작은 레고 조각을 하나씩 이어 커다란 조형물을 만드는 모습을 본 적 있나요? 레고는 각 조각의 홈과 돌기를 맞추면 원하는 모양으로 쉽게 연결할 수 있습니다. 분자도 여러 원자가 서로 이어져 만들어지지만, 레고처럼 원하는 자리에 손쉽게 붙였다 떼기는 어렵습니다.
새로운 물질을 만들려면 필요한 원자를 정확한 위치에 연결하고, 때로는 기존 결합을 바꿔 새로운 구조를 만들어야 합니다. 이때 중요한 역할을 하는 원소가 탄소입니다. 탄소는 다른 탄소를 비롯한 여러 원자와 다양한 방식으로 결합하며 수많은 유기화합물의 뼈대를 이룹니다. 원자가 어떤 순서와 형태로 연결되느냐에 따라 물질의 성질도 달라집니다.
그렇다면 탄소와 탄소를 원하는 위치에 연결하고, 이미 만들어진 분자의 구조를 바꾸려면 어떻게 해야 할까요?
20세기 초, 이 문제에 서로 다른 해법을 제시한 두 명의 프랑스 화학자가 있었습니다. 탄소와 탄소를 연결하는 합성법을 발전시킨 빅토르 그리냐르(Victor Grignard)와 금속 촉매를 이용해 유기화합물에 수소를 붙이는 방법을 발전시킨 폴 사바티에(Paul Sabatier)입니다.
두 사람의 연구는 화학자들이 만들 수 있는 유기분자의 범위를 크게 넓혔고, 그 공로를 인정받아 1912년 노벨 화학상을 공동 수상했습니다. 그리냐르와 사바티에는 각각 어떤 방법으로 유기합성에 다가갔을까요?
19세기 후반, 화학자들은 유기화합물의 구조를 하나씩 밝혀내고 있었습니다. 자연에서 얻던 물질을 실험실에서 직접 합성하려는 연구도 활발해졌습니다. 하지만 구조를 안다고 해서 그대로 만들 수 있는 것은 아니었습니다. 복잡한 유기분자를 만들려면 뼈대를 이루는 탄소와 탄소를 필요한 위치에 이어야 했기 때문입니다.
당시에도 탄소를 연결하는 방법은 있었지만 활용할 수 있는 물질이 제한적이거나 반응 조건이 까다로운 경우가 많았습니다. 더 다양한 유기화합물을 만들려면 여러 물질에 적용할 수 있는 새로운 합성법이 필요했습니다. 그 실마리가 된 금속은 마그네슘이었습니다.
1871년 프랑스 셰르부르에서 태어난 빅토르 그리냐르는 처음부터 화학자의 길을 걸었던 인물은 아니었습니다. 리옹대학교에서 수학을 공부한 뒤 대학 화학과에서 일하면서 화학자 필리프 바르비에(Philippe Barbier)를 만났고, 이를 계기로 화학 연구에 본격적으로 뛰어들었습니다.
바르비에는 금속을 이용해 유기화합물을 합성하는 반응을 연구하며 마그네슘의 가능성에 주목하고 있었습니다. 그리냐르는 이 연구를 이어받아 실험 방법을 발전시켰습니다.
핵심은 반응 순서였습니다. 여러 물질을 한꺼번에 섞는 대신, 마그네슘과 특정 유기화합물을 먼저 반응시켜 유기마그네슘 화합물을 만든 뒤 다른 유기화합물과 반응시키는 방법을 사용했습니다.
그리냐르는 물이 없는 에테르 속에서 이 반응을 진행했습니다. 이렇게 만든 유기마그네슘 화합물은 다른 분자와 활발하게 반응해 새로운 탄소-탄소 결합을 만드는 데 유용했습니다. 1900년 그리냐르는 연구 결과를 프랑스 과학아카데미에 발표했고, 이듬해에는 유기마그네슘 화합물과 합성법을 다룬 논문으로 박사학위를 받았습니다.
오늘날 이 유기마그네슘 화합물을 그의 이름을 따 ‘그리냐르 시약(Grignard reagent)’이라고 부릅니다.
그리냐르 시약이 주목받은 이유는 탄소와 탄소 사이에 새로운 결합을 만드는 데 폭넓게 활용할 수 있었기 때문입니다. 쉽게 말하면 다른 탄소와 결합하기 쉬운 탄소를 가진 시약입니다. 이를 알데하이드나 케톤 같은 유기화합물과 반응시키면 서로 다른 분자에 있던 탄소가 이어집니다. 이후 반응을 마무리하면 알코올을 비롯한 여러 유기화합물을 만들 수 있습니다. 화학자들이 작은 분자 조각을 연결해 더 크고 복잡한 분자를 만드는 데 쓸 수 있는 강력한 도구가 생긴 셈입니다.
다만 그리냐르 시약은 반응성이 매우 높습니다. 물이나 알코올과 만나면 빠르게 반응하기 때문에 수분이 섞이지 않도록 주의해야 합니다. 이런 까다로운 점에도 그리냐르 반응은 빠르게 퍼졌습니다. 연구 발표 약 8년 뒤인 1908년에는 관련 논문이 500편을 넘어섰고, 그리냐르가 세상을 떠난 1935년 무렵에는 관련 연구가 약 6,000편에 이를 정도였습니다.
그리냐르가 탄소를 잇는 방법을 연구하던 무렵, 프랑스 남부 툴루즈에서는 폴 사바티에가 금속을 이용한 화학반응을 연구하고 있었습니다. 1854년 프랑스 카르카손에서 태어난 사바티에는 금속 황화물과 열화학 등 여러 분야를 연구했습니다. 이후 툴루즈에 자리를 잡았고 1884년 툴루즈대학교 화학 교수가 됐습니다.
사바티에가 주목한 것은 ‘촉매’였습니다. 촉매는 화학반응이 더 쉽게 일어나도록 돕는 물질입니다. 반응 과정에 관여하지만 전체 반응에서 소모되지 않아 다시 반응에 참여할 수 있습니다. 당시에도 촉매 현상은 알려져 있었지만 어떤 물질이 어떤 반응을 잘 돕는지는 더 많은 연구가 필요한 분야였습니다.
사바티에는 공동 연구자 장바티스트 상드랑(Jean-Baptiste Senderens)과 여러 금속을 실험했습니다. 그러던 중 유기화합물에 수소를 붙이는 반응에서 효과적인 금속을 찾아냈습니다. 바로 니켈입니다.
사바티에와 상드랑은 잘게 나눈 니켈과 함께 수소와 유기화합물을 반응시키면 수소가 유기분자에 훨씬 쉽게 붙는다는 사실을 확인했습니다. 이처럼 유기화합물에 수소를 더하는 반응을 ‘수소화(Hydrogenation)’라고 합니다. 예를 들어 에틸렌의 탄소 사이에는 이중결합이 있습니다. 여기에 수소가 붙으면 이중결합이 단일결합으로 바뀌면서 에탄이 만들어집니다. 수소와 에틸렌만 함께 둔다고 해서 이 반응이 쉽게 일어나는 것은 아닙니다. 잘게 나눈 니켈을 촉매로 사용하면 수소화 반응이 훨씬 수월해집니다.
사바티에는 수소화할 수 있는 물질의 범위도 넓혀갔습니다. 1901년에는 안정적인 구조를 가져 수소화하기 까다로운 벤젠을 사이클로헥산으로 바꾸는 데 성공했습니다. 금속 촉매를 이용하면 다양한 유기화합물의 구조를 바꿀 수 있다는 가능성을 보여준 성과였습니다.
사바티에의 연구는 수소화에서 더 넓은 촉매 연구로 이어졌습니다. 그는 온도와 촉매의 종류에 따라 각기 다른 화학반응을 선택적으로 유도할 수 있음을 밝혀냈습니다. 유기분자에 수소를 더하는 수소화와 함께, 반대로 수소를 떼어내는 탈수소화(Dehydrogenation)도 연구했습니다. 금속 촉매와 온도를 조절해 알코올에서 수소를 제거하고 알데하이드나 케톤을 만드는 반응 등이 대표적입니다.
금속 산화물의 촉매 작용도 연구했습니다. 예를 들어 산화알루미늄을 이용하면 알코올에서 물을 떼어내는 탈수 반응을 촉진할 수 있습니다. 어떤 촉매와 조건을 선택하느냐에 따라 특정 반응이 더 잘 일어날 수 있다는 점을 여러 실험으로 보여준 것입니다.
사바티에는 일산화탄소와 수소를 이용해 메탄을 만드는 반응도 연구했습니다. 이러한 메탄화 연구는 이후 그의 이름을 딴 ‘사바티에 반응’으로 이어졌습니다. 오늘날 사바티에 반응은 주로 이산화탄소와 수소를 반응시켜 메탄과 물을 만드는 촉매 반응을 뜻합니다.
사바티에는 1913년 『유기화학에서의 촉매(La catalyse en chimie organique)』를 펴내 자신의 연구와 당시까지의 촉매 연구를 체계적으로 정리했습니다. 그의 연구는 금속 표면에서 일어나는 화학반응을 이해하고 활용하는 촉매화학의 발전에도 중요한 토대가 됐습니다.
1912년 노벨 화학상은 빅토르 그리냐르와 폴 사바티에 두 사람이 공동수상으로 이름을 올렸습니다.
그리냐르는 유기화학의 발전에 크게 기여한 그리냐르 시약의 발견으로, 사바티에는 잘게 나눈 금속을 이용해 유기화합물을 수소화하는 방법을 개발한 공로로 수상했습니다.
두 사람이 연구한 반응은 달랐지만 공통점은 분명했습니다. 화학자들이 여러 유기화합물을 만들 때 반복해서 활용할 수 있는 새로운 합성법을 마련했다는 점입니다.
그리냐르는 탄소와 탄소를 이어 복잡한 분자의 뼈대를 만드는 데 유용한 방법을 제시했으며, 사바티에는 금속 촉매를 이용해 유기분자의 결합과 성질을 바꾸는 방법을 넓혔습니다.
두 연구는 이후 유기합성과 촉매화학의 발전으로 이어졌고, 100년이 넘은 지금도 그 원리는 다양한 화학 연구와 공정에서 활용되고 있습니다.
그리냐르와 사바티에의 연구는 100여 년이 지난 지금 다양한 산업에 이어지고 있습니다.
먼저 그리냐르 반응은 의약품과 정밀화학 제품을 만드는 과정에서 활용됩니다. 약이나 향료처럼 구조가 복잡한 물질을 만들 때는 작은 분자들을 여러 단계에 걸쳐 이어 붙여야 합니다. 이때 탄소와 탄소를 연결하는 그리냐르 반응을 활용할 수 있습니다.
예를 들어 신약을 연구할 때 화학자들은 비슷한 구조의 분자를 여러 가지 만들어 약효와 안정성을 비교합니다. 탄소의 연결 위치를 바꾸거나 다른 원자를 붙이면 분자의 성질도 달라질 수 있기 때문입니다. 그리냐르 반응은 이처럼 의약품 원료와 여러 정밀화학 물질의 탄소 골격을 만드는 데 활용되는 대표적인 유기합성 반응 가운데 하나입니다.
사바티에가 발전시킨 금속 촉매 수소화는 더 다양한 산업에서 만나볼 수 있습니다. 대표적으로 정유와 석유화학 산업이 있습니다. 원유에는 우리가 바로 사용할 수 있는 성분만 들어 있는 것이 아닙니다. 여러 종류의 탄화수소와 황을 비롯한 불순물이 섞여 있기 때문에 정제 과정이 필요합니다. 이때 수소와 촉매를 이용하는 공정을 활용하면 불순물을 줄이거나 원료의 구조를 바꿔 휘발유·경유·항공유와 각종 석유화학 원료를 만드는 데 도움을 줄 수 있습니다. 오늘날 정유 공장에서 사용하는 수첨처리와 수첨분해도 수소와 촉매를 활용하는 대표적인 공정입니다.
식품 산업에서도 수소화 반응을 찾아볼 수 있습니다. 식물성 기름에 수소를 더하면 지방을 이루는 분자의 구조가 변하면서 녹는점이나 질감 같은 성질도 달라집니다. 수소화 기술은 식용 유지의 성질을 조절하는 기술로 오랫동안 활용돼 왔습니다.
최근에는 사바티에 반응과 탄소 자원화 기술의 연결도 주목받고 있습니다.
사바티에 반응을 이용하면 이산화탄소와 수소를 반응시켜 메탄을 만들 수 있습니다. 메탄은 천연가스의 주성분이기 때문에, 포집한 이산화탄소와 수소로 합성메탄을 만드는 기술이 연구되고 있습니다. 특히 태양광이나 풍력으로 생산한 전기를 이용해 수소를 만들고, 이 수소를 이산화탄소와 반응시켜 메탄으로 바꾸면 재생에너지로 얻은 전기를 연료 형태로 저장하는 데 활용할 수 있습니다.
사바티에 반응은 뜻밖의 분야서도 활용됩니다. 바로 국제우주정거장(ISS)입니다. 우주비행사들이 호흡하며 내뿜은 이산화탄소를 수소와 반응시켜 메탄과 물을 만들고, 이 물을 다시 전기분해하여 호흡할 산소를 얻는 생명유지시스템(ECLSS)에 사바티에 반응이 핵심 기술로 사용됩니다. 물을 쉽게 공급하기 어려운 우주 공간에서 자원을 다시 활용하는 데 촉매 반응이 쓰인 것입니다.
의약품을 만드는 유기합성부터 정유·석유화학, 식품, 탄소 자원화와 우주 기술까지. 그리냐르와 사바티에가 발전시킨 화학반응은 한 세기가 지난 지금도 여러 산업의 생산 과정과 연구 현장에서 활용되고 있습니다.
그리냐르와 사바티에가 파고든 것은 ‘분자를 어떻게 만들고, 어떻게 변화시킬 것인가’라는 근원적인 부분이었습니다. 탄소와 탄소를 잇고, 분자에 수소를 붙이는 일은 아주 작은 연구처럼 느껴질 수 있습니다. 하지만 화학에서는 원자 하나의 연결 방식이 달라지는 것만으로도 전혀 다른 성질을 가진 물질이 만들어질 수 있습니다.
기초화학 연구의 가치는 때로 처음 발견된 순간보다 그 이후에 더 크게 드러납니다. 한 연구실에서 시작된 분자 합성법이 수많은 연구자의 손을 거치며 발전하고, 처음에는 예상하지 못했던 분야의 기술로 이어지기도 합니다. 두 사람의 연구도 마찬가지입니다. 분자를 만드는 가장 근원적인 방법을 연구한 성과가 수많은 새로운 물질의 탄생으로 이어졌고, 그 물질들이 다시 새로운 산업과 기술이 자라날 수 있는 토대가 된 것입니다.
우리가 당연하게 누리는 많은 제품과 기술의 이면에, 과학의 근원을 파고든 연구자들의 위대한 집념이 있었다는 사실을 한 번쯤 기억해보면 어떨까요?
※ 본 콘텐츠에 사용된 이미지의 일부는 AI로 제작되었음을 알려드립니다.
출처
-노벨화학상 공식홈페이지 https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/1912
-Britannica https://www.britannica.com/biography/Victor-Grignard
https://www.britannica.com/biography/Paul-Sabatier-French-chemist
-Science direct https://www.sciencedirect.com/topics/chemistry/grignard-reagent
-Toulouse 대학교 https://exploreur.univ-toulouse.fr/paul-sabatier-un-regional-convaincu
이 시리즈는 세상을 빛낸 노벨 화학상 수상자들의 업적을 중심으로, 화학이 만들어온 과거와 현재를 되짚고 그 의미를 오늘의 삶 속에서 함께 살펴봅니다.
원소로 보는 화학사 바로가기 👉️ https://blog.lgchem.com/2017/05/원소로-보는-화학사
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