김상규 KAIST 화학과 교수.[KAIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 1999년 노벨화학상을 수상한 즈웨일 교수가 창출한 펨토화학을 통해 화학반응 중 일어나는 분자구조 변화를 실시간에서 관측할 수 있는 길이 열렸지만, 에너지에 따른 전이상태(Transition-State) 구조 변화를 직접 관측하기는 힘들다.

KAIST는 화학과 김상규(사진) 교수 연구팀이 화학반응의 전이상태 구조를 실험적으로 밝히는 데 세계 최초로 성공했다고 4일 밝혔다.

화학반응 속도론이 개발되면서 가장 중요한 핵심으로 자리잡은 개념이 ‘전이상태 (Transition-State)’다. 전이상태 이론(TST) 에서는 반응물과 생성물 중간에 위치한 전이상태의 분자구조 및 동역학적 특성에 의해 반응속도, 생성물의 상대적 수율, 에너지 분포 등이 결정된다. TST는 지난 1세기 동안, 모든 환경에서의 연소, 유기, 생화학 반응 등에 널리 응용 되어온 가장 보편적인 반응속도론다.

하지만 전이상태는 펨토초(10-15 second)보다 더 짧은 시간 동안만 존재하므로, 전이상태를 직접 실험적으로 관찰하는 것은 매우 어려운 일이며 항상 도전적인 과제로 남아있었다.

분광학적 기법으로 밝혀진, 메틸아민 분자가 전이상태에서 가지는 분자구조 변화.[KAIST 제공]

연구팀에서 관측한 전이상태는 특별한 의미를 갖는다. 분광학적 기법을 통해, 분자가 전이상태로 접근하면서 가지는 구조 변화를 매우 정확하게 측정할 수 있었던 첫 번째 예라는 점이다.

분광학 기법으로 측정된 정확한 전이상태 분자구조 변화에 따라 관찰된 반응속도의 급격한 변화를 통해서, 분자구조와 화학반응성 간 긴밀한 상관관계도 아울러 증명됐다.

김상규 교수는 “복잡한 분자의 화학반응에서 전이상태에 접근하면서 급격하게 변화하는 분자구조를 분광학 및 반응동역학 기법으로 밝힌 것은 처음이며, 향후 많은 이론 및 실험적 연구를 촉진할 것으로 기대된다”면서 “전이상태 구조는 특정 화학반응을 선택적으로 빠르게 할 수 있는 고효율 촉매 설계에 가장 근원적인 정보를 제공할 것”이라고 말했다.

이번 연구결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’에 게재됐다.