초분자 폴리머를 정밀합성할 수 있는 간단한 방법 개발 :: 전체

일본 이화학연구소(RIKEN)는 도쿄대학 및 오사카대학과 공동으로 추진한 연구에서 시험관 안의 원료를 혼합하는 것만으로 고분자를 정밀하게 합성할 수 있는 새로운 방법을 개발하였다.

생활 속의 플라스틱이나 고무와 같은 소재는 고분자(폴리머)라고 부르는 물질로 이루어져 있다. 폴리머는 모노머가 연결되어 만들어진 긴 분자로, 연결 방식을 정밀하게 제어하면 여러 가지 기능을 발현시킬 수 있어 다양한 용도로 이용된다. 예를 들어 고분자 사슬을 길게 늘리면, 서로 뒤얽히는 정도가 증가하여, 그 상태가 점도가 높은 액체 -> 왁스 -> 고체와 같은 순서로 변화한다. 고분자에 대한 다양한 니즈를 만족시키기 위해서는 고분자를 자유자재로 정밀 합성할 수 있는 새로운 방법을 개발하는 것이 중요하다.

종래의 고분자는 화학합성을 이용하여 원료인 폴리머의 공유결합이라는 강한 힘으로 결합시켜 합성하였다. 하지만 필요한 긴 고분자를 합성하기 위해서는 정밀한 합성을 위해 물이나 산소같은 반응 저해 물질을 제거하고, 반응온도를 장시간으로 유지하는 등 고도의 기술과 경험 및 설비가 필요하다.

그러던 중, 1980년대 후반 새로운 형태의 고분자(초분자 폴리머)가 프랑스 Jean-Marie Lehn 박사와 네덜란드 Bert Meijer 박사에 의해 발견되었다. 초분자 폴리머는 모노머가 화학반응으로 연결되는 것이 아니라 비공유결합이라고 총칭되는 수소 결합이나 분자간의 상호작용 등 모노머 간의 인력이 작용하여 서로 접착하는 것으로 만들어지는 고분자이다. 본래 비공유결합은 약하기 때문에 분자가 붙고 떨어지기를 반복하지만, 초분자 폴리머는 복수의 점에서 비공유결합이 일어나기 때문에 분자 결합이 떨어지는 것을 막는다. 또한 초분자 폴리머는 공유결합과 비교하여 약한 힘의 결합이기 때문에 자석의 N극과 S극의 힘을 거는 것만으로 떨어지는 등 물리적 힘으로 해제할 수 있으며, 이 힘을 완화하면 자동적으로 재연결되는 특징을 가지고 있다.

이러한 가역적 성질을 가지며, 종래 고분자와 유사한 성질을 가진 초분자 폴리머는 합성위 쉽기 때문에 차세대 고분자로 큰 기대를 받고 있다. 다만 종래의 고분자와 같이 사슬의 길이를 자유 자재로 변환시키고, 분자를 연결하는 순서를 제어하는 것은 불가능하였다. 이에 연구진은 ‘원료를 실온에서 혼합한다’는 간단한 조작만으로 누구라도 언제든지 ‘원하는 수의 모노머를 연결하는 것’이 가능한 고분자 정밀 합성법을 개발하였다.

고분자 합성의 원료가 되는 모노머가 고분자가 되기 위해서는 두 개의 연결점이 필요하다. 일반적으로는 [그림 1]의 모식도에서 볼 수 있듯이 모노머 B의 적색과 청색의 연결점이 연결되어 고분자가 합성된다. 한편 본 연구의 대상이 되는 초분자 폴리머는 모노머 B의 적색 연결점이 다른 모노머의 청색 연결점과 자석의 N/S극과 같이 물리적으로 접착되기 때문에 합성을 저해하는 요인이 적어 쉽게 합성할 수 있다. 하지만 적색과 척생의 연결점이 모노머와 모노머 사이, 모노머와 폴리머 사이, 폴리머와 폴리머 사이에 마음대로 연결되어 이를 정밀하게 조절할 수가 없었다.

연구진은 이 문제를 해결하기 위해 [그림 2]의 모노머 B와 같이 적색과 청색의 연결점을 사전에 분자 내에서 연결시켜 환형의 고리를 형성하였다. 이에 따라 모노머 B는 마음대로 연결되어 고분자를 형성하는 것이 불가능하게 되었다. 다음으로 청색 연결점을 하나만 가진 모노머 A(연결반응 개시제)를 혼합하여, 모노머 B의 환형을 해제하고 적색 연결점을 모노머 A의 청색 연결점에 연결시켜 A-B 이중체를 형성하였다. 이 이중체가 가진 연결이 해제된 모노머 B의 청색 연결점은 다시 다른 모노머 B의 적색 연결점과 연결하여 A-B-B라는 사실 이중체를 형성하였다. 이 연결반응을 몇 번 반복하는 것으로 사슬은 긴 폴리머로 성장시킬 수 있다. 연결반응 개시제의 모노머 A에 대해, 환형분자 B를 1,0000배 추가하면, 원칙적으로는 그 비율과 같은 횟수의 연결반응이 반복되기 때문에 (1.000 중합체 형성), 환영 분자수를 조절할 수 있어 고분자 사슬의 길이를 결정할 수 있다.

이번에 개발한 합성법은 누구라도, 어디에도 ‘원하는 수의 모노머를 연결’하는 것이 가능한 정밀한 고분자 합성법이며, 여러 가지 설비나 고도의 기술 및 경험이 필요한 정밀한 정밀한 고분자 합성방법을 시험관에서 누구라도 할 수 있게 되었다.

이번에 개발한 합성법을 산업기술에 응용하면, 제조 프로세스의 간소화, 설비 투자의 저감, 제조 비용을 인하할 수 있다. 다만 고분자의 성질과 관련된 모노머의 종류에 대해서는 아직까지 차이가 있다. 현존하는 고분자를 초분자 폴리머로 바꾸기 위해서는 초분자 폴리머에서 종래의 고분자 폴리머에 가까운 성질을 실현하지 않으면 안되기 때문에 앞으로의 연구가 더욱 필요하다.

본 연구는 Science지에 "A Rational Strategy for the Realization of Chain-Growth Supramolecular Polymerization”이라는 제목의 논문으로 게재되었다.