탄화수소는 자연상태에 많이 존재하지만 일반적 조건에서는 반응성이 낮아 합성의 원료로 사용되기 어렵다. 본 연구는 합성실험과 계산화학연구를 바탕으로 지금까지 불가능 하다고 여겨졌던 값싼 탄화수소의 아릴화 반응을 상온에서 이리듐을 이용해서 성공했다. 이 새로운 방법을 통해 의약품 및 재료 물질과 같은 중요한 화합물을 쉽고 빠르게 합성할 수 있을 것으로 기대된다.

korMu-Huyn Baik한국과학기술원 : 화학

From C-H to C-C Bonds at Room Temperature

KAIST 2018 대표 연구성과 10선탄화수소는 자연상태에 많이 존재하지만 일반적 조건에서는 반응성이 낮아 합성의 원료로 사용되기 어렵다. 본 연구는 합성실험과 계산화학연구를 바탕으로 지금까지 불가능 하다고 여겨졌던 값싼 탄화수소의 아릴화 반응을 상온에서 이리듐을 이용해서 성공했다. 이 새로운 방법을 통해 의약품 및 재료 물질과 같은 중요한 화합물을 쉽고 빠르게 합성할 수 있을 것으로 기대된다.Direct arylation of C–H bonds is in principle a powerful method of preparing value-added molecules that contain carbon-aryl fragments. Unfortunately, currently available synthetic methods lack sufficient effectiveness to be practical alternatives to conventional cross-coupling reactions. This study hypothesized that the main problem lies in the late portion of the catalytic cycle in which reductive elimination produces the desired C–C bond. Based on this mechanistic hypothesis, a new strategy was implemented where the Ir(III) center of the key intermediate is oxidized to Ir(IV). Density functional theory calculations indicate that the reductive elimination barrier is reduced by almost 19 kcal/mol when the metal is oxidized. Various experiments confirmed this prediction, offering a new methodology capable of efficiently and directly arylating C–H bonds at room temperature with a broad substrate scope and good yields. This study highlights how the oxidation states of intermediates can be deliberately targeted to rationally catalyze an otherwise impossible reaction.한국과학기술원 : 화학

오늘날까지, 간단한 알케인 분자를 고부가 가치의 기초 원료로 전환하기 위한 올레핀화 반응은 로듐과 루테늄 등과 같이 희소성이 높고 값비싼 전이금속을 촉매로 사용함과 동시에, 굉장히 높은 온도가 필요했다. 따라서, 화학 산업계에서는 보다 효율적으로 올레핀을 얻기 위해, 지구상에 풍부한 전이금속을 사용하면서도 상대적으로 낮은 온도에서 알케인을 올레핀으로 변환시킬 수 있는 올레핀화 반응의 개발을 위해 지속적으로 노력해왔다. 이에 본 연구팀은 지구상에 풍부한 염기성 금속인 타이타늄을 이용한 지속적인 연구를 기반으로, 온화한 조건 (75 °C)에서 촉매적 탈수소화반응을 통해 알케인 분자를 선택적으로 올레핀화 시킬 수 있는 반응을 최초로 개발하였다 (Nature Chemistry 2017, 9, 1126). 본 연구팀은 밀도범함수(Density Functional Theory)를 활용한 계산 화학을 통해 이러한 올레핀화 반응들의 메커니즘에 대한 이해를 높임으로써, 10년이 넘는 기간 동안 긴밀한 협력적 연구를 수행해오고 있는 미국 펜실베니아 대학의 Dan Mindiola 교수 연구팀과 함께 해당 반응의 개발에 성공하였다. 이번 연구는 지난해 보고된 이리듐 촉매를 이용한 메탄가스의 탄소-수소 결합 활성화 반응(Science2016, 351, 1424)의 연구결과를 토대로 진행하였다.

korMu-Hyun Baik한국과학기술원 : 화학

Cheap and Efficient Dehydrogenation of Alkanes

KAIST 2017 대표 연구성과 10선오늘날까지, 간단한 알케인 분자를 고부가 가치의 기초 원료로 전환하기 위한 올레핀화 반응은 로듐과 루테늄 등과 같이 희소성이 높고 값비싼 전이금속을 촉매로 사용함과 동시에, 굉장히 높은 온도가 필요했다. 따라서, 화학 산업계에서는 보다 효율적으로 올레핀을 얻기 위해, 지구상에 풍부한 전이금속을 사용하면서도 상대적으로 낮은 온도에서 알케인을 올레핀으로 변환시킬 수 있는 올레핀화 반응의 개발을 위해 지속적으로 노력해왔다. 이에 본 연구팀은 지구상에 풍부한 염기성 금속인 타이타늄을 이용한 지속적인 연구를 기반으로, 온화한 조건 (75 °C)에서 촉매적 탈수소화반응을 통해 알케인 분자를 선택적으로 올레핀화 시킬 수 있는 반응을 최초로 개발하였다 (Nature Chemistry 2017, 9, 1126). 본 연구팀은 밀도범함수(Density Functional Theory)를 활용한 계산 화학을 통해 이러한 올레핀화 반응들의 메커니즘에 대한 이해를 높임으로써, 10년이 넘는 기간 동안 긴밀한 협력적 연구를 수행해오고 있는 미국 펜실베니아 대학의 Dan Mindiola 교수 연구팀과 함께 해당 반응의 개발에 성공하였다. 이번 연구는 지난해 보고된 이리듐 촉매를 이용한 메탄가스의 탄소-수소 결합 활성화 반응(Science2016, 351, 1424)의 연구결과를 토대로 진행하였다.Converting simple alkanes to olefins under mild conditions is a highly desirable transformation, because it will transform cheap and plentiful feedstock hydrocarbons into value-added chemical building blocks for the chemical industry. Until now, this reaction was only possible using noble-metal catalysts and under harsh conditions. Continuing our ongoing research on utilizing titanium, a common and highly abundant base metal, we were able to discover a catalytic dehydrogenation reaction of alkanes to make olefins under mild conditions for the first time (Nature Chemistry 2017, 9, 1126). We carry out computer simulations employing Density Functional Theory to understand and predict these reactions and work in close collaboration with our experimental partner of more than 10 years, Prof. Dan Mindiola of Univ. of Pennsylvania. This work directly builds on work that we published in 2016 reporting on the catalytic borylation of methane in the Science magazine (Science 2016, 351, 1424).한국과학기술원 : 화학