벤젠(benzene)에 두 개의 양자를 줄 수 있도록 만들어진 초강산(superacids)

[아이팍스]

벤젠(benzene)에 두 개의 양자를 줄 수 있도록 만들어진 초강산(superacids)

KISTI 『글로벌동향브리핑(GTB)』 2009-04-21

초강산(superacids)은 순수한 황산(sulfuric acid)보다 더 강한 산으로 정의되며, 다른 민감한 양이온들을 안정화시키는 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 카보란(Carboranes)은 최근에 초강산(superacids)임이 입증되었으며, 매우 낮은 친핵성*(nucleophilicity)과 산화환원 반응성(redox activity)을 가지고 있기 때문에 양자화된 분자(protonated molecules)들을 보호하는 역할을 한다. 하지만 불행하게도 이들을 산업적으로 널리 이용하기에는 너무 비싸다는 단점이 존재한다. 따라서 산업적으로 이용이 가능하면서도 비용이 비싸지 않는 초강산(superacids)을 생산하기 위한 연구가 활발하게 진행되고 있다.

미국 오하이오 주립대학(Ohio State University)의 앤 B. 맥코이(Anne B. McCoy) 교수 연구진은 석유화학제품 제조공정에 수반되는 화학반응에서 순간적으로 생성되었다가 사라지는 특이한 화학종으로 알려져 있는 CH5+의 구조를 수학적 계산을 통해 도출해냈다(GTB2006010415). 이들은 수학적 모델을 이용해서 CH5+의 진동운동 스펙트럼을 이론적으로 계산해냈다. 맥코이 교수의 설명에 따르면, CH5+는 메탄과 양성자(proton)가 결합된 특이한 형태의 화학종으로 역동적으로 움직이는 수소 원자 때문에 엄호자 없이 공을 갖고 돌진하는 쿼터백을 뜻하는 "스크램블러(scrambler)" 라는 별명을 가지고 있으며 강한 부식성을 가지고 있어서 "초강산(superacid)" 이라고도 불린다. 이러한 초강산에 속하는 화학종들의 구조 연구와 분석은 다양한 화학 반응에서 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있다.

이러한 상황에서 캘리포니아 대학(University of California, Riverside)의 Christopher Reed와 동료 연구자들은 할로겐화된 모든 붕소산(boron acids)들이 또한 초강산(superacids)이 될 수 있음을 입증했다. 붕소산(boron acids)들을 화학반응의 시작 물질(starting material)로 이용하는 것은 카보란(Carboranes)을 이용하는 것에 비해 상대적으로 가격이 매우 싸기 때문에 아주 매력적인 후보물질로 생각된다. H2B12X12라는 일반식을 가진 화합물은 색깔이 없는 고체이며, 염산(hydrochloric acid)과 함께 트리에틸실릴기를 반응시킬 때 생성된다.

H2B12X12 초강산(superacids)은 상온에서 벤젠을 양자화(protonate)시키는 데 이것은 트리플릭산(트리플루오로메탄 술폰산, triflic (trifluoromethanesulfonic) acid)조차도 할 수 없는 반응이다. 더구나, 적외선 측정장치에 의한 연구 결과는 이 초강산(superacids)이 벤젠을 양자화시키는 동안 수소 이온을 모두 잃어버리는 것을 보여주었는데, 이것은 이들이 최초의 ‘이양성자(diprotic)’ 초강산(superacids)임을 의미하는 것이다.

그림: H2B12X12 초강산(superacids)의 모습

참고자료 : Avelar, A., Tham, F. S. & Reed, C. A. Superacidity of boron acids H2(B12X12) (X = Cl, Br). Angew. Chem. Int. Ed. doi:10.1002/anie.200900214 (2009).

친핵성*(nucleophilicity): 친핵성은 간단하게 electron density가 나갈 수 있는 능력을 의미하는 것을 의미한다. 즉 전자가 잘 나갈 수 있다는 것은 다른 물질이 가지고 있는 오비탈(orbital)과 오버랩(overlap)이 잘 일어날 수 있을 확률이 증가한다는 것을 의미한다.

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Nature Chemistry