연세대 김동호 교수팀, 집게형 확장 카바포피린 초분자 수용체의 전하 전달 능력 증명

종합화학 분야 세계적인 학술지 “Journal of the American Chemical Society” 게재

[사진. 김동호 교수(왼쪽), 공동 1저자 이유진 학생 (오른쪽)]

이과대학 화학과 김동호 교수 연구팀은 확장된 카바포피린 (carbaporphyrin) 집게 수용체의 전하 전달 능력을 분광학적으로 관측하여 세계적으로 저명한 종합화학 학술지인 ‘저널 오브 더 아메리칸 케미컬 소사이어티(Journal of the American Chemical Society, JACS; IF: 16.383 (2023 기준))’에 게재됐다.

식물 엽록소에서 일어나는 광합성 시스템은 에너지와 전자의 전달을 수반하는 정교한 과정을 통해 태양 에너지로부터 화학에너지를 매우 효율적으로 생성해 낸다. 자연계의 전하 및 에너지 전달 현상을 모방하여 태양전지나 광촉매로 활용하기 위해서는 자연계의 분자체와 유사한 분자 구조의 초분자 집합체의 구조와 광 물리적 특성의 이해가 필수적이다. 자연계의 전자 주개-받개 체계를 모방할 수 있는 시스템로는 전하 전달 과정이 효율적인 포피린과 전하수용 능력이 뛰어난 풀러렌 분자의 조합인 포피린-풀러렌 결정체가 주목받고 있다. 지난 수십 년간, 김동호 교수 연구팀에서는 포피린의 들뜬 상태 방향성, 포피린 분자의 구조와 전하 전달 효율의 상관관계 등 포피린의 분광 성질 분석에 있어 우수한 성과를 보인 바가 있다.

최근 포피린의 질소 원자를 탄소 원자로 대체한 카바포피린 분자가 기존의 포피린 분자와는 파이 공액 경로로 새로운 초분자 수용체로 떠올랐다. 김동호 교수 연구팀은 다양한 포피린과 확장 포피린 분자 합성의 세계적인 권위자인 조나단 세슬러 (Jonathan L. Sessler) 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 집게 구조를 갖는 새로운 확장 카바포피린 이합체 구조를 제시하고 풀러렌과의 상호 작용 가능성을 최초로 보여, 분자 시스템 연구의 영역을 확장하는 성과를 보였다. 본 연구팀은 카바포피린 프레임에 나노그래핀 헥사페리헥사벤조코로넨 (Hexabenzocoronene, HBC)을 도입하여 두 개의 카바포피린 단위체를 한 구조로 연결한 확장 카바포피린 수용체를 합성했으며, 새로운 분자의 수용체로의 활용 능력을 분광학적으로 증명했다. 효율적인 에너지 전달이 일어나도록 초분자체의 구조를 조절하여 파이-파이 상호작용이 원활히 일어나도록 유도하였고 전자 밀도가 코어부터 확장된 나노그래핀 영역까지 효율적으로 분포하도록 했다. 확장된 초분자 수용체는 집게 모양의 구조를 띠어 파이 공액을 가지는 분자의 표면적을 넓힘으로써 풀러렌 분자와 같이 큰 구조체까지 효과적으로 수용하게 설계되었다.

이에 핵자기공명 (NMR) 스펙트럼과 흡수 (absorption) 스펙트럼의 적정 실험을 통해 카바포피린 집게 초분자체와 풀러렌 간의 결합 상수를 추출하였고 두 전하 주개-받개 물질간의 호스트-게스트 상호작용의 가능성을 증명했다. 높은 시간 분해능을 가지는 순간 흡수 (transient absorption) 분광 측정을 통해 수백 펨토 (10의–15승) 초 영역 이내에서 일어나는 전하 분리 (charge separation) 현상과 수 피코 (10의–12승) 초 영역대에서 일어나는 전하 이동 (charge transfer) 현상을 실험적으로 관찰하며 카바포피린-풀러렌 결정체의 전하 이동 특성을 실험적으로 관찰했다. 더불어, 밀도 기능 이론 (DFT)을 활용하여 설계된 초분자체가 풀러렌 분자와 결합하였을 때 에너지적으로 유리함을 보여, 실험적으로 관측한 전하 이동 현상을 이론적으로 뒷받침했다.

본 연구는 “Nanographene-Fused Expanded Carbaporphyrin Tweezers” 제목으로 J.A.C.S 저널 1월 지에 게재되었다. (논문 주소: https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/jacs.3c10122)