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- 유기금속 샌드위치 분자는 지난 70년 동안 화학에서 가장 중요한 조력자 중 하나였다.
- 1973년에 최초의 메탈로센인 "페로센"이 노벨 화학상을 수상
- 두 개의 서로 다른 금속 원자를 가진 디메탈로센을 생산하는 데 처음으로 성공
-“미래에 다른 적절한 금속 조합을 찾으면 다른 금속 원자와 더 많은 디메탈로센 분자를 합성하는 것도 가능할 것”

두 가지 다른 금속을 가진 최초의 샌드위치 분자
화학자들이 처음으로 헤테로바이메탈 디메탈로센을 합성했다.

20년 동안 예측된 결과가 마침내 탄생했다. 화학자들이 중앙에 두 개의 서로 다른 금속 원자가 있는 유기금속 샌드위치 분자를 합성하는 데 처음으로 성공했다. 그렇게 함으로써 그들은 화학적으로 다재다능한 분자의 완전히 새로운 종류, 즉 이종이금속 디메탈로센을 만들었다. 현재 생성된 화합물에는 탄화수소로 이루어진 두 개의 5원 고리 사이에 리튬과 알루미늄 원자가 놓여 있다. 

▲ 지금까지는 두 개의 동일한 금속 원자를 가진 샌드위치 분자만 가능했다(왼쪽). 이제 처음으로 화학자들은 중앙에 두 개의 서로 다른 금속이 있는 샌드위치를 ​​만들었다. © Bischoff et al. /Nature Chemistry, CC-by 4.0

촉매작용, 전기화학 또는 특수 플라스틱 합성 등에서 유기금속 샌드위치 분자는 지난 70년 동안 화학에서 가장 중요한 조력자 중 하나였다. 이는 중앙 금속 원자를 둘러싸는 두 개의 평평한 고리 모양의 탄화수소 화합물로 구성된다. 마치 두 조각의 토스트가 토핑을 둘러싸는 것과 같다. 1973년에 최초의 메탈로센인 "페로센"이 노벨 화학상을 수상했다.

두 가지 다른 속재료를 넣은 샌드위치

오랫동안 이러한 샌드위치 분자는 단일 금속 원자로만 만들 수 있었다. 2004년에야 한 연구팀이 처음으로 탄화수소 고리 사이에 두 개의 아연 원자를 갖는 디메탈로센을 합성하는 데 성공했다. 두 개의 베릴륨 원자를 갖춘 두 번째 변형이 2023년에 출시되었다. 그러나 2004년 초에 양자 화학 계산과 컴퓨터 모델링을 통해 이러한 디메탈로센은 이론적으로 두 개의 다른 금속 원자에서도 안정적이어야 한다는 사실이 나타났다. 그러나 실험실에서 그러한 분자를 만들려는 모든 시도는 성공하지 못했다.

지금까지 자를란트 대학교(Saarland University)의 잉가 비쇼프(Inga Bischoff)와 그녀의 동료들은 두 개의 서로 다른 금속 원자를 가진 디메탈로센을 생산하는 데 처음으로 성공했다. 그들은 두 개의 탄화수소 5원(ring) 고리 사이에 리튬과 알루미늄 원자를 결합했다. 수석 저자인 André Schäfer는 “우리의 헤테로바이메탈 디메탈로센은 완전히 새로운 종류의 샌드위치 분자를 나타낸다”고 설명했다.

▲ 화학자 André Schäfer와 Inga Bischoff가 새로운 디메탈로센 샘플을 들고 있다. © Universität des Saarlandes / Thorsten Mohr

리튬과 알루미늄을 중심으로

이러한 획기적인 발전이 이루어지기까지는 많은 준비 작업과 시행착오가 필요했다. “탄소 원자로 이루어진 고리가 정확히 어떤 모습이어야 하는지에 대한 질문은 어떤 금속 원자가 서로 결합되고 통합되어야 하는지에 대한 질문만큼 중요한 역할을 한다. 이들은 전자 구조 측면에서 서로 일치해야 한다”고 Bischoff는 설명했다. 또한, 이 샌드위치 분자는 반응성이 매우 높기 때문에 순수한 질소 또는 아르곤 분위기에서만 형성될 수 있다.

몇 달 동안의 테스트 끝에 효과가 나타났다. Bischoff는 “우리는 두 금속 리튬과 알루미늄을 '헤테로이금속 디메탈로센'에 통합했다"라고 말했다. "그들의 전자 구조가 우리가 이미 안정적인 디메탈로센 분자를 형성할 수 있다는 것을 알고 있던 두 개의 아연 원자의 전자 구조와 다소 유사하기 때문에 그러한 분자에 서로 잘 맞을 것이라고 예측하는 계산이 있었다."

단순한 흰색 가루 그 이상이다.

그 결과 두 개의 유기 고리 화합물 각각이 두 개의 금속 원자 중 하나와 결합된 분자가 탄생했다. 리튬과 알루미늄 원자는 차례로 서로 연결된다. “육안으로 보면 그냥 하얀 가루처럼 보인다. Schäfer는 “나는 처음으로 컴퓨터에서 실험적으로 결정된 분자 구조를 보고 그것이 두 개의 다른 금속 원자를 가진 샌드위치 분자라는 것을 어떻게 알았는지 정확히 기억한다”고 말했다.

이 헤테로바이메탈 디메탈로센의 특성은 아직 명확해지기 시작했다. 그러나 초기 테스트에서는 두 개의 동일한 금속 원자를 가진 바이메탈로센과 달리 두 금속 원자 사이의 결합이 비교적 쉽게 끊어지는 것으로 나타났다. 물론 이 새로운 종류의 샌드위치 분자에 대한 연구는 화학자들이 강조하는 것처럼 아직 초기 단계에 있다.

그럼에도 불구하고 그들은 리튬-알루미늄 샌드위치가 훨씬 더 많은 이종 화합물을 향한 첫 번째이자 유망한 단계라고 보고 있다. Schäfer는 “미래에 다른 적절한 금속 조합을 찾으면 다른 금속 원자와 더 많은 디메탈로센 분자를 합성하는 것도 가능할 것”이라고 말했다.

참고
Nature Chemistry, 2024; doi: 10.1038/s41557-024-01531-y)
출처: Universität des Saarlandes

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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