2.3 졸-겔법의 의한 촉매의 합성

졸-겔 공정(sol-gel process)은 이름이 의미하는 것처럼 콜로이드 부유상태(sol)를 만들고, 이 졸의 겔화 과정을 통해 액체상의 망상조직(gel)으로 변화시켜 무기질 망상조직을 만드는 과정을 말한다. 이 콜로이드를 합성하기 위한 전구체는 금속이나 준금속 원소들이 다양한 반응성 배위체로 둘러싸인 물질로 구성되어 있다. 촉매 제조시 금속 알콕사이드들이 가장 많이 사용되는데, 이는 이들 물질들이 물과 쉽게 반응하기 때문이다[19,20]. 졸-겔 공정은 일반적으로 3가지의 반응으로 구분하여 기술한다. 즉, 가수분해(hydrolysis), 알콜 축합(condensation), 물 축합의 과정이다. 이러한 일반적인 반응 과정을 Fig. 2에 나타내었다.

졸-겔 무기질 망상조직의 특성과 성질은 다양한 요소들과 연관되어 있는데, 이들 요소들은 가수분해 및 축합 반응율에 영향을 준다. 이들 반응에 영향을 주는 요소들은 pH, 온도와 시간, 시약의 농도, 촉매의 성질과 농도, 가수분해비율(R), 숙성온도와 시간, 건조 등을 들 수 있다. 여기서 언급한 것들 중에서 pH, 촉매의 성질과 농도, 가수분해비율(R), 그리고 온도가 가장 중요한 것으로 밝혀져 있다. 이 중 가수분해비율은 형성되는 입자의 크기나 형태에 밀접한 관련이 있는 것으로 보고되고 있다[21,22].

 

가수분해(hydrolysis) :

 물을 더하여 물질을 나누는 것을 의미한다. 조금 더 정확히는 물을 첨가하여 화학적으로 물질을 나누는 여러 종류의 반응을 의미한다. 영어 단어 hydrolysis의 어원도 그리스어로 물을 뜻하는 ‘hydro-‘와 분해를 뜻하는 ‘-lysis’의 결합에서 찾을 수 있다. '-lysis'라는 단어의 어원과 관련하여, 아미노산의 일종인 라이신(lysine)은 젖에 들어있는 단백질인 카제인을 가수분해하는 과정에서 발견되었고, 효소 단백질 중에서 처음으로 3차원 구조가 결정된 라이소자임(lysozyme)은 가수분해 효소라는 뜻이다. 가수분해의 조금 더 구체적인 단어인 당화(saccharification)의 경우, 다당체가 물에 의해 단당류로 나뉘는 가수분해 반응을 의미한다.

 

가수분해는 탈수 축합 반응(condensation)의 역반응이다. 축합 반응은 두 분자가 만나 물 등의 간단한 분자가 빠지면서 새로운 결합을 형성하는 반응으로, 많은 경우 물 한 분자가 제거되며 진행되는 탈수 축합 반응의 형태를 보인다. 즉, 가수분해는 물이 첨가되어 분자를 쪼개는 과정이고, 탈수 축합 반응은 물이 빠지면서 분자가 합쳐지는 반응이다.

가수분해의 종류

가수분해는 해당 기질에 따라 염의 가수분해, 에스터 및 아마이드의 가수분해, ATP의 가수분해, 다당류의 가수분해 등으로 구별할 수 있다.

염의 가수분해

가수분해는 약산의 짝염기 혹은 약염기의 짝산이 물에 녹을 때 벌어진다. 물은 자체이온화(autoionization)에 의해 H3O+와 OH-로 나뉘게 되는데, 이 두 가지 이온이 염의 각 성분과 반응할 수 있다. 예를 들어 아세트산 소듐(CH3COONa)이 물에 녹으면 소듐 양이온과 아세트산 음이온을 형성하는데, 소듐 양이온은 약간의 OH-와 결합하여 수산화 소듐(NaOH)를, 아세트산 음이온은 H3O+과 결합하여 아세트산(CH3COOH)와 물을 형성할 수 있다.

에스터 및 아마이드의 가수분해

산 촉매 조건 혹은 염기 촉매 조건에서 일어나는 에스터와 아마이드의 가수분해 반응은 유기 화학에서 자주 이용되는 반응이다. 에스터와 아마이드의 카보닐 작용기는 친핵체의 공격을 받을 수 있는데, 염기성 조건에서 수산화기(OH-)는 물보다 좋은 친핵체이기 때문에 카보닐 탄소는 손쉽게 공격하여 가수분해를 일으킬 수 있다. 산 촉매 조건에서는 카보닐기가 양성자화 되어 친핵성 공격이 더 손쉽게 일어날 수 있도록 도와준다. 에스터와 아마이드의 가수분해 모두 카복실산을 주생성물로 내어준다.

오래전부터 가장 흔하게 사용되는 에스터 및 아마이드의 가수분해 반응은 비누화 반응(saponification)일 것이다. 비누화 반응은 지방의 성분인 트라이글리세라이드(triglyceride)를 강염기 조건(예: NaOH)에서 처리하여 글리세롤(glycerol)과 지방산으로 나누면서 진행된다. 이때 생성된 지방산은 수용액 내의 염기와 반응하여 염을 형성하고, 이 염이 비누로 쓰인다.

 

Fig. 2. Sol-gel process.