촉매와 관련한 용어 (TON, TOF, Conversion..)와 분석 방법

<<그림1. 촉매에 관련된 일러스트레이션>>

촉매에 대해서는 중, 고등학교 그리고 대학교 혹은 그 이상의 고등 교육 과정에서 화학을 공부한다면 한번쯤은 들어봤을법한 단어일 것이다. 

촉매에 대한 사전적 정의는 다음과 같다.

▶ 촉매(觸媒, catalyst)란 반응과정에서 소모되거나 변화되지 않으면서 반응속도를 빠르거나 느리게 변화시키는 물질을 말한다. 

다른 자료를 참고해봤을때, (참고 ▶ 촉매의 종류, cuturl.me/MXRuLX)

▶ 화학반응에 소량 첨가하여 열역학적으로 가능한 화학반응을 가속시켜 주면서 그 자신은 변하지 않는 물질을 말하는 것으로 촉매에 의한 이와 같은 작용을 "촉매작용" 또는 "촉매현상" 이라고 하며 영어로는 "catalyst"라고 한다. 

위의 사전적 설명은 <그림 1>을 참고하면 좀 더 쉽게 촉매를 이해할 수 있을 수 있다. 즉 언덕을 넘어가는데 힘겹게 넘어가지 않지 않고, 터널을 통과해서 갈 수 있다면 목적지까지 더 쉽게 갈 수 있다. 터널을 통과해서 가는 과정이 바로 촉매를 이용한 반응이라고 생각해볼 수 있을 것이다. 이는 대부분 생각하는 정촉매와 관련된 설명이며, 그 이외에도 다양하게 반응에 참여할 수 있는 촉매들이 존재한다. <그림2>를 참고하면 정촉매와 부촉매의 역할을 확인할 수 있으며, 정촉매의 경우 활성화에너지늘 낮춰 상대적으로 반응이 빠르게 진행될 수 있도록 돕고, 부촉매의 경우 활성화에너지를 높여 반응이 늦도록 한다. 

<<그림2. 활성화 에너지를 낮춰주거나 높여주는 촉매의 역할>>

개인적으로 촉매 관련해서는 부촉매를 합성하는 경우는 많이 보지 못했고, 정촉매로서 촉매반응을 통해서 얻는 생성물의 선택성을 높이기 위해서 촉매를 어떻게 합성할 수 있을지에 대한 연구가 주로 이루어지고 있는 것 같다. (촉매와 관련되서는 분야에 따라서 다를 수 있다.)

촉매를 실제적으로 연구하게 합성뿐 아니라 촉매 반응을 하면서 접하게 되는 용어들이 많이 있다. 유기화학을 하거나 무기화학을 하거나 촉매에 관련된 논문을 접하게 되면 쉽게 접할 수 있는 용어들이다.

1) TON (Turn Over Number): Catalyst Life

TON 은 mol substrate/mol catalyst 로 정의 할 수 있으며, 본인이 사용한 촉매의 몰수와 반응물의 몰수를 정확히 알아야 계산할 수 있다. TON의 경우 시간에 관련된 텀이 없다.

2) TOF (Turn Over Frequency): time efficiency

TOF 는 TON 에 시간 개념이 도입되면서 mol substrate/mol cat-hr 촉매의 효율성에 관련된 내용이다. 단위 몰수의 촉매가 얼마나 빠르게 반응물을 전환 시킬 수 있는지 확인해볼 수 있는 지표이다. 짧은 시간안에 원하는 물질로 전환할 수 있다면 촉매의 효율성이 좋다고 볼 수 있다.

3) 촉매의 농도표시

wt% 무게비로 나타내는 경우

mol% 

equiv. 당량 반응에 사용

4) Conversion (컨버전, 전환율)

국어로 전환율이라고 하며, 단순이 반응물이 바뀌는 것을 표현하는 수치이다. 이는 반응물이 반드시 생성물로 바뀌지 않아도 되며, 반응물이 바뀌는 경우는 전환됐다고 확인할 수 있다.

5) Selectivity (선택성)

선택성의 경우, 반응물이 전환됐을때 우리가 원하는 물질이 얼마만큼 생겼는지를 나타내는 지표로, 전환율과 선택성이 모두 높은 경우가 촉매의 활성이 높다고 볼 수 있다.

6) Yield (수율)

수율의 경우 4와 5의 곱으로 나타낸다. 

7) Intermediate(s) 

중간 생성물. 촉매반응의 경우 A->B 로 반응이 진행되는 중간에 A->C->B 등의 경로로 C를 거쳐간다면 C를 중간 생성물로 볼 수 있을 것이다. 중간 생성물의 연구는 촉매 반응의 메커니즘을 연구하는데 필수적이다. 

▶ 촉매 반응으로 얻은 생성물의 분석 방법

1) GC를 사용할 경우 반응물과 생성물에 대한 calibration curve (검량 곡선) 를 만들어야 한다. 반응물과 생성물의 양을 달리하여 샘플을 준비하고, GC 를 통해서 정량하여 곡선을 만들고 그 곡선의 R2 값이 1에 가까울 수 있도록 여러번 실험하여 검량 곡선을 만든다.

2) GC 이외에도 촉매 반응의 생성물은 다양한 방법으로 분석될 수 있고, 대표적으로 NMR, GC-MS 등의 분석기기를 사용한다.

NMR 의 경우, 반응물과 생성물에 대해서 authentic 1H, 13C NMR 의 결과를 먼저 얻는다. 

앞서 얻은 결과를 바탕으로 본인이 반응에 사용한 유기물에 대해서 반응 전 후 차이를 비교하고, 1H 을 적분하여 반응의 진행 정도를 파악한다.