
백서(White Paper): 녹색 화학에서의 유기 촉매 반응(Organocatalysis in Green Chemistry)
이 백서는 메틀러 토레도 기술이 제공하는 심층적인 정보와 정밀한 제어가 4가지 주제 주제에 걸쳐 친환경적이고 지속 가능한 화학을 지원하는 데 어떻게 도움이 되는지를 보여주는 최근 동료 검토 연구의 사례를 제시합니다.
- 친환경 합성 및 공정
- 연속 가공을 통한 지속 가능성
- 재생 가능한 자원의 가치화
- 이산화탄소 격리 및 사용
유기 촉매 반응은 촉매 활성화를 통해 화학 반응을 가속화할 수 있는 특정 유기 분자를 사용하는 것입니다. 다른 두 가지 주요 종류의 촉매 인 유기 박탈제(organometallics 및 enzymes)와 달리, 유기 촉매 반응은 촉매 활성화를 달성하기 위해 금속이나 큰 복합 분자를 사용할 필요가 없습니다. 효율성과 선택성으로 인해 유기 촉매는 지속 가능한 화학을 위한 노력에 관심이 있습니다. 실제로, 유기 촉매 반응은 녹색 화학의 몇 가지 주요 교리를 지원하여 덜 위험한 합성, 더 높은 에너지 효율성 및 원자 경제를 제공합니다.
비대칭 유기 촉매 반응은 원하는 거울상 이성질체 및/또는 부분 입체 이질체 형태의 화합물을 달성하는 데 유용하며, 이는 제약 합성에서 특히 중요합니다. 유기 촉매를 사용한 반응은 일반적으로 촉매가 루이스산(Lewis acid), 루이스 염기(Lewis base), 브뢴스테드 산(Brønsted acid) 또는 브뢴스테드 염기(Brønsted base)로 작용하는지 여부에 따라 4가지 뚜렷한 메커니즘을 통해 진행됩니다. 따라서 유기 촉매 반응의 범위는 매우 광범위하여 다양한 종류의 반응에 영향을 미칩니다.


이 백서는 메틀러 토레도 기술이 제공하는 심층적인 정보와 정밀한 제어가 4가지 주제 주제에 걸쳐 친환경적이고 지속 가능한 화학을 지원하는 데 어떻게 도움이 되는지를 보여주는 최근 동료 검토 연구의 사례를 제시합니다.
키랄 합성에서 유기 촉매를 사용하면 많은 이점이 있습니다. 유기 촉매는 상대적으로 간단하고 견고한 분자로 저렴하고 쉽게 구할 수 있는 경향이 있습니다. 유기 촉매는 특정 거울상 이성질체를 효율적으로 생성하도록 조정할 수 있습니다. 금속이 없기 때문에 일반적으로 독성이 적고 청소를 위해 유해 폐기물을 덜 생성합니다. 유기 촉매 반응에 필요한 반응 조건은 온도/압력과 관련하여 덜 극단적인 경향이 있으며, 유기 촉매는 예를 들어 유기 금속 촉매보다 공기 및 수분에 덜 민감합니다. 따라서 유기 촉매 반응은 지속 가능한 화학을 달성하기 위한 많은 가능성을 가지고 있습니다. 유기 촉매는 다른 방법으로는 수행하기 어렵거나 불가능한 합성을 수행하는 데 매우 유용합니다. 효소 촉매는 활성이 높고 효율적이며 선택적이지만, 범위가 제한적이고 하나의 거울상 이성질체를 형성하는 경향이 있어 허용되지 않을 수 있습니다.
단점과 관련하여, 유기 촉매는 효소 촉매만큼 효율적이거나 활동적이지 않습니다. 이는 촉매 부하가 훨씬 더 높아야 하고, 반응이 더 느려지는 경향이 있으며, 촉매에서 생성물을 분리하기 위한 워크업과 관련된 문제가 있음을 의미합니다. 따라서 산업 Application을 위한 유기 촉매 반응 기반 반응을 확장하는 것은 어려울 수 있습니다. 또한, 유기 촉매는 화학에서 C-H 기능화와 같이 불활성 결합을 활성화해야 하는 경우 유기 금속 촉매보다 효율성이 떨어집니다. 녹색 화학에 대한 연구 강화로 가속화됨에 따라 독성이 더 강하거나 값비싼 전이 금속을 대체하기 위해 철과 같은 지구에 풍부한 금속을 사용하는 데 상당한 노력이 진행되고 있으며, 이에 따라 유기 촉매 반응의 장점 중 하나가 다소 완화되고 있다는 점에 유의하는 것이 중요합니다.
2000년, 데이비드 맥밀런(David MacMillan) 교수는 반응을 활성화하기 위해 화학량론적 이하의 유기 분자를 사용하는 것을 설명하기 위해 "유기 촉매 반응(organocatalysis)"이라는 용어를 만들었습니다¹. 2005년 벤자민 리스트(Benjamin List) 교수는 유기 촉매를 메커니즘, 즉 루이스 산 또는 염기와 브뢴스테드 산 또는 염기로 작용하는 메커니즘에 따라 분류할 수 있다고 제안했습니다. 키랄 금속이 없는 촉매 개발의 초기 작업 중 일부는 아민 및 케톤 화합물의 사용에 중점을 두었습니다. 그러나 지난 20년 동안 유기 촉매의 연구 개발이 크게 확장되었습니다. 여기에는 이미늄 이온, 피페리딘, 에나민, 4-디메틸아미노피리딘(DMAP), 2-아미노-2'-하이드록시-1,1'-바이나프틸(NOBIN), 프롤린, 이미다졸리디논, 티아졸륨염, 암모늄 에놀레이트 및 요소-, 티오우레아-, 포스펜-, 카르벤-, 인산 기반 유기 촉매가 포함됩니다. 유기 촉매는 Diels-Alder, Freidel-Crafts, Mannich 아미노알킬화, Michael 첨가 반응, 알돌 반응 등을 포함한 가장 일반적인 반응 등급 중 일부에 사용되었습니다. 수천 개의 유기 촉매가 합성되어 광범위한 반응 등급에 사용되었습니다.
1. Imbler, S., Santora, M., & Engelbrecht, C. (2021년 10월 6일). 노벨 화학상은 더 나은 촉매를 만드는 도구에 대해 과학자에게 수여됩니다. 뉴욕 타임즈. https://www.nytimes.com/2021/10/06/science/nobel-prize-chemistry.html


유기 촉매 반응의 적용은 고유한 이점 때문에 기하급수적으로 증가하고 있습니다. 이러한 성장의 이유 중 일부는 이러한 촉매 과정의 역학, 메커니즘 및 경로에 대한 심층적인 이해의 직접적인 결과입니다. 유기 촉매 반응의 산업 Application에 대한 강조가 높아짐에 따라 반응 조건의 확장 및 최적화와 관련된 정보에 대한 요구가 증가하고 있습니다.
이러한 측정을 위한 고품질 데이터를 획득하려면 온도, 압력, 반응물 분주 속도 및 교반 속도를 포함한 기본 반응 파라미터/변수를 정밀하고 정확하게 제어해야 합니다. EasyMax™ 및 OptiMax™ 자동 화학 반응기는 이러한 목적으로 학술 및 산업 실험실에서 사용됩니다. EasyMax의 기능은 최근 -90°C의 낮은 온도를 정밀하게 제어할 수 있도록 확장되어 일반적으로 촉매 공정의 설계 공간을 확장했습니다. 또한 EasyMax는 반응 열역학 특성을 측정하고 안전성을 고려하기 위한 열량 측정 기능(EasyMax HFCal)을 장착할 수 있습니다.
우수한 반응기 제어가 제공하는 보증은 시약, 반응물, 촉매 종, 일시적인 중간 생성물 및 부산물 불순물을 포함하는 반응 종의 측정 정확도에 대한 확신을 촉진합니다. 이러한 반응 종의 실시간 현장 추적을 통한 데이터가 풍부한 실험은 kinetic parameter의 개발을 가속화하고 촉매 사이클을 포함하여 제안된 반응 메커니즘을 지원합니다. 화학 문헌에서 입증된 바와 같이, 현장(In-situ), 실시간 FTIR 및 라만 분광법 은 촉매 반응에 대한 심층적인 이해를 위한 잘 입증된 방법입니다. ReactIR™ 및 ReactRaman™ 은 화학 반응 분석을 위해 특별히 설계되었으며 촉매 반응 조사에 필요한 광범위한 온도 및 압력 범위를 처리하는 다양한 삽입 프로브 및 플로우 셀을 갖추고 있습니다.
크로마토그래피에 의한 분석이 필요한 경우, EasySampler™ 는 반응 샘플의 인라인 샘플 획득, 퀀칭 및 희석을 위한 자동 샘플링 기술입니다. 이 기술을 통해 반응 조건에서 샘플을 회수할 수 있어 까다로운 온도, 압력 및/또는 공기에 민감한 반응에서 수행되는 화학 물질의 수동 샘플링과 관련된 문제를 제거할 수 있습니다. 온라인 HPLC 분석의 경우, DirectInject-LC™ 는 실시간에 가까운 반응 및 결정화 이해에 사용할 수 있습니다. 완전 자동화된 신속 반응 샘플링 및 주입은 HPLC를 온라인 반응 모니터링을 위한 강력한 신기술로 변환합니다.
EasyMax 및 OptiMax 자동 합성 반응기는 유기 촉매 반응의 연구, 개발 및 파라미터 최적화에 이상적인 화학 워크스테이션입니다. 합성 워크스테이션은 상승 또는 주변 온도보다 낮은 온도에서 수행되는 변수를 포함하여 거의 모든 반응 변수를 정확하게 제어할 수 있습니다.

ReactIR 및 ReactRaman 시스템을 통해 과학자들은 실시간으로 반응 추세 및 프로파일을 측정할 수 있으며, 역학, 메커니즘, 경로 및 반응 변수가 성능에 미치는 영향에 대한 매우 구체적인 정보를 제공할 수 있습니다. 분자 분광법을 사용하여 이 분석기는 반응 물질, 시약, 중간 생성물, 촉매 종, 생성물 및 부산물을 반응 과정 중에 변화함에 따라 추적합니다. 라만과 FTIR은 상호 보완적인 방법이며 조사된 화학 물질에 따라 각각 고유한 장점이 있습니다.

EasySampler 는 전체 반응 시퀀스에 걸쳐 화학 반응에 대한 사전 프로그래밍된 또는 즉각적인 자동 샘플링을 제공합니다. EasySampler는 자동으로 반응 샘플을 캡처하고, 반응 조건에서 샘플을 즉시 퀀칭하며, 최종적으로 샘플을 사용자 지정 농도로 희석합니다.
DirectInject-LC 는 현장 실시간 액체 크로마토그래피 분석 기능을 제공하는 화학 반응 분석의 주요 돌파구를 제시합니다. DirectInject-LC는 완전 자동화된 샘플링 및 주입을 통해 샘플의 신속한 현장 분석을 용이하게 하여 반응 진행 상황을 지속적으로 모니터링할 수 있습니다.

Schnitzer, T., & Wennemers, H. (2020). 무용제 조건에서 Aldol Reaction-Amine Catalysis를 통한 2차 아민 촉매의 비활성화. 유기 화학 저널, 85(12), 7633–7640. https://doi.org/10.1021/acs.joc.0c00665
저자는 키랄 아민이 케톤 또는 알데히드와 친전자성의 반응을 위한 우수한 촉매이지만 원치 않는 부산물은 매우 낮은 촉매 수준에서 촉매를 비활성화할 수 있다고 언급합니다. 아민 촉매에 대한 비활성화 과정을 조사하기 위해 그들은 ≤1 mol %의 촉매 로딩에서 알데히드와 니트로올레핀의 접합체 첨가 반응을 효과적으로 촉매하는 트리펩타이드를 사용했습니다. 실험에서 그들은 현장 FTIR(ReactIR)을 사용하여 다양한 반응물 농도 및 촉매 로딩 조건에서 γ-니트로알데히드 생성물 형성에 대한 시간 함수로 반응 속도를 추적했습니다.
1% 또는 0.1%의 촉매 로딩에서 니트로올레핀 출발 물질의 농도가 가장 높을수록 반응 속도가 가장 높았습니다. 그럼에도 불구하고, 두 촉매 로딩 모두의 경우, 시간이 지남에 따라 속도가 느려졌습니다. 또한, 그들은 가장 낮은 니트로올레핀 농도가 더 높은 반응 속도를 제공하고 16시간 후에는 더 낮은 출발 물질 농도의 반응에 의해 더 많은 생성물이 형성된다는 것을 관찰했습니다. 그들은 반응이 진행됨에 따라 시간이 지남에 따라 형성된 화합물이 촉매를 비활성화해야 한다고 말했습니다.
추가 조사를 통해 연구진은 알돌 반응이 중간 오프사이클 화합물을 형성하여 촉매를 비활성화하고 높은 기질 농도와 낮은 촉매 부하에서 비활성화가 가장 크다고 결정했습니다. 또한, 그들은 고도로 화학선택적인 펩타이드 촉매를 사용하여 낮은 촉매 로딩에서 우수한 수율을 달성했습니다. 그들은 제품 수율과 관련하여 이러한 아민 촉매를 사용하여 화학 선택성, 반응성 및 입체 선택성이 중요하다고 언급했습니다. 이는 지속 가능한 화학에 바람직한 무용매 반응을 고려할 때 특히 중요합니다.
Zhang, Z., & List, B. (2013). 키랄 디설포니미드 촉매 무카이야마 알돌 반응의 동역학. 아시아 유기 화학 저널, 2(11), 957–960. https://doi.org/10.1002/ajoc.201300182
저자는 Mukaiyama aldol 반응이 키랄 분자의 발달을 위한 효과적이고 입증된 방법이라고 언급합니다. 이전 연구에서 저자는 강한 Brønsted 산이며 실릴화 시 높은 거울상 선택성으로 Mukaiyama 알돌 반응을 촉매할 수 있는 우수한 유기 루이스 산 촉매인 키랄 설포니미드를 개발했습니다. 또한, 그들은 여러 Lewis 산 촉매 변형을 조사했으며 이러한 유기 촉매의 메커니즘에 대한 더 많은 통찰력을 개발하기를 원한다고 말합니다. 이 기사에서 다루는 연구에서 그들은 ReactIR 실험의 데이터를 기반으로 RPKA(Reaction Progress Kinetic Analysis)를 통해 키랄 설폰아미드 촉매 Mukaiyama 알돌 반응에 대한 역학 연구를 수행했습니다.
이러한 실험을 바탕으로 그들은 디설포아미드 4에 의해 촉매된 무카이야마 알돌 반응의 속도 방정식이 속도=k x [1]0.55 x [2] x [4]로 설명될 수 있으며 활성화 에너지가 2.9kcal mol-1임을 확인했으며, 이는 저온에서도 반응이 빠르게 진행된다는 관찰과 일치합니다. 또한, 동역학에 기초하여 그들은 촉매 정지 상태가 실릴화 된 촉매 (5)와 촉매 결합 알데히드 (6)의 조합 일 수있는 촉매 사이클을 제안했다.
Zhang, Z., Bae, H. Y., Guin, J., Rabalakos, C., Van Gemmeren, M., Leutzsch, M., Klussmann, M., & List, B. (2016). 알데히드의 확장 가능한 시아노실릴화를 위한 비대칭 역음이온 지시 Lewis acid organocatalysis. 네이처 커뮤니케이션즈, 7(1). https://doi.org/10.1038/ncomms12478
저자는 트리메틸실릴 시안화물과 키랄 디설포아미드 전촉매를 사용하여 알데히드의 시아노실릴화를 위한 비대칭 루이스산 유기 촉매 분해 방법을 개발했다고 보고합니다. 높은 활성의 결과로, 0.05 %에서 0.005 %의 촉매 로딩은 원하는 시아 노 히드린 제품을 생산하는 데 효과적이었습니다. 저자는 물에 의해 가역적으로 유도될 수 있는 촉매의 비활성 기간이 관찰된다고 보고합니다. 이러한 발전을 더 잘 이해하기 위해 In-situ FTIR이 사용되었으며 촉매 전 주기에 대한 중요한 통찰력을 제공했습니다.
알데히드 반응물의 농도를 모니터링하기 위해 1703cm-1 카르보닐 밴드를 시간 대비 추적했습니다. 흥미롭게도, 일정 기간 동안 아무런 반응이 관찰되지 않았으며, 그 후 변형이 매우 빠르게 진행되었습니다. 저자들은 휴면 기간의 원인이 반응 혼합물의 물과 관련이 있을 수 있다고 생각했으며, 반응 혼합물에 조절된 양의 물을 첨가하는 실험 프로토콜은 실제로 물이 촉매 활성 종의 가수분해를 통한 활성 부족의 원인임을 증명했습니다. 실릴 케텐 아세탈이 디설폰아미드 촉매의 존재 하에서 알데히드와 반응한 초기 연구에서는 휴면 기간이 관찰되지 않았습니다. 그들은 이것이 실릴 케텐 아세탈과 사전 촉매의 높은 반응성 때문일 수 있다고 생각하여 활성 루이스 산 유기 촉매를 즉시 재생했습니다. 현재 연구에서 이 가설을 테스트하기 위해 그들은 촉매량의 실릴 케텐 아세탈을 활성제로 사용하여 휴면 기간을 피할 수 있음을 발견했습니다. 추가 실험을 바탕으로 그들은 휴면 기간을 반영하는 촉매 전 주기를 제안했습니다.