화학법은 얼마나 원자 경제성에 기여하는지 볼 수 있다.
2020년 Pawel Zajdel 연구팀은 설치류에서 항우울 특성을 갖는 5-HT7 수용체의 길항제인 PZ-1316을 기계화학과 용매 반응을 통해 각각 합성하고 원자 경제성을 표현하는 기준 가운데 하나인 생성물 1 g을 제조하는 데 투입된 화합물의 총량(E-factor)를 비교하였다.[참고문헌 8]
유도체의 합성 경로는 페놀의 알킬화, Boc으로 보호된 아민의 친핵성 치환, 보호기 제거 및 생성된 1차 아민의 설포닐화를 포함한 총 4단계로 구성된다. 용액반응에서 페놀의 알킬화는 이량체 및 에폭사이드 고리 개방을 피하기 위해 과량의 할로젠화 알킬 3당량을 사용한다. 또한 독성이 강한 다이클로로 메탄과 같은 유기용매 사용과 함께 컬럼 크로마토그래피 정제가 필요하다. 이와 비교하기 위한 기계화학적 고체합성에서 4단계의 최적화를 연구하였다. 2-페닐페놀 (2-phenylphenol)의 알킬화는 탄산칼륨과 1.2당량의 에피클로로하이드린(epichlorohydrin) 사용하여 짧은 시간 동안 더욱 높은 수율을 크로마토그래피 정제 없이 얻을 수 있다. 다음 단계에서는 Boc-4-아미노-피페리딘(Boc-4-amino- piperidine)의 알킬화를 수반하였다. 용액반응에서는 에탄올에서 4시간 동안 환류한 후 실리카젤에서 정제가 필요하지만 기계화학적 접근방식은 용매의 양을 제한하고 실리카젤의 정제 단계를 없애 90%의 수율을 얻을 수 있었다. 설폰 아마이드의 결합을 형성하기 위해 다양한 접근 방법은 강한 유기 염기, 과랑의 설포닐화제를 다이클로로 메탄에서 진행 한다. 그러나 1분간 독성이 없는 탄산칼륨과 볼밀 기기에서 반응을 수행하면, 높은 수율로 분리할 수 있다.
생물학적 활성 화합물인 PZ-1316의 합성에서 용액 방법과 비교하여 기계화학법을 비교하면 다음과 같다. 1) 전체수율 향상(34%에서 64%), 2) 반응시간 단축(60시간에서 5.5시간), 3) 독성 용매를 사용하지 않아 부산물이 생성되지 않고 컬럼크로마토그래피 정제 없이 간단한 추출로 화합물을 얻을 수 있었다. 마지막으로 E factor를 비교하였을 때 용액은 1932, 기계화학 볼밀법은 715로서 특히 용매를 사용하지 않는 부분에 대하여 E factor가 향상하여 녹색 화학 공정에 더 적합하다는 결론을 얻었다.
일반적으로 반응의 규모가 커지면서 용액 반응에서 용매를 회수하거나 반응의 효율이 향상하는 등의 최적화 과정을 거치면 기계화학 대비 그 간격은 좁혀진다. 하지만 원자 경제성만이 아닌 최근 독성에 대한 강한 규제에 따라 사용할 수 있는 용매의 범위가 넓지 않음을 고려할 때 기계화학법은 그 대안으로 충분한 가치를 가진다.
2. 녹일 수 없는 환경에서 화학 반응의 구현
앞선 서론에서 용매의 역할 중 가장 큰 것은 반응물을 분자 단위로 균일상에 혼합하며, 분자들이 충돌하여 화학 반응이 일어날 수 있는 공간을 제공하는 것이라 소개하였다. 만약 반응을 수행하고자 하는 분자를 녹일 수 있는 방법이 전혀 없는 경우 또는 두 개 이상의 물질을 한 번에 녹일 수 있는 용매를 찾지 못한다면, 반응을 할 수 없다는 결론에 이르게 한다.
우리가 일반적으로 논하는 용해는 흐름을 가지는 유체상에서 물질의 이동과 혼합이다. 일시적으로는 두 물질을 섞을 수 있지만, 자유로운 흐름에 따라 시간이 지나면 서로 상 분리가 되는 경우에는 반응의 진행에 어려움이 있다. 하지만 재료의 자유로운 흐름이 제한된 고체상이라면 외부의 작용으로 혼합된 시료가 상분리가 되는 경로가 제한되어, 액체에서 얻기 어려운 혼합력을 얻게 된다. 이 부분에서 기계 화학법의 장점이 발현된다.
그 예시로서는 일본 홋카이도 대학의 Ito 교수 연구팀이 발표한 다음의 예시와 본 연구팀이 보고한 고분자 합성에서 비 상용성 극복 사례를 설명하고자 한다.[참고문헌 9]
Pigment violet 23은 평판 화합물로서 상호 작용이 매우 커서 용해도가 매우 낮다. 톨루엔에서 2×10^-5 M 수준의 극 도로 낮은 용해도 때문에 이 물질에서 시작하는 화학반응을 구현할 수가 없었다. Ito 연구팀에서는 기계화학 볼밀 조건 에서는 볼이 화합물이 충돌하는 과정에서 일시적으로 응집 된 재료의 분리가 발생하며, 짝지움 반응물 그리고 팔라듐 촉매가 혼합되어 염화 아릴 위치에 부피가 큰 치환제를 도입할 수 있었다. 염료 발색단에 수직으로 t-뷰틸 단위체를 배치하여 용액에서 용해도를 확보하였으며, 그 물질의 단분자 광학 성질을 처음으로 측정하였다[그림 3].
전북대학교 유기 및 고분자 합성 연구실에서는 고분자 합성 과정에서 상분리로 인한 합성의 한계를 기계화학법으로
극복하고자 하였다. 그 예시로서 알데하이드를 가지는 고분자와 작은 아민 분자 사이의 축합 반응으로 이민을 제조하는 반응을 기계화학 볼밀에서 수행하였다.[참고문헌 10] 폴리스타이렌 기반의 고분자는 소수성을 가진다. 암모늄카바메이트 형태의 이온성 아민 전구체를 이용하여 이민을 제조하였다. 서로 극성이 매우 다른 두 물질을 동시에 균일하게 녹일 수 있 는 용매 조건을 찾지 못하였다. 하지만 이 두 고체 물질을 볼밀에서 첨가물 없이 반응을 시도한 결과 30분 만에 모든 알데하이드가 이민으로 전환된 결과를 얻었다. 서로 상이 다른 경우에도 두 입자의 표면에서만 화학 반응이 벌어지는 게 아니라, 이온성 화합물이 거대 도메인을 이루는 소수성 고분자 깊숙하게 침투를 하여 모든 알데하이드를 다 찾아내서 반응하는 놀라운 혼합 효율을 얻었다. 또한 한번 생성된 이민은 소수성 고분자 환경에 둘러싸여 반응 중 발생하는 물분자를 발수하는 조건에 놓여 역반응을 억제하는 효과도 동시에 확인하였다[그림 4].
다음은 고분자 중합에서 촉매와 단량체 간의 혼합이 되지않는 상황에서 기계화학법을 사용한 사례이다. 이온 단위를 가지는 친수성 노보넨 단량체의 올레핀 복분해 중합법에서 기존의 소수성 Grubbs Ru 촉매는 용해도의 한계로 사용하지 못하였다. 단량체와 유사한 극성을 확보하기 위해 Ru 촉매 리간드 부분에 이온 단위를 도입하여 두 물질을 모두 친수성으로 전환하고 반응을 수행하는 게 일반적 접근이었다.[참고문헌 11-13] 하지만 본 연구팀에서는 고체상 볼밀 조건에서 친수 성 단량체와 소수성 촉매를 직접 사용하여 빠른 시간에 중합의 구현에 성공하였다. 오히려 용매를 사용하지 않아, 기존에 얻을 수 없는 새로운 혼합이 되는 예시이다[그림 5].[참고문헌 14]
결 론
녹색 화학의 구현으로서 처음 주목을 받기 시작한 무용매 기계화학법은 새로운 환경에서 기존에 수행할 수 없었던 새로운 반응성을 찾는 방향으로 나아가고 있다. 특히 두 고체를 균일하게 혼합하여 반응을 발생시키는 것은 용매의 역할을 대신 할 수 있으며 나아가 상당수의 용해도에 관한 문제를 해결할 수 있는 잠재력을 지니고 있다.
본 총설에서는 기계화학의 접목으로 무용매 상태에서 지속가능한 연구 결과에 대해 경제적 및 학술적 의미를 알아
보았다. 용매가 존재하지 않다는 의미는 이론상 가장 높은 농도에서 반응이 진행한다는 뜻이다. 즉 항우울 특성을 갖는 5-HT7 수용체의 길항제인 PZ-1316 합성에서 용매 반응보다 빠른 반응 시간을 살펴볼 수 있다(60시간에서 5.5시간). 더불어 깨끗한 반응으로 추가적인 정제 없이 생성물을 얻어낼 수 있으며 E factor에서 알 수 있듯이 전체적으로 비교하여도 기계 화학이 녹색 공정에 더욱 우세하다.
또한 기계화학 반응 1) 낮은 용해도를 지닌 Pigment violet 23 화합물에서 기계 화학적 스즈키 짝지음 반응으로 부피가 큰 치환체 도입 2) 소수성의 폴리스타이렌 기반 알데하이드 고분자와 이온성 아민 전구체의 이민 형성 3) Ru 촉매의 리간드 변형 없이 친수성 단량체의 고리개환 복분해 중합 반응은 용매 반응에서 반응이 이루어지지 않거나 상 분리가 일어나는 등 문제점을 극복한 사례이다. 나아가 고체상 볼밀 조건에서 친수성 단량체와 소수성 단량체의 공중합은 기계화학의 강점이다. 따라서 녹색 화학의 원칙을 준수하는 지속 가능한 화학적 방법의 발전과 기계화학은 더불어 성장하는 분야로써 미래 연구에 더욱 중요한 요소가 될 것이다.
참고문헌
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이효원 Hyo Won Lee
•군산대학교, 학사(2014.3-2018.2)
•전북대학교, 학사(2018.3-2020.2, 지도교수 : 김정곤)
•유기 및 고분자 합성 연구실(2020.3-현재, 지도교수 : 김정곤)
김정곤 Jeung Gon Kim
•KAIST 화학과, 학사(1997.3-2001.2)
•University of Pennsylvania 화학과, 박사(2001.9-2005.12, 지도교수 : Patrick J. Walsh)
•전북대학교 화학과 부교수(2015.9-현재)
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