| 초록 |
1.분석자 서문 산촉매는 산업적으로 활발히 사용되는 물질로, 친환경적이고 지속 가능한 화학의 요구에 따라 기존의 액체산을 고체산으로 변경하는 데 관심이 증가하고 있다. 일반적으로 고체산은 산성 작용기에 의해 친수성을 나타내는데, 용매 또는 부산물로 존재하는 물에 의해 촉매 효율 저하 및 재사용이 제한된다. 이를 해결하기 위해 최근 소수성 고체산 촉매에 대한 다양한 연구가 이루어졌다. 본 논문에서는 보고된 소수성 고체산 촉매 연구 소개와 더불어 소수성 부여와 촉매 표면 구조와의 관계에 대해 정리하면서 효과적인 고체산 촉매를 고안하기 위한 조건을 제시하고자 한다. 이를 통해 친환경적이고 재사용이 가능한 신규 고체산 촉매 개발에 관심이 있는 연구자들에게 좋은 교육 자료가 될 것으로 생각한다. 2. 목차 1.서론 2. 소수성 고체산 및 촉매 응용 2.1. 소수성 제올라이트 고체산 2.2. 소수성 금속 할로겐화물 고체산 2.3. 소수성 규칙적 중간세공 실리카 고체산 2.4. 소수성 금속산화물 고체산 2.5. 고분자-실리카 나노복합체 2.6. 소수성 탄소질 고체산 2.7. 소수성 다공성 유기고분자 고체산 2.8. 노른자-껍질 구조 고분자 고체산 3. 분석자 결론 미국 화학회에서 발표한 12가지 친환경화학의 원칙을 보면 (1) 불필요한 단계나 물질의 사용없이 목표물을 효율적으로 합성할 것, (2)안전하고 독성이 적은 물질을 사용할 것, (3) 당량 반응 보다는 촉매를 사용하고 상온/상압 반응을 통해 에너지 효율을 극대화할 것을 권장하고 있다.17 이런 측면에서 반응의 활성화 에너지를 낮춰주고 정제 수를 줄여줄 수 있는 효율적인 촉매의 개발은 친환경화학에서 매우 중요한 부분으로 생각된다. 특히, 산을 촉매로 쓰는 다양한 반응에서 독성 및 부식성이 강한 무기산을 대체하고 정제가 용이하고 재사용이 가능한 고체산 촉매를 개발하는 것은 친환경 화학, 지속 가능한 화학을 산업적으로 발전시키는데 큰 역할을 할 것이다. 효율적인 고체산 촉매를 개발하기 위해서는 다양한 반응에서 부산물로 생성되는 물이 촉매를 불활성화 또는 분해시키는 것을 막아야 하므로 촉매에 소수성을 부여하는 연구가 진행되었다. 그러나 산성 작용기 본래의 친수성 때문에 촉매의 산성을 높이면서 소수성을 부여하는 것이 고체산 촉매 개발에 어려운 과제로 여겨진다. 본 분석문에서는 현재까지 보고된 다양한 고체산 촉매들이 어떻게 소수성을 부여하면서 강한 산성을 나타낼 수 있게 고안되었는지 소개하며, 실제 반응(특히, 바이오연료를 합성하기 위한 바이오매스의 분해반응이나 의학 및 산업적으로 유용한 전구체의 합성반응) 에서 이러한 변화가 미치는 촉매 활성에 대해서 간단히 정리하였다. 특히 골격구조와 같은 구조적 특징이 어떻게 소수성 및 촉매 활성에 영향을 미치는지 주목할 필요가 있다.(예: 분자간 수소결합 형성, 물질이동 향상) 무기 고체 산의 경우 좋은 열안정성을 띠지만 산점의 도입이 어렵고 소수성이 낮아 촉매 활성 및 재사용성이 제한된다. 탄소 기반 고체 산은 충분한 소수성 및 열수 안정성을 띠지만 산점 밀도 및 표면 소수성의 개선이 필요하다. 다공성 유기고분자 고체산에 대해서는 더 많은 연구가 이루어졌는데, 다공성 유기고분자 네트워크가 갖는 독특한 소수성 및 기능화의 편리성, 구조 변형이 용이하다는 장점이 우수한 신규 촉매들의 개발에 도움이 되었다. 향후 고체 산 촉매가 산업적으로 적용되기 위해서는 (1) 반응물을 빠르게 흡수하고 생성물은 흡수하지 않도록 표면 습윤성을 제어하여 다양한 반응에서 촉매 활성 및 재사용성을 띠도록 해야 한다. (2) 유기 작용기를 이용하거나 적합한 나노 구조 등을 통해 소수성을 향상시켜야 한다. (3) 열 및 열수 안정성을 개선해서 재사용성을 향상시켜야 한다. 일반적으로 네트워크의 가교성을 높이거나 안정한 단량체를 도입한다. (4) 소수성을 줄이지 않으면서 산성 세기를 강화해서 촉매 활성을 높여야 한다. (5) Lewis 산을 다공성 물질에 도입하여 표면적을 증가시켜야 한다. 현재까지의 연구를 통해 고체산 촉매의 높은 가능성을 확인한 만큼, 향후 다양한 연구를 통해 실제 산업에서 적용 가능한 고체산 촉매의 개발을 기대해본다. References 1. Liu, F.; Kuan, H.; Anmin, Z.; Feng, -S. X.; Sheng, Dai., From Hydrophobic solid acids and their catalytic applications in green and sustainable Cchemistry, ACS Catal. 2017, 8, 372-391. 2. Wolf, P.;, Maxence, V.; Aaron, J. R; Aleix, C.-V.; Francisco, N.Z.; Bernard, M.; Anne, L.; Lyndon, E.; Christophe, C.; Ive, H., From NMR Signatures of the active sites in Sn beta; zeolite, Angew. Chem. Int. Ed. 53, 2014, 53, 10179-10183. 3. Boronat, M.; Patricia, C.; Avelino, C.; Michael, R.; Susana, V., From Determination of the catalytically active oxidation Lewis acid sites in Sn-beta zeolites, and their optimisation by the combination of theoretical and experimental studies, J. Catal. 2005, 234, 111-118. 4. Melero, J. A.; Stucky, G. D.; van Grieken, R. V.; Morales G., From Direct syntheses of ordered SBA-15 mesoporous materials containing arenesulfonic acid groups, J. Mater. Chem. 2002, 12, 1664-1670. 5. Mizoshita, N.; Tani, T.; Inagaki, S., From Syntheses, properties and applications of periodic mesoporous organosilicas prepared from bridged organosilane precursors, Chem. Soc. Rev. 2011, 40, 789-800. 6. Siegel, R.; Domingues, E.; De Sousa, R.; JErOme, F.; Morais, C. M.; Bion, N.; Ferreira, P.; Mafra, L., From Understanding the high catalytic activity of propylsulfonic acid-functionalized periodic mesoporous benzenesilicas by high-resolution 1 H solid-state NMR spectroscopy, J. Mater. Chem. 2012, 22, 7412-7419. 7. Long, W.; Jones, C. W., From Hybrid sulfonic acid catalysts based on silica-supported poly (styrene sulfonic acid) brush materials and their application in ester hydrolysis, ACS Catal. 2011, 1, 674-681. 8. Zhang, F.; Meng, Y.; Gu, D.; Yan, Y.; Yu, C.; Tu, B.; Zhao, D, From A facile aqueous route to synthesize highly ordered mesoporous polymers and carbon frameworks with Ia3d bicontinuous cubic structure. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 13508-13509. 9. Meng, Y.; Gu, D.; Zhang, F.; Shi, Y.; Yang, H.; Li, Z.; Yu, C.; Tu, B.; Zhao, D., From Ordered mesoporous polymers and homologous carbo |
