김동호 명예특임교수팀, 야누스 구조를 가진 카바포피린 이합체의 특성 규명

카바포피린 이합체의 전자 구조 및 위치화학적 반응 특성 규명

초분자체 및 재료 과학 등의 분야에서의 진보를 위한 유망한 후보로 부상

[사진 1. (왼쪽부터) 김동호 명예특임교수, 이지연 연구원, 김지원 교수]

화학과 김동호 명예특임교수 연구팀이 야누스(Janus) 형태를 띠는 카바포피린(Carbaporphyrin) 의사-이합체(Pseudo-Dimer)의 전자 구조를 밝히는 연구를 통해 새로운 초분자체 구조 연구 및 재료 과학 분야의 응용 가능성을 넓혔다.

카바포피린 이합체는 독특한 전자 구조와 뛰어난 광 물리적 특성으로 인해 주목받고 있으며, 주로 두 개의 동일한 카바포피린 단위체로 구성된 시스템에 대한 연구가 진행돼 왔다.

이번 연구는 야누스 형태의 비대칭 카바포피린 의사-이합체에 주목해 새로운 구조체를 제시했다. 이 구조의 전자 구조는 융합된 고리(Fused Ring)에서는 반방향족성(Antiaromatic)을 나타내며, 분리된 고리(Unfused Ring)에서 비방향족성(Nonaromatic)을 나타내는 것으로 밝혀졌다.

[그림 1. (위) 야누스 구조를 갖는 카바포피린(Carbaporphyrin) 의사-이합체(Pseudo-Dimer)의 분자 구조]

[그림 2. (왼쪽 아래) 대조군으로 사용된 테트라페닐렌이 연결된 이중 디벤치호모포피린(Tetraphenylene-Linked Bis-Dibenzihomoporphyrin)의 분자 구조]

[그림 3. (오른쪽 아래) 대조군으로 사용된 디벤조크리센이테트라페닐렌이 연결된 이중 디벤치호모포피린(Tetraphenylene-Linked Bis-Dibenzihomoporphyrin)의 분자 구조 연결된 이중 디카바코롤(Dibenzo[g,p]chrysene-Linked Bis-Dicarbacorrole)의 분자 구조]

연구팀은 양성자 핵자기공명 스펙트럼 연구, 단일 결정 X-선 회절 분석 및 밀도 기능 이론(Density Functional Theory) 계산 등 종합적인 분석을 통해 비대칭 카바포피린 이합체의 야누스 구조에 의한 특성을 확인했다. 이를 위해 대조군으로는 비대칭 카바포피린 의사-이합체의 각 카바포피린 단위체를 대칭 이합체로 구성한 두 개의 분자(테트라페닐렌이 연결된 이중 디벤치호모포피린(Tetraphenylene-Linked Bis-Dibenzihomoporphyrin), 디벤조크리센이 연결된 이중 디카바코롤(Dibenzo[g,p]chrysene-Linked Bis-Dicarbacorrole)를 활용했다.

야누스 카바포피린 의사-이합체는 융합된 고리의 중심에 구리(III)를 위치시키고 분리된 고리의 두 개의 질소 부분을 이불화붕소(BF 2) 작용기로 연결해 보디피(BODIPY) 복합체를 형성함으로써, 전체 분자가 평면 구조를 갖도록 안정화할 수 있는 독특한 특징이 있다. 이러한 다양한 위치 화학적 반응은 비대칭성을 통해 전자 특성과 위치별 배위 화학을 제어할 수 있는 다목적 프레임워크로서, 균일한 전자 구조 환경에서는 달성할 수 없는 카바포피린 의사-이합체의 장점을 보여준다.

김동호 명예특임교수는 “비대칭 카바포피린 이합체의 전자 구조를 밝혀냄으로써 초분자체 화학 및 재료 과학 등의 분야에서 새로운 응용을 가져다줄 유망한 후보로 떠오를 수 있을 것으로 기대한다.”고 연구 의의를 밝혔다.

한편 이번 연구는 IT융합공학과 이지연 연구원(공동저자)과 김지원 교수(공동저자)가 공동으로 참여했으며, 연구 결과는 세계적인 종합 과학 분야 학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications, IF 16.6)’ 4월 호에 게재됐다.

논문정보

● 논문 제목: A Janus carbaporphyrin pseudo-dimer

● 논문 주소: https://doi.org/10.1038/s41467-024-47239-y