예일대학의 연구팀이 대기 중의 질소에서 암모니아 등을 생성할 수 있는 질소고정의 새로운 방법을 개발했다고 발표했습니다. 연구팀은 새로운 기술이 염료 및 의약품의 제조 기술에 응용할 수 있을 것으로 기대하고 있습니다.
Coupling dinitrogen and hydrocarbons through aryl migration | Nature
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2565-5
New nitrogen products are in the air | YaleNews
https://news.yale.edu/2020/08/12/new-nitrogen-products-are-air
New nitrogen products are in the air
A nifty move with nitrogen has brought the world one step closer to creating a range of useful products — from dyes to pharmaceuticals — out of thin air.
news.yale.edu
질소고정은 공기 중에 존재하는 질소 분자(N2)를 암모니아(NH3)와 질산염(NO3-) 등 반응성이 큰 질소화합물로 변환하는 과정. 자연계에서는 땅속 미생물이 공기 중의 질소를 흡수하여, 글루타민산염 및 질산염 등의 식물이 이용할 수 있는 형태로 변환합니다.
20세기 초에 개발된 하버법은 인위적으로 질소고정을 하는 방법. 철 촉매와 고온고압 장치를 사용하여 질소 분자의 삼중결합을 절단하고, 화학 비료가 되는 암모니아를 합성하는 하버법은 '물과 석탄과 공기에서 빵을 만드는 방법'이라고 표현되기도 했습니다.
예일대학 화학과의 패트릭 올랑드 교수가 이끄는 연구팀이 발표한 것은 대기 중의 질소와 원유에 포함된 벤젠을, 철화합물과 규소화합물을 사용하여 결합시켜 염료 및 의약품의 재료가 되는 아닐린의 유도체를 정제하는 질소고정법입니다.
기존의 아닐린의 공업적 합성은, 벤젠에 진한 황산과 질산을 반응시켜 독성이 강한 벤젠을 먼저 합성하고, 아닐린으로 환원하는 방법이 주류입니다. 그러나 공기 중의 질소 및 벤젠에서 아닐린을 만들 수 있다면 독성이 강한 벤젠을 일부러 합성할 필요가 없습니다.
지금까지도 질소 및 벤젠을 반응시켜 아닐린을 합성하려는 시도가 있었습니다. 그러나 올랑드 교수에 따르면 지금까지의 연구는 매우 반응성이 높은 벤젠 유도체가 사용되고 있었으며, 질소와 반응하기 전에 분해되어 버려 실패에 그쳤다고 합니다.
올랑드 교수는 "장기적으로 대기 중에 풍부하게 존재하는 질소를 사회가 필요로 하는 제품을 합성하기 위한 자원으로 활용하는 방법을 연구하고 싶다고 생각하고 있습니다"라고 말합니다.
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