김동호 명예특임교수팀, 집게형 확장 카바포피린 수용체의 전하 전달 능력 증명

집게 구조를 갖는 확장 카바포피린 이합체 구조 제시, 풀러렌과 상호 작용 가능성 입증

나노그래핀을 포피린 프레임에 활용한 최초의 연구 … 분자 시스템 연구 영역 확장

[사진. (왼쪽부터) 김동호 명예특임교수(교신저자), 이유진 연구원(공동 제1저자)]

이과대학 화학과 김동호 명예특임교수 연구팀이 확장된 카바포피린(Carbaporphyrin) 집게 수용체의 전하 전달 능력을 분광학적으로 관측했다.

식물 엽록소에서 일어나는 광합성 시스템은 에너지와 전자의 전달을 수반하는 정교한 과정을 통해 태양 에너지로부터 화학 에너지를 매우 효율적으로 생성해 낸다. 자연계의 에너지와 전하 전달 현상을 모방해 태양전지나 광촉매로 활용하기 위해서는 자연계의 분자체와 유사한 분자 구조 집합체의 구조와 광물리적 특성에 대한 이해가 필수적이다.

자연계의 전자 주개(Donor)-받개(Acceptor) 체계를 모방할 수 있는 시스템으로는 전하 전달 과정이 효율적인 포피린과 전하 수용 능력이 뛰어난 풀러렌 분자의 조합인 ‘포피린-풀러렌 결정체’가 주목받고 있다.

지난 수십 년간, 김동호 교수 연구팀은 포피린의 들뜬 상태 방향성, 포피린 분자의 구조와 전하 전달 효율의 상관 관계 등 포피린의 분광 성질 분석에 있어 우수한 성과를 보인 바가 있다.

최근 포피린의 질소 원자를 탄소 원자로 대체한 ‘카바포피린’ 분자가 기존의 포피린 분자와는 다른 파이 공액 경로(π-conjugation pathways)를 가지고 있어 새로운 초분자 수용체로 떠올랐다.

이에 김동호 교수 연구팀은 다양한 포피린 및 확장 포피린 분자 합성의 세계적인 권위자인 조나단 세슬러(Jonathan L. Sessler) 교수 연구팀과의 공동 연구를 통해 집게 구조를 갖는 새로운 확장 카바포피린 이합체 구조를 제시하고, 풀러렌과의 상호 작용 가능성을 최초로 입증했다.

이는 태양 에너지 전달 분야에서 주로 연구되던 포피린과 ‘꿈의 나노 소재’라고 불리며 광학적, 전기적, 열전달적으로 우수한 성질을 보이는 나노그래핀을 하나의 분자체에 활용한 것으로, 분자 시스템 연구의 영역을 확장하는 성과라고 할 수 있다.

연구팀은 카바포피린 프레임에 나노그래핀 헥사페리헥사벤조코로넨(hexa-peri-hexabenzocoronene)을 도입해 두 개의 카바포피린 단위체를 한 구조로 연결한 확장 카바포피린 수용체를 합성했으며, 새로운 분자 수용체로서의 활용 능력을 분광학적으로 증명했다.

또한 효율적인 에너지 전달이 일어나도록 초분자체의 구조를 조절해 파이-파이 상호 작용이 원활히 일어나도록 유도했고, 코어부터 확장된 나노그래핀 영역까지 전자 밀도가 효율적으로 분포하도록 했다. 이렇게 확장된 초분자 수용체는 집게 모양의 구조를 띠어 파이 공액을 가지는 분자의 표면적을 넓힘으로써 풀러렌 분자와 같이 큰 구조체까지 효과적으로 수용하도록 설계됐다.

[그림. 확장 카바포피린-풀러렌 집합체의 구조. 카바포피린의 구조를 변형해서 에너지 전달 능력을 제어할 수 있다.]

연구팀은 핵자기공명(NMR) 스펙트럼과 흡수(Absorption) 스펙트럼의 적정 실험을 통해 카바포피린 집게 초분자체와 풀러렌 간의 결합 상수를 추출했고, 두 전하 주개-받개 물질 간의 호스트-게스트 상호 작용 가능성을 증명했다.

더불어, 높은 시간 분해능을 가지는 순간 흡수(Transient Absorption) 분광 측정을 통해 수백 펨토(1천조분의 1) 초 영역 이내에서 일어나는 ‘전하 분리(Charge Separation)’ 현상과 수 피코(1조분의 1) 초 영역대에서 일어나는 ‘전하 이동(Charge Transfer)’ 현상을 실험적으로 관찰하며 카바포피린-풀러렌 결정체의 전하 거동 특성을 밝혔다. 

추가로, 밀도 기능 이론(Density Functional Theory)을 활용해 설계된 초분자체가 풀러렌 분자와 결합했을 때 에너지적으로 유리하다는 결과를 얻어 결정체의 결합 특성을 이론적으로도 뒷받침했다.

김동호 교수는 “본 연구는 나노그래핀을 포피린 프레임에 활용한 최초의 보고이며, 확장 포피린과 나노그래핀, 두 개의 다른 연구 분야의 연결고리가 된 연구 결과”라고 연구 의의를 밝혔다.

한편, 이번 연구 결과는 세계적인 종합화학 분야 학술지 ‘저널 오브 더 아메리칸 케미컬 소사이어티(Journal of the American Chemical Society, IF 16.383)’ 1월호에 게재됐다.

논문정보

● 논문제목: Nanographene-Fused Expanded Carbaporphyrin Tweezers

● 논문주소: https://doi.org/10.1021/jacs.3c10122