Introduction

안녕하세요 학기가 다 끝나고 나서야 첫번째 글을 작성하고 있는 게으름뱅이 입니다.

이번 글에서는 지난 5월 10일에 있었던 2026 Logicae Summit에서 발표하였던 Frustrated Lewis Pair(FLP)의 개념에 대해 더욱 자세하게 소개해드리고자 합니다.
발표에서 설명한 내용 이외에도 설명하고 싶었지만 시간관계상 발표에 못 담았던 비하인드들도 이번 글에서 풀어보려 합니다.

Logicae 가입 1년만에 쓰는 첫 글인만큼 오류나 비문이 있을 수 있습니다. 혹시 오류나 질문이 있다면 카카오톡이나 25-042@ksa.hs.kr로 조용히 문의해주시기 바랍니다.

1.루이스 산/염기

왜 뜬금 없이 FLP 설명한다고 했다가 산염기를 말하고 있나 라고 생각할 수 있지만 루이스 산/염기 개념은 FLP를 이해하는데 있어서 필수적인 개념이다.

산/염기에는 여러가지 정의가 있다. 일반인들이 흔히 알고있는 물에 녹았을때 H+, OH- 를 내놓는 것을 기준으로 산/염기를 설명하는 것은 아레니우스 산/염기라고 한다. 하지만 아레니우스 정의는 반드시 수용액 환경이어야 하고 분자 내에 H, OH가 포함되어 있어야 산/염기를 정의할 수 있다는 한계가 있다.

루이스 산/염기 정의는 이러한 한계들을 없애고 더욱 다양한 반응에서 산/염기 물질을 정의하기 위해 고안되었다. 루이스는 반응에서 전자를 주고 받는 것을 기준으로 산/염기를 정의하였다. 루이스 산은 반응에서 전자쌍을 받는 물질이고, 루이스 염기는 반응에서 전자쌍을 주는 물질이다.

쉽게 이해하기 위해 다음 반응식을 보​자.

이 반응에서 암모니아(NH3)는 N원자에 있는 비공유 전자쌍을 Proton(H+)에 주면서 암모늄 이온(NH4+)을 형성한다. 따라서 이 반응에서 수소이온은 전자를 받는 루이스 산, 암모니아는 전자쌍을 주는 루이스 염기이다.

루이스 산/염기로 작용하는 분자들은 대체로 전자를 풍부하게, 부족하게 갖고있어서 반응성이 매우 높다. 그러나 반응이 끝나고 나온 생성물은 대부분 전자가 많지도, 적지도 않은 안정한 상태가 된다.

P는 암모니아의 질소처럼 비공유 전자쌍을 갖고있어 보통 루이스 염기로 작용한다. 또한 3개의 결합을 형성하고 있는 중성 붕소의 경우에는 비어있는 혼성 오비탈을 형성하고 남은 비어있는 p-오비탈이 전자를 받으려는 성질이 강하기 때문에 대표적인 루이스 산중에 하나이다. 따라서 P와 B화합물이 서로 만나게 된다면 위처럼 P가 루이스 염기로, B가 루이스 산으로 작용하여 안정한 분자가 만들어진다.

그러나 만약 R이 너무 커서 P가 전자쌍을 B에 직접 주지 못해서 반응이 끝나고도 분자 전체에 전자가 퍼지지 않아 반응성이 낮아지지 않는 경우에 특별한 성질이 나타나게 된다.

2.Frustrated Lewis Pair(FLP)

제가 발표중에 언급했었던 논문인 "reversible metal free hydrogen activation"논문에서는 다음 분자들을 사용한다.

위 두 분자들을 보자. 아까 말했듯 P와 B는 각각 상한 루이스 염기/산 성질을 가져서 서로 붙어서 안정한 상태가 되어야 한다. 그렇지만 저 P,B 주위에 붙은 무시무시한 반응기들을 보라. 심지어 이 루이스 구조식에는 수소같은 원소들이 많이 생략되어있다.

실제 3D분자 구조를 보면 주변의 반응기가 매우 커서 P와 B가 붙기가 매우 힘든것을 볼 수 있다. 화학에서는 이렇게 부피가 큰 원자나 반응기 때문에 반응 속도를 늦추거나 반응 자체를 낮추는 현상을 Steric Hindrance (입체장애) 라고 한다.

이러한 이유 때문에 해당 분자에서는 루이스 산인 B와 루이스 염기인 P가 서로 직접 전자를 주고받지 못하고 안정화되지 못한다. 때문에 이 두 분자가 만나면 P-B결합이 형성되는 것이 아니라 플루오린화 벤젠을 거쳐서 결합이 형성된다.

논문의 1번째 Figure이다.
어떻게 읽는지 모르는 사람들을 위해 간단하게 설명해보겠다.

위에서 말했던 인 화합물과 붕소 화합물이 반응을 하면 (1)분자가 되고 Me2SiHCl을 사용하여 붕소에 붙은 플루오린을 H로 치환시키면 가역적으로 H2분자를 활성화시킬 수 있는 분자를 만들 수 있고 여기에 THF(TetraHydroFuran, C4H8O)을 반응시키면 수소기체 대신에 THF의 산소가 루이스 염기로 대신 작용하여 가역적 수소기체 활성화를 멈출 수 있다. (논문에 따르면 THF를 추가하면 색이 달라져서 눈으로도 쉽게 반응을 관찰할 수 있다고 한다.)

우리가 주목해야 할 분자는 (3)의 분자이다. (3)분자를 보면 알 수 있듯 P와 B가 직접 전자를 주고받지 못하여 루이스 산/염기가 반응하여 하나의 adduct가 되었음에도 불구하고 B원자는 비어있는 p-오비탈로 인한 루이스 산성이 남아있고 P원자에는 비공유전자쌍으로 인한 루이스 염기성이 남아있다. 만약 이 분자에 수소 기체가 다가가면 P원자가 수소 기체 분자에 전자를 밀어주는 동시에 F원자가 분자로부터 전자를 빼앗아 P에는 Proton(H+)의 형태로, B에는 Hydride(H-)형태로 분리되어 결합한다.

P의 전자쌍이 직접 B에 닿지 못하고 안정화되지 못했기 때문에 Frustrated Lewis Pair, 직역하자면 좌절된 루이스 쌍 이라는 이름이 붙었다. 해당 분자 외에도 전자가 골고루 퍼진 하나의 중성 분자 adduct가 되는 것이 아니라 분자 내부에 루이스 산/염기가 모두 있는 형태의 분자들로 인해 일어나는 반응을 FLP효과라고 한다.

3.FLP의 활용성

아마 이 부분이 발표에서 가장 관심이 많았었던 부분일 것이다. FLP를 갖고 있는 분자를 사용하면 H2, CO2등 아주 작고 안정한 분자들도 결합을 끊고 활성화 시킬 수 있다.

H2, CO2등의 소분자들을 활성화 하는 것은 FLP가 발견되기 전까지 전이금속 촉매의 전유물이었다. 하지만 이 전이금속이라고 하는 것들이 굉장히 비싸고 공급도 안정적이지 않다

하지만 발표때도 언급했듯 유기 분자는 전이금속만큼 가격이 비싸지 않다. 최근 화학에서 가장 저명한 저널중 하나인 JACS에 올라온 논문인 "Defect-Regulated Frustrated-Lewis-Pair Behavior of Boron Nitride in Ambient Pressure Hydrogen Activation"에서는 루이스 염기/산으로 각각 NaNH2, NaBH4분자를 사용하였다 이 두 분자는 조사해보았을때 sigma aldrich 기준으로 100g에 각각 22만원/57만원 정도 한다. 이는 수만원 이내 정도는 아니기는 하지만 그래도 금, 백금 촉매에 비하면 현저히 낮은 금액이다. 그리고 애초에 1kg을 기준으로 잡았지만 촉매는 아주 극소량만 있어도 반응을 매우 빠르게 진행시킬 수 있으므로 실제 상용화되더라도 가격은 이것보다 더 낮게 사용할 수 있을 것이다.

여기까지가 summit에서 발표했었던 FLP의 내용들이다.

FLP에 관한 글은 앞으로 이 주제에 관해서 더 자세한 내용을 적고싶거나 하면 다시 오고 이번 글에서는 여기까지 설명하도록 하겠다.

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