KAIST 연구진, 금속 결합 법칙 ‘70년 정설’ 뒤집었다

‘플라빈’ 이용해 수소결합 제어 ‘反 어빙-윌리엄스 경향’ 입증 구리, 결합 안정성 1위서 꼴찌로 금속 주변의 수소결합이 구리의 구조 변형을 제한해 안정성을 떨어뜨리고 있다. KAIST 제공 지난 70여 년간 무기화학 교과서에서 불변의 기본 원리로 통했던 ‘금속 결합 안정성 법칙’을 국내 연구진이 뒤집었다. 가장 안정적으로 결합하는 금속으로 알려진 구리를 ‘결합 1위’ 자리에서 밀어냈다. KAIST는 백윤정 화학과 교수 연구팀이 비타민 B2의 핵심 골격인 ‘플라빈’을 이용해 금속 착물을 합성하고 주변부 수소결합을 제어해 기존 ‘어빙-윌리엄스 계열(Irving―Williams series)’과 반대되는 안정성 경향을 구현했다고 6일 밝혔다. 금속 착물은 금속 이온 주위를 결합 분자(리간드)나 이온들이 둘러싸 결합해 있는 화학물질을 의미한다. 73년 전인 1953년 발표된 어빙-윌리엄스 계열은 망간, 철, 코발트, 니켈, 구리, 아연 등 2가 전이금속이 주변 분자와 안정적으로 결합하는 순서다. 전자 구조와 이온 크기 특성상 원자번호 순서인 망간에서 구리로 갈수록 안정성이 높아지다가 아연에서 안정성이 다시 꺾여 떨어진다. 구리는 이온 크기가 작아 중심 전하 밀도가 높기 때문에 분자를 당기는 힘이 세다. 또한 불안정한 전자 구조를 해소하기 위해 결합 구조를 비틀어 변형시키는 ‘얀-텔러 왜곡’이 일어나 분자들과 강력한 결합을 형성한다. 산업 공정 등에서 구리 대신 다른 금속이 분자와 먼저 결합해야 하는 상황이 벌어지면 금속의 결합 안정도 순서를 바꿔야 한다. 지금까지는 금속을 직접 붙잡는 분자인 리간드 자체를 새로 만들거나 중심 배위 구조를 뜯어고쳐 순서를 바꿨다. 중심 배위 구조를 고친다는 의미는 금속을 둘러싼 리간드의 개수, 결합 각도, 입체 배열 등을 변경한다는 것이다. 연구팀은 금속 이온에 리간드 원자가 달라붙는 직접 결합 부위 대신 바깥쪽의 약한 결합 부위인 수소결합에 주목했다. 플라빈 화학 구조를 일부 변형한 ‘플라빈 유도체’를 활용해 망간, 구리 등 6개 금속이 모두 동일한 분자 결합 틀을 갖추도록 설계한 뒤 수소결합의 영향을 분석했다. 결합 틀을 통일한 이유는 수소결합의 영향만 확인하기 위해서다. 실험 결과 견고하게 형성된 수소결합 틀이 구리의 얀-텔러 왜곡을 억제하는 것으로 나타났다. 수소결합이라는 틀에 갇히면서 구리의 결합 안정성을 극대화하는 구조 변형이 일어나지 못한 것이다. 구리의 결합력이 감소하면...