구리 ‘결합 1등’ 공식 깨졌다…KAIST, 금속 선택 새 원리 발견

[헤럴드경제=구본혁 기자] 화학에서 가장 안정적으로 결합하는 금속으로 꼽혀온 구리가 ‘1등 자리’에서 밀려났다. 국내 연구진이 금속과 직접 결합하는 구조를 바꾸지 않고 주변의 약한 수소결합만 조절해 오랫동안 정설처럼 받아들여진 금속 결합 안정성 순서를 뒤집는 데 성공했다.

KAIST는 화학과 백윤정 교수 연구팀이 비타민 B2의 핵심 구조인 플라빈(flavin)을 이용한 금속 착물을 개발, 금속 주변의 수소결합을 조절해 기존 ‘어빙-윌리엄스 계열(Irving-Williams series)’과 반대되는 금속 안정성 경향을 구현했다고 6일 밝혔다.

어빙-윌리엄스 계열은 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 아연(Zn) 등 전이금속이 주변 분자와 얼마나 안정적으로 결합하는지를 나타내는 경험 법칙이다. 일반적으로 망간에서 구리로 갈수록 안정성이 높아지며 특히 구리가 매우 안정한 결합을 만드는 것으로 알려져 있다.

이 같은 안정성 차이는 금속 고유의 전자 구조에서 비롯되는 것으로 여겨져 왔다. 때문에 기존에는 이 순서를 바꾸기 위해 금속을 직접 붙잡는 ‘리간드’를 새로 만들거나 금속과 주변 분자의 배위 구조 자체를 바꾸는 방법을 사용했다.

연구팀은 발상을 바꿔 금속과 직접 결합하는 부분이 아닌 그 바깥에서 작용하는 약한 ‘수소결합’에 주목했다.

플라빈의 일부 화학구조를 변형한 유도체를 이용해 망간부터 아연까지 서로 다른 금속을 넣으면서도 금속을 둘러싼 분자들이 동일한 방식으로 결합하도록 설계했다. 금속 주변의 기본 조건을 같게 유지하면서 수소결합이 안정성에 미치는 영향만 살펴본 것이다.

그 결과 수소결합이 구리가 안정해지는 데 필요한 미세한 구조 변화를 억제하는 것으로 나타났다. 구리는 주변 결합 구조를 자신에게 유리한 형태로 변형해 추가적인 안정성을 얻는데, 수소결합이 주변 구조를 단단히 붙잡으면서 이 같은 변형을 어렵게 만든 것이다.

결국 구리가 누리던 안정성의 이점이 사라지면서 기존 어빙-윌리엄스 계열과 반대되는 ‘반(反) 어빙-윌리엄스 경향(anti-Irving-Williams trend)’이 구현됐다.

이번 연구는 금속마다 사실상 정해진 것으로 여겨졌던 결합 안정성의 우선순위를 주변의 미세한 환경 변화만으로 제어할 수 있다는 점에서 의미가 크다.

여러 금속이 섞여 있는 환경에서 특정 금속만 선택적으로 붙잡아 분리·회수하거나 원하는 금속의 반응성을 높이는 촉매 설계에 활용할 수 있다. 단백질과 효소가 철·구리·아연 등 다양한 금속 가운데 필요한 금속을 선택하는 원리를 모방한 생체모사 시스템 개발에도 새로운 설계 전략을 제공할 것으로 기대된다.

백윤정 교수는 “이번 연구의 핵심은 구리의 안정성을 낮췄다는 것 자체보다 금속 고유의 특성으로 여겨졌던 결합 안정성의 순서를 주변 환경을 통해 바꿀 수 있음을 보여줬다는 데 있다”며 “원하는 금속을 선택적으로 붙잡거나 반응시키는 새로운 화학 시스템 설계에 활용될 것으로 기대한다”고 말했다.

이번 연구결과는 미국화학회(ACS)가 발행하는 국제학술지 ‘미국화학회지(JACS)’에 게재됐다.