배위 고분자

리간드에 의해 결합한 금속 양이온을 포함하는 무기 또는 유기 금속 중합체 구조의 화합물 또는 금속과 리간드 사이에 1차원(1 Dimension, 1D), 2차원(2D) 및 3차원(3D)의 반복적인 배위 결합으로 얻어진 고분자 물질을 통틀어 배위 고분자(coordination polymer)라 한다. 이러한 배위 고분자는 현재 유기 및 무기 화학, 생화학, 재료 과학 및 전기 화학 등 다양한 분야에 활용되고 있다.

목차

배위 화합물은 금속과 리간드 사이의 배위 결합을 통해 생성되는 물질이며, 리간드는 배위 환경 또는 다양한 조건에 따라 동시에 두 개 이상의 금속과 배위할 수 있는 상황이 되기도 한다. 금속(M)-리간드(L)-금속(M)-리간드(L)-금속(M)-리간드(L)의 형태가 연속적으로 이어진 화합물을 1차원 배위 화합물이라고 부른다. 이때 금속이 배위결합을 할 수 있는 배위수가 매우 커서 동시에 네 방향으로 리간드와 결합하면 2차원 배위 고분자가 되고, 더욱 확장되어 그 이상의 배위 결합을 동시에 할 수 있다면 3차원 배위 고분자가 생성될 수 있다. 아래의 그림에 이러한 배위 고분자의 결합 방식에 따른 간략한 구조를 나타내었다.

1차원, 2차원 및 3차원 형태의 배위 고분자()

특히, 금속과 리간드의 배위 결합으로 생성된 3차원 구조체의 경우 리간드 크기에 의해 좌우되는 빈 곳이 내부에 생긴다. 이러한 3차원의 내부 공간을 가지는 물질을 금속-유기 골격체(Metal-Organic Framework, MOF) 또는 금속-유기 구조체라고 부르며, 이 분야에 대한 연구가 최근 활발하게 진행되고 있다. 아래에 금속-유기 골격체 중 하나인 MOF-177의 구조를 나타내었다.

금속-유기 골격체 중 하나인 MOF-177()

가장 널리 알려진 초기의 배위 고분자 중 하나인 프러시안 블루(Prussian Blue)는 진한 파란색을 나타내는 염료로 베를린 블루, 파리 블루 등의 이름으로도 불리며, 파란색을 내는 다양한 예술 작품에도 널리 사용되는 물질이다. 이 물질은 철을 포함하는 사이안화물로써 이상적인 분자식은 [Fe₇(CN)₁₈]이며, 사이안화 음이온(CN^–) 리간드의 탄소와 질소가 각각 금속에 결합할 수 있기 때문에 다양한 형태의 배위 고분자를 형성할 수 있다.

프러시안 블루()

배위 고분자는 금속염과 리간드 사이의 자기 조립(self-assembly) 또는 결정화(crystallization)를 통해서 생성된다. 이때 사용 가능한 금속으로 d 오비탈이 일부만 차 있는 전이 금속과 상대적으로 높은 배위수(7에서 14까지)를 가질 수 있는 란타넘족 금속이 있다. 그 외에도 알칼리 금속과 알칼리 토금속도 배위 고분자를 형성할 수 있는 것으로 알려져 있다.

금속과 배위 결합이 가능한 비공유 전자쌍을 가진 리간드라면 다양한 구조를 가진 배위 고분자의 합성에 이용될 수 있다. 피리딘(pyridine) 작용기가 여러 개 존재하는 폴리피리딘류, 카복실산 음이온(RCO₂^–)기를 여럿 포함하는 폴리 카복실산류 등이 가장 광범위하게 사용되는 리간드들이고, 그 외에도 황을 포함하거나 인을 포함하는 리간드들도 배위 고분자를 형성하는 것으로 알려져 있다.

단순히 유기물로만 이뤄진 고분자와 구별되는 특징을 가지는 배위 고분자는 다양한 분야의 응용 연구에 이용되고 있으며, 이를 활용한 연구 분야는 다음과 같다.

- 아직 실제로 적용되지 않았지만, 금속-유기 골격체처럼 다공성 구조를 갖는 다공성 배위 고분자(porous coordination polymer)의 경우, 다공성 탄소 및 제올라이트와 유사하게 특정 분자를 빈 곳에 저장할 수 있는 기능을 보여 최근 분자체(molecular sieve)로서의 응용과 관련한 분야에 큰 관심을 불러일으키고 있다. 특히, 유연성을 가지는 배위 고분자가 이 분야에 많이 적용되고 있으며, 구멍의 크기 및 모양은 리간드의 길이나 작용기를 변화시켜 조절이 가능하다.

- 발광성 배위 고분자는 보통 빛을 흡수한 후 들뜬상태가 되는 에너지를 금속 이온에 전달할 수 있는 유기 발색단 형태의 리간드를 포함하고 있다. 발광성 초분자 구조는 광전자 소자 및 형광 센서로의 잠재적인 응용성으로 인하여 최근 많은 관심을 끌고 있다.

- 구조 내에 무기 및 공액 계 유기 다리 리간드를 동시에 포함하고 있어서 금속의 d 오비탈과 유기 다리 리간드 사이의 π 상호작용을 통해 전기 전도가 가능한 경로를 가진 배위 고분자가 알려져 있다. 어떤 배위 고분자의 경우에는 반도체 성질을 나타내기도 한다. 아래 그림에 전기 전도성을 나타내는 배위 고분자의 구조를 간략하게 나타내었다.

전기 전도성을 보이는 배위 고분자의 구조(여기에서 M은 Fe, Ru, Os의 8족 전이 금속이고, L은 폴피린(porphyrin) 계열의 유도체이며, N은 피라진(pyrazine) 또는 비피리딘(bipyridine) 리간드에 속하는 질소를 의미한다.)()

- 금속을 포함하는 배위 고분자의 경우 반강자성(antiferromagnetism), 준강자성(ferrimagnetism) 및 강자성(ferromagnetism) 등의 다양한 자기적 특성을 나타낸다.

- 구조 내에 존재하는 용매 분자의 변화에 따라 다양한 색 변화를 보이는 배위 고분자도 알려져 있다. [Co₂(H₂O)₄][Re₆S₈(CN)₆]•10H₂O와 같은 화학식을 가지며, 두 개의 코발트에 배위된 물 분자를 함유한 클러스터 배위 고분자가 그 예이다. 고분자에 배위된 물 분자를 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran, THF)으로 치환하면 오렌지색 용액이 보라색 또는 녹색 용액으로 변하게 되며, 다이에틸 에터(diethyl ether)를 첨가하면 파란색 용액으로 변하게 된다. 따라서 특정 용매의 존재 하에서 용액의 색이 변하는 용매 센서로 활용할 수 있는데, 이는 코발트 원자에 배위된 물 분자가 다른 용매로 치환되면서 배위 고분자의 구조가 변하기 때문이다.

Retrieved on 2019-06-05.