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이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향 손영목강종석

이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향gift.kisti.re.kr/data/IAC/files/KISTI-200512-SYM-ion_fluid.pdf · ※ 이온성 액체는 사용되는 음이온의

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Page 1: 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향gift.kisti.re.kr/data/IAC/files/KISTI-200512-SYM-ion_fluid.pdf · ※ 이온성 액체는 사용되는 음이온의

이온성 액체의 반응성 및 전기화학적

특성 연구동향

손 목강종석

머 리 말

21세기는 지식과 정보가 그 국가의 경쟁력을 좌우하는 지식

기반 산업사회로 나아가고 있으며 최고가 아니면 살아남을

수 없는 무한경쟁시 가 되어가고 있습니다 이러한 변화 속

에서 각 국가에서는 미래 유망기술(Emerging Technology)을

선정하여 국가 역량을 집 함으로써 차세 국가경쟁력을 확

보하려는 여러 가지 노력을 기울이고 있습니다

최근 우리나라에서도 미래 유망기술에 한 심이 어느 때

보다도 증 되고 있는 가운데 한국과학기술정보연구원에서는

과학계량학 인 방법으로 미래 국가 유망기술을 측하기

한 일련의 연구를 수행하고 있습니다

본 보고서는 과학기술정보데이터베이스(SCIE)에서 최근 6

년간 분야별 피인용도가 높은 핵심논문들을 가지고 정보계량

학 인 분석을 행하여 선정된 핵심 유망 연구 역에 해

련 국내 문가들의 자문을 토 로 작성된 RampD 동향보고서입

니다 본 보고서가 련 과학기술정보를 국내에 확산시키고

미래 국가유망기술의 략 육성을 한 연구개발 활동에 작

으나마 도움이 되었으면 합니다

마지막으로 본 보고서를 집필한 자들의 노고에 감사드리

며 본고의 내용은 한국과학기술정보연구원의 공식의견이 아

님을 밝 둡니다

2005년 12월

한국과학기술정보연구원

원 장

목 차

제1장 서 론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot1

1 연구의 배경 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot1

2 연구의 방법 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot2

제2장 기술의 개요 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot3

1 이온성 액체란 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot3

2 이온성 액체의 특성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot4

3 이온성 액체의 합성방법 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot9

4 이온성 액체의 응용분야 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot11

제3장 국내외 연구개발 동향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot15

1 연구의 방향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot15

2 반응장으로서 이온성 액체의 활용 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot16

3 매반응에서의 이온성 용액 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot25

4 근 의 동향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot30

5 국내동향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot37

제4장 결론 제언 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot41

참고문헌 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot45

그림 목차

lt그림 2-1gt 모든 이온성 액체가 상온에서 액체가 되는 것은 아니다 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot4

lt그림 2-2gt 이온성 액체의 특징과 표 인 구성 이온 종류 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot5

lt그림 2-3gt n-octyl sulfate( ) docusate(아래) middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot7

lt그림 2-4gt 상품화된 다양한 이온성 액체 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot9

lt그림 2-5gt 이온성 액체의 합성법 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot10

lt그림 3-1gt 비 칭 불소화 반응 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot17

lt그림 3-2gt 학활성인 불소화 에폭시 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot18

lt그림 3-3gt L-proline을 매로 하는 알돌형 반응 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot18

lt그림 3-4gt 수종의 학활성인 이온성 액체 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot20

lt그림 3-5gt 학활성 이온성 액체의 염기성 매로서의 기능발 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot21

lt그림 3-6gt 효소반응을 활용한 에폭시화 반응 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot22

lt그림 3-7gt 비 칭 에폭시화 반응 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot22

lt그림 3-8gt 비 칭 시아노화 반응 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot23

lt그림 3-9gt 비 칭 사이클로 로 화 반응 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot23

lt그림 3-10gt 이온성 액체[bmim][PF6] 의 스티 의 합반응 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot24

lt그림 3-11gt 이온성액체[bmim][PF6] 의 공 합 반응 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot25

lt그림 3-12gt methyl acrylate와 [C4C1im]+ 양이온 사이의 수소결합 middotmiddotmiddotmiddotmiddot26

lt그림 3-13gt NHC 매의 lactide 합에서의 ring opening middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28

lt그림 3-14gt [C4C1im][PF6]의 수소포르 화 매의 두형태의 평형 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28

lt그림 3-15gt 할로겐 리이온액체의 구조 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot31

lt그림 3-16gt zwitter ionic liquids의 모식도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot32

lt그림 3-17gt 알칼리 속이온액체의 개념도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot32

lt그림 3-18gt 이온액체폴리머의 변화 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot34

lt그림 3-19gt 이온성 액체 도메인 의 목 이온수송의 모식도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot35

lt그림 3-20gt bmimCl의 구조 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot35

1

제1장

서 론

1 연구의 배경

21세기 지식기반사회에서 과학기술경쟁력은 국가경쟁력

의 원천이며 이에 세계 각국들은 미래의 경쟁에 살아남

기 해 핵심기술과제를 선정하여 연구개발에 박차를

가하고 있다

우리나라 과학기술부도 2005년 6월 lsquo미래국가유망기술

원회rsquo를 구성하여 lsquo과학기술 측조사(2005-2030)rsquo 결과

(2005년 5월 국가과학기술 원회 보고)에서 도출된 기

술후보군을 바탕으로 『미래 국가유망기술 21』을 선정

하여 발표한 바 있다

한 한국과학기술정보연구원(KISTI)에서는 2005년 SCIE

논문데이터베이스를 이용한 정보계량학 분석을 통해

『미래 유망연구 역 선정연구』를 시도하 으며 본 보고

서는 그 결과에 기 하여 최근 2~3년간 논문의 인용도가

속히 높아지고 있는 유망 연구 역을 심으로 기술논평

형식으로 풀이한 심층 Expert Review이다

2 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

2 연구의 방법

한국과학기술정보연구원에서는 SCIE 데이터베이스에 등

록된 논문(1999~2005년 상반기까지 발표된 논문) 에

서 각 연도 각 분야별( 분류 22분야)로 피인용수

가 상 1인 고인용 논문(HCP Highly cited papers)

을 추출하고 공인용분석(Co-citation analysis) 동시단

어분석(Co-word analysis) 등의 과학계량학 방법들과

문가 평가(Expert evaluation)를 통해 lsquo미래 유망연구

역rsquo을 도출하 다

상기 도출된 미래 유망연구 역 에서 통계학 방법으

로 최근 논문의 인용도가 격히 상승하는 연구 역을

과학기술 분야별로 추출하여 본 테크이슈 보고서의 주제

로 삼았다

본 보고서는 이온성 액체의 반응성 기화학 특성

연구동향 분야에 있어서 최근 많이 발표되고 있는 논문

들을 종합하여 련 분야 연구에 한 기 지식과 함께

세계 인 연구동향을 개 으로 살펴보고 미래 핵심기

술로 자리잡기 한 연구개발 략을 제시하 다

3

제2장

기술의 개요

1 이온성 액체란

이온성 액체는 이온만으로 구성된 액체이며 분자성 용

매를 함유하지 않고 있기 때문에 증기압이 거의

없고 진공 에서도 액상(液狀)을 유지하는 특이한 액

체이다(1)

- 염(salt)은 양이온과 음이온이 강한 정 기 인 상호작

용을 통해 각각의 이온들이 규칙성을 갖고 정연하게

배열하고 있다 NaCl로 표되는 무기염은 고체상 결

정으로 이 염을 용융시키는 데는 800이상의 열이 필

요하다

- 용융상태의 무기염이 도 용기나 열 도체로 이용되

고 있는 것은 오래 부터 알려져 있으나 고온에서 이

용하는데 불편한 도 많았다 이종 이온의 혼합 등

융 을 낮추는 연구가 많았으나 100이하에서 용융하

는 무기염의 개발이 요해진다

1992년에 Wilkes 등이 1-ethyl-3-methylimidazolium-

tetrafluoroborate가 기 하에서 안정하여 실온에서 액

체상을 형성한다는 보고가 있은후 서서히 연구자나 기

4 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

술자의 주목을 받게 되어 이에 한 연구가 성행하게

되었다 이와 같이 실온에서 액체가 되는 염을 이온성

액체(ionic liquid)라 부른다(2)

- 일본에서는 실온에서 용융된 염을 이온성 액체라 하지

만 구미에서는 융 이 100 이하의 염을 ionic liquid

라고 하여 다소의 개념 차이가 있다

lt그림2-1gt 모든 이온성 액체가 상온에서 액체가 되는 것은 아니다

왼쪽은 mp 40의 methyltri-n-butylammoniumdocusate이며 오른쪽은

RTIL(room temperature ionic liquid)의 1-butyl-3- methyl imidazolium

diethyleneglycolmonomethylethersulfate이다 이온액체는 흰색에서 은

황색과 오 지색이 있다

2 이온성 액체의 특성

일반 물성

- 이온성 액체는 넓은 온도 범 에서 액체상태를 유지한

제2장 기술의 개요 5

다 증기압이거의 제로(zero)이며 보통 용매가 증발하

는 고온(400정도)에서도 안 하게 존재하는 것이 많

다 화학 으로 안 하며 불휘발성이기 때문에 유기물

인데도 불구하고 불연성이다(3)

- 이온만으로 구성된 고 도 액체는 하게 극성이 크

다고 생각하고 있으나 실제 이온성 액체는 알코올 정

도의 극성을 갖고 있으며 비 이 15 이상으로 큰데

비해 낮은 성을 갖고 있어 일반 인 극성용매와 같

이 취 된다

- 고 도의 이온의 운동성이 높아 양호한 이온 도성을

갖는다 기화학 으로 안정한 것도 보통의 분자성

용매에는 없는 특징이다

- 이온성 액체의 구성이온이 유기물이라는 으로 보아

여러 가지 유도체를 얻을 수 있는 것도 특징이다 비

록 여러 종류의 이온을 당하게 조합하여도 액상으로

될 가능성이 기는 하지만 한 설계에 의해 액상

염의 기능설계 가능성이 있다

lt그림 2-2gt 이온성 액체의 특징과 표 인 구성 이온 종류

고이온전도성

불연성

우수한

분자디자인성

열middot화학적안정성

고극성

불휘발성

여러화합물과의상용성

이온성액체

고이온전도성

불연성

우수한

분자디자인성

열middot화학적안정성

고극성

불휘발성

여러화합물과의상용성

이온성액체

6 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

음이온에 의한 특성

이온성 액체는 사용되는 음이온의 종류에 따라 그 특성이

히 달라진다 가장 많이 사용되는 음이온은 PF6-로

imidazolium 양이온과 결합하면 소수성 이온성 액체

[bmim]PF6-를 형성한다

- BF4- 한 일반 으로 많이 사용되는 음이온이다

PF6-와 거의 비슷한 특성을 갖고 있으나 imidazolium

과 이온성 액체를 형성하면 물에 잘 녹는 이온성 액

체[bmim]BF4-를 형성한다

- 즉 거의 비슷한 크기나 구조를 하고 있는 음이온을 사

용하더라도 얻어지는 이온성 액체의 특성은 히

달라지는 경우가 많다(4)

비록 여러 면에 있어서 응용이 개발되고는 있으나 PF6-

BF4-를 음이온으로 사용한 경우 물의 존재 하에서 열을

받으면 HF를 발생시키면서 분해가 일어난다 이 문제를

해결하기 해 여러 회사들에서는 다른 종류의 음이온을

선정하여 이온성 액체를 개발하고 있다

- 불소계이기는 하지만 F가 탄소에 붙어있는 음이온을

사용하면 C-F결합은 비활성이므로 열에 안정하여 HF

를 방출하지 않는다 CF3SO3- (CF3SO3)2N

-가 그 이

다(5)

배 성향

- 이온성 액체의 존재 하에서 속 매를 사용하는 공

제2장 기술의 개요 7

정의 경우에는 음이온이 반응에 있어 배 할 성향이

낮은 PF6-가 아직까지는 가장 한 것으로 본다

(CF3SO3)2N- 같은 경우도 같이 불소를 포함하는 음이

온은 고가이다(6)

- 가격과 안정성을 고려해서 Solvent Innovation과

Sachem(주)는 불소를포함하지 않은 새로운 이온성

액체를 시도한다(7)

- 가능성이 있는 것은 가격 경쟁력이 있으면서 그 크기

가 큰 bulk chemical을 음이온으로서 독성이 없으면서

생분해가 가능한 alkyl sulfate계 음이온이 상이다

ECOENG 500(Peg-5 cocomonium methoxulfate)가 그

한 인데 무독성임을 입증한 첫 번째 비 불소계 음

이온이다

lt그림 2-3gt n-octyl sulfate( ) docusate(아래)

- Sachem(주)는 docusate계 (dioctylsulfosuccinate) 음이

온을 사용하는데 이는 동물계에 매우 낮은 독성을 갖

고 있고 식품 제약 화장품등에 이미 사용되는 물

8 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

질이다

- 다른 이온성 액체와는 달리 docusate는 친유성이며

hydrocarbon과잘 섞이는 특성을 갖는다

융 련 성질

- Rogers 등에 의해 최근에 밝 진 이온성 액체의 특성

은 Cl과 같은 할로겐 음이온은 셀룰로스나 다른

oligosaccharide와 같은 생화학 물질들이 이온성 액체

에 녹는 것을 진시킨다는 것이다(8)

- 이온성 액체가 녹아있는 매질들과 특정의 상호 작용이

있는 성질을 이용하여 양이온 음이온 각각에 특정

의 기능기를 도입하는 새로운 연구가 진행되고 있다

이온성 액체에 부가되는 기능기는 이온성 액체의 반응

패턴을 증가시키거나 특정 물질과의 상호 작용을 증

가시키는 등 다양한 특성을 부여할 수 있다

- 150 이하에서 녹는 이온성 액체는 재 100개 이상

의 종류가 매된다(9) 디자인된 양이온과 다른 음이온

과의 조합은 다양한 범 의 녹는 을 가진 새로운 이

온성 액체를 얻을 수 있는데 이를 incognito 이온성

액체라고 한다

- incognito 이온성 액체로 18-diazabicyclo[540] undec-

7-enehydro tribromide (DBU-HBr mp 119-122)는 높

은 수율의 aromatic bromination을 얻는 좋은 반응물이

다(10)

상업 으로 쉽게 얻을 수 있는 융 을 갖는 아미노산 유

도체인생체 물질들도 이온성 액체의 개발에 사용될 수 있다

제2장 기술의 개요 9

- L-alanine ethyl ester hydrochloride (mp 78)

L-serine methylester hydrochloride (106)들이 이

다(11) 정의한 이온성 액체와는 좀 다른 특성이기는

하지만 융 을 갖는 염으로는 같은 의미로 볼 수

있다

lt그림 2-4gt 상품화된 다양한 이온성 액체

3 이온성 액체의 합성방법

헤테로 고리화합물을 활용한 합성제법이 가장 많이 알려

져 있다

- 지 까지 많은 이온성 액체가 설계되고 있으나 부분

은 이미다졸륨 등의 헤테로 방향환을 기본으로 하는

양이온으로 구성되어 있다 짝음이온의 종류에 따라

다른 성질을 보이기는 하지만 헤테로환 양이온 특히

10 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

이미다죨륨 양이온으로 구성된 염은 낮은 융 을 나타

낸다

lt그림 2-5gt 이온성 액체의 합성법

- 이온성 액체는 할로겐화 알킬을 아민의 제4 화 반응

에 의해 염을 얻고 이것을 한 음이온으로 교환하

여 얻는다 이 방법은 음이온교환반응에서 생기는 부

산물을 완 히 제거하기 어려워서 원하는 염을 높은

순도 높은 수율로 얻기는 쉽지 않고 사용하는 음이온

종류도 한정된다(12)

- 3 아민과 로톤산의 화반응으로 이온성 액체를

합성하는 방법이 새로 개발되었는데 이 방법은 부산

물의 혼입에 의한 순도의 하도 억제할 수 있으며 합

성이 가능한 이온성 액체의 종류도 풍부하다

- 이온성 액체의 모델 설계 혹은 구성하는 이온 구조

최 화를 의도한 스크리닝(screening)을 활용하여 많

은 종류의 이온성 액체가 합성되고 있으나 원하는 우

수한 물성을 갖는 이온성 액체의 설계지침은 아직까지

불완 하다 구조-물성의 상 계를 찾고자 많은 연

구가 진행되고 있으나 아직까지 일반 인 계를 찾

제2장 기술의 개요 11

지 못하고 있는 실정이다 즉 신규 이온성 액체를 찾

아낼 가능성이 아직 많다고 하겠다(13)

4 이온성 액체의 응용분야

이온성 액체의 특이한 성질을 이용하여 여러 응용이 제

안되고 있다 크게 환경부하가 은 그린(green) 용매로

서의 응용과 새로운 이온 도성 재료로서 응용으로 2분

야로 크게 나 수 있다 그린 용매로서의 연구는 주로

유럽과 미국에서 이온 도성 재료의 연구는 상 으

로 일본에서 연구가 많이 진행되고 있다

그린 용매(기능성 용매)

- 화학공정의 반응계에서 사용되는 용매 특히 유기용매

가 기나 하천 등으로 확산되는 것은 환경문제이다

더욱이 유기용매의 인화성이나 폭발성 작업종사자의

피독 등 안 에 한 문제가 요하다

- 이온성 액체를 그린 용매로서 응용하는 것은 일반 인

휘발성 용매를 체하는 반응용매(반응장)로서 응용으

로 에서 설명한 문제 을 한꺼번에 해결할 수 있는

가능성이 있다

- 이온성 액체를 용매로 사용할 수 있는 반응 로서 유

기합성 반응계 분리 추출 등 여러 분야가 있으며 생

체유래분자의 반응에도 검토되고 있다

- 최근에 이 분야의 연구의 방향은 이온성 액체의 분자

12 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

설계 장 을 이용하여 기능을 갖는 구조를 도입할 수

있다 실제 매활성이나 귀 속 회수 등의 기능

부여가 연구되고 있다 Davis등이 제창하는 Task-

Specific Ionic Liquid(14)라 불리는 차세 이온성 액체

가 그 좋은 이다

이온 도체

- 이온성 액체는 불휘발 불연성 특성이 있어 기존에

해액으로 사용되어온 유기용매가 갖고 있는 휘발성

인화성이라는 문제를 해결 할수 있다 따라서 이온

도성 재료로서의 연구는 리튬이온 지 연료 지 색소

증감 태양 지 작동장치(actuator) 커패시터(capacitor)

등의 이온성 소자용 해액 응용을 들 수 있다(3)

- 실제로 이온성 액체를 해액으로 사용하기 해서는

재 개발 된이온성 액체의 모든 물성을 개선하는데

범 한 분자설계로부터 물성과 구조의 계를 연구

하고 이를 통해 이온 특성을 최 화할 필요가 있다

- 보다 실제 인 응용을 해 이온성 액체 그 자체를

해액으로 사용하기보다는 고분자화에 의해 고체 해

질로서 하는 쪽이 더 좋은 경우가 있다 고분자화 된

이온성 액체의 특성은 이온성 소자의 소형경량화나 박

막화 안 성의 향상도 기 된다

- 재까지 얻어진 고분자 구조를 보면 고분자의 가지사

슬에 양이온음이온의 양쪽을 고정시킨 공 합 고분자

형 극성 이온형 등은 목 하는 이온만의 이동이

요구되는 응용에 당하다(15)

제2장 기술의 개요 13

다른 분야 응용

- 다른 분야의 응용 실례로는 자 도성 액체 윤활유

임계유체와의 혼합계 표면 개질제 등이 있다 휘발

하지 않는 액체 실온에서 액체상 염이라는 특징을 살

려 앞으로 다른 분야의 연구자와 교류를 통하여 이온

성 액체의 새로운 가능성을 열어갈 수 있다

15

제3장

국내외 연구개발 동향

1 연구의 방향

이온성 액체의 연구는 술한바 반응용매로의 이용과

해질 용액으로서의 이용으로 크게 분류된다

- Grignard 시약을 사용하는 반응 이외에는 부분이 이

온성 액체 에서 반응하는 것이 가능한 것으로 일반

의 유기합성 반응에서부터 고분자 합성까지 다양한 반

응이 검토되고 있다

- 소수성이 강한 불소함유 이온성 액체는 액액(液液)

의 2층으로 분리가 되어 물층의 에 무거운(비 15

정도) 이온성 액체층이 생성되는데 이를 이용하여 공

장 배수로부터 유기물을 추출하는 등 배수처리에 응용

할 수 있으며 반응물의 회수도 가능하다

해질 용액으로의 이용은 이온성 액체가 높은 이온

도성을 가진 것과 폭넓은 온도 역에서 액상을 유지하

면서 불연성인 것 창(電位窓)도 넓고 기화학 으

로 안정한 것 등의 특징을 가지고 있어 각종 기화학

디바이스에의 이용이 검토된다

- 이온성 액체가 해질 용액으로서 이용될 때 특히 특

16 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

정 이온의 이동(移動)이 기능발휘에 요한 역할을 하

는 경우에는 다음과 같은 두 가지의 을 고려해야

한다

용매로서 사용하는 이온성 액체를 구성하는 이온이

구배(potential gradient) 하에서 이동하도록 제어하

여 목 이온만을 도시킬 필요가 있다

목 이온을 성분으로 하는 이온성 액체가 거의 알려

져 있지 않기 때문에 목 이온을 함유한 염을 용해시

켜서 이용하는 것이지만 첨가한 염은 이온성 액체에

한 용해도가 일반 으로 높지 않다 용해성을 개선

하기 해서는 이온성 액체의 성분과 같은 이온을

응 이온으로 하는 염을 이용해야 한다

- 이온성 액체는 높은 이온 도성과 용질의 가용성(可

溶性) 등을 이용하여 해합성(電解合成)이나 해

합에도 응용되고 있다

2 반응장으로서 이온성 액체의 활용

농약 간체로서 요한 학활성체와 고분자 물질 생산

에 있어 용매 역할로 이온성 액체를 사용하여 그 가능성

특성에 하여 소개한다

제3장 국내외 기술개발 동향 17

학활성인 불소계 물질의 제조

불소계 물질은 의농약의 합성 간체로서 요하나 비

칭 불소화 반응에는 가 다

lt그림 3-1gt 비 칭 불소화 반응

- 이온성 액체 에서는 온에서도 사용 가능한 헥실=

메틸=이미다졸리움헥사후루오로포스페이트

[hmim][PF6]을 사용하여 구핵반응에 의해 비 칭 불

소화 반응이 일어나 높은 학순도의 불소화체를 합성

하고 있다(16)

- 이 반응의 과제는 학순도의 향상과 용 가능한 물

질을 넓히는 일이다 학활성 에폭시알코올의 불소화

로 학활성 불소화에폭시 화합물을 합성하는 것이 가

능하다고 알려져 있다(17)

18 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-2gt 학활성인 불소화 에폭시

비 칭 알돌(aldol) 반응

- 효소 알돌라아제(aldolase)에 의한 비 칭 합성을 모방

한 화학 매에의한 탄소-탄소 결합 형성 반응은 합성

화학의 요한 과제 이다(18) 용제로서 「재사용 가능

한」 이온성 액체를 이용하고 매로서 L- 로린

(proline)을 사용한 반응장에 한 몇 가지 보고가 나

와 있다(19)

lt그림 3-3gt L-proline을 매로 하는 알돌형 반응

제3장 국내외 기술개발 동향 19

- 아세톤과 L- 로린으로 형성된 에나민(enamine)을 반

응 기질(基質)로 하여 방향족 알데히드류와 알돌형 반

응에서도 지방족 알데히드 사이에서의 크로스 알돌형

반응에서도 꽤 높은 학순도의 생성물이 얻어지고 있

다(20)

- 기질로서 에틸=메틸= 톤을 사용할 때에도 높은

학순도로 입체제어를 행할 수 있고 반복 반응장으로

서 사용해도 재 성 좋게 생성물이 얻어지는 것을 확

인하 다

- 클로로아세톤으로부터 생성한 할로히드린을 간체로

서 학활성의에폭시 화합물로 변환할 수 있는 것도

알려져 있으나 학순도는70~80 정도이고 물질 제

조로서는 만족할 만한 학순도는 아니다(21)

- 기질인 알데히드류와 로린으로부터 형성된 반응

간체는 Michael addition(마이클 부가반응)을 용이하게

진행시킬 수 있다 이 반응에서는 수용체(受容體)의

LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital) 에

지가 하하고 구핵제(求核劑)의 공격을 받기 쉽게 되

는 것이 필요하여 불소계 물질이 합하다

- 로린 이외의 유기분자에서는 디에틸아미노트리메틸

실란을 매로서 이용한 불소계 물질의 선택 인 올

핀류 합성이 발표 되었다이 반응계에서는 알데히드류

와 매로부터 생성한 반응 간체가 불소계 헤미아세

탈류로 되고 간체로부터 입체 선택 으로 편일방(片

一方)의 올 핀류를 생성하고 있다(22)

20 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

학활성인 이온성 액체

- 학활성인 이온성 액체는 학활성인 아민계 물질을

출발원료로 해서 합성되고 있는 경우로 니코틴을 출발

물질로 학활성인 이온성 액체를 만들 수 있다(23) 할

로겐 교환법을 사용하는 합성법의 첫 단계에서 얻어지

는 니코틴의 롬염은 고체이지만 LiNTf2로 음이온

교환을 하면 도가 높은 이온성 액체가 얻어진다

lt그림 3-4gt 수종의 학활성인 이온성 액체

합성된 이온성 액체 [Et(S)-nicotine]NTf2를 Diels-

Alder 반응의 반응 용매로서 사용한 결과 기 한 바와

같이 양호한 수율로 생성물이 얻어 졌지만 3 아미노

기가 염기성 매로서 작용을 하여 비 칭 반응장으로

서의 기능은 나타나지 않았다

제3장 국내외 기술개발 동향 21

lt그림 3-5gt 학활성 이온성 액체의 염기성 매로서의 기능발

를 들면 디엔 체의 3-히드록시 -2피론을 사용하여

Diels-Alder 반응을 하면 루이스산이 기질에 결합하여

기질의 HOMO(the highest occupied molecular orbital)

에 지 가 하되고 반응이 진행하지 않는 것이

확인되었다

dienophile(2 결합을 한개 가진 화합물)로서 아크

릴산메틸을 사용하면 높은 수율로 endoexo = 31의

목 하는 화합물을 얻을 수 있으나 이 반응을 보통

이온성 액체[emim][NTf2] 에서 행하면 진행하지 않

는다(24)

에폭시화 반응

- 합성 간체로서 주목되는 에폭시 화합물도 이온성 액

체 에서 합성되고 있다 효소의 산화반응을 이용하

여 과산화수소를 사용해서 계 에서 과 산을 생성시

켜 효소반응과 화학반응을 연속 으로 조합시켜 에폭

22 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

시 반응이 일어나고 이온성 액체를 반응장으로 사용

한 시스템이다(25)

lt그림 3-6gt 효소반응을 활용한 에폭시화 반응

- 기질류(基質類)에서의 비 칭 에폭시화 반응에서 얻어

진에폭시 화합물의 학순도는 높기 때문에 실용 인

합성방법이며 이 시스템에서는 이온성 액체를 5회 반

복 사용하여도 수율이나 학순도의 변화가 없음이 보

고 되고 있다(26)

lt그림 3-7gt 비 칭 에폭시화 반응

제3장 국내외 기술개발 동향 23

비 칭시아노화 반응 비 칭 사이클로 로 화 반응

- 알데히드류의 비 칭시아노화 반응에서도 비 칭 매

를 활용함으로서 학순도가 98정도로 원하는 생성

물이 얻어지고 있으며 이온성 액체의 반응장으로서 유

용성을 보여주고 있다(27)

lt그림 3-8gt 비 칭 시아노화 반응

- 디아조화합물을 사용하는 사이클로 로 화 반응에서

생성하는 시스체와 트란스체의 기하이성체 비는 높지

않으나 각각 학순도는 상당히 높은 것이 얻어진

다(28)

lt그림 3-9gt 비 칭 사이클로 로 화 반응

24 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

이온성 액체 에서의 고분자 합성

- 이온성 액체 에서 합반응을 행하면 MwMn비가

작게 되는 것으로 보고 되었다 이온성 액체를 이용하

여 합개시제로서 과산화벤조일이나 아조비스이소부

틸로니트릴을 사용한 스티 메틸메타크릴 이트의

호모(homo) 합에서 생성물은 이온성 액체로부터 여

과하는 것만으로 분리가 가능하고 회수한 이온성 액체

를 합용 용매로서 재이용이 가능하고 생성된 고분자

체의 분자량도 증가한다

lt그림 3-10gt 이온성 액체[bmim][PF6] 의 스티 의 합반응

중합용매

개시제 중합용매 수율() 분자량

중합용매

개시제 중합용매 수율() 분자량

- 벤젠 에서와 비교하여 이온성 액체 에서 합도

(重合度) 더욱이 생성물의 수율이 향상하는 것은 이

온성 액체의 도가 벤젠에 비하여 높아 연쇄 이동을

일으키기가 어렵고 생성한 폴리머 라디칼이 용매계로

부터 계외(系外)로 배출되기 쉽기 때문이라 생각된다

- 더욱이 이온성 액체 에서 AIBN(22-Azobis (isobuthy-

제3장 국내외 기술개발 동향 25

ronitril)) 내지는 BPO(benzoylperoxide)를 합개시제

로 한 스티 과 메틸메타크릴 이트의 라디칼 공 합

에 하여도 검토되고 있다

- 공 합 반응은 스티 의 첨가 몰비를 MMA에 비해

증 시켜도 코폴리머 분자량 모노머의 변화율이

하하는 경향이 있다 이 결과는 벤젠을 용매로 한 공

합계와 반 의 경향이고 이온성 액체의 극성이 높아

스티 에 비하여 극성 용매 에서 MMA의 합성이

높아지기 때문이라고 생각된다(29)

lt그림 3-11gt 이온성액체[bmim][PF6] 의 공 합 반응

3 촉매반응에서의 이온성 용액

매반응에서 이온성 용액은 자체 매성 보조 매 매활

성자 매 심의 새로운 리간드의 원 반응을 한 용매

등으로써 용된다(30)

26 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

유기 매로서의 이온성 용액

- 이온성 용액을 매반응에 사용하는 가장 좋은 방법은

용매와 매를 조합해서 사용하는 것이다 용매를 바

꿀 때마다 반응이 빨라지면 새로운 용매는 매 역할

을 한 것으로 본다

lt그림 3-12gt methyl acrylate와 [C4C1im]+ 양이온 사이의 수소결합

- 염화알루미늄염(III)(AlCl3) 이온성 용액에서 자치

환 산성 이온성 용액에서 아 (arenes)의 좋은 용해

성과 결합한 산성의 염화알루미늄염 이온성 용액의

높은 농도 [Al2Cl7]-는 친 자성 방향족 치환을 한

이상 인 용매로 만들 수 있다 산성인 [C2C1im]

Cl-AlCl3에서 1-염화 로 과의 벤젠 알킬반응에서 알

킬 고분자화가 측되었다 이이온성 용액시스템은 높

은 활동성과 선택성을 보 다(31)

- 유기용매로서 이온성 용액 이온성 용액은 지난 수년

간 유기 매 반응에 새로운 흥미를 갖기 시작하 으며

이 분야에 향을 수 있는 가능성을 가지고 있다

유기 매 반응에 한 근방법은 흔히 디엘-알더

(Diels-Alder) 환형추가 그 유도체인 수소결합의

상호작용 반응을 통해서이다(32)

제3장 국내외 기술개발 동향 27

보조 매로의 이온성 용액은 올 핀의 이합체화 (Olefin

dimerization)에서 니 매로 산성염화알루미늄염의 이

온성 용액이 로펜을 헥센에 이합체화를 한 반응에서

용매와 보조 매의 조합으로 사용한 첫 번째 경우이

다(33)

리간드 원으로서의 이온성 용액

- 수소화와 수소포르 화 반응 수소화 반응 수소포

르 화 반응을 해 용매로서 [Et4N][SnCl3]의 PtCl2용

액은 속에 매의 확실한 분해도 없이 올 핀의 수

소화에 효과 으로 매반응을 일으켰다 공기와의

을 피하도록 하는 가운데 활성화의 손실이 없이

매용액을 계속 으로 사용함으로써 반응이 이루어진

다(34)

- 팔라듐 NHC착물의 형성 이온성 용액은 팔라둠 매

반응의 넓은범 의 용매로 사용되어 왔다 이 연구과

정에서 재미있는 화학 상은 HHC착물과 나노 입

자의 형성이었다 이는 아직 논쟁의 상이 되고 있다

NHC착물은 이미다졸리움 이온성 용액에서 형성되며

기 하지 않는 반응성 는 선택성이 감지될 때 이를

항상 고려해야한다(35)

28 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-13gt NHC 매의 lactide 합에서의 ring opening

- 이온성 용액에서 나노입자의 형성 최근에 매로서

나노입자의 사용이 증가되는 심분야이다 1996년

Kaufmann이 이온성 용액에서처음으로 팔라듐의 매

반응을 보고하 다 일련의 아릴 롬이[C16PbBu3]Br

는 [Bu4N]Br에서 노말-알킬 이트와 결합하여 수율

90이상의 trans-시안염을 생성하는 반응이었다(36)

반응 용매로서의 이온성 용액

- 알 수소화 반응 [SbF6]- 와 [PF4]-의 두 이온성

용액에서 수소화 반응의 속도는 알 용액에서보다 훨

씬 높았다 왜 이 이온성 용액이 개선되었는지에 해

서는 아직 연구된 바가 없다 실제 매의 실체조차확

인이 안 되었다 반응용액으로부터 생성된 알 은 분

리가 쉬웠고 매를 함유한 용액은 순환되었다(37)

lt그림 3-14gt [C4C1im][PF6]의 수소포르 화 매의 두형태의 평형

제3장 국내외 기술개발 동향 29

- 산화 비록 재 사용되는 부분의 이온성 용액은 산

화에 안정 이고 산화과정에 이상 인 용매를 제공하

고 있지만 이것은 불과 지난몇 년 사이의 일이었다

Ni(acac)2는 [C4C1im][PF6]에서 해당되는 산의 라-

치환 benzaldehydes를 보통의 수율로 공기 에서 산

화반응의 매로 사용되어 왔다(38)

기화학 매용매로써의 이온성 용액

- 자화학을 이끄는 이온성 용액은 기화학 합성용

용매로서 가능성을 보이고 있다 최근에는 Ni이 알킬

벤질 아릴 할로겐화합물의 기 도성 동종결합

(electro conductive homo-coupling) 반응에 매로 보

고 된 바 있다 니 (II)착물은 니 (0)의 종에 하여

환원되고 방향성 할로겐화물에 첨가되어 할로겐 화합

물이 된다는 제안이 있었다(39)

이온성 용액의 고정화

- 반응시스템이 액체일 때 많은 장 이 있지만 때로는

그것을 고정화(immobilize) 시킬 필요가 있다 이온성

용액을 고정화 시키는데 심이 모아지고 있으며 첫

번째의 시도가 이온성 용액- 합체 겔을 만들기 하

여 고분자 vinylidenefluoride- hexachloropropylene의

공 합체를 사용한 것이다(40)

30 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

4 근대의 동향

할로겐 리이온액체

- 근년 이온성 액체에 한 연구가 많이 수행되고 있지

만 합성하고 있는 이온성 액체의 구조는 의외로 한정

되어 있으며 양이온은 테트라알킬암모늄(tetraalkyla-

mmonium) 피롤리디니움(pyrolidinium) 이미다졸리움

(imidazolium) 피리디니움(pyridinium) 등과 같이 비

교 다양성이 풍부한 반면에 음이온 종류는 BF4

PF6 CF3SO3 (CF3SO2)2N 등 할로겐 원소를 구조

에 함유한 것은 일반 으로 종류가 많지 않다(41)

- 할로겐을 포함하지 않는 음이온도 보고 되어 있는데

많은 양이온과 조합하여 액체화를 달성함이 쉽지 않고

한정된 양이온과 질산음이온이나 산 음이온 등을 결

합시킨 것이 보고 되어 있다(42)

- 최근 H Ohno(43)등은 할로겐 원소를 함유하지 않은

음이온으로 이온액체를 구축하기 하여 헤테로방향환

화합물을 착안하여 이미다졸이나 피라졸 등의 아졸

(azol)류 에서 산성을 띠는 124-triazolate 1234-

tetrazolate 등과 이미다졸리움 양이온을 조합시키는 것

에 의해 이온성 액체를 합성하 다

- 이 이온성 액체는 분자량과 비교해서 하의 비국재화

(非局在化)가 크다 한 할로겐 원소를 함유하지 않

고 C H N의 3종류원소만으로 구성되어 있다

제3장 국내외 기술개발 동향 31

lt그림 3-15gt 할로겐 리이온액체의 구조

쯔 츠 이온성 액체 (Zwitter ionic liquids)

- 한편 M Yoshizawa(44) 등은 이온 도재료로서 이온액

체를 사용하는 경우는 구배에 한 이온액체의 구

성이온종의 이동이 큰 문제로 된다

- 따라서 리튬 2차 지나 연료 지 등 목 이온종의 수

율과 계의 출력과의 계를 디바이스에 응용할 때는

이온 도재료로서 이온성 액체를 사용하는 것으로 양

이온과 음이온을 스페이서(spacer)로 결합하는 것에

의해 실온에서 액체상태인 성 이온 액체(zwitter

ionic liquid)를 제안하고 있다

- 양이온과 음이온을 스페이서로 결합하면 하는 체

로서 성이 되어 하이동이 없는 염으로 되는데 스

페이서가 짧아서 충분한 염해리가 힘드나 어느 정도의

자유도가 얻어지면 zwitterion으로 된다

32 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-16gt zwitter ionic liquids의 모식도

특정이온을 포함하는 이온액체

- 이온성 액체를 이온 도체로 사용하는 과제는 목 이

온의 도입이다 이는 리튬염 등 목 이온을 포함하는

염 등을 이온액체에 용해시켜 도입한다

- 그런데 염의 첨가는 계의 성의 증가 이온 도도의

하를 가져온다 한 이온액체와 상용하는 분자무

기염은 많지 않고 첨가염의 종류도 한정되어있는 것이

문제이다

- 이의 해결이 자의 zwitter ion이고 두 번째가 목 이

온을 실온에서 액체화가 가능하면 문제가 해결된다

이러한 방법으로 각종의 알칼리 속 이온성 액체

(alkali metal ionic liquid)를 개발하 다(45)

- lt그림 3-17gt은 알칼리 속이온성 액체는 2가의 응

음이온과 1가의 오니움(onium) 양이온 1가의 목 이

온으로 구성된다

lt그림 3-17gt 알칼리 속이온액체의 개념도

제3장 국내외 기술개발 동향 33

- 이온액체는 구성하는 이온 간의 정 기 상호작용은

없을수록 좋으므로 강한 상호작용을 일으키는 다가이

온의 사용은 물이다 당 리튬 양이온의 이온액체

가 목 이나 여러 가지의 알칼리 속이온도 액체로

되는데 이를 응용하면 로톤을 포함하는 이온액체도

얻어지게 된다

이온액체의 합

- 이온성 액체는 분자 디자인이 용이하기 때문에 고분자

구조를 도입하는 것도 가능하며 이온성 액체의 고분

자화로는 각종의 고분자와 혼합한 겔화가 알려져 있지

만 이온성 액체 에 합기를 직 도입하여 고분자

화 하는 것에 의해 이온 도성뿐 아니라 디바이스의

다운사이징(down-sizing)에 기여할 것으로 망하고

있다(41)

- lt그림 3-18gt은 고분자화 이온액체를 나타내는데 종래

의 polyethyl-eneoxide유도체에 의존하지 않는 새로운

이온 도재료로서 검토된다

- lt그림 3-18gt에서 양이온과 음이온의 한쪽이 고분자의

주쇄에 고정되어 있어서 도 이온종을 선택하는 이

유용하다 한 구성이온종의 양방이 고분자 주쇄에

고정된 구조는 이온 도성을 나타내지 않으나 목 이

온의 첨가로 선택 도가 일어난다(46)

34 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-18gt 이온액체폴리머의 변화

자기조직화 이온액체

- 이온액체는 등방성의 액체로서 3차원 인 이온을 운반

하는 것이 가능하다 이로서 차원제어를 행하고 특정

방향으로 이온을 수송하는 시도가 있다 이를 해 자

기 집합력을 이온액체에 부여할 필요가 있다

- 이온액체의 자기조직화에는 양친매성화합물(兩親媒性

化合物)의 성질을 이용한다 극성성분이 있는 이온액

체에 비극성기(탄화수소쇄 탄화불소쇄)를 도입한 양

친매성 이온액체는 벌크로 써모트로픽 액정성을 발

하여 극성 비극성기가 분자 벨에서 상분리된 구조

를 형성한다

- 이 액체 도메인 에는 이온성 액체자신은 용융되어

높은 운동성을 갖는 알킬기의 집합층에 고정된 상태일

것으로 생각된다 여기에 리튬염을 첨가하면 비극성염

을 갖지 않는 리튬이온의 우선 인 수송이 기 된

다(lt그림 3-19gt 참조)

제3장 국내외 기술개발 동향 35

lt그림 3-19gt 이온성 액체 도메인 의 목 이온수송의 모식도

새로운 용매

- Alabama 학의 Rogers 등은 셀룰로오스를 용해시키는

이온성 액체로서 bmim Cl(1-butyl-3-methylimidazolium

chloride)을 개발하 다(47)

lt그림 3-20gt bmimCl의 구조

- Bmin Cl은 실온에서는 고체로서 75에서 용해되지만

100 정도로 가열한 bmim Cl에 종이(셀룰로오스)를

침지하면 순식간에 용해된다 이 용액을 시린지

(syringe)에 의해 물 에서 용출(溶出)시키면 셀룰로

오스 화이버가 생성된다 풍부한 목재자원을 셀룰로스

로 추출하는 시도가 이루어지고 있다

36 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

- 한 핵산류를 용해시킨 이온액체를 개발하고 있는데

DNA나 RNA는 물에 쉽게 용해되지 않는데 이를 용

해시키는 이온액체가 얻어졌다 일정량의 핵산을 용해

시키는 온도는 사용하는 이온액체의 구조에 크게 의존

한다(48)

- 특히 분자내 는 분자간의 수소결합을 단하는 능

력이 요구되는데 여기에는 염소음이온의 효과가 큰 것

으로 알려져 있다 염소를 포함하는 염은 일반 으로

융 이 높고 실온에서 액상으로 존재하기가 어려운

이 있다

- 이는 음이온의 부 하가 비국재화하고 있지 않기 때문

에 정 인 상호작용이 강하게 작용하고 있는 결과이

다 이를 피하기 해 양이온구조를 개선하여 상온에

서 액체의 염화물 염을 합성한다(49)

- 이 방법으로 양이온 구조를 개선하여 실온에서 액체상

태 염화물염인 aaim Cl(13-diallylimidazolium chloride)

를 개발하 다 aaim Cl은 융 이 21 부근이지만 한번

용융하면 과냉각 상태에서도 안정하여 실온에서 사용

가능하다 단지 도가 높은 것이 난 이다

단백질의 기화학반응용 해질용액

- 단백질의 기화학 인 성질로서 단백질을 이온액체에

용해시키는 것은 통상의 고분자를 용해시키는 것과는

차원이 다데 단백질의 기능은 펩사이드쇄의 3차 구조

에 크게 의존하기 때문에 3차구조가변하면 변성에 의

해서 목 달성이 되지 않는다 따라서 무리한 용해작

업은 변성을 래한다

제3장 국내외 기술개발 동향 37

- 이에 하여 PEO(polyethylene oxide)의 에테르산소가

이온과 강하게 상호작용하고 있다 이는 가용성을 의

미하며 PEO가 단백질과 이온액체를 용해하여 단백질

의 안정성을 향상시킨다 종래 바이오디바이스의 작성

이 곤란했든 것은 수 에서 단백질의 불안정성에 기인

하 는데 사용 온도에 따라 이온액체 의 단백질의

기화학이 새로운 가능성의 개척을 시사한다(50)

5 국내동향

이온액체의 매반응분야(51)

- 한국과학기술연구원 송충의 박사는 이온성 액체를 키

랄 화합물 제조를 한 매반응에 도입하여 고가인

매와 용매의 반복 사용을 가능하게 함에 따라 결

국 매와 용매의 소비를 최소화시킬 수 있는 소 청

정 비 칭 매반응을 개발하 다

- 즉 Jacobsons chiral (salen)MnIII

매 존재 하에서

22-dimethylchro-mene의 비 칭 에폭시화 반응시

[bmim]PF6와 CH2Cl2 (14 vv) 혼합물 용매를 사용

함으로써 96-94의 학순도로 chromene oxides를

합성하는데 성공하 다 이온성 액체를 첨단유기합성

기술인 학활성화합물 제조기술개발에 용함으로써

용매와 매의 소비를 최소화하는 반응과정을 개발하

고 있다

- 이와 같은 기술은 화학 산업에서의 공해 요인을 감소

38 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

시킬 것이며 특히 노벨화학상 수상분야인 비 칭

매반응 분야의 최 문제 으로 지 되었던 키랄 매

의 분리 재회수가 가능하게 되었다는 에서 기술

으로도 우수한 성과라 할 수 있다

- 한 이온성 액체 내에서 일부 매반응이 가속화될

수도 있고 선택성 매의 안정성 역시 향상될 수

있음을 밝혔으며 더욱 놀라운 결과로는 기존의 유기

용매 내에서는 진행되지 않던 일부 반응이 이온

성 액체 내에서는 정량 으로 진행될 수 있다는 것이

- 한 많은 요한 유기반응에서 이온성 액체가 용매로

서뿐 아니라 자신이 재사용 가능 한 매로도 작용할

수 있음을 밝힌 바 있다 이러한 일련의 결과들은 이

온성 액체가 21세기에 매분야뿐 아니라 체 유기화

학분야의 새로운 장을 열고 있다는 에서 요한 의

미를 지닌다고 할 수 있다

합성 응용분야(52)

- 한국과학기술연구원 김훈식 박사 연구 은 KSeO2

(OCH3)를1-alkyl-3-methylimidazolium chloride와 반

응시켜 새로운 이미다졸륨 알킬셀 나이트 ([Rmim]

[SeO2(OCH3)]) 화합물을 합성하 다

- 아민화합물의 산화성 카르보닐화 반응을 통한 치환된

우 아 제조 반응에서 기존의 KSeO2(OCH3)을 매로

사용하 을 경우에 비해 이 화합물은 보다 온화한 반

응조건을 제공할 뿐 아니라 이소시아네이트의 구체

인 치환된 우 아와 카바메이트를 고수율로 합성할 수

제3장 국내외 기술개발 동향 39

있었다

- 재 이온성 액체를 이용한 분리 유기 속화합물을

함유한 고활성 매로서의 이온성 액체의 합성 응

용에 한 연구를 수행하고 있다

- 포항공과 학교의 김만주 교수 연구 은 Lipase를

[PPMIM]PF6 (PPMIM = 1-(3-phenylpropyl)-3-

methylimidazolium)와 혼합시켜Ionic liquid-Coated

Enzyme (ILCE)을 합성하 다 이 새로운 타입의

immobilized biocatalyst는 2차 알코올의 transest-

erification 반응을 통한 acetylated 화합물합성에 높은

활성과 재사용성을 보여 주었으며 이러한 연구결과를

다양한 생화학분야에 용하기 한 연구를 수행하고

있다

- 인하 학교의 지 윤 교수연구 은 alkyl mesylate로부

터 fluoro-alkane을 합성하는 반응에서 이온성 액체를

용매로 사용함으로써 기존방법에 비해 부반응이 거의

없고 생산성이 히 증가된 결과를 얻었으며 이러한

결과를 실용화시키기 한 연구를 지속하고 있다

- 신약개발 바이오벤처 기업 씨트리(C-TRI)는 이온성

액체를 이용한 학활성 화합물제조 기술개발회사로

서 지난 상반기에 31억원의 매출을 올렸으며 최근 이

온성 액체를 이용한 신약개발과 정 화학사업에 필요

한 연구 인력을 거 보강하여 이온성 액체 련사업

을 추진하고 있다

41

제4장

결론 및 제언

향후의 방향

- 이온성 액체에 한 앞으로의 망은 이온성 액체를

주 테마로 하는 국제회의가 증가하고 있다 미국화학

회는 작년 9월 New York에서 이온성 액체에 한 세

션이 개최되어 열띤 토론이 진행 되었다

- 2004년 3~4월에 Anaheim에서 개최된 세션은 ldquo이온성

액체와 고분자rdquo 다 유럽과 미국에서는 이온성 액체

를 반응용매로 보는 것이 주류를 이루고 있었다

- 2004년 10월 Hawaii에서 기화학의 미일합동 회가

열린다 주제는 이온성 액체(용융염)에 한 연구이었

- 앞으로도 이온성 액체에 한 연구는 증가할 것이고

여러 가지 배경을 갖고 있는 연구자들이 서로 다른 목

표를 가지고 연구에 노력할 것이라 생각된다

국내사정

- 우리나라의 황을 보면 재석유화학 의학 산업에

서만 약7억불에 달하는 유기용매가 사용되고 있으며

이들을 모두 체할 수 있다면 최 7억불시장을 형성

할 수 있으므로 이온성 액체의 시장잠재력은 매우 크

42 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

다 하겠다

- 이온성 액체는 휘발성유기화합물을 체할 수 있을 뿐

만 아니라 고가의 귀 속 매를 이온성 액체 층에 고

정화 시킬수 있어 매의 회수 재사용을 용이하게

하며 매의 활성도 안정도 선택도까지도 획기

으로 증가시킬 수 있으므로 환경 측면은 물론 경제

인 에서도 바람직한 청정용매라 할 수 있다

- 상기한바 와같이 이온성 액체의 잠재 인 응용가능성

은 앞으로 무한할 것으로 사료되므로 국내에서도 이에

한 연구자들의 심과 더불어 정부 기업체에 의

한 연구지원이 지속 으로 이루어져야 할 것이다

후의 과제

- 통상의 용매로 이온성 액체를 이용하는 경우에는 내구

성 제조가격 등의 인자가 요하지만 목 이 한정된

이온성 액체의 이용에 있어서는 목 하는 기능을 요

시할 필요가 있다

- 많은 이온성 액체가 합성되고 있으나 원하는 높은 물

성을 갖는 이온성 액체를 설계하는 데 기본이 되는 이

론이 아직은 없는 편이다 이를 해서는 특히 이온성

액체의 구조-물성의 상 계가 밝 져야 하는데 많

은 연구가 진행되고 있음에도 불구하고 그 계가 밝

지지 않고 있다 따라서 상태로서는 원하는 이온

성 액체를 직 만들어서 평가하는 방법밖에 없는 게

실이다

- 그러나 도화와 열안정성 등과 같이 상반 계에 있

는 특성은 하나의 라미터를 변화시키는 것에 의해

제4장 결론 및 제언 43

한 쪽의 특성은 양호하게 되지만 다른 한 쪽의 특성이

악화되는 것을 피할 수 없는 성질로서 아직 양쪽을 동

시에 만족하는 이온성 액체는 실 하지 못하고 있다

- 향후 이온성 액체는 청정용매의 개발과 더불어 새로

운 청정 공정기술의 개발을 통하여 신소재 신물질 생

산 공정을 환경친화 이면서 경제성 있는 공정개발에

기여할 것으로 기 된다

- 특히 비닐기 같은 합성 기능기를 이온성 액체의 단

구조로 도입하여 단독 합이나 공 합을 통해 고분

자화한 이온성 액체를 만들 수 있어 이를 잘 활용하여

이온 지라든가 연료 지 등의 해액으로 응용의 길

이 열린다면 학문 으로나 공업 으로 큰 의의가 있으

리라 생각되며 이 분야의 연구가 활성화되길 기 한

45

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저자소개

손 목

공학박사

한국에 지기술연구소 원장

한국과학기술정보연구원 문연구 원

서 수소 연료 지 개스 센서기술 등

강 종 석

공학박사

한국과학기술정보연구원 선임연구원

서 BT분야 국가연구개발 심층분석

리튬이차 지 등

BB088 손 목강종석

이온성 액체의 반응성 및 전기화학적

특성 연구동향

2005년 12월 19일 인쇄

2005년 12월 23일 발행

발행처

서울특별시 동 문구 청량리동 206-9

ꂕ 130-742

화 3299-6114

등록 1991년 2월 12일 제5-258호

발행인

조 화

인쇄처

신기획

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ITA 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Page 2: 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향gift.kisti.re.kr/data/IAC/files/KISTI-200512-SYM-ion_fluid.pdf · ※ 이온성 액체는 사용되는 음이온의

머 리 말

21세기는 지식과 정보가 그 국가의 경쟁력을 좌우하는 지식

기반 산업사회로 나아가고 있으며 최고가 아니면 살아남을

수 없는 무한경쟁시 가 되어가고 있습니다 이러한 변화 속

에서 각 국가에서는 미래 유망기술(Emerging Technology)을

선정하여 국가 역량을 집 함으로써 차세 국가경쟁력을 확

보하려는 여러 가지 노력을 기울이고 있습니다

최근 우리나라에서도 미래 유망기술에 한 심이 어느 때

보다도 증 되고 있는 가운데 한국과학기술정보연구원에서는

과학계량학 인 방법으로 미래 국가 유망기술을 측하기

한 일련의 연구를 수행하고 있습니다

본 보고서는 과학기술정보데이터베이스(SCIE)에서 최근 6

년간 분야별 피인용도가 높은 핵심논문들을 가지고 정보계량

학 인 분석을 행하여 선정된 핵심 유망 연구 역에 해

련 국내 문가들의 자문을 토 로 작성된 RampD 동향보고서입

니다 본 보고서가 련 과학기술정보를 국내에 확산시키고

미래 국가유망기술의 략 육성을 한 연구개발 활동에 작

으나마 도움이 되었으면 합니다

마지막으로 본 보고서를 집필한 자들의 노고에 감사드리

며 본고의 내용은 한국과학기술정보연구원의 공식의견이 아

님을 밝 둡니다

2005년 12월

한국과학기술정보연구원

원 장

목 차

제1장 서 론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot1

1 연구의 배경 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot1

2 연구의 방법 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot2

제2장 기술의 개요 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot3

1 이온성 액체란 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot3

2 이온성 액체의 특성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot4

3 이온성 액체의 합성방법 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot9

4 이온성 액체의 응용분야 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot11

제3장 국내외 연구개발 동향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot15

1 연구의 방향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot15

2 반응장으로서 이온성 액체의 활용 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot16

3 매반응에서의 이온성 용액 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot25

4 근 의 동향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot30

5 국내동향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot37

제4장 결론 제언 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot41

참고문헌 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot45

그림 목차

lt그림 2-1gt 모든 이온성 액체가 상온에서 액체가 되는 것은 아니다 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot4

lt그림 2-2gt 이온성 액체의 특징과 표 인 구성 이온 종류 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot5

lt그림 2-3gt n-octyl sulfate( ) docusate(아래) middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot7

lt그림 2-4gt 상품화된 다양한 이온성 액체 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot9

lt그림 2-5gt 이온성 액체의 합성법 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot10

lt그림 3-1gt 비 칭 불소화 반응 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot17

lt그림 3-2gt 학활성인 불소화 에폭시 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot18

lt그림 3-3gt L-proline을 매로 하는 알돌형 반응 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot18

lt그림 3-4gt 수종의 학활성인 이온성 액체 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot20

lt그림 3-5gt 학활성 이온성 액체의 염기성 매로서의 기능발 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot21

lt그림 3-6gt 효소반응을 활용한 에폭시화 반응 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot22

lt그림 3-7gt 비 칭 에폭시화 반응 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot22

lt그림 3-8gt 비 칭 시아노화 반응 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot23

lt그림 3-9gt 비 칭 사이클로 로 화 반응 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot23

lt그림 3-10gt 이온성 액체[bmim][PF6] 의 스티 의 합반응 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot24

lt그림 3-11gt 이온성액체[bmim][PF6] 의 공 합 반응 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot25

lt그림 3-12gt methyl acrylate와 [C4C1im]+ 양이온 사이의 수소결합 middotmiddotmiddotmiddotmiddot26

lt그림 3-13gt NHC 매의 lactide 합에서의 ring opening middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28

lt그림 3-14gt [C4C1im][PF6]의 수소포르 화 매의 두형태의 평형 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28

lt그림 3-15gt 할로겐 리이온액체의 구조 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot31

lt그림 3-16gt zwitter ionic liquids의 모식도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot32

lt그림 3-17gt 알칼리 속이온액체의 개념도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot32

lt그림 3-18gt 이온액체폴리머의 변화 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot34

lt그림 3-19gt 이온성 액체 도메인 의 목 이온수송의 모식도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot35

lt그림 3-20gt bmimCl의 구조 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot35

1

제1장

서 론

1 연구의 배경

21세기 지식기반사회에서 과학기술경쟁력은 국가경쟁력

의 원천이며 이에 세계 각국들은 미래의 경쟁에 살아남

기 해 핵심기술과제를 선정하여 연구개발에 박차를

가하고 있다

우리나라 과학기술부도 2005년 6월 lsquo미래국가유망기술

원회rsquo를 구성하여 lsquo과학기술 측조사(2005-2030)rsquo 결과

(2005년 5월 국가과학기술 원회 보고)에서 도출된 기

술후보군을 바탕으로 『미래 국가유망기술 21』을 선정

하여 발표한 바 있다

한 한국과학기술정보연구원(KISTI)에서는 2005년 SCIE

논문데이터베이스를 이용한 정보계량학 분석을 통해

『미래 유망연구 역 선정연구』를 시도하 으며 본 보고

서는 그 결과에 기 하여 최근 2~3년간 논문의 인용도가

속히 높아지고 있는 유망 연구 역을 심으로 기술논평

형식으로 풀이한 심층 Expert Review이다

2 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

2 연구의 방법

한국과학기술정보연구원에서는 SCIE 데이터베이스에 등

록된 논문(1999~2005년 상반기까지 발표된 논문) 에

서 각 연도 각 분야별( 분류 22분야)로 피인용수

가 상 1인 고인용 논문(HCP Highly cited papers)

을 추출하고 공인용분석(Co-citation analysis) 동시단

어분석(Co-word analysis) 등의 과학계량학 방법들과

문가 평가(Expert evaluation)를 통해 lsquo미래 유망연구

역rsquo을 도출하 다

상기 도출된 미래 유망연구 역 에서 통계학 방법으

로 최근 논문의 인용도가 격히 상승하는 연구 역을

과학기술 분야별로 추출하여 본 테크이슈 보고서의 주제

로 삼았다

본 보고서는 이온성 액체의 반응성 기화학 특성

연구동향 분야에 있어서 최근 많이 발표되고 있는 논문

들을 종합하여 련 분야 연구에 한 기 지식과 함께

세계 인 연구동향을 개 으로 살펴보고 미래 핵심기

술로 자리잡기 한 연구개발 략을 제시하 다

3

제2장

기술의 개요

1 이온성 액체란

이온성 액체는 이온만으로 구성된 액체이며 분자성 용

매를 함유하지 않고 있기 때문에 증기압이 거의

없고 진공 에서도 액상(液狀)을 유지하는 특이한 액

체이다(1)

- 염(salt)은 양이온과 음이온이 강한 정 기 인 상호작

용을 통해 각각의 이온들이 규칙성을 갖고 정연하게

배열하고 있다 NaCl로 표되는 무기염은 고체상 결

정으로 이 염을 용융시키는 데는 800이상의 열이 필

요하다

- 용융상태의 무기염이 도 용기나 열 도체로 이용되

고 있는 것은 오래 부터 알려져 있으나 고온에서 이

용하는데 불편한 도 많았다 이종 이온의 혼합 등

융 을 낮추는 연구가 많았으나 100이하에서 용융하

는 무기염의 개발이 요해진다

1992년에 Wilkes 등이 1-ethyl-3-methylimidazolium-

tetrafluoroborate가 기 하에서 안정하여 실온에서 액

체상을 형성한다는 보고가 있은후 서서히 연구자나 기

4 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

술자의 주목을 받게 되어 이에 한 연구가 성행하게

되었다 이와 같이 실온에서 액체가 되는 염을 이온성

액체(ionic liquid)라 부른다(2)

- 일본에서는 실온에서 용융된 염을 이온성 액체라 하지

만 구미에서는 융 이 100 이하의 염을 ionic liquid

라고 하여 다소의 개념 차이가 있다

lt그림2-1gt 모든 이온성 액체가 상온에서 액체가 되는 것은 아니다

왼쪽은 mp 40의 methyltri-n-butylammoniumdocusate이며 오른쪽은

RTIL(room temperature ionic liquid)의 1-butyl-3- methyl imidazolium

diethyleneglycolmonomethylethersulfate이다 이온액체는 흰색에서 은

황색과 오 지색이 있다

2 이온성 액체의 특성

일반 물성

- 이온성 액체는 넓은 온도 범 에서 액체상태를 유지한

제2장 기술의 개요 5

다 증기압이거의 제로(zero)이며 보통 용매가 증발하

는 고온(400정도)에서도 안 하게 존재하는 것이 많

다 화학 으로 안 하며 불휘발성이기 때문에 유기물

인데도 불구하고 불연성이다(3)

- 이온만으로 구성된 고 도 액체는 하게 극성이 크

다고 생각하고 있으나 실제 이온성 액체는 알코올 정

도의 극성을 갖고 있으며 비 이 15 이상으로 큰데

비해 낮은 성을 갖고 있어 일반 인 극성용매와 같

이 취 된다

- 고 도의 이온의 운동성이 높아 양호한 이온 도성을

갖는다 기화학 으로 안정한 것도 보통의 분자성

용매에는 없는 특징이다

- 이온성 액체의 구성이온이 유기물이라는 으로 보아

여러 가지 유도체를 얻을 수 있는 것도 특징이다 비

록 여러 종류의 이온을 당하게 조합하여도 액상으로

될 가능성이 기는 하지만 한 설계에 의해 액상

염의 기능설계 가능성이 있다

lt그림 2-2gt 이온성 액체의 특징과 표 인 구성 이온 종류

고이온전도성

불연성

우수한

분자디자인성

열middot화학적안정성

고극성

불휘발성

여러화합물과의상용성

이온성액체

고이온전도성

불연성

우수한

분자디자인성

열middot화학적안정성

고극성

불휘발성

여러화합물과의상용성

이온성액체

6 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

음이온에 의한 특성

이온성 액체는 사용되는 음이온의 종류에 따라 그 특성이

히 달라진다 가장 많이 사용되는 음이온은 PF6-로

imidazolium 양이온과 결합하면 소수성 이온성 액체

[bmim]PF6-를 형성한다

- BF4- 한 일반 으로 많이 사용되는 음이온이다

PF6-와 거의 비슷한 특성을 갖고 있으나 imidazolium

과 이온성 액체를 형성하면 물에 잘 녹는 이온성 액

체[bmim]BF4-를 형성한다

- 즉 거의 비슷한 크기나 구조를 하고 있는 음이온을 사

용하더라도 얻어지는 이온성 액체의 특성은 히

달라지는 경우가 많다(4)

비록 여러 면에 있어서 응용이 개발되고는 있으나 PF6-

BF4-를 음이온으로 사용한 경우 물의 존재 하에서 열을

받으면 HF를 발생시키면서 분해가 일어난다 이 문제를

해결하기 해 여러 회사들에서는 다른 종류의 음이온을

선정하여 이온성 액체를 개발하고 있다

- 불소계이기는 하지만 F가 탄소에 붙어있는 음이온을

사용하면 C-F결합은 비활성이므로 열에 안정하여 HF

를 방출하지 않는다 CF3SO3- (CF3SO3)2N

-가 그 이

다(5)

배 성향

- 이온성 액체의 존재 하에서 속 매를 사용하는 공

제2장 기술의 개요 7

정의 경우에는 음이온이 반응에 있어 배 할 성향이

낮은 PF6-가 아직까지는 가장 한 것으로 본다

(CF3SO3)2N- 같은 경우도 같이 불소를 포함하는 음이

온은 고가이다(6)

- 가격과 안정성을 고려해서 Solvent Innovation과

Sachem(주)는 불소를포함하지 않은 새로운 이온성

액체를 시도한다(7)

- 가능성이 있는 것은 가격 경쟁력이 있으면서 그 크기

가 큰 bulk chemical을 음이온으로서 독성이 없으면서

생분해가 가능한 alkyl sulfate계 음이온이 상이다

ECOENG 500(Peg-5 cocomonium methoxulfate)가 그

한 인데 무독성임을 입증한 첫 번째 비 불소계 음

이온이다

lt그림 2-3gt n-octyl sulfate( ) docusate(아래)

- Sachem(주)는 docusate계 (dioctylsulfosuccinate) 음이

온을 사용하는데 이는 동물계에 매우 낮은 독성을 갖

고 있고 식품 제약 화장품등에 이미 사용되는 물

8 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

질이다

- 다른 이온성 액체와는 달리 docusate는 친유성이며

hydrocarbon과잘 섞이는 특성을 갖는다

융 련 성질

- Rogers 등에 의해 최근에 밝 진 이온성 액체의 특성

은 Cl과 같은 할로겐 음이온은 셀룰로스나 다른

oligosaccharide와 같은 생화학 물질들이 이온성 액체

에 녹는 것을 진시킨다는 것이다(8)

- 이온성 액체가 녹아있는 매질들과 특정의 상호 작용이

있는 성질을 이용하여 양이온 음이온 각각에 특정

의 기능기를 도입하는 새로운 연구가 진행되고 있다

이온성 액체에 부가되는 기능기는 이온성 액체의 반응

패턴을 증가시키거나 특정 물질과의 상호 작용을 증

가시키는 등 다양한 특성을 부여할 수 있다

- 150 이하에서 녹는 이온성 액체는 재 100개 이상

의 종류가 매된다(9) 디자인된 양이온과 다른 음이온

과의 조합은 다양한 범 의 녹는 을 가진 새로운 이

온성 액체를 얻을 수 있는데 이를 incognito 이온성

액체라고 한다

- incognito 이온성 액체로 18-diazabicyclo[540] undec-

7-enehydro tribromide (DBU-HBr mp 119-122)는 높

은 수율의 aromatic bromination을 얻는 좋은 반응물이

다(10)

상업 으로 쉽게 얻을 수 있는 융 을 갖는 아미노산 유

도체인생체 물질들도 이온성 액체의 개발에 사용될 수 있다

제2장 기술의 개요 9

- L-alanine ethyl ester hydrochloride (mp 78)

L-serine methylester hydrochloride (106)들이 이

다(11) 정의한 이온성 액체와는 좀 다른 특성이기는

하지만 융 을 갖는 염으로는 같은 의미로 볼 수

있다

lt그림 2-4gt 상품화된 다양한 이온성 액체

3 이온성 액체의 합성방법

헤테로 고리화합물을 활용한 합성제법이 가장 많이 알려

져 있다

- 지 까지 많은 이온성 액체가 설계되고 있으나 부분

은 이미다졸륨 등의 헤테로 방향환을 기본으로 하는

양이온으로 구성되어 있다 짝음이온의 종류에 따라

다른 성질을 보이기는 하지만 헤테로환 양이온 특히

10 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

이미다죨륨 양이온으로 구성된 염은 낮은 융 을 나타

낸다

lt그림 2-5gt 이온성 액체의 합성법

- 이온성 액체는 할로겐화 알킬을 아민의 제4 화 반응

에 의해 염을 얻고 이것을 한 음이온으로 교환하

여 얻는다 이 방법은 음이온교환반응에서 생기는 부

산물을 완 히 제거하기 어려워서 원하는 염을 높은

순도 높은 수율로 얻기는 쉽지 않고 사용하는 음이온

종류도 한정된다(12)

- 3 아민과 로톤산의 화반응으로 이온성 액체를

합성하는 방법이 새로 개발되었는데 이 방법은 부산

물의 혼입에 의한 순도의 하도 억제할 수 있으며 합

성이 가능한 이온성 액체의 종류도 풍부하다

- 이온성 액체의 모델 설계 혹은 구성하는 이온 구조

최 화를 의도한 스크리닝(screening)을 활용하여 많

은 종류의 이온성 액체가 합성되고 있으나 원하는 우

수한 물성을 갖는 이온성 액체의 설계지침은 아직까지

불완 하다 구조-물성의 상 계를 찾고자 많은 연

구가 진행되고 있으나 아직까지 일반 인 계를 찾

제2장 기술의 개요 11

지 못하고 있는 실정이다 즉 신규 이온성 액체를 찾

아낼 가능성이 아직 많다고 하겠다(13)

4 이온성 액체의 응용분야

이온성 액체의 특이한 성질을 이용하여 여러 응용이 제

안되고 있다 크게 환경부하가 은 그린(green) 용매로

서의 응용과 새로운 이온 도성 재료로서 응용으로 2분

야로 크게 나 수 있다 그린 용매로서의 연구는 주로

유럽과 미국에서 이온 도성 재료의 연구는 상 으

로 일본에서 연구가 많이 진행되고 있다

그린 용매(기능성 용매)

- 화학공정의 반응계에서 사용되는 용매 특히 유기용매

가 기나 하천 등으로 확산되는 것은 환경문제이다

더욱이 유기용매의 인화성이나 폭발성 작업종사자의

피독 등 안 에 한 문제가 요하다

- 이온성 액체를 그린 용매로서 응용하는 것은 일반 인

휘발성 용매를 체하는 반응용매(반응장)로서 응용으

로 에서 설명한 문제 을 한꺼번에 해결할 수 있는

가능성이 있다

- 이온성 액체를 용매로 사용할 수 있는 반응 로서 유

기합성 반응계 분리 추출 등 여러 분야가 있으며 생

체유래분자의 반응에도 검토되고 있다

- 최근에 이 분야의 연구의 방향은 이온성 액체의 분자

12 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

설계 장 을 이용하여 기능을 갖는 구조를 도입할 수

있다 실제 매활성이나 귀 속 회수 등의 기능

부여가 연구되고 있다 Davis등이 제창하는 Task-

Specific Ionic Liquid(14)라 불리는 차세 이온성 액체

가 그 좋은 이다

이온 도체

- 이온성 액체는 불휘발 불연성 특성이 있어 기존에

해액으로 사용되어온 유기용매가 갖고 있는 휘발성

인화성이라는 문제를 해결 할수 있다 따라서 이온

도성 재료로서의 연구는 리튬이온 지 연료 지 색소

증감 태양 지 작동장치(actuator) 커패시터(capacitor)

등의 이온성 소자용 해액 응용을 들 수 있다(3)

- 실제로 이온성 액체를 해액으로 사용하기 해서는

재 개발 된이온성 액체의 모든 물성을 개선하는데

범 한 분자설계로부터 물성과 구조의 계를 연구

하고 이를 통해 이온 특성을 최 화할 필요가 있다

- 보다 실제 인 응용을 해 이온성 액체 그 자체를

해액으로 사용하기보다는 고분자화에 의해 고체 해

질로서 하는 쪽이 더 좋은 경우가 있다 고분자화 된

이온성 액체의 특성은 이온성 소자의 소형경량화나 박

막화 안 성의 향상도 기 된다

- 재까지 얻어진 고분자 구조를 보면 고분자의 가지사

슬에 양이온음이온의 양쪽을 고정시킨 공 합 고분자

형 극성 이온형 등은 목 하는 이온만의 이동이

요구되는 응용에 당하다(15)

제2장 기술의 개요 13

다른 분야 응용

- 다른 분야의 응용 실례로는 자 도성 액체 윤활유

임계유체와의 혼합계 표면 개질제 등이 있다 휘발

하지 않는 액체 실온에서 액체상 염이라는 특징을 살

려 앞으로 다른 분야의 연구자와 교류를 통하여 이온

성 액체의 새로운 가능성을 열어갈 수 있다

15

제3장

국내외 연구개발 동향

1 연구의 방향

이온성 액체의 연구는 술한바 반응용매로의 이용과

해질 용액으로서의 이용으로 크게 분류된다

- Grignard 시약을 사용하는 반응 이외에는 부분이 이

온성 액체 에서 반응하는 것이 가능한 것으로 일반

의 유기합성 반응에서부터 고분자 합성까지 다양한 반

응이 검토되고 있다

- 소수성이 강한 불소함유 이온성 액체는 액액(液液)

의 2층으로 분리가 되어 물층의 에 무거운(비 15

정도) 이온성 액체층이 생성되는데 이를 이용하여 공

장 배수로부터 유기물을 추출하는 등 배수처리에 응용

할 수 있으며 반응물의 회수도 가능하다

해질 용액으로의 이용은 이온성 액체가 높은 이온

도성을 가진 것과 폭넓은 온도 역에서 액상을 유지하

면서 불연성인 것 창(電位窓)도 넓고 기화학 으

로 안정한 것 등의 특징을 가지고 있어 각종 기화학

디바이스에의 이용이 검토된다

- 이온성 액체가 해질 용액으로서 이용될 때 특히 특

16 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

정 이온의 이동(移動)이 기능발휘에 요한 역할을 하

는 경우에는 다음과 같은 두 가지의 을 고려해야

한다

용매로서 사용하는 이온성 액체를 구성하는 이온이

구배(potential gradient) 하에서 이동하도록 제어하

여 목 이온만을 도시킬 필요가 있다

목 이온을 성분으로 하는 이온성 액체가 거의 알려

져 있지 않기 때문에 목 이온을 함유한 염을 용해시

켜서 이용하는 것이지만 첨가한 염은 이온성 액체에

한 용해도가 일반 으로 높지 않다 용해성을 개선

하기 해서는 이온성 액체의 성분과 같은 이온을

응 이온으로 하는 염을 이용해야 한다

- 이온성 액체는 높은 이온 도성과 용질의 가용성(可

溶性) 등을 이용하여 해합성(電解合成)이나 해

합에도 응용되고 있다

2 반응장으로서 이온성 액체의 활용

농약 간체로서 요한 학활성체와 고분자 물질 생산

에 있어 용매 역할로 이온성 액체를 사용하여 그 가능성

특성에 하여 소개한다

제3장 국내외 기술개발 동향 17

학활성인 불소계 물질의 제조

불소계 물질은 의농약의 합성 간체로서 요하나 비

칭 불소화 반응에는 가 다

lt그림 3-1gt 비 칭 불소화 반응

- 이온성 액체 에서는 온에서도 사용 가능한 헥실=

메틸=이미다졸리움헥사후루오로포스페이트

[hmim][PF6]을 사용하여 구핵반응에 의해 비 칭 불

소화 반응이 일어나 높은 학순도의 불소화체를 합성

하고 있다(16)

- 이 반응의 과제는 학순도의 향상과 용 가능한 물

질을 넓히는 일이다 학활성 에폭시알코올의 불소화

로 학활성 불소화에폭시 화합물을 합성하는 것이 가

능하다고 알려져 있다(17)

18 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-2gt 학활성인 불소화 에폭시

비 칭 알돌(aldol) 반응

- 효소 알돌라아제(aldolase)에 의한 비 칭 합성을 모방

한 화학 매에의한 탄소-탄소 결합 형성 반응은 합성

화학의 요한 과제 이다(18) 용제로서 「재사용 가능

한」 이온성 액체를 이용하고 매로서 L- 로린

(proline)을 사용한 반응장에 한 몇 가지 보고가 나

와 있다(19)

lt그림 3-3gt L-proline을 매로 하는 알돌형 반응

제3장 국내외 기술개발 동향 19

- 아세톤과 L- 로린으로 형성된 에나민(enamine)을 반

응 기질(基質)로 하여 방향족 알데히드류와 알돌형 반

응에서도 지방족 알데히드 사이에서의 크로스 알돌형

반응에서도 꽤 높은 학순도의 생성물이 얻어지고 있

다(20)

- 기질로서 에틸=메틸= 톤을 사용할 때에도 높은

학순도로 입체제어를 행할 수 있고 반복 반응장으로

서 사용해도 재 성 좋게 생성물이 얻어지는 것을 확

인하 다

- 클로로아세톤으로부터 생성한 할로히드린을 간체로

서 학활성의에폭시 화합물로 변환할 수 있는 것도

알려져 있으나 학순도는70~80 정도이고 물질 제

조로서는 만족할 만한 학순도는 아니다(21)

- 기질인 알데히드류와 로린으로부터 형성된 반응

간체는 Michael addition(마이클 부가반응)을 용이하게

진행시킬 수 있다 이 반응에서는 수용체(受容體)의

LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital) 에

지가 하하고 구핵제(求核劑)의 공격을 받기 쉽게 되

는 것이 필요하여 불소계 물질이 합하다

- 로린 이외의 유기분자에서는 디에틸아미노트리메틸

실란을 매로서 이용한 불소계 물질의 선택 인 올

핀류 합성이 발표 되었다이 반응계에서는 알데히드류

와 매로부터 생성한 반응 간체가 불소계 헤미아세

탈류로 되고 간체로부터 입체 선택 으로 편일방(片

一方)의 올 핀류를 생성하고 있다(22)

20 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

학활성인 이온성 액체

- 학활성인 이온성 액체는 학활성인 아민계 물질을

출발원료로 해서 합성되고 있는 경우로 니코틴을 출발

물질로 학활성인 이온성 액체를 만들 수 있다(23) 할

로겐 교환법을 사용하는 합성법의 첫 단계에서 얻어지

는 니코틴의 롬염은 고체이지만 LiNTf2로 음이온

교환을 하면 도가 높은 이온성 액체가 얻어진다

lt그림 3-4gt 수종의 학활성인 이온성 액체

합성된 이온성 액체 [Et(S)-nicotine]NTf2를 Diels-

Alder 반응의 반응 용매로서 사용한 결과 기 한 바와

같이 양호한 수율로 생성물이 얻어 졌지만 3 아미노

기가 염기성 매로서 작용을 하여 비 칭 반응장으로

서의 기능은 나타나지 않았다

제3장 국내외 기술개발 동향 21

lt그림 3-5gt 학활성 이온성 액체의 염기성 매로서의 기능발

를 들면 디엔 체의 3-히드록시 -2피론을 사용하여

Diels-Alder 반응을 하면 루이스산이 기질에 결합하여

기질의 HOMO(the highest occupied molecular orbital)

에 지 가 하되고 반응이 진행하지 않는 것이

확인되었다

dienophile(2 결합을 한개 가진 화합물)로서 아크

릴산메틸을 사용하면 높은 수율로 endoexo = 31의

목 하는 화합물을 얻을 수 있으나 이 반응을 보통

이온성 액체[emim][NTf2] 에서 행하면 진행하지 않

는다(24)

에폭시화 반응

- 합성 간체로서 주목되는 에폭시 화합물도 이온성 액

체 에서 합성되고 있다 효소의 산화반응을 이용하

여 과산화수소를 사용해서 계 에서 과 산을 생성시

켜 효소반응과 화학반응을 연속 으로 조합시켜 에폭

22 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

시 반응이 일어나고 이온성 액체를 반응장으로 사용

한 시스템이다(25)

lt그림 3-6gt 효소반응을 활용한 에폭시화 반응

- 기질류(基質類)에서의 비 칭 에폭시화 반응에서 얻어

진에폭시 화합물의 학순도는 높기 때문에 실용 인

합성방법이며 이 시스템에서는 이온성 액체를 5회 반

복 사용하여도 수율이나 학순도의 변화가 없음이 보

고 되고 있다(26)

lt그림 3-7gt 비 칭 에폭시화 반응

제3장 국내외 기술개발 동향 23

비 칭시아노화 반응 비 칭 사이클로 로 화 반응

- 알데히드류의 비 칭시아노화 반응에서도 비 칭 매

를 활용함으로서 학순도가 98정도로 원하는 생성

물이 얻어지고 있으며 이온성 액체의 반응장으로서 유

용성을 보여주고 있다(27)

lt그림 3-8gt 비 칭 시아노화 반응

- 디아조화합물을 사용하는 사이클로 로 화 반응에서

생성하는 시스체와 트란스체의 기하이성체 비는 높지

않으나 각각 학순도는 상당히 높은 것이 얻어진

다(28)

lt그림 3-9gt 비 칭 사이클로 로 화 반응

24 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

이온성 액체 에서의 고분자 합성

- 이온성 액체 에서 합반응을 행하면 MwMn비가

작게 되는 것으로 보고 되었다 이온성 액체를 이용하

여 합개시제로서 과산화벤조일이나 아조비스이소부

틸로니트릴을 사용한 스티 메틸메타크릴 이트의

호모(homo) 합에서 생성물은 이온성 액체로부터 여

과하는 것만으로 분리가 가능하고 회수한 이온성 액체

를 합용 용매로서 재이용이 가능하고 생성된 고분자

체의 분자량도 증가한다

lt그림 3-10gt 이온성 액체[bmim][PF6] 의 스티 의 합반응

중합용매

개시제 중합용매 수율() 분자량

중합용매

개시제 중합용매 수율() 분자량

- 벤젠 에서와 비교하여 이온성 액체 에서 합도

(重合度) 더욱이 생성물의 수율이 향상하는 것은 이

온성 액체의 도가 벤젠에 비하여 높아 연쇄 이동을

일으키기가 어렵고 생성한 폴리머 라디칼이 용매계로

부터 계외(系外)로 배출되기 쉽기 때문이라 생각된다

- 더욱이 이온성 액체 에서 AIBN(22-Azobis (isobuthy-

제3장 국내외 기술개발 동향 25

ronitril)) 내지는 BPO(benzoylperoxide)를 합개시제

로 한 스티 과 메틸메타크릴 이트의 라디칼 공 합

에 하여도 검토되고 있다

- 공 합 반응은 스티 의 첨가 몰비를 MMA에 비해

증 시켜도 코폴리머 분자량 모노머의 변화율이

하하는 경향이 있다 이 결과는 벤젠을 용매로 한 공

합계와 반 의 경향이고 이온성 액체의 극성이 높아

스티 에 비하여 극성 용매 에서 MMA의 합성이

높아지기 때문이라고 생각된다(29)

lt그림 3-11gt 이온성액체[bmim][PF6] 의 공 합 반응

3 촉매반응에서의 이온성 용액

매반응에서 이온성 용액은 자체 매성 보조 매 매활

성자 매 심의 새로운 리간드의 원 반응을 한 용매

등으로써 용된다(30)

26 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

유기 매로서의 이온성 용액

- 이온성 용액을 매반응에 사용하는 가장 좋은 방법은

용매와 매를 조합해서 사용하는 것이다 용매를 바

꿀 때마다 반응이 빨라지면 새로운 용매는 매 역할

을 한 것으로 본다

lt그림 3-12gt methyl acrylate와 [C4C1im]+ 양이온 사이의 수소결합

- 염화알루미늄염(III)(AlCl3) 이온성 용액에서 자치

환 산성 이온성 용액에서 아 (arenes)의 좋은 용해

성과 결합한 산성의 염화알루미늄염 이온성 용액의

높은 농도 [Al2Cl7]-는 친 자성 방향족 치환을 한

이상 인 용매로 만들 수 있다 산성인 [C2C1im]

Cl-AlCl3에서 1-염화 로 과의 벤젠 알킬반응에서 알

킬 고분자화가 측되었다 이이온성 용액시스템은 높

은 활동성과 선택성을 보 다(31)

- 유기용매로서 이온성 용액 이온성 용액은 지난 수년

간 유기 매 반응에 새로운 흥미를 갖기 시작하 으며

이 분야에 향을 수 있는 가능성을 가지고 있다

유기 매 반응에 한 근방법은 흔히 디엘-알더

(Diels-Alder) 환형추가 그 유도체인 수소결합의

상호작용 반응을 통해서이다(32)

제3장 국내외 기술개발 동향 27

보조 매로의 이온성 용액은 올 핀의 이합체화 (Olefin

dimerization)에서 니 매로 산성염화알루미늄염의 이

온성 용액이 로펜을 헥센에 이합체화를 한 반응에서

용매와 보조 매의 조합으로 사용한 첫 번째 경우이

다(33)

리간드 원으로서의 이온성 용액

- 수소화와 수소포르 화 반응 수소화 반응 수소포

르 화 반응을 해 용매로서 [Et4N][SnCl3]의 PtCl2용

액은 속에 매의 확실한 분해도 없이 올 핀의 수

소화에 효과 으로 매반응을 일으켰다 공기와의

을 피하도록 하는 가운데 활성화의 손실이 없이

매용액을 계속 으로 사용함으로써 반응이 이루어진

다(34)

- 팔라듐 NHC착물의 형성 이온성 용액은 팔라둠 매

반응의 넓은범 의 용매로 사용되어 왔다 이 연구과

정에서 재미있는 화학 상은 HHC착물과 나노 입

자의 형성이었다 이는 아직 논쟁의 상이 되고 있다

NHC착물은 이미다졸리움 이온성 용액에서 형성되며

기 하지 않는 반응성 는 선택성이 감지될 때 이를

항상 고려해야한다(35)

28 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-13gt NHC 매의 lactide 합에서의 ring opening

- 이온성 용액에서 나노입자의 형성 최근에 매로서

나노입자의 사용이 증가되는 심분야이다 1996년

Kaufmann이 이온성 용액에서처음으로 팔라듐의 매

반응을 보고하 다 일련의 아릴 롬이[C16PbBu3]Br

는 [Bu4N]Br에서 노말-알킬 이트와 결합하여 수율

90이상의 trans-시안염을 생성하는 반응이었다(36)

반응 용매로서의 이온성 용액

- 알 수소화 반응 [SbF6]- 와 [PF4]-의 두 이온성

용액에서 수소화 반응의 속도는 알 용액에서보다 훨

씬 높았다 왜 이 이온성 용액이 개선되었는지에 해

서는 아직 연구된 바가 없다 실제 매의 실체조차확

인이 안 되었다 반응용액으로부터 생성된 알 은 분

리가 쉬웠고 매를 함유한 용액은 순환되었다(37)

lt그림 3-14gt [C4C1im][PF6]의 수소포르 화 매의 두형태의 평형

제3장 국내외 기술개발 동향 29

- 산화 비록 재 사용되는 부분의 이온성 용액은 산

화에 안정 이고 산화과정에 이상 인 용매를 제공하

고 있지만 이것은 불과 지난몇 년 사이의 일이었다

Ni(acac)2는 [C4C1im][PF6]에서 해당되는 산의 라-

치환 benzaldehydes를 보통의 수율로 공기 에서 산

화반응의 매로 사용되어 왔다(38)

기화학 매용매로써의 이온성 용액

- 자화학을 이끄는 이온성 용액은 기화학 합성용

용매로서 가능성을 보이고 있다 최근에는 Ni이 알킬

벤질 아릴 할로겐화합물의 기 도성 동종결합

(electro conductive homo-coupling) 반응에 매로 보

고 된 바 있다 니 (II)착물은 니 (0)의 종에 하여

환원되고 방향성 할로겐화물에 첨가되어 할로겐 화합

물이 된다는 제안이 있었다(39)

이온성 용액의 고정화

- 반응시스템이 액체일 때 많은 장 이 있지만 때로는

그것을 고정화(immobilize) 시킬 필요가 있다 이온성

용액을 고정화 시키는데 심이 모아지고 있으며 첫

번째의 시도가 이온성 용액- 합체 겔을 만들기 하

여 고분자 vinylidenefluoride- hexachloropropylene의

공 합체를 사용한 것이다(40)

30 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

4 근대의 동향

할로겐 리이온액체

- 근년 이온성 액체에 한 연구가 많이 수행되고 있지

만 합성하고 있는 이온성 액체의 구조는 의외로 한정

되어 있으며 양이온은 테트라알킬암모늄(tetraalkyla-

mmonium) 피롤리디니움(pyrolidinium) 이미다졸리움

(imidazolium) 피리디니움(pyridinium) 등과 같이 비

교 다양성이 풍부한 반면에 음이온 종류는 BF4

PF6 CF3SO3 (CF3SO2)2N 등 할로겐 원소를 구조

에 함유한 것은 일반 으로 종류가 많지 않다(41)

- 할로겐을 포함하지 않는 음이온도 보고 되어 있는데

많은 양이온과 조합하여 액체화를 달성함이 쉽지 않고

한정된 양이온과 질산음이온이나 산 음이온 등을 결

합시킨 것이 보고 되어 있다(42)

- 최근 H Ohno(43)등은 할로겐 원소를 함유하지 않은

음이온으로 이온액체를 구축하기 하여 헤테로방향환

화합물을 착안하여 이미다졸이나 피라졸 등의 아졸

(azol)류 에서 산성을 띠는 124-triazolate 1234-

tetrazolate 등과 이미다졸리움 양이온을 조합시키는 것

에 의해 이온성 액체를 합성하 다

- 이 이온성 액체는 분자량과 비교해서 하의 비국재화

(非局在化)가 크다 한 할로겐 원소를 함유하지 않

고 C H N의 3종류원소만으로 구성되어 있다

제3장 국내외 기술개발 동향 31

lt그림 3-15gt 할로겐 리이온액체의 구조

쯔 츠 이온성 액체 (Zwitter ionic liquids)

- 한편 M Yoshizawa(44) 등은 이온 도재료로서 이온액

체를 사용하는 경우는 구배에 한 이온액체의 구

성이온종의 이동이 큰 문제로 된다

- 따라서 리튬 2차 지나 연료 지 등 목 이온종의 수

율과 계의 출력과의 계를 디바이스에 응용할 때는

이온 도재료로서 이온성 액체를 사용하는 것으로 양

이온과 음이온을 스페이서(spacer)로 결합하는 것에

의해 실온에서 액체상태인 성 이온 액체(zwitter

ionic liquid)를 제안하고 있다

- 양이온과 음이온을 스페이서로 결합하면 하는 체

로서 성이 되어 하이동이 없는 염으로 되는데 스

페이서가 짧아서 충분한 염해리가 힘드나 어느 정도의

자유도가 얻어지면 zwitterion으로 된다

32 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-16gt zwitter ionic liquids의 모식도

특정이온을 포함하는 이온액체

- 이온성 액체를 이온 도체로 사용하는 과제는 목 이

온의 도입이다 이는 리튬염 등 목 이온을 포함하는

염 등을 이온액체에 용해시켜 도입한다

- 그런데 염의 첨가는 계의 성의 증가 이온 도도의

하를 가져온다 한 이온액체와 상용하는 분자무

기염은 많지 않고 첨가염의 종류도 한정되어있는 것이

문제이다

- 이의 해결이 자의 zwitter ion이고 두 번째가 목 이

온을 실온에서 액체화가 가능하면 문제가 해결된다

이러한 방법으로 각종의 알칼리 속 이온성 액체

(alkali metal ionic liquid)를 개발하 다(45)

- lt그림 3-17gt은 알칼리 속이온성 액체는 2가의 응

음이온과 1가의 오니움(onium) 양이온 1가의 목 이

온으로 구성된다

lt그림 3-17gt 알칼리 속이온액체의 개념도

제3장 국내외 기술개발 동향 33

- 이온액체는 구성하는 이온 간의 정 기 상호작용은

없을수록 좋으므로 강한 상호작용을 일으키는 다가이

온의 사용은 물이다 당 리튬 양이온의 이온액체

가 목 이나 여러 가지의 알칼리 속이온도 액체로

되는데 이를 응용하면 로톤을 포함하는 이온액체도

얻어지게 된다

이온액체의 합

- 이온성 액체는 분자 디자인이 용이하기 때문에 고분자

구조를 도입하는 것도 가능하며 이온성 액체의 고분

자화로는 각종의 고분자와 혼합한 겔화가 알려져 있지

만 이온성 액체 에 합기를 직 도입하여 고분자

화 하는 것에 의해 이온 도성뿐 아니라 디바이스의

다운사이징(down-sizing)에 기여할 것으로 망하고

있다(41)

- lt그림 3-18gt은 고분자화 이온액체를 나타내는데 종래

의 polyethyl-eneoxide유도체에 의존하지 않는 새로운

이온 도재료로서 검토된다

- lt그림 3-18gt에서 양이온과 음이온의 한쪽이 고분자의

주쇄에 고정되어 있어서 도 이온종을 선택하는 이

유용하다 한 구성이온종의 양방이 고분자 주쇄에

고정된 구조는 이온 도성을 나타내지 않으나 목 이

온의 첨가로 선택 도가 일어난다(46)

34 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-18gt 이온액체폴리머의 변화

자기조직화 이온액체

- 이온액체는 등방성의 액체로서 3차원 인 이온을 운반

하는 것이 가능하다 이로서 차원제어를 행하고 특정

방향으로 이온을 수송하는 시도가 있다 이를 해 자

기 집합력을 이온액체에 부여할 필요가 있다

- 이온액체의 자기조직화에는 양친매성화합물(兩親媒性

化合物)의 성질을 이용한다 극성성분이 있는 이온액

체에 비극성기(탄화수소쇄 탄화불소쇄)를 도입한 양

친매성 이온액체는 벌크로 써모트로픽 액정성을 발

하여 극성 비극성기가 분자 벨에서 상분리된 구조

를 형성한다

- 이 액체 도메인 에는 이온성 액체자신은 용융되어

높은 운동성을 갖는 알킬기의 집합층에 고정된 상태일

것으로 생각된다 여기에 리튬염을 첨가하면 비극성염

을 갖지 않는 리튬이온의 우선 인 수송이 기 된

다(lt그림 3-19gt 참조)

제3장 국내외 기술개발 동향 35

lt그림 3-19gt 이온성 액체 도메인 의 목 이온수송의 모식도

새로운 용매

- Alabama 학의 Rogers 등은 셀룰로오스를 용해시키는

이온성 액체로서 bmim Cl(1-butyl-3-methylimidazolium

chloride)을 개발하 다(47)

lt그림 3-20gt bmimCl의 구조

- Bmin Cl은 실온에서는 고체로서 75에서 용해되지만

100 정도로 가열한 bmim Cl에 종이(셀룰로오스)를

침지하면 순식간에 용해된다 이 용액을 시린지

(syringe)에 의해 물 에서 용출(溶出)시키면 셀룰로

오스 화이버가 생성된다 풍부한 목재자원을 셀룰로스

로 추출하는 시도가 이루어지고 있다

36 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

- 한 핵산류를 용해시킨 이온액체를 개발하고 있는데

DNA나 RNA는 물에 쉽게 용해되지 않는데 이를 용

해시키는 이온액체가 얻어졌다 일정량의 핵산을 용해

시키는 온도는 사용하는 이온액체의 구조에 크게 의존

한다(48)

- 특히 분자내 는 분자간의 수소결합을 단하는 능

력이 요구되는데 여기에는 염소음이온의 효과가 큰 것

으로 알려져 있다 염소를 포함하는 염은 일반 으로

융 이 높고 실온에서 액상으로 존재하기가 어려운

이 있다

- 이는 음이온의 부 하가 비국재화하고 있지 않기 때문

에 정 인 상호작용이 강하게 작용하고 있는 결과이

다 이를 피하기 해 양이온구조를 개선하여 상온에

서 액체의 염화물 염을 합성한다(49)

- 이 방법으로 양이온 구조를 개선하여 실온에서 액체상

태 염화물염인 aaim Cl(13-diallylimidazolium chloride)

를 개발하 다 aaim Cl은 융 이 21 부근이지만 한번

용융하면 과냉각 상태에서도 안정하여 실온에서 사용

가능하다 단지 도가 높은 것이 난 이다

단백질의 기화학반응용 해질용액

- 단백질의 기화학 인 성질로서 단백질을 이온액체에

용해시키는 것은 통상의 고분자를 용해시키는 것과는

차원이 다데 단백질의 기능은 펩사이드쇄의 3차 구조

에 크게 의존하기 때문에 3차구조가변하면 변성에 의

해서 목 달성이 되지 않는다 따라서 무리한 용해작

업은 변성을 래한다

제3장 국내외 기술개발 동향 37

- 이에 하여 PEO(polyethylene oxide)의 에테르산소가

이온과 강하게 상호작용하고 있다 이는 가용성을 의

미하며 PEO가 단백질과 이온액체를 용해하여 단백질

의 안정성을 향상시킨다 종래 바이오디바이스의 작성

이 곤란했든 것은 수 에서 단백질의 불안정성에 기인

하 는데 사용 온도에 따라 이온액체 의 단백질의

기화학이 새로운 가능성의 개척을 시사한다(50)

5 국내동향

이온액체의 매반응분야(51)

- 한국과학기술연구원 송충의 박사는 이온성 액체를 키

랄 화합물 제조를 한 매반응에 도입하여 고가인

매와 용매의 반복 사용을 가능하게 함에 따라 결

국 매와 용매의 소비를 최소화시킬 수 있는 소 청

정 비 칭 매반응을 개발하 다

- 즉 Jacobsons chiral (salen)MnIII

매 존재 하에서

22-dimethylchro-mene의 비 칭 에폭시화 반응시

[bmim]PF6와 CH2Cl2 (14 vv) 혼합물 용매를 사용

함으로써 96-94의 학순도로 chromene oxides를

합성하는데 성공하 다 이온성 액체를 첨단유기합성

기술인 학활성화합물 제조기술개발에 용함으로써

용매와 매의 소비를 최소화하는 반응과정을 개발하

고 있다

- 이와 같은 기술은 화학 산업에서의 공해 요인을 감소

38 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

시킬 것이며 특히 노벨화학상 수상분야인 비 칭

매반응 분야의 최 문제 으로 지 되었던 키랄 매

의 분리 재회수가 가능하게 되었다는 에서 기술

으로도 우수한 성과라 할 수 있다

- 한 이온성 액체 내에서 일부 매반응이 가속화될

수도 있고 선택성 매의 안정성 역시 향상될 수

있음을 밝혔으며 더욱 놀라운 결과로는 기존의 유기

용매 내에서는 진행되지 않던 일부 반응이 이온

성 액체 내에서는 정량 으로 진행될 수 있다는 것이

- 한 많은 요한 유기반응에서 이온성 액체가 용매로

서뿐 아니라 자신이 재사용 가능 한 매로도 작용할

수 있음을 밝힌 바 있다 이러한 일련의 결과들은 이

온성 액체가 21세기에 매분야뿐 아니라 체 유기화

학분야의 새로운 장을 열고 있다는 에서 요한 의

미를 지닌다고 할 수 있다

합성 응용분야(52)

- 한국과학기술연구원 김훈식 박사 연구 은 KSeO2

(OCH3)를1-alkyl-3-methylimidazolium chloride와 반

응시켜 새로운 이미다졸륨 알킬셀 나이트 ([Rmim]

[SeO2(OCH3)]) 화합물을 합성하 다

- 아민화합물의 산화성 카르보닐화 반응을 통한 치환된

우 아 제조 반응에서 기존의 KSeO2(OCH3)을 매로

사용하 을 경우에 비해 이 화합물은 보다 온화한 반

응조건을 제공할 뿐 아니라 이소시아네이트의 구체

인 치환된 우 아와 카바메이트를 고수율로 합성할 수

제3장 국내외 기술개발 동향 39

있었다

- 재 이온성 액체를 이용한 분리 유기 속화합물을

함유한 고활성 매로서의 이온성 액체의 합성 응

용에 한 연구를 수행하고 있다

- 포항공과 학교의 김만주 교수 연구 은 Lipase를

[PPMIM]PF6 (PPMIM = 1-(3-phenylpropyl)-3-

methylimidazolium)와 혼합시켜Ionic liquid-Coated

Enzyme (ILCE)을 합성하 다 이 새로운 타입의

immobilized biocatalyst는 2차 알코올의 transest-

erification 반응을 통한 acetylated 화합물합성에 높은

활성과 재사용성을 보여 주었으며 이러한 연구결과를

다양한 생화학분야에 용하기 한 연구를 수행하고

있다

- 인하 학교의 지 윤 교수연구 은 alkyl mesylate로부

터 fluoro-alkane을 합성하는 반응에서 이온성 액체를

용매로 사용함으로써 기존방법에 비해 부반응이 거의

없고 생산성이 히 증가된 결과를 얻었으며 이러한

결과를 실용화시키기 한 연구를 지속하고 있다

- 신약개발 바이오벤처 기업 씨트리(C-TRI)는 이온성

액체를 이용한 학활성 화합물제조 기술개발회사로

서 지난 상반기에 31억원의 매출을 올렸으며 최근 이

온성 액체를 이용한 신약개발과 정 화학사업에 필요

한 연구 인력을 거 보강하여 이온성 액체 련사업

을 추진하고 있다

41

제4장

결론 및 제언

향후의 방향

- 이온성 액체에 한 앞으로의 망은 이온성 액체를

주 테마로 하는 국제회의가 증가하고 있다 미국화학

회는 작년 9월 New York에서 이온성 액체에 한 세

션이 개최되어 열띤 토론이 진행 되었다

- 2004년 3~4월에 Anaheim에서 개최된 세션은 ldquo이온성

액체와 고분자rdquo 다 유럽과 미국에서는 이온성 액체

를 반응용매로 보는 것이 주류를 이루고 있었다

- 2004년 10월 Hawaii에서 기화학의 미일합동 회가

열린다 주제는 이온성 액체(용융염)에 한 연구이었

- 앞으로도 이온성 액체에 한 연구는 증가할 것이고

여러 가지 배경을 갖고 있는 연구자들이 서로 다른 목

표를 가지고 연구에 노력할 것이라 생각된다

국내사정

- 우리나라의 황을 보면 재석유화학 의학 산업에

서만 약7억불에 달하는 유기용매가 사용되고 있으며

이들을 모두 체할 수 있다면 최 7억불시장을 형성

할 수 있으므로 이온성 액체의 시장잠재력은 매우 크

42 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

다 하겠다

- 이온성 액체는 휘발성유기화합물을 체할 수 있을 뿐

만 아니라 고가의 귀 속 매를 이온성 액체 층에 고

정화 시킬수 있어 매의 회수 재사용을 용이하게

하며 매의 활성도 안정도 선택도까지도 획기

으로 증가시킬 수 있으므로 환경 측면은 물론 경제

인 에서도 바람직한 청정용매라 할 수 있다

- 상기한바 와같이 이온성 액체의 잠재 인 응용가능성

은 앞으로 무한할 것으로 사료되므로 국내에서도 이에

한 연구자들의 심과 더불어 정부 기업체에 의

한 연구지원이 지속 으로 이루어져야 할 것이다

후의 과제

- 통상의 용매로 이온성 액체를 이용하는 경우에는 내구

성 제조가격 등의 인자가 요하지만 목 이 한정된

이온성 액체의 이용에 있어서는 목 하는 기능을 요

시할 필요가 있다

- 많은 이온성 액체가 합성되고 있으나 원하는 높은 물

성을 갖는 이온성 액체를 설계하는 데 기본이 되는 이

론이 아직은 없는 편이다 이를 해서는 특히 이온성

액체의 구조-물성의 상 계가 밝 져야 하는데 많

은 연구가 진행되고 있음에도 불구하고 그 계가 밝

지지 않고 있다 따라서 상태로서는 원하는 이온

성 액체를 직 만들어서 평가하는 방법밖에 없는 게

실이다

- 그러나 도화와 열안정성 등과 같이 상반 계에 있

는 특성은 하나의 라미터를 변화시키는 것에 의해

제4장 결론 및 제언 43

한 쪽의 특성은 양호하게 되지만 다른 한 쪽의 특성이

악화되는 것을 피할 수 없는 성질로서 아직 양쪽을 동

시에 만족하는 이온성 액체는 실 하지 못하고 있다

- 향후 이온성 액체는 청정용매의 개발과 더불어 새로

운 청정 공정기술의 개발을 통하여 신소재 신물질 생

산 공정을 환경친화 이면서 경제성 있는 공정개발에

기여할 것으로 기 된다

- 특히 비닐기 같은 합성 기능기를 이온성 액체의 단

구조로 도입하여 단독 합이나 공 합을 통해 고분

자화한 이온성 액체를 만들 수 있어 이를 잘 활용하여

이온 지라든가 연료 지 등의 해액으로 응용의 길

이 열린다면 학문 으로나 공업 으로 큰 의의가 있으

리라 생각되며 이 분야의 연구가 활성화되길 기 한

45

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저자소개

손 목

공학박사

한국에 지기술연구소 원장

한국과학기술정보연구원 문연구 원

서 수소 연료 지 개스 센서기술 등

강 종 석

공학박사

한국과학기술정보연구원 선임연구원

서 BT분야 국가연구개발 심층분석

리튬이차 지 등

BB088 손 목강종석

이온성 액체의 반응성 및 전기화학적

특성 연구동향

2005년 12월 19일 인쇄

2005년 12월 23일 발행

발행처

서울특별시 동 문구 청량리동 206-9

ꂕ 130-742

화 3299-6114

등록 1991년 2월 12일 제5-258호

발행인

조 화

인쇄처

신기획

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NOR 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 SVE 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 KOR 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 CHS ltFEFF4f7f75288fd94e9b8bbe7f6e521b5efa76840020005000440046002065876863ff0c5c065305542b66f49ad8768456fe50cf52068fa87387ff0c4ee575284e8e9ad88d2891cf76845370524d6253537030028be5002000500044004600206587686353ef4ee54f7f752800200020004100630072006f00620061007400204e0e002000520065006100640065007200200035002e00300020548c66f49ad87248672c62535f0030028fd94e9b8bbe7f6e89816c425d4c51655b574f533002gt CHT ltFEFF4f7f752890194e9b8a2d5b9a5efa7acb76840020005000440046002065874ef65305542b8f039ad876845f7150cf89e367905ea6ff0c9069752865bc9ad854c18cea76845370524d521753703002005000440046002065874ef653ef4ee54f7f75280020004100630072006f0062006100740020548c002000520065006100640065007200200035002e0030002053ca66f465b07248672c4f86958b555f300290194e9b8a2d5b9a89816c425d4c51655b57578b3002gt gtgtgtgt setdistillerparamsltlt HWResolution [2400 2400] PageSize [612000 792000]gtgt setpagedevice

Page 3: 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향gift.kisti.re.kr/data/IAC/files/KISTI-200512-SYM-ion_fluid.pdf · ※ 이온성 액체는 사용되는 음이온의

목 차

제1장 서 론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot1

1 연구의 배경 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot1

2 연구의 방법 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot2

제2장 기술의 개요 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot3

1 이온성 액체란 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot3

2 이온성 액체의 특성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot4

3 이온성 액체의 합성방법 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot9

4 이온성 액체의 응용분야 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot11

제3장 국내외 연구개발 동향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot15

1 연구의 방향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot15

2 반응장으로서 이온성 액체의 활용 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot16

3 매반응에서의 이온성 용액 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot25

4 근 의 동향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot30

5 국내동향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot37

제4장 결론 제언 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot41

참고문헌 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot45

그림 목차

lt그림 2-1gt 모든 이온성 액체가 상온에서 액체가 되는 것은 아니다 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot4

lt그림 2-2gt 이온성 액체의 특징과 표 인 구성 이온 종류 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot5

lt그림 2-3gt n-octyl sulfate( ) docusate(아래) middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot7

lt그림 2-4gt 상품화된 다양한 이온성 액체 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot9

lt그림 2-5gt 이온성 액체의 합성법 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot10

lt그림 3-1gt 비 칭 불소화 반응 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot17

lt그림 3-2gt 학활성인 불소화 에폭시 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot18

lt그림 3-3gt L-proline을 매로 하는 알돌형 반응 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot18

lt그림 3-4gt 수종의 학활성인 이온성 액체 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot20

lt그림 3-5gt 학활성 이온성 액체의 염기성 매로서의 기능발 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot21

lt그림 3-6gt 효소반응을 활용한 에폭시화 반응 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot22

lt그림 3-7gt 비 칭 에폭시화 반응 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot22

lt그림 3-8gt 비 칭 시아노화 반응 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot23

lt그림 3-9gt 비 칭 사이클로 로 화 반응 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot23

lt그림 3-10gt 이온성 액체[bmim][PF6] 의 스티 의 합반응 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot24

lt그림 3-11gt 이온성액체[bmim][PF6] 의 공 합 반응 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot25

lt그림 3-12gt methyl acrylate와 [C4C1im]+ 양이온 사이의 수소결합 middotmiddotmiddotmiddotmiddot26

lt그림 3-13gt NHC 매의 lactide 합에서의 ring opening middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28

lt그림 3-14gt [C4C1im][PF6]의 수소포르 화 매의 두형태의 평형 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28

lt그림 3-15gt 할로겐 리이온액체의 구조 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot31

lt그림 3-16gt zwitter ionic liquids의 모식도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot32

lt그림 3-17gt 알칼리 속이온액체의 개념도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot32

lt그림 3-18gt 이온액체폴리머의 변화 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot34

lt그림 3-19gt 이온성 액체 도메인 의 목 이온수송의 모식도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot35

lt그림 3-20gt bmimCl의 구조 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot35

1

제1장

서 론

1 연구의 배경

21세기 지식기반사회에서 과학기술경쟁력은 국가경쟁력

의 원천이며 이에 세계 각국들은 미래의 경쟁에 살아남

기 해 핵심기술과제를 선정하여 연구개발에 박차를

가하고 있다

우리나라 과학기술부도 2005년 6월 lsquo미래국가유망기술

원회rsquo를 구성하여 lsquo과학기술 측조사(2005-2030)rsquo 결과

(2005년 5월 국가과학기술 원회 보고)에서 도출된 기

술후보군을 바탕으로 『미래 국가유망기술 21』을 선정

하여 발표한 바 있다

한 한국과학기술정보연구원(KISTI)에서는 2005년 SCIE

논문데이터베이스를 이용한 정보계량학 분석을 통해

『미래 유망연구 역 선정연구』를 시도하 으며 본 보고

서는 그 결과에 기 하여 최근 2~3년간 논문의 인용도가

속히 높아지고 있는 유망 연구 역을 심으로 기술논평

형식으로 풀이한 심층 Expert Review이다

2 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

2 연구의 방법

한국과학기술정보연구원에서는 SCIE 데이터베이스에 등

록된 논문(1999~2005년 상반기까지 발표된 논문) 에

서 각 연도 각 분야별( 분류 22분야)로 피인용수

가 상 1인 고인용 논문(HCP Highly cited papers)

을 추출하고 공인용분석(Co-citation analysis) 동시단

어분석(Co-word analysis) 등의 과학계량학 방법들과

문가 평가(Expert evaluation)를 통해 lsquo미래 유망연구

역rsquo을 도출하 다

상기 도출된 미래 유망연구 역 에서 통계학 방법으

로 최근 논문의 인용도가 격히 상승하는 연구 역을

과학기술 분야별로 추출하여 본 테크이슈 보고서의 주제

로 삼았다

본 보고서는 이온성 액체의 반응성 기화학 특성

연구동향 분야에 있어서 최근 많이 발표되고 있는 논문

들을 종합하여 련 분야 연구에 한 기 지식과 함께

세계 인 연구동향을 개 으로 살펴보고 미래 핵심기

술로 자리잡기 한 연구개발 략을 제시하 다

3

제2장

기술의 개요

1 이온성 액체란

이온성 액체는 이온만으로 구성된 액체이며 분자성 용

매를 함유하지 않고 있기 때문에 증기압이 거의

없고 진공 에서도 액상(液狀)을 유지하는 특이한 액

체이다(1)

- 염(salt)은 양이온과 음이온이 강한 정 기 인 상호작

용을 통해 각각의 이온들이 규칙성을 갖고 정연하게

배열하고 있다 NaCl로 표되는 무기염은 고체상 결

정으로 이 염을 용융시키는 데는 800이상의 열이 필

요하다

- 용융상태의 무기염이 도 용기나 열 도체로 이용되

고 있는 것은 오래 부터 알려져 있으나 고온에서 이

용하는데 불편한 도 많았다 이종 이온의 혼합 등

융 을 낮추는 연구가 많았으나 100이하에서 용융하

는 무기염의 개발이 요해진다

1992년에 Wilkes 등이 1-ethyl-3-methylimidazolium-

tetrafluoroborate가 기 하에서 안정하여 실온에서 액

체상을 형성한다는 보고가 있은후 서서히 연구자나 기

4 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

술자의 주목을 받게 되어 이에 한 연구가 성행하게

되었다 이와 같이 실온에서 액체가 되는 염을 이온성

액체(ionic liquid)라 부른다(2)

- 일본에서는 실온에서 용융된 염을 이온성 액체라 하지

만 구미에서는 융 이 100 이하의 염을 ionic liquid

라고 하여 다소의 개념 차이가 있다

lt그림2-1gt 모든 이온성 액체가 상온에서 액체가 되는 것은 아니다

왼쪽은 mp 40의 methyltri-n-butylammoniumdocusate이며 오른쪽은

RTIL(room temperature ionic liquid)의 1-butyl-3- methyl imidazolium

diethyleneglycolmonomethylethersulfate이다 이온액체는 흰색에서 은

황색과 오 지색이 있다

2 이온성 액체의 특성

일반 물성

- 이온성 액체는 넓은 온도 범 에서 액체상태를 유지한

제2장 기술의 개요 5

다 증기압이거의 제로(zero)이며 보통 용매가 증발하

는 고온(400정도)에서도 안 하게 존재하는 것이 많

다 화학 으로 안 하며 불휘발성이기 때문에 유기물

인데도 불구하고 불연성이다(3)

- 이온만으로 구성된 고 도 액체는 하게 극성이 크

다고 생각하고 있으나 실제 이온성 액체는 알코올 정

도의 극성을 갖고 있으며 비 이 15 이상으로 큰데

비해 낮은 성을 갖고 있어 일반 인 극성용매와 같

이 취 된다

- 고 도의 이온의 운동성이 높아 양호한 이온 도성을

갖는다 기화학 으로 안정한 것도 보통의 분자성

용매에는 없는 특징이다

- 이온성 액체의 구성이온이 유기물이라는 으로 보아

여러 가지 유도체를 얻을 수 있는 것도 특징이다 비

록 여러 종류의 이온을 당하게 조합하여도 액상으로

될 가능성이 기는 하지만 한 설계에 의해 액상

염의 기능설계 가능성이 있다

lt그림 2-2gt 이온성 액체의 특징과 표 인 구성 이온 종류

고이온전도성

불연성

우수한

분자디자인성

열middot화학적안정성

고극성

불휘발성

여러화합물과의상용성

이온성액체

고이온전도성

불연성

우수한

분자디자인성

열middot화학적안정성

고극성

불휘발성

여러화합물과의상용성

이온성액체

6 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

음이온에 의한 특성

이온성 액체는 사용되는 음이온의 종류에 따라 그 특성이

히 달라진다 가장 많이 사용되는 음이온은 PF6-로

imidazolium 양이온과 결합하면 소수성 이온성 액체

[bmim]PF6-를 형성한다

- BF4- 한 일반 으로 많이 사용되는 음이온이다

PF6-와 거의 비슷한 특성을 갖고 있으나 imidazolium

과 이온성 액체를 형성하면 물에 잘 녹는 이온성 액

체[bmim]BF4-를 형성한다

- 즉 거의 비슷한 크기나 구조를 하고 있는 음이온을 사

용하더라도 얻어지는 이온성 액체의 특성은 히

달라지는 경우가 많다(4)

비록 여러 면에 있어서 응용이 개발되고는 있으나 PF6-

BF4-를 음이온으로 사용한 경우 물의 존재 하에서 열을

받으면 HF를 발생시키면서 분해가 일어난다 이 문제를

해결하기 해 여러 회사들에서는 다른 종류의 음이온을

선정하여 이온성 액체를 개발하고 있다

- 불소계이기는 하지만 F가 탄소에 붙어있는 음이온을

사용하면 C-F결합은 비활성이므로 열에 안정하여 HF

를 방출하지 않는다 CF3SO3- (CF3SO3)2N

-가 그 이

다(5)

배 성향

- 이온성 액체의 존재 하에서 속 매를 사용하는 공

제2장 기술의 개요 7

정의 경우에는 음이온이 반응에 있어 배 할 성향이

낮은 PF6-가 아직까지는 가장 한 것으로 본다

(CF3SO3)2N- 같은 경우도 같이 불소를 포함하는 음이

온은 고가이다(6)

- 가격과 안정성을 고려해서 Solvent Innovation과

Sachem(주)는 불소를포함하지 않은 새로운 이온성

액체를 시도한다(7)

- 가능성이 있는 것은 가격 경쟁력이 있으면서 그 크기

가 큰 bulk chemical을 음이온으로서 독성이 없으면서

생분해가 가능한 alkyl sulfate계 음이온이 상이다

ECOENG 500(Peg-5 cocomonium methoxulfate)가 그

한 인데 무독성임을 입증한 첫 번째 비 불소계 음

이온이다

lt그림 2-3gt n-octyl sulfate( ) docusate(아래)

- Sachem(주)는 docusate계 (dioctylsulfosuccinate) 음이

온을 사용하는데 이는 동물계에 매우 낮은 독성을 갖

고 있고 식품 제약 화장품등에 이미 사용되는 물

8 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

질이다

- 다른 이온성 액체와는 달리 docusate는 친유성이며

hydrocarbon과잘 섞이는 특성을 갖는다

융 련 성질

- Rogers 등에 의해 최근에 밝 진 이온성 액체의 특성

은 Cl과 같은 할로겐 음이온은 셀룰로스나 다른

oligosaccharide와 같은 생화학 물질들이 이온성 액체

에 녹는 것을 진시킨다는 것이다(8)

- 이온성 액체가 녹아있는 매질들과 특정의 상호 작용이

있는 성질을 이용하여 양이온 음이온 각각에 특정

의 기능기를 도입하는 새로운 연구가 진행되고 있다

이온성 액체에 부가되는 기능기는 이온성 액체의 반응

패턴을 증가시키거나 특정 물질과의 상호 작용을 증

가시키는 등 다양한 특성을 부여할 수 있다

- 150 이하에서 녹는 이온성 액체는 재 100개 이상

의 종류가 매된다(9) 디자인된 양이온과 다른 음이온

과의 조합은 다양한 범 의 녹는 을 가진 새로운 이

온성 액체를 얻을 수 있는데 이를 incognito 이온성

액체라고 한다

- incognito 이온성 액체로 18-diazabicyclo[540] undec-

7-enehydro tribromide (DBU-HBr mp 119-122)는 높

은 수율의 aromatic bromination을 얻는 좋은 반응물이

다(10)

상업 으로 쉽게 얻을 수 있는 융 을 갖는 아미노산 유

도체인생체 물질들도 이온성 액체의 개발에 사용될 수 있다

제2장 기술의 개요 9

- L-alanine ethyl ester hydrochloride (mp 78)

L-serine methylester hydrochloride (106)들이 이

다(11) 정의한 이온성 액체와는 좀 다른 특성이기는

하지만 융 을 갖는 염으로는 같은 의미로 볼 수

있다

lt그림 2-4gt 상품화된 다양한 이온성 액체

3 이온성 액체의 합성방법

헤테로 고리화합물을 활용한 합성제법이 가장 많이 알려

져 있다

- 지 까지 많은 이온성 액체가 설계되고 있으나 부분

은 이미다졸륨 등의 헤테로 방향환을 기본으로 하는

양이온으로 구성되어 있다 짝음이온의 종류에 따라

다른 성질을 보이기는 하지만 헤테로환 양이온 특히

10 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

이미다죨륨 양이온으로 구성된 염은 낮은 융 을 나타

낸다

lt그림 2-5gt 이온성 액체의 합성법

- 이온성 액체는 할로겐화 알킬을 아민의 제4 화 반응

에 의해 염을 얻고 이것을 한 음이온으로 교환하

여 얻는다 이 방법은 음이온교환반응에서 생기는 부

산물을 완 히 제거하기 어려워서 원하는 염을 높은

순도 높은 수율로 얻기는 쉽지 않고 사용하는 음이온

종류도 한정된다(12)

- 3 아민과 로톤산의 화반응으로 이온성 액체를

합성하는 방법이 새로 개발되었는데 이 방법은 부산

물의 혼입에 의한 순도의 하도 억제할 수 있으며 합

성이 가능한 이온성 액체의 종류도 풍부하다

- 이온성 액체의 모델 설계 혹은 구성하는 이온 구조

최 화를 의도한 스크리닝(screening)을 활용하여 많

은 종류의 이온성 액체가 합성되고 있으나 원하는 우

수한 물성을 갖는 이온성 액체의 설계지침은 아직까지

불완 하다 구조-물성의 상 계를 찾고자 많은 연

구가 진행되고 있으나 아직까지 일반 인 계를 찾

제2장 기술의 개요 11

지 못하고 있는 실정이다 즉 신규 이온성 액체를 찾

아낼 가능성이 아직 많다고 하겠다(13)

4 이온성 액체의 응용분야

이온성 액체의 특이한 성질을 이용하여 여러 응용이 제

안되고 있다 크게 환경부하가 은 그린(green) 용매로

서의 응용과 새로운 이온 도성 재료로서 응용으로 2분

야로 크게 나 수 있다 그린 용매로서의 연구는 주로

유럽과 미국에서 이온 도성 재료의 연구는 상 으

로 일본에서 연구가 많이 진행되고 있다

그린 용매(기능성 용매)

- 화학공정의 반응계에서 사용되는 용매 특히 유기용매

가 기나 하천 등으로 확산되는 것은 환경문제이다

더욱이 유기용매의 인화성이나 폭발성 작업종사자의

피독 등 안 에 한 문제가 요하다

- 이온성 액체를 그린 용매로서 응용하는 것은 일반 인

휘발성 용매를 체하는 반응용매(반응장)로서 응용으

로 에서 설명한 문제 을 한꺼번에 해결할 수 있는

가능성이 있다

- 이온성 액체를 용매로 사용할 수 있는 반응 로서 유

기합성 반응계 분리 추출 등 여러 분야가 있으며 생

체유래분자의 반응에도 검토되고 있다

- 최근에 이 분야의 연구의 방향은 이온성 액체의 분자

12 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

설계 장 을 이용하여 기능을 갖는 구조를 도입할 수

있다 실제 매활성이나 귀 속 회수 등의 기능

부여가 연구되고 있다 Davis등이 제창하는 Task-

Specific Ionic Liquid(14)라 불리는 차세 이온성 액체

가 그 좋은 이다

이온 도체

- 이온성 액체는 불휘발 불연성 특성이 있어 기존에

해액으로 사용되어온 유기용매가 갖고 있는 휘발성

인화성이라는 문제를 해결 할수 있다 따라서 이온

도성 재료로서의 연구는 리튬이온 지 연료 지 색소

증감 태양 지 작동장치(actuator) 커패시터(capacitor)

등의 이온성 소자용 해액 응용을 들 수 있다(3)

- 실제로 이온성 액체를 해액으로 사용하기 해서는

재 개발 된이온성 액체의 모든 물성을 개선하는데

범 한 분자설계로부터 물성과 구조의 계를 연구

하고 이를 통해 이온 특성을 최 화할 필요가 있다

- 보다 실제 인 응용을 해 이온성 액체 그 자체를

해액으로 사용하기보다는 고분자화에 의해 고체 해

질로서 하는 쪽이 더 좋은 경우가 있다 고분자화 된

이온성 액체의 특성은 이온성 소자의 소형경량화나 박

막화 안 성의 향상도 기 된다

- 재까지 얻어진 고분자 구조를 보면 고분자의 가지사

슬에 양이온음이온의 양쪽을 고정시킨 공 합 고분자

형 극성 이온형 등은 목 하는 이온만의 이동이

요구되는 응용에 당하다(15)

제2장 기술의 개요 13

다른 분야 응용

- 다른 분야의 응용 실례로는 자 도성 액체 윤활유

임계유체와의 혼합계 표면 개질제 등이 있다 휘발

하지 않는 액체 실온에서 액체상 염이라는 특징을 살

려 앞으로 다른 분야의 연구자와 교류를 통하여 이온

성 액체의 새로운 가능성을 열어갈 수 있다

15

제3장

국내외 연구개발 동향

1 연구의 방향

이온성 액체의 연구는 술한바 반응용매로의 이용과

해질 용액으로서의 이용으로 크게 분류된다

- Grignard 시약을 사용하는 반응 이외에는 부분이 이

온성 액체 에서 반응하는 것이 가능한 것으로 일반

의 유기합성 반응에서부터 고분자 합성까지 다양한 반

응이 검토되고 있다

- 소수성이 강한 불소함유 이온성 액체는 액액(液液)

의 2층으로 분리가 되어 물층의 에 무거운(비 15

정도) 이온성 액체층이 생성되는데 이를 이용하여 공

장 배수로부터 유기물을 추출하는 등 배수처리에 응용

할 수 있으며 반응물의 회수도 가능하다

해질 용액으로의 이용은 이온성 액체가 높은 이온

도성을 가진 것과 폭넓은 온도 역에서 액상을 유지하

면서 불연성인 것 창(電位窓)도 넓고 기화학 으

로 안정한 것 등의 특징을 가지고 있어 각종 기화학

디바이스에의 이용이 검토된다

- 이온성 액체가 해질 용액으로서 이용될 때 특히 특

16 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

정 이온의 이동(移動)이 기능발휘에 요한 역할을 하

는 경우에는 다음과 같은 두 가지의 을 고려해야

한다

용매로서 사용하는 이온성 액체를 구성하는 이온이

구배(potential gradient) 하에서 이동하도록 제어하

여 목 이온만을 도시킬 필요가 있다

목 이온을 성분으로 하는 이온성 액체가 거의 알려

져 있지 않기 때문에 목 이온을 함유한 염을 용해시

켜서 이용하는 것이지만 첨가한 염은 이온성 액체에

한 용해도가 일반 으로 높지 않다 용해성을 개선

하기 해서는 이온성 액체의 성분과 같은 이온을

응 이온으로 하는 염을 이용해야 한다

- 이온성 액체는 높은 이온 도성과 용질의 가용성(可

溶性) 등을 이용하여 해합성(電解合成)이나 해

합에도 응용되고 있다

2 반응장으로서 이온성 액체의 활용

농약 간체로서 요한 학활성체와 고분자 물질 생산

에 있어 용매 역할로 이온성 액체를 사용하여 그 가능성

특성에 하여 소개한다

제3장 국내외 기술개발 동향 17

학활성인 불소계 물질의 제조

불소계 물질은 의농약의 합성 간체로서 요하나 비

칭 불소화 반응에는 가 다

lt그림 3-1gt 비 칭 불소화 반응

- 이온성 액체 에서는 온에서도 사용 가능한 헥실=

메틸=이미다졸리움헥사후루오로포스페이트

[hmim][PF6]을 사용하여 구핵반응에 의해 비 칭 불

소화 반응이 일어나 높은 학순도의 불소화체를 합성

하고 있다(16)

- 이 반응의 과제는 학순도의 향상과 용 가능한 물

질을 넓히는 일이다 학활성 에폭시알코올의 불소화

로 학활성 불소화에폭시 화합물을 합성하는 것이 가

능하다고 알려져 있다(17)

18 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-2gt 학활성인 불소화 에폭시

비 칭 알돌(aldol) 반응

- 효소 알돌라아제(aldolase)에 의한 비 칭 합성을 모방

한 화학 매에의한 탄소-탄소 결합 형성 반응은 합성

화학의 요한 과제 이다(18) 용제로서 「재사용 가능

한」 이온성 액체를 이용하고 매로서 L- 로린

(proline)을 사용한 반응장에 한 몇 가지 보고가 나

와 있다(19)

lt그림 3-3gt L-proline을 매로 하는 알돌형 반응

제3장 국내외 기술개발 동향 19

- 아세톤과 L- 로린으로 형성된 에나민(enamine)을 반

응 기질(基質)로 하여 방향족 알데히드류와 알돌형 반

응에서도 지방족 알데히드 사이에서의 크로스 알돌형

반응에서도 꽤 높은 학순도의 생성물이 얻어지고 있

다(20)

- 기질로서 에틸=메틸= 톤을 사용할 때에도 높은

학순도로 입체제어를 행할 수 있고 반복 반응장으로

서 사용해도 재 성 좋게 생성물이 얻어지는 것을 확

인하 다

- 클로로아세톤으로부터 생성한 할로히드린을 간체로

서 학활성의에폭시 화합물로 변환할 수 있는 것도

알려져 있으나 학순도는70~80 정도이고 물질 제

조로서는 만족할 만한 학순도는 아니다(21)

- 기질인 알데히드류와 로린으로부터 형성된 반응

간체는 Michael addition(마이클 부가반응)을 용이하게

진행시킬 수 있다 이 반응에서는 수용체(受容體)의

LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital) 에

지가 하하고 구핵제(求核劑)의 공격을 받기 쉽게 되

는 것이 필요하여 불소계 물질이 합하다

- 로린 이외의 유기분자에서는 디에틸아미노트리메틸

실란을 매로서 이용한 불소계 물질의 선택 인 올

핀류 합성이 발표 되었다이 반응계에서는 알데히드류

와 매로부터 생성한 반응 간체가 불소계 헤미아세

탈류로 되고 간체로부터 입체 선택 으로 편일방(片

一方)의 올 핀류를 생성하고 있다(22)

20 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

학활성인 이온성 액체

- 학활성인 이온성 액체는 학활성인 아민계 물질을

출발원료로 해서 합성되고 있는 경우로 니코틴을 출발

물질로 학활성인 이온성 액체를 만들 수 있다(23) 할

로겐 교환법을 사용하는 합성법의 첫 단계에서 얻어지

는 니코틴의 롬염은 고체이지만 LiNTf2로 음이온

교환을 하면 도가 높은 이온성 액체가 얻어진다

lt그림 3-4gt 수종의 학활성인 이온성 액체

합성된 이온성 액체 [Et(S)-nicotine]NTf2를 Diels-

Alder 반응의 반응 용매로서 사용한 결과 기 한 바와

같이 양호한 수율로 생성물이 얻어 졌지만 3 아미노

기가 염기성 매로서 작용을 하여 비 칭 반응장으로

서의 기능은 나타나지 않았다

제3장 국내외 기술개발 동향 21

lt그림 3-5gt 학활성 이온성 액체의 염기성 매로서의 기능발

를 들면 디엔 체의 3-히드록시 -2피론을 사용하여

Diels-Alder 반응을 하면 루이스산이 기질에 결합하여

기질의 HOMO(the highest occupied molecular orbital)

에 지 가 하되고 반응이 진행하지 않는 것이

확인되었다

dienophile(2 결합을 한개 가진 화합물)로서 아크

릴산메틸을 사용하면 높은 수율로 endoexo = 31의

목 하는 화합물을 얻을 수 있으나 이 반응을 보통

이온성 액체[emim][NTf2] 에서 행하면 진행하지 않

는다(24)

에폭시화 반응

- 합성 간체로서 주목되는 에폭시 화합물도 이온성 액

체 에서 합성되고 있다 효소의 산화반응을 이용하

여 과산화수소를 사용해서 계 에서 과 산을 생성시

켜 효소반응과 화학반응을 연속 으로 조합시켜 에폭

22 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

시 반응이 일어나고 이온성 액체를 반응장으로 사용

한 시스템이다(25)

lt그림 3-6gt 효소반응을 활용한 에폭시화 반응

- 기질류(基質類)에서의 비 칭 에폭시화 반응에서 얻어

진에폭시 화합물의 학순도는 높기 때문에 실용 인

합성방법이며 이 시스템에서는 이온성 액체를 5회 반

복 사용하여도 수율이나 학순도의 변화가 없음이 보

고 되고 있다(26)

lt그림 3-7gt 비 칭 에폭시화 반응

제3장 국내외 기술개발 동향 23

비 칭시아노화 반응 비 칭 사이클로 로 화 반응

- 알데히드류의 비 칭시아노화 반응에서도 비 칭 매

를 활용함으로서 학순도가 98정도로 원하는 생성

물이 얻어지고 있으며 이온성 액체의 반응장으로서 유

용성을 보여주고 있다(27)

lt그림 3-8gt 비 칭 시아노화 반응

- 디아조화합물을 사용하는 사이클로 로 화 반응에서

생성하는 시스체와 트란스체의 기하이성체 비는 높지

않으나 각각 학순도는 상당히 높은 것이 얻어진

다(28)

lt그림 3-9gt 비 칭 사이클로 로 화 반응

24 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

이온성 액체 에서의 고분자 합성

- 이온성 액체 에서 합반응을 행하면 MwMn비가

작게 되는 것으로 보고 되었다 이온성 액체를 이용하

여 합개시제로서 과산화벤조일이나 아조비스이소부

틸로니트릴을 사용한 스티 메틸메타크릴 이트의

호모(homo) 합에서 생성물은 이온성 액체로부터 여

과하는 것만으로 분리가 가능하고 회수한 이온성 액체

를 합용 용매로서 재이용이 가능하고 생성된 고분자

체의 분자량도 증가한다

lt그림 3-10gt 이온성 액체[bmim][PF6] 의 스티 의 합반응

중합용매

개시제 중합용매 수율() 분자량

중합용매

개시제 중합용매 수율() 분자량

- 벤젠 에서와 비교하여 이온성 액체 에서 합도

(重合度) 더욱이 생성물의 수율이 향상하는 것은 이

온성 액체의 도가 벤젠에 비하여 높아 연쇄 이동을

일으키기가 어렵고 생성한 폴리머 라디칼이 용매계로

부터 계외(系外)로 배출되기 쉽기 때문이라 생각된다

- 더욱이 이온성 액체 에서 AIBN(22-Azobis (isobuthy-

제3장 국내외 기술개발 동향 25

ronitril)) 내지는 BPO(benzoylperoxide)를 합개시제

로 한 스티 과 메틸메타크릴 이트의 라디칼 공 합

에 하여도 검토되고 있다

- 공 합 반응은 스티 의 첨가 몰비를 MMA에 비해

증 시켜도 코폴리머 분자량 모노머의 변화율이

하하는 경향이 있다 이 결과는 벤젠을 용매로 한 공

합계와 반 의 경향이고 이온성 액체의 극성이 높아

스티 에 비하여 극성 용매 에서 MMA의 합성이

높아지기 때문이라고 생각된다(29)

lt그림 3-11gt 이온성액체[bmim][PF6] 의 공 합 반응

3 촉매반응에서의 이온성 용액

매반응에서 이온성 용액은 자체 매성 보조 매 매활

성자 매 심의 새로운 리간드의 원 반응을 한 용매

등으로써 용된다(30)

26 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

유기 매로서의 이온성 용액

- 이온성 용액을 매반응에 사용하는 가장 좋은 방법은

용매와 매를 조합해서 사용하는 것이다 용매를 바

꿀 때마다 반응이 빨라지면 새로운 용매는 매 역할

을 한 것으로 본다

lt그림 3-12gt methyl acrylate와 [C4C1im]+ 양이온 사이의 수소결합

- 염화알루미늄염(III)(AlCl3) 이온성 용액에서 자치

환 산성 이온성 용액에서 아 (arenes)의 좋은 용해

성과 결합한 산성의 염화알루미늄염 이온성 용액의

높은 농도 [Al2Cl7]-는 친 자성 방향족 치환을 한

이상 인 용매로 만들 수 있다 산성인 [C2C1im]

Cl-AlCl3에서 1-염화 로 과의 벤젠 알킬반응에서 알

킬 고분자화가 측되었다 이이온성 용액시스템은 높

은 활동성과 선택성을 보 다(31)

- 유기용매로서 이온성 용액 이온성 용액은 지난 수년

간 유기 매 반응에 새로운 흥미를 갖기 시작하 으며

이 분야에 향을 수 있는 가능성을 가지고 있다

유기 매 반응에 한 근방법은 흔히 디엘-알더

(Diels-Alder) 환형추가 그 유도체인 수소결합의

상호작용 반응을 통해서이다(32)

제3장 국내외 기술개발 동향 27

보조 매로의 이온성 용액은 올 핀의 이합체화 (Olefin

dimerization)에서 니 매로 산성염화알루미늄염의 이

온성 용액이 로펜을 헥센에 이합체화를 한 반응에서

용매와 보조 매의 조합으로 사용한 첫 번째 경우이

다(33)

리간드 원으로서의 이온성 용액

- 수소화와 수소포르 화 반응 수소화 반응 수소포

르 화 반응을 해 용매로서 [Et4N][SnCl3]의 PtCl2용

액은 속에 매의 확실한 분해도 없이 올 핀의 수

소화에 효과 으로 매반응을 일으켰다 공기와의

을 피하도록 하는 가운데 활성화의 손실이 없이

매용액을 계속 으로 사용함으로써 반응이 이루어진

다(34)

- 팔라듐 NHC착물의 형성 이온성 용액은 팔라둠 매

반응의 넓은범 의 용매로 사용되어 왔다 이 연구과

정에서 재미있는 화학 상은 HHC착물과 나노 입

자의 형성이었다 이는 아직 논쟁의 상이 되고 있다

NHC착물은 이미다졸리움 이온성 용액에서 형성되며

기 하지 않는 반응성 는 선택성이 감지될 때 이를

항상 고려해야한다(35)

28 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-13gt NHC 매의 lactide 합에서의 ring opening

- 이온성 용액에서 나노입자의 형성 최근에 매로서

나노입자의 사용이 증가되는 심분야이다 1996년

Kaufmann이 이온성 용액에서처음으로 팔라듐의 매

반응을 보고하 다 일련의 아릴 롬이[C16PbBu3]Br

는 [Bu4N]Br에서 노말-알킬 이트와 결합하여 수율

90이상의 trans-시안염을 생성하는 반응이었다(36)

반응 용매로서의 이온성 용액

- 알 수소화 반응 [SbF6]- 와 [PF4]-의 두 이온성

용액에서 수소화 반응의 속도는 알 용액에서보다 훨

씬 높았다 왜 이 이온성 용액이 개선되었는지에 해

서는 아직 연구된 바가 없다 실제 매의 실체조차확

인이 안 되었다 반응용액으로부터 생성된 알 은 분

리가 쉬웠고 매를 함유한 용액은 순환되었다(37)

lt그림 3-14gt [C4C1im][PF6]의 수소포르 화 매의 두형태의 평형

제3장 국내외 기술개발 동향 29

- 산화 비록 재 사용되는 부분의 이온성 용액은 산

화에 안정 이고 산화과정에 이상 인 용매를 제공하

고 있지만 이것은 불과 지난몇 년 사이의 일이었다

Ni(acac)2는 [C4C1im][PF6]에서 해당되는 산의 라-

치환 benzaldehydes를 보통의 수율로 공기 에서 산

화반응의 매로 사용되어 왔다(38)

기화학 매용매로써의 이온성 용액

- 자화학을 이끄는 이온성 용액은 기화학 합성용

용매로서 가능성을 보이고 있다 최근에는 Ni이 알킬

벤질 아릴 할로겐화합물의 기 도성 동종결합

(electro conductive homo-coupling) 반응에 매로 보

고 된 바 있다 니 (II)착물은 니 (0)의 종에 하여

환원되고 방향성 할로겐화물에 첨가되어 할로겐 화합

물이 된다는 제안이 있었다(39)

이온성 용액의 고정화

- 반응시스템이 액체일 때 많은 장 이 있지만 때로는

그것을 고정화(immobilize) 시킬 필요가 있다 이온성

용액을 고정화 시키는데 심이 모아지고 있으며 첫

번째의 시도가 이온성 용액- 합체 겔을 만들기 하

여 고분자 vinylidenefluoride- hexachloropropylene의

공 합체를 사용한 것이다(40)

30 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

4 근대의 동향

할로겐 리이온액체

- 근년 이온성 액체에 한 연구가 많이 수행되고 있지

만 합성하고 있는 이온성 액체의 구조는 의외로 한정

되어 있으며 양이온은 테트라알킬암모늄(tetraalkyla-

mmonium) 피롤리디니움(pyrolidinium) 이미다졸리움

(imidazolium) 피리디니움(pyridinium) 등과 같이 비

교 다양성이 풍부한 반면에 음이온 종류는 BF4

PF6 CF3SO3 (CF3SO2)2N 등 할로겐 원소를 구조

에 함유한 것은 일반 으로 종류가 많지 않다(41)

- 할로겐을 포함하지 않는 음이온도 보고 되어 있는데

많은 양이온과 조합하여 액체화를 달성함이 쉽지 않고

한정된 양이온과 질산음이온이나 산 음이온 등을 결

합시킨 것이 보고 되어 있다(42)

- 최근 H Ohno(43)등은 할로겐 원소를 함유하지 않은

음이온으로 이온액체를 구축하기 하여 헤테로방향환

화합물을 착안하여 이미다졸이나 피라졸 등의 아졸

(azol)류 에서 산성을 띠는 124-triazolate 1234-

tetrazolate 등과 이미다졸리움 양이온을 조합시키는 것

에 의해 이온성 액체를 합성하 다

- 이 이온성 액체는 분자량과 비교해서 하의 비국재화

(非局在化)가 크다 한 할로겐 원소를 함유하지 않

고 C H N의 3종류원소만으로 구성되어 있다

제3장 국내외 기술개발 동향 31

lt그림 3-15gt 할로겐 리이온액체의 구조

쯔 츠 이온성 액체 (Zwitter ionic liquids)

- 한편 M Yoshizawa(44) 등은 이온 도재료로서 이온액

체를 사용하는 경우는 구배에 한 이온액체의 구

성이온종의 이동이 큰 문제로 된다

- 따라서 리튬 2차 지나 연료 지 등 목 이온종의 수

율과 계의 출력과의 계를 디바이스에 응용할 때는

이온 도재료로서 이온성 액체를 사용하는 것으로 양

이온과 음이온을 스페이서(spacer)로 결합하는 것에

의해 실온에서 액체상태인 성 이온 액체(zwitter

ionic liquid)를 제안하고 있다

- 양이온과 음이온을 스페이서로 결합하면 하는 체

로서 성이 되어 하이동이 없는 염으로 되는데 스

페이서가 짧아서 충분한 염해리가 힘드나 어느 정도의

자유도가 얻어지면 zwitterion으로 된다

32 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-16gt zwitter ionic liquids의 모식도

특정이온을 포함하는 이온액체

- 이온성 액체를 이온 도체로 사용하는 과제는 목 이

온의 도입이다 이는 리튬염 등 목 이온을 포함하는

염 등을 이온액체에 용해시켜 도입한다

- 그런데 염의 첨가는 계의 성의 증가 이온 도도의

하를 가져온다 한 이온액체와 상용하는 분자무

기염은 많지 않고 첨가염의 종류도 한정되어있는 것이

문제이다

- 이의 해결이 자의 zwitter ion이고 두 번째가 목 이

온을 실온에서 액체화가 가능하면 문제가 해결된다

이러한 방법으로 각종의 알칼리 속 이온성 액체

(alkali metal ionic liquid)를 개발하 다(45)

- lt그림 3-17gt은 알칼리 속이온성 액체는 2가의 응

음이온과 1가의 오니움(onium) 양이온 1가의 목 이

온으로 구성된다

lt그림 3-17gt 알칼리 속이온액체의 개념도

제3장 국내외 기술개발 동향 33

- 이온액체는 구성하는 이온 간의 정 기 상호작용은

없을수록 좋으므로 강한 상호작용을 일으키는 다가이

온의 사용은 물이다 당 리튬 양이온의 이온액체

가 목 이나 여러 가지의 알칼리 속이온도 액체로

되는데 이를 응용하면 로톤을 포함하는 이온액체도

얻어지게 된다

이온액체의 합

- 이온성 액체는 분자 디자인이 용이하기 때문에 고분자

구조를 도입하는 것도 가능하며 이온성 액체의 고분

자화로는 각종의 고분자와 혼합한 겔화가 알려져 있지

만 이온성 액체 에 합기를 직 도입하여 고분자

화 하는 것에 의해 이온 도성뿐 아니라 디바이스의

다운사이징(down-sizing)에 기여할 것으로 망하고

있다(41)

- lt그림 3-18gt은 고분자화 이온액체를 나타내는데 종래

의 polyethyl-eneoxide유도체에 의존하지 않는 새로운

이온 도재료로서 검토된다

- lt그림 3-18gt에서 양이온과 음이온의 한쪽이 고분자의

주쇄에 고정되어 있어서 도 이온종을 선택하는 이

유용하다 한 구성이온종의 양방이 고분자 주쇄에

고정된 구조는 이온 도성을 나타내지 않으나 목 이

온의 첨가로 선택 도가 일어난다(46)

34 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-18gt 이온액체폴리머의 변화

자기조직화 이온액체

- 이온액체는 등방성의 액체로서 3차원 인 이온을 운반

하는 것이 가능하다 이로서 차원제어를 행하고 특정

방향으로 이온을 수송하는 시도가 있다 이를 해 자

기 집합력을 이온액체에 부여할 필요가 있다

- 이온액체의 자기조직화에는 양친매성화합물(兩親媒性

化合物)의 성질을 이용한다 극성성분이 있는 이온액

체에 비극성기(탄화수소쇄 탄화불소쇄)를 도입한 양

친매성 이온액체는 벌크로 써모트로픽 액정성을 발

하여 극성 비극성기가 분자 벨에서 상분리된 구조

를 형성한다

- 이 액체 도메인 에는 이온성 액체자신은 용융되어

높은 운동성을 갖는 알킬기의 집합층에 고정된 상태일

것으로 생각된다 여기에 리튬염을 첨가하면 비극성염

을 갖지 않는 리튬이온의 우선 인 수송이 기 된

다(lt그림 3-19gt 참조)

제3장 국내외 기술개발 동향 35

lt그림 3-19gt 이온성 액체 도메인 의 목 이온수송의 모식도

새로운 용매

- Alabama 학의 Rogers 등은 셀룰로오스를 용해시키는

이온성 액체로서 bmim Cl(1-butyl-3-methylimidazolium

chloride)을 개발하 다(47)

lt그림 3-20gt bmimCl의 구조

- Bmin Cl은 실온에서는 고체로서 75에서 용해되지만

100 정도로 가열한 bmim Cl에 종이(셀룰로오스)를

침지하면 순식간에 용해된다 이 용액을 시린지

(syringe)에 의해 물 에서 용출(溶出)시키면 셀룰로

오스 화이버가 생성된다 풍부한 목재자원을 셀룰로스

로 추출하는 시도가 이루어지고 있다

36 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

- 한 핵산류를 용해시킨 이온액체를 개발하고 있는데

DNA나 RNA는 물에 쉽게 용해되지 않는데 이를 용

해시키는 이온액체가 얻어졌다 일정량의 핵산을 용해

시키는 온도는 사용하는 이온액체의 구조에 크게 의존

한다(48)

- 특히 분자내 는 분자간의 수소결합을 단하는 능

력이 요구되는데 여기에는 염소음이온의 효과가 큰 것

으로 알려져 있다 염소를 포함하는 염은 일반 으로

융 이 높고 실온에서 액상으로 존재하기가 어려운

이 있다

- 이는 음이온의 부 하가 비국재화하고 있지 않기 때문

에 정 인 상호작용이 강하게 작용하고 있는 결과이

다 이를 피하기 해 양이온구조를 개선하여 상온에

서 액체의 염화물 염을 합성한다(49)

- 이 방법으로 양이온 구조를 개선하여 실온에서 액체상

태 염화물염인 aaim Cl(13-diallylimidazolium chloride)

를 개발하 다 aaim Cl은 융 이 21 부근이지만 한번

용융하면 과냉각 상태에서도 안정하여 실온에서 사용

가능하다 단지 도가 높은 것이 난 이다

단백질의 기화학반응용 해질용액

- 단백질의 기화학 인 성질로서 단백질을 이온액체에

용해시키는 것은 통상의 고분자를 용해시키는 것과는

차원이 다데 단백질의 기능은 펩사이드쇄의 3차 구조

에 크게 의존하기 때문에 3차구조가변하면 변성에 의

해서 목 달성이 되지 않는다 따라서 무리한 용해작

업은 변성을 래한다

제3장 국내외 기술개발 동향 37

- 이에 하여 PEO(polyethylene oxide)의 에테르산소가

이온과 강하게 상호작용하고 있다 이는 가용성을 의

미하며 PEO가 단백질과 이온액체를 용해하여 단백질

의 안정성을 향상시킨다 종래 바이오디바이스의 작성

이 곤란했든 것은 수 에서 단백질의 불안정성에 기인

하 는데 사용 온도에 따라 이온액체 의 단백질의

기화학이 새로운 가능성의 개척을 시사한다(50)

5 국내동향

이온액체의 매반응분야(51)

- 한국과학기술연구원 송충의 박사는 이온성 액체를 키

랄 화합물 제조를 한 매반응에 도입하여 고가인

매와 용매의 반복 사용을 가능하게 함에 따라 결

국 매와 용매의 소비를 최소화시킬 수 있는 소 청

정 비 칭 매반응을 개발하 다

- 즉 Jacobsons chiral (salen)MnIII

매 존재 하에서

22-dimethylchro-mene의 비 칭 에폭시화 반응시

[bmim]PF6와 CH2Cl2 (14 vv) 혼합물 용매를 사용

함으로써 96-94의 학순도로 chromene oxides를

합성하는데 성공하 다 이온성 액체를 첨단유기합성

기술인 학활성화합물 제조기술개발에 용함으로써

용매와 매의 소비를 최소화하는 반응과정을 개발하

고 있다

- 이와 같은 기술은 화학 산업에서의 공해 요인을 감소

38 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

시킬 것이며 특히 노벨화학상 수상분야인 비 칭

매반응 분야의 최 문제 으로 지 되었던 키랄 매

의 분리 재회수가 가능하게 되었다는 에서 기술

으로도 우수한 성과라 할 수 있다

- 한 이온성 액체 내에서 일부 매반응이 가속화될

수도 있고 선택성 매의 안정성 역시 향상될 수

있음을 밝혔으며 더욱 놀라운 결과로는 기존의 유기

용매 내에서는 진행되지 않던 일부 반응이 이온

성 액체 내에서는 정량 으로 진행될 수 있다는 것이

- 한 많은 요한 유기반응에서 이온성 액체가 용매로

서뿐 아니라 자신이 재사용 가능 한 매로도 작용할

수 있음을 밝힌 바 있다 이러한 일련의 결과들은 이

온성 액체가 21세기에 매분야뿐 아니라 체 유기화

학분야의 새로운 장을 열고 있다는 에서 요한 의

미를 지닌다고 할 수 있다

합성 응용분야(52)

- 한국과학기술연구원 김훈식 박사 연구 은 KSeO2

(OCH3)를1-alkyl-3-methylimidazolium chloride와 반

응시켜 새로운 이미다졸륨 알킬셀 나이트 ([Rmim]

[SeO2(OCH3)]) 화합물을 합성하 다

- 아민화합물의 산화성 카르보닐화 반응을 통한 치환된

우 아 제조 반응에서 기존의 KSeO2(OCH3)을 매로

사용하 을 경우에 비해 이 화합물은 보다 온화한 반

응조건을 제공할 뿐 아니라 이소시아네이트의 구체

인 치환된 우 아와 카바메이트를 고수율로 합성할 수

제3장 국내외 기술개발 동향 39

있었다

- 재 이온성 액체를 이용한 분리 유기 속화합물을

함유한 고활성 매로서의 이온성 액체의 합성 응

용에 한 연구를 수행하고 있다

- 포항공과 학교의 김만주 교수 연구 은 Lipase를

[PPMIM]PF6 (PPMIM = 1-(3-phenylpropyl)-3-

methylimidazolium)와 혼합시켜Ionic liquid-Coated

Enzyme (ILCE)을 합성하 다 이 새로운 타입의

immobilized biocatalyst는 2차 알코올의 transest-

erification 반응을 통한 acetylated 화합물합성에 높은

활성과 재사용성을 보여 주었으며 이러한 연구결과를

다양한 생화학분야에 용하기 한 연구를 수행하고

있다

- 인하 학교의 지 윤 교수연구 은 alkyl mesylate로부

터 fluoro-alkane을 합성하는 반응에서 이온성 액체를

용매로 사용함으로써 기존방법에 비해 부반응이 거의

없고 생산성이 히 증가된 결과를 얻었으며 이러한

결과를 실용화시키기 한 연구를 지속하고 있다

- 신약개발 바이오벤처 기업 씨트리(C-TRI)는 이온성

액체를 이용한 학활성 화합물제조 기술개발회사로

서 지난 상반기에 31억원의 매출을 올렸으며 최근 이

온성 액체를 이용한 신약개발과 정 화학사업에 필요

한 연구 인력을 거 보강하여 이온성 액체 련사업

을 추진하고 있다

41

제4장

결론 및 제언

향후의 방향

- 이온성 액체에 한 앞으로의 망은 이온성 액체를

주 테마로 하는 국제회의가 증가하고 있다 미국화학

회는 작년 9월 New York에서 이온성 액체에 한 세

션이 개최되어 열띤 토론이 진행 되었다

- 2004년 3~4월에 Anaheim에서 개최된 세션은 ldquo이온성

액체와 고분자rdquo 다 유럽과 미국에서는 이온성 액체

를 반응용매로 보는 것이 주류를 이루고 있었다

- 2004년 10월 Hawaii에서 기화학의 미일합동 회가

열린다 주제는 이온성 액체(용융염)에 한 연구이었

- 앞으로도 이온성 액체에 한 연구는 증가할 것이고

여러 가지 배경을 갖고 있는 연구자들이 서로 다른 목

표를 가지고 연구에 노력할 것이라 생각된다

국내사정

- 우리나라의 황을 보면 재석유화학 의학 산업에

서만 약7억불에 달하는 유기용매가 사용되고 있으며

이들을 모두 체할 수 있다면 최 7억불시장을 형성

할 수 있으므로 이온성 액체의 시장잠재력은 매우 크

42 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

다 하겠다

- 이온성 액체는 휘발성유기화합물을 체할 수 있을 뿐

만 아니라 고가의 귀 속 매를 이온성 액체 층에 고

정화 시킬수 있어 매의 회수 재사용을 용이하게

하며 매의 활성도 안정도 선택도까지도 획기

으로 증가시킬 수 있으므로 환경 측면은 물론 경제

인 에서도 바람직한 청정용매라 할 수 있다

- 상기한바 와같이 이온성 액체의 잠재 인 응용가능성

은 앞으로 무한할 것으로 사료되므로 국내에서도 이에

한 연구자들의 심과 더불어 정부 기업체에 의

한 연구지원이 지속 으로 이루어져야 할 것이다

후의 과제

- 통상의 용매로 이온성 액체를 이용하는 경우에는 내구

성 제조가격 등의 인자가 요하지만 목 이 한정된

이온성 액체의 이용에 있어서는 목 하는 기능을 요

시할 필요가 있다

- 많은 이온성 액체가 합성되고 있으나 원하는 높은 물

성을 갖는 이온성 액체를 설계하는 데 기본이 되는 이

론이 아직은 없는 편이다 이를 해서는 특히 이온성

액체의 구조-물성의 상 계가 밝 져야 하는데 많

은 연구가 진행되고 있음에도 불구하고 그 계가 밝

지지 않고 있다 따라서 상태로서는 원하는 이온

성 액체를 직 만들어서 평가하는 방법밖에 없는 게

실이다

- 그러나 도화와 열안정성 등과 같이 상반 계에 있

는 특성은 하나의 라미터를 변화시키는 것에 의해

제4장 결론 및 제언 43

한 쪽의 특성은 양호하게 되지만 다른 한 쪽의 특성이

악화되는 것을 피할 수 없는 성질로서 아직 양쪽을 동

시에 만족하는 이온성 액체는 실 하지 못하고 있다

- 향후 이온성 액체는 청정용매의 개발과 더불어 새로

운 청정 공정기술의 개발을 통하여 신소재 신물질 생

산 공정을 환경친화 이면서 경제성 있는 공정개발에

기여할 것으로 기 된다

- 특히 비닐기 같은 합성 기능기를 이온성 액체의 단

구조로 도입하여 단독 합이나 공 합을 통해 고분

자화한 이온성 액체를 만들 수 있어 이를 잘 활용하여

이온 지라든가 연료 지 등의 해액으로 응용의 길

이 열린다면 학문 으로나 공업 으로 큰 의의가 있으

리라 생각되며 이 분야의 연구가 활성화되길 기 한

45

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50 황선일 이온성액체의 최근동향 첨단기술정보분석보고서 한국

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손 목

공학박사

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강 종 석

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BB088 손 목강종석

이온성 액체의 반응성 및 전기화학적

특성 연구동향

2005년 12월 19일 인쇄

2005년 12월 23일 발행

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등록 1991년 2월 12일 제5-258호

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제1장

서 론

1 연구의 배경

21세기 지식기반사회에서 과학기술경쟁력은 국가경쟁력

의 원천이며 이에 세계 각국들은 미래의 경쟁에 살아남

기 해 핵심기술과제를 선정하여 연구개발에 박차를

가하고 있다

우리나라 과학기술부도 2005년 6월 lsquo미래국가유망기술

원회rsquo를 구성하여 lsquo과학기술 측조사(2005-2030)rsquo 결과

(2005년 5월 국가과학기술 원회 보고)에서 도출된 기

술후보군을 바탕으로 『미래 국가유망기술 21』을 선정

하여 발표한 바 있다

한 한국과학기술정보연구원(KISTI)에서는 2005년 SCIE

논문데이터베이스를 이용한 정보계량학 분석을 통해

『미래 유망연구 역 선정연구』를 시도하 으며 본 보고

서는 그 결과에 기 하여 최근 2~3년간 논문의 인용도가

속히 높아지고 있는 유망 연구 역을 심으로 기술논평

형식으로 풀이한 심층 Expert Review이다

2 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

2 연구의 방법

한국과학기술정보연구원에서는 SCIE 데이터베이스에 등

록된 논문(1999~2005년 상반기까지 발표된 논문) 에

서 각 연도 각 분야별( 분류 22분야)로 피인용수

가 상 1인 고인용 논문(HCP Highly cited papers)

을 추출하고 공인용분석(Co-citation analysis) 동시단

어분석(Co-word analysis) 등의 과학계량학 방법들과

문가 평가(Expert evaluation)를 통해 lsquo미래 유망연구

역rsquo을 도출하 다

상기 도출된 미래 유망연구 역 에서 통계학 방법으

로 최근 논문의 인용도가 격히 상승하는 연구 역을

과학기술 분야별로 추출하여 본 테크이슈 보고서의 주제

로 삼았다

본 보고서는 이온성 액체의 반응성 기화학 특성

연구동향 분야에 있어서 최근 많이 발표되고 있는 논문

들을 종합하여 련 분야 연구에 한 기 지식과 함께

세계 인 연구동향을 개 으로 살펴보고 미래 핵심기

술로 자리잡기 한 연구개발 략을 제시하 다

3

제2장

기술의 개요

1 이온성 액체란

이온성 액체는 이온만으로 구성된 액체이며 분자성 용

매를 함유하지 않고 있기 때문에 증기압이 거의

없고 진공 에서도 액상(液狀)을 유지하는 특이한 액

체이다(1)

- 염(salt)은 양이온과 음이온이 강한 정 기 인 상호작

용을 통해 각각의 이온들이 규칙성을 갖고 정연하게

배열하고 있다 NaCl로 표되는 무기염은 고체상 결

정으로 이 염을 용융시키는 데는 800이상의 열이 필

요하다

- 용융상태의 무기염이 도 용기나 열 도체로 이용되

고 있는 것은 오래 부터 알려져 있으나 고온에서 이

용하는데 불편한 도 많았다 이종 이온의 혼합 등

융 을 낮추는 연구가 많았으나 100이하에서 용융하

는 무기염의 개발이 요해진다

1992년에 Wilkes 등이 1-ethyl-3-methylimidazolium-

tetrafluoroborate가 기 하에서 안정하여 실온에서 액

체상을 형성한다는 보고가 있은후 서서히 연구자나 기

4 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

술자의 주목을 받게 되어 이에 한 연구가 성행하게

되었다 이와 같이 실온에서 액체가 되는 염을 이온성

액체(ionic liquid)라 부른다(2)

- 일본에서는 실온에서 용융된 염을 이온성 액체라 하지

만 구미에서는 융 이 100 이하의 염을 ionic liquid

라고 하여 다소의 개념 차이가 있다

lt그림2-1gt 모든 이온성 액체가 상온에서 액체가 되는 것은 아니다

왼쪽은 mp 40의 methyltri-n-butylammoniumdocusate이며 오른쪽은

RTIL(room temperature ionic liquid)의 1-butyl-3- methyl imidazolium

diethyleneglycolmonomethylethersulfate이다 이온액체는 흰색에서 은

황색과 오 지색이 있다

2 이온성 액체의 특성

일반 물성

- 이온성 액체는 넓은 온도 범 에서 액체상태를 유지한

제2장 기술의 개요 5

다 증기압이거의 제로(zero)이며 보통 용매가 증발하

는 고온(400정도)에서도 안 하게 존재하는 것이 많

다 화학 으로 안 하며 불휘발성이기 때문에 유기물

인데도 불구하고 불연성이다(3)

- 이온만으로 구성된 고 도 액체는 하게 극성이 크

다고 생각하고 있으나 실제 이온성 액체는 알코올 정

도의 극성을 갖고 있으며 비 이 15 이상으로 큰데

비해 낮은 성을 갖고 있어 일반 인 극성용매와 같

이 취 된다

- 고 도의 이온의 운동성이 높아 양호한 이온 도성을

갖는다 기화학 으로 안정한 것도 보통의 분자성

용매에는 없는 특징이다

- 이온성 액체의 구성이온이 유기물이라는 으로 보아

여러 가지 유도체를 얻을 수 있는 것도 특징이다 비

록 여러 종류의 이온을 당하게 조합하여도 액상으로

될 가능성이 기는 하지만 한 설계에 의해 액상

염의 기능설계 가능성이 있다

lt그림 2-2gt 이온성 액체의 특징과 표 인 구성 이온 종류

고이온전도성

불연성

우수한

분자디자인성

열middot화학적안정성

고극성

불휘발성

여러화합물과의상용성

이온성액체

고이온전도성

불연성

우수한

분자디자인성

열middot화학적안정성

고극성

불휘발성

여러화합물과의상용성

이온성액체

6 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

음이온에 의한 특성

이온성 액체는 사용되는 음이온의 종류에 따라 그 특성이

히 달라진다 가장 많이 사용되는 음이온은 PF6-로

imidazolium 양이온과 결합하면 소수성 이온성 액체

[bmim]PF6-를 형성한다

- BF4- 한 일반 으로 많이 사용되는 음이온이다

PF6-와 거의 비슷한 특성을 갖고 있으나 imidazolium

과 이온성 액체를 형성하면 물에 잘 녹는 이온성 액

체[bmim]BF4-를 형성한다

- 즉 거의 비슷한 크기나 구조를 하고 있는 음이온을 사

용하더라도 얻어지는 이온성 액체의 특성은 히

달라지는 경우가 많다(4)

비록 여러 면에 있어서 응용이 개발되고는 있으나 PF6-

BF4-를 음이온으로 사용한 경우 물의 존재 하에서 열을

받으면 HF를 발생시키면서 분해가 일어난다 이 문제를

해결하기 해 여러 회사들에서는 다른 종류의 음이온을

선정하여 이온성 액체를 개발하고 있다

- 불소계이기는 하지만 F가 탄소에 붙어있는 음이온을

사용하면 C-F결합은 비활성이므로 열에 안정하여 HF

를 방출하지 않는다 CF3SO3- (CF3SO3)2N

-가 그 이

다(5)

배 성향

- 이온성 액체의 존재 하에서 속 매를 사용하는 공

제2장 기술의 개요 7

정의 경우에는 음이온이 반응에 있어 배 할 성향이

낮은 PF6-가 아직까지는 가장 한 것으로 본다

(CF3SO3)2N- 같은 경우도 같이 불소를 포함하는 음이

온은 고가이다(6)

- 가격과 안정성을 고려해서 Solvent Innovation과

Sachem(주)는 불소를포함하지 않은 새로운 이온성

액체를 시도한다(7)

- 가능성이 있는 것은 가격 경쟁력이 있으면서 그 크기

가 큰 bulk chemical을 음이온으로서 독성이 없으면서

생분해가 가능한 alkyl sulfate계 음이온이 상이다

ECOENG 500(Peg-5 cocomonium methoxulfate)가 그

한 인데 무독성임을 입증한 첫 번째 비 불소계 음

이온이다

lt그림 2-3gt n-octyl sulfate( ) docusate(아래)

- Sachem(주)는 docusate계 (dioctylsulfosuccinate) 음이

온을 사용하는데 이는 동물계에 매우 낮은 독성을 갖

고 있고 식품 제약 화장품등에 이미 사용되는 물

8 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

질이다

- 다른 이온성 액체와는 달리 docusate는 친유성이며

hydrocarbon과잘 섞이는 특성을 갖는다

융 련 성질

- Rogers 등에 의해 최근에 밝 진 이온성 액체의 특성

은 Cl과 같은 할로겐 음이온은 셀룰로스나 다른

oligosaccharide와 같은 생화학 물질들이 이온성 액체

에 녹는 것을 진시킨다는 것이다(8)

- 이온성 액체가 녹아있는 매질들과 특정의 상호 작용이

있는 성질을 이용하여 양이온 음이온 각각에 특정

의 기능기를 도입하는 새로운 연구가 진행되고 있다

이온성 액체에 부가되는 기능기는 이온성 액체의 반응

패턴을 증가시키거나 특정 물질과의 상호 작용을 증

가시키는 등 다양한 특성을 부여할 수 있다

- 150 이하에서 녹는 이온성 액체는 재 100개 이상

의 종류가 매된다(9) 디자인된 양이온과 다른 음이온

과의 조합은 다양한 범 의 녹는 을 가진 새로운 이

온성 액체를 얻을 수 있는데 이를 incognito 이온성

액체라고 한다

- incognito 이온성 액체로 18-diazabicyclo[540] undec-

7-enehydro tribromide (DBU-HBr mp 119-122)는 높

은 수율의 aromatic bromination을 얻는 좋은 반응물이

다(10)

상업 으로 쉽게 얻을 수 있는 융 을 갖는 아미노산 유

도체인생체 물질들도 이온성 액체의 개발에 사용될 수 있다

제2장 기술의 개요 9

- L-alanine ethyl ester hydrochloride (mp 78)

L-serine methylester hydrochloride (106)들이 이

다(11) 정의한 이온성 액체와는 좀 다른 특성이기는

하지만 융 을 갖는 염으로는 같은 의미로 볼 수

있다

lt그림 2-4gt 상품화된 다양한 이온성 액체

3 이온성 액체의 합성방법

헤테로 고리화합물을 활용한 합성제법이 가장 많이 알려

져 있다

- 지 까지 많은 이온성 액체가 설계되고 있으나 부분

은 이미다졸륨 등의 헤테로 방향환을 기본으로 하는

양이온으로 구성되어 있다 짝음이온의 종류에 따라

다른 성질을 보이기는 하지만 헤테로환 양이온 특히

10 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

이미다죨륨 양이온으로 구성된 염은 낮은 융 을 나타

낸다

lt그림 2-5gt 이온성 액체의 합성법

- 이온성 액체는 할로겐화 알킬을 아민의 제4 화 반응

에 의해 염을 얻고 이것을 한 음이온으로 교환하

여 얻는다 이 방법은 음이온교환반응에서 생기는 부

산물을 완 히 제거하기 어려워서 원하는 염을 높은

순도 높은 수율로 얻기는 쉽지 않고 사용하는 음이온

종류도 한정된다(12)

- 3 아민과 로톤산의 화반응으로 이온성 액체를

합성하는 방법이 새로 개발되었는데 이 방법은 부산

물의 혼입에 의한 순도의 하도 억제할 수 있으며 합

성이 가능한 이온성 액체의 종류도 풍부하다

- 이온성 액체의 모델 설계 혹은 구성하는 이온 구조

최 화를 의도한 스크리닝(screening)을 활용하여 많

은 종류의 이온성 액체가 합성되고 있으나 원하는 우

수한 물성을 갖는 이온성 액체의 설계지침은 아직까지

불완 하다 구조-물성의 상 계를 찾고자 많은 연

구가 진행되고 있으나 아직까지 일반 인 계를 찾

제2장 기술의 개요 11

지 못하고 있는 실정이다 즉 신규 이온성 액체를 찾

아낼 가능성이 아직 많다고 하겠다(13)

4 이온성 액체의 응용분야

이온성 액체의 특이한 성질을 이용하여 여러 응용이 제

안되고 있다 크게 환경부하가 은 그린(green) 용매로

서의 응용과 새로운 이온 도성 재료로서 응용으로 2분

야로 크게 나 수 있다 그린 용매로서의 연구는 주로

유럽과 미국에서 이온 도성 재료의 연구는 상 으

로 일본에서 연구가 많이 진행되고 있다

그린 용매(기능성 용매)

- 화학공정의 반응계에서 사용되는 용매 특히 유기용매

가 기나 하천 등으로 확산되는 것은 환경문제이다

더욱이 유기용매의 인화성이나 폭발성 작업종사자의

피독 등 안 에 한 문제가 요하다

- 이온성 액체를 그린 용매로서 응용하는 것은 일반 인

휘발성 용매를 체하는 반응용매(반응장)로서 응용으

로 에서 설명한 문제 을 한꺼번에 해결할 수 있는

가능성이 있다

- 이온성 액체를 용매로 사용할 수 있는 반응 로서 유

기합성 반응계 분리 추출 등 여러 분야가 있으며 생

체유래분자의 반응에도 검토되고 있다

- 최근에 이 분야의 연구의 방향은 이온성 액체의 분자

12 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

설계 장 을 이용하여 기능을 갖는 구조를 도입할 수

있다 실제 매활성이나 귀 속 회수 등의 기능

부여가 연구되고 있다 Davis등이 제창하는 Task-

Specific Ionic Liquid(14)라 불리는 차세 이온성 액체

가 그 좋은 이다

이온 도체

- 이온성 액체는 불휘발 불연성 특성이 있어 기존에

해액으로 사용되어온 유기용매가 갖고 있는 휘발성

인화성이라는 문제를 해결 할수 있다 따라서 이온

도성 재료로서의 연구는 리튬이온 지 연료 지 색소

증감 태양 지 작동장치(actuator) 커패시터(capacitor)

등의 이온성 소자용 해액 응용을 들 수 있다(3)

- 실제로 이온성 액체를 해액으로 사용하기 해서는

재 개발 된이온성 액체의 모든 물성을 개선하는데

범 한 분자설계로부터 물성과 구조의 계를 연구

하고 이를 통해 이온 특성을 최 화할 필요가 있다

- 보다 실제 인 응용을 해 이온성 액체 그 자체를

해액으로 사용하기보다는 고분자화에 의해 고체 해

질로서 하는 쪽이 더 좋은 경우가 있다 고분자화 된

이온성 액체의 특성은 이온성 소자의 소형경량화나 박

막화 안 성의 향상도 기 된다

- 재까지 얻어진 고분자 구조를 보면 고분자의 가지사

슬에 양이온음이온의 양쪽을 고정시킨 공 합 고분자

형 극성 이온형 등은 목 하는 이온만의 이동이

요구되는 응용에 당하다(15)

제2장 기술의 개요 13

다른 분야 응용

- 다른 분야의 응용 실례로는 자 도성 액체 윤활유

임계유체와의 혼합계 표면 개질제 등이 있다 휘발

하지 않는 액체 실온에서 액체상 염이라는 특징을 살

려 앞으로 다른 분야의 연구자와 교류를 통하여 이온

성 액체의 새로운 가능성을 열어갈 수 있다

15

제3장

국내외 연구개발 동향

1 연구의 방향

이온성 액체의 연구는 술한바 반응용매로의 이용과

해질 용액으로서의 이용으로 크게 분류된다

- Grignard 시약을 사용하는 반응 이외에는 부분이 이

온성 액체 에서 반응하는 것이 가능한 것으로 일반

의 유기합성 반응에서부터 고분자 합성까지 다양한 반

응이 검토되고 있다

- 소수성이 강한 불소함유 이온성 액체는 액액(液液)

의 2층으로 분리가 되어 물층의 에 무거운(비 15

정도) 이온성 액체층이 생성되는데 이를 이용하여 공

장 배수로부터 유기물을 추출하는 등 배수처리에 응용

할 수 있으며 반응물의 회수도 가능하다

해질 용액으로의 이용은 이온성 액체가 높은 이온

도성을 가진 것과 폭넓은 온도 역에서 액상을 유지하

면서 불연성인 것 창(電位窓)도 넓고 기화학 으

로 안정한 것 등의 특징을 가지고 있어 각종 기화학

디바이스에의 이용이 검토된다

- 이온성 액체가 해질 용액으로서 이용될 때 특히 특

16 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

정 이온의 이동(移動)이 기능발휘에 요한 역할을 하

는 경우에는 다음과 같은 두 가지의 을 고려해야

한다

용매로서 사용하는 이온성 액체를 구성하는 이온이

구배(potential gradient) 하에서 이동하도록 제어하

여 목 이온만을 도시킬 필요가 있다

목 이온을 성분으로 하는 이온성 액체가 거의 알려

져 있지 않기 때문에 목 이온을 함유한 염을 용해시

켜서 이용하는 것이지만 첨가한 염은 이온성 액체에

한 용해도가 일반 으로 높지 않다 용해성을 개선

하기 해서는 이온성 액체의 성분과 같은 이온을

응 이온으로 하는 염을 이용해야 한다

- 이온성 액체는 높은 이온 도성과 용질의 가용성(可

溶性) 등을 이용하여 해합성(電解合成)이나 해

합에도 응용되고 있다

2 반응장으로서 이온성 액체의 활용

농약 간체로서 요한 학활성체와 고분자 물질 생산

에 있어 용매 역할로 이온성 액체를 사용하여 그 가능성

특성에 하여 소개한다

제3장 국내외 기술개발 동향 17

학활성인 불소계 물질의 제조

불소계 물질은 의농약의 합성 간체로서 요하나 비

칭 불소화 반응에는 가 다

lt그림 3-1gt 비 칭 불소화 반응

- 이온성 액체 에서는 온에서도 사용 가능한 헥실=

메틸=이미다졸리움헥사후루오로포스페이트

[hmim][PF6]을 사용하여 구핵반응에 의해 비 칭 불

소화 반응이 일어나 높은 학순도의 불소화체를 합성

하고 있다(16)

- 이 반응의 과제는 학순도의 향상과 용 가능한 물

질을 넓히는 일이다 학활성 에폭시알코올의 불소화

로 학활성 불소화에폭시 화합물을 합성하는 것이 가

능하다고 알려져 있다(17)

18 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-2gt 학활성인 불소화 에폭시

비 칭 알돌(aldol) 반응

- 효소 알돌라아제(aldolase)에 의한 비 칭 합성을 모방

한 화학 매에의한 탄소-탄소 결합 형성 반응은 합성

화학의 요한 과제 이다(18) 용제로서 「재사용 가능

한」 이온성 액체를 이용하고 매로서 L- 로린

(proline)을 사용한 반응장에 한 몇 가지 보고가 나

와 있다(19)

lt그림 3-3gt L-proline을 매로 하는 알돌형 반응

제3장 국내외 기술개발 동향 19

- 아세톤과 L- 로린으로 형성된 에나민(enamine)을 반

응 기질(基質)로 하여 방향족 알데히드류와 알돌형 반

응에서도 지방족 알데히드 사이에서의 크로스 알돌형

반응에서도 꽤 높은 학순도의 생성물이 얻어지고 있

다(20)

- 기질로서 에틸=메틸= 톤을 사용할 때에도 높은

학순도로 입체제어를 행할 수 있고 반복 반응장으로

서 사용해도 재 성 좋게 생성물이 얻어지는 것을 확

인하 다

- 클로로아세톤으로부터 생성한 할로히드린을 간체로

서 학활성의에폭시 화합물로 변환할 수 있는 것도

알려져 있으나 학순도는70~80 정도이고 물질 제

조로서는 만족할 만한 학순도는 아니다(21)

- 기질인 알데히드류와 로린으로부터 형성된 반응

간체는 Michael addition(마이클 부가반응)을 용이하게

진행시킬 수 있다 이 반응에서는 수용체(受容體)의

LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital) 에

지가 하하고 구핵제(求核劑)의 공격을 받기 쉽게 되

는 것이 필요하여 불소계 물질이 합하다

- 로린 이외의 유기분자에서는 디에틸아미노트리메틸

실란을 매로서 이용한 불소계 물질의 선택 인 올

핀류 합성이 발표 되었다이 반응계에서는 알데히드류

와 매로부터 생성한 반응 간체가 불소계 헤미아세

탈류로 되고 간체로부터 입체 선택 으로 편일방(片

一方)의 올 핀류를 생성하고 있다(22)

20 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

학활성인 이온성 액체

- 학활성인 이온성 액체는 학활성인 아민계 물질을

출발원료로 해서 합성되고 있는 경우로 니코틴을 출발

물질로 학활성인 이온성 액체를 만들 수 있다(23) 할

로겐 교환법을 사용하는 합성법의 첫 단계에서 얻어지

는 니코틴의 롬염은 고체이지만 LiNTf2로 음이온

교환을 하면 도가 높은 이온성 액체가 얻어진다

lt그림 3-4gt 수종의 학활성인 이온성 액체

합성된 이온성 액체 [Et(S)-nicotine]NTf2를 Diels-

Alder 반응의 반응 용매로서 사용한 결과 기 한 바와

같이 양호한 수율로 생성물이 얻어 졌지만 3 아미노

기가 염기성 매로서 작용을 하여 비 칭 반응장으로

서의 기능은 나타나지 않았다

제3장 국내외 기술개발 동향 21

lt그림 3-5gt 학활성 이온성 액체의 염기성 매로서의 기능발

를 들면 디엔 체의 3-히드록시 -2피론을 사용하여

Diels-Alder 반응을 하면 루이스산이 기질에 결합하여

기질의 HOMO(the highest occupied molecular orbital)

에 지 가 하되고 반응이 진행하지 않는 것이

확인되었다

dienophile(2 결합을 한개 가진 화합물)로서 아크

릴산메틸을 사용하면 높은 수율로 endoexo = 31의

목 하는 화합물을 얻을 수 있으나 이 반응을 보통

이온성 액체[emim][NTf2] 에서 행하면 진행하지 않

는다(24)

에폭시화 반응

- 합성 간체로서 주목되는 에폭시 화합물도 이온성 액

체 에서 합성되고 있다 효소의 산화반응을 이용하

여 과산화수소를 사용해서 계 에서 과 산을 생성시

켜 효소반응과 화학반응을 연속 으로 조합시켜 에폭

22 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

시 반응이 일어나고 이온성 액체를 반응장으로 사용

한 시스템이다(25)

lt그림 3-6gt 효소반응을 활용한 에폭시화 반응

- 기질류(基質類)에서의 비 칭 에폭시화 반응에서 얻어

진에폭시 화합물의 학순도는 높기 때문에 실용 인

합성방법이며 이 시스템에서는 이온성 액체를 5회 반

복 사용하여도 수율이나 학순도의 변화가 없음이 보

고 되고 있다(26)

lt그림 3-7gt 비 칭 에폭시화 반응

제3장 국내외 기술개발 동향 23

비 칭시아노화 반응 비 칭 사이클로 로 화 반응

- 알데히드류의 비 칭시아노화 반응에서도 비 칭 매

를 활용함으로서 학순도가 98정도로 원하는 생성

물이 얻어지고 있으며 이온성 액체의 반응장으로서 유

용성을 보여주고 있다(27)

lt그림 3-8gt 비 칭 시아노화 반응

- 디아조화합물을 사용하는 사이클로 로 화 반응에서

생성하는 시스체와 트란스체의 기하이성체 비는 높지

않으나 각각 학순도는 상당히 높은 것이 얻어진

다(28)

lt그림 3-9gt 비 칭 사이클로 로 화 반응

24 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

이온성 액체 에서의 고분자 합성

- 이온성 액체 에서 합반응을 행하면 MwMn비가

작게 되는 것으로 보고 되었다 이온성 액체를 이용하

여 합개시제로서 과산화벤조일이나 아조비스이소부

틸로니트릴을 사용한 스티 메틸메타크릴 이트의

호모(homo) 합에서 생성물은 이온성 액체로부터 여

과하는 것만으로 분리가 가능하고 회수한 이온성 액체

를 합용 용매로서 재이용이 가능하고 생성된 고분자

체의 분자량도 증가한다

lt그림 3-10gt 이온성 액체[bmim][PF6] 의 스티 의 합반응

중합용매

개시제 중합용매 수율() 분자량

중합용매

개시제 중합용매 수율() 분자량

- 벤젠 에서와 비교하여 이온성 액체 에서 합도

(重合度) 더욱이 생성물의 수율이 향상하는 것은 이

온성 액체의 도가 벤젠에 비하여 높아 연쇄 이동을

일으키기가 어렵고 생성한 폴리머 라디칼이 용매계로

부터 계외(系外)로 배출되기 쉽기 때문이라 생각된다

- 더욱이 이온성 액체 에서 AIBN(22-Azobis (isobuthy-

제3장 국내외 기술개발 동향 25

ronitril)) 내지는 BPO(benzoylperoxide)를 합개시제

로 한 스티 과 메틸메타크릴 이트의 라디칼 공 합

에 하여도 검토되고 있다

- 공 합 반응은 스티 의 첨가 몰비를 MMA에 비해

증 시켜도 코폴리머 분자량 모노머의 변화율이

하하는 경향이 있다 이 결과는 벤젠을 용매로 한 공

합계와 반 의 경향이고 이온성 액체의 극성이 높아

스티 에 비하여 극성 용매 에서 MMA의 합성이

높아지기 때문이라고 생각된다(29)

lt그림 3-11gt 이온성액체[bmim][PF6] 의 공 합 반응

3 촉매반응에서의 이온성 용액

매반응에서 이온성 용액은 자체 매성 보조 매 매활

성자 매 심의 새로운 리간드의 원 반응을 한 용매

등으로써 용된다(30)

26 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

유기 매로서의 이온성 용액

- 이온성 용액을 매반응에 사용하는 가장 좋은 방법은

용매와 매를 조합해서 사용하는 것이다 용매를 바

꿀 때마다 반응이 빨라지면 새로운 용매는 매 역할

을 한 것으로 본다

lt그림 3-12gt methyl acrylate와 [C4C1im]+ 양이온 사이의 수소결합

- 염화알루미늄염(III)(AlCl3) 이온성 용액에서 자치

환 산성 이온성 용액에서 아 (arenes)의 좋은 용해

성과 결합한 산성의 염화알루미늄염 이온성 용액의

높은 농도 [Al2Cl7]-는 친 자성 방향족 치환을 한

이상 인 용매로 만들 수 있다 산성인 [C2C1im]

Cl-AlCl3에서 1-염화 로 과의 벤젠 알킬반응에서 알

킬 고분자화가 측되었다 이이온성 용액시스템은 높

은 활동성과 선택성을 보 다(31)

- 유기용매로서 이온성 용액 이온성 용액은 지난 수년

간 유기 매 반응에 새로운 흥미를 갖기 시작하 으며

이 분야에 향을 수 있는 가능성을 가지고 있다

유기 매 반응에 한 근방법은 흔히 디엘-알더

(Diels-Alder) 환형추가 그 유도체인 수소결합의

상호작용 반응을 통해서이다(32)

제3장 국내외 기술개발 동향 27

보조 매로의 이온성 용액은 올 핀의 이합체화 (Olefin

dimerization)에서 니 매로 산성염화알루미늄염의 이

온성 용액이 로펜을 헥센에 이합체화를 한 반응에서

용매와 보조 매의 조합으로 사용한 첫 번째 경우이

다(33)

리간드 원으로서의 이온성 용액

- 수소화와 수소포르 화 반응 수소화 반응 수소포

르 화 반응을 해 용매로서 [Et4N][SnCl3]의 PtCl2용

액은 속에 매의 확실한 분해도 없이 올 핀의 수

소화에 효과 으로 매반응을 일으켰다 공기와의

을 피하도록 하는 가운데 활성화의 손실이 없이

매용액을 계속 으로 사용함으로써 반응이 이루어진

다(34)

- 팔라듐 NHC착물의 형성 이온성 용액은 팔라둠 매

반응의 넓은범 의 용매로 사용되어 왔다 이 연구과

정에서 재미있는 화학 상은 HHC착물과 나노 입

자의 형성이었다 이는 아직 논쟁의 상이 되고 있다

NHC착물은 이미다졸리움 이온성 용액에서 형성되며

기 하지 않는 반응성 는 선택성이 감지될 때 이를

항상 고려해야한다(35)

28 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-13gt NHC 매의 lactide 합에서의 ring opening

- 이온성 용액에서 나노입자의 형성 최근에 매로서

나노입자의 사용이 증가되는 심분야이다 1996년

Kaufmann이 이온성 용액에서처음으로 팔라듐의 매

반응을 보고하 다 일련의 아릴 롬이[C16PbBu3]Br

는 [Bu4N]Br에서 노말-알킬 이트와 결합하여 수율

90이상의 trans-시안염을 생성하는 반응이었다(36)

반응 용매로서의 이온성 용액

- 알 수소화 반응 [SbF6]- 와 [PF4]-의 두 이온성

용액에서 수소화 반응의 속도는 알 용액에서보다 훨

씬 높았다 왜 이 이온성 용액이 개선되었는지에 해

서는 아직 연구된 바가 없다 실제 매의 실체조차확

인이 안 되었다 반응용액으로부터 생성된 알 은 분

리가 쉬웠고 매를 함유한 용액은 순환되었다(37)

lt그림 3-14gt [C4C1im][PF6]의 수소포르 화 매의 두형태의 평형

제3장 국내외 기술개발 동향 29

- 산화 비록 재 사용되는 부분의 이온성 용액은 산

화에 안정 이고 산화과정에 이상 인 용매를 제공하

고 있지만 이것은 불과 지난몇 년 사이의 일이었다

Ni(acac)2는 [C4C1im][PF6]에서 해당되는 산의 라-

치환 benzaldehydes를 보통의 수율로 공기 에서 산

화반응의 매로 사용되어 왔다(38)

기화학 매용매로써의 이온성 용액

- 자화학을 이끄는 이온성 용액은 기화학 합성용

용매로서 가능성을 보이고 있다 최근에는 Ni이 알킬

벤질 아릴 할로겐화합물의 기 도성 동종결합

(electro conductive homo-coupling) 반응에 매로 보

고 된 바 있다 니 (II)착물은 니 (0)의 종에 하여

환원되고 방향성 할로겐화물에 첨가되어 할로겐 화합

물이 된다는 제안이 있었다(39)

이온성 용액의 고정화

- 반응시스템이 액체일 때 많은 장 이 있지만 때로는

그것을 고정화(immobilize) 시킬 필요가 있다 이온성

용액을 고정화 시키는데 심이 모아지고 있으며 첫

번째의 시도가 이온성 용액- 합체 겔을 만들기 하

여 고분자 vinylidenefluoride- hexachloropropylene의

공 합체를 사용한 것이다(40)

30 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

4 근대의 동향

할로겐 리이온액체

- 근년 이온성 액체에 한 연구가 많이 수행되고 있지

만 합성하고 있는 이온성 액체의 구조는 의외로 한정

되어 있으며 양이온은 테트라알킬암모늄(tetraalkyla-

mmonium) 피롤리디니움(pyrolidinium) 이미다졸리움

(imidazolium) 피리디니움(pyridinium) 등과 같이 비

교 다양성이 풍부한 반면에 음이온 종류는 BF4

PF6 CF3SO3 (CF3SO2)2N 등 할로겐 원소를 구조

에 함유한 것은 일반 으로 종류가 많지 않다(41)

- 할로겐을 포함하지 않는 음이온도 보고 되어 있는데

많은 양이온과 조합하여 액체화를 달성함이 쉽지 않고

한정된 양이온과 질산음이온이나 산 음이온 등을 결

합시킨 것이 보고 되어 있다(42)

- 최근 H Ohno(43)등은 할로겐 원소를 함유하지 않은

음이온으로 이온액체를 구축하기 하여 헤테로방향환

화합물을 착안하여 이미다졸이나 피라졸 등의 아졸

(azol)류 에서 산성을 띠는 124-triazolate 1234-

tetrazolate 등과 이미다졸리움 양이온을 조합시키는 것

에 의해 이온성 액체를 합성하 다

- 이 이온성 액체는 분자량과 비교해서 하의 비국재화

(非局在化)가 크다 한 할로겐 원소를 함유하지 않

고 C H N의 3종류원소만으로 구성되어 있다

제3장 국내외 기술개발 동향 31

lt그림 3-15gt 할로겐 리이온액체의 구조

쯔 츠 이온성 액체 (Zwitter ionic liquids)

- 한편 M Yoshizawa(44) 등은 이온 도재료로서 이온액

체를 사용하는 경우는 구배에 한 이온액체의 구

성이온종의 이동이 큰 문제로 된다

- 따라서 리튬 2차 지나 연료 지 등 목 이온종의 수

율과 계의 출력과의 계를 디바이스에 응용할 때는

이온 도재료로서 이온성 액체를 사용하는 것으로 양

이온과 음이온을 스페이서(spacer)로 결합하는 것에

의해 실온에서 액체상태인 성 이온 액체(zwitter

ionic liquid)를 제안하고 있다

- 양이온과 음이온을 스페이서로 결합하면 하는 체

로서 성이 되어 하이동이 없는 염으로 되는데 스

페이서가 짧아서 충분한 염해리가 힘드나 어느 정도의

자유도가 얻어지면 zwitterion으로 된다

32 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-16gt zwitter ionic liquids의 모식도

특정이온을 포함하는 이온액체

- 이온성 액체를 이온 도체로 사용하는 과제는 목 이

온의 도입이다 이는 리튬염 등 목 이온을 포함하는

염 등을 이온액체에 용해시켜 도입한다

- 그런데 염의 첨가는 계의 성의 증가 이온 도도의

하를 가져온다 한 이온액체와 상용하는 분자무

기염은 많지 않고 첨가염의 종류도 한정되어있는 것이

문제이다

- 이의 해결이 자의 zwitter ion이고 두 번째가 목 이

온을 실온에서 액체화가 가능하면 문제가 해결된다

이러한 방법으로 각종의 알칼리 속 이온성 액체

(alkali metal ionic liquid)를 개발하 다(45)

- lt그림 3-17gt은 알칼리 속이온성 액체는 2가의 응

음이온과 1가의 오니움(onium) 양이온 1가의 목 이

온으로 구성된다

lt그림 3-17gt 알칼리 속이온액체의 개념도

제3장 국내외 기술개발 동향 33

- 이온액체는 구성하는 이온 간의 정 기 상호작용은

없을수록 좋으므로 강한 상호작용을 일으키는 다가이

온의 사용은 물이다 당 리튬 양이온의 이온액체

가 목 이나 여러 가지의 알칼리 속이온도 액체로

되는데 이를 응용하면 로톤을 포함하는 이온액체도

얻어지게 된다

이온액체의 합

- 이온성 액체는 분자 디자인이 용이하기 때문에 고분자

구조를 도입하는 것도 가능하며 이온성 액체의 고분

자화로는 각종의 고분자와 혼합한 겔화가 알려져 있지

만 이온성 액체 에 합기를 직 도입하여 고분자

화 하는 것에 의해 이온 도성뿐 아니라 디바이스의

다운사이징(down-sizing)에 기여할 것으로 망하고

있다(41)

- lt그림 3-18gt은 고분자화 이온액체를 나타내는데 종래

의 polyethyl-eneoxide유도체에 의존하지 않는 새로운

이온 도재료로서 검토된다

- lt그림 3-18gt에서 양이온과 음이온의 한쪽이 고분자의

주쇄에 고정되어 있어서 도 이온종을 선택하는 이

유용하다 한 구성이온종의 양방이 고분자 주쇄에

고정된 구조는 이온 도성을 나타내지 않으나 목 이

온의 첨가로 선택 도가 일어난다(46)

34 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-18gt 이온액체폴리머의 변화

자기조직화 이온액체

- 이온액체는 등방성의 액체로서 3차원 인 이온을 운반

하는 것이 가능하다 이로서 차원제어를 행하고 특정

방향으로 이온을 수송하는 시도가 있다 이를 해 자

기 집합력을 이온액체에 부여할 필요가 있다

- 이온액체의 자기조직화에는 양친매성화합물(兩親媒性

化合物)의 성질을 이용한다 극성성분이 있는 이온액

체에 비극성기(탄화수소쇄 탄화불소쇄)를 도입한 양

친매성 이온액체는 벌크로 써모트로픽 액정성을 발

하여 극성 비극성기가 분자 벨에서 상분리된 구조

를 형성한다

- 이 액체 도메인 에는 이온성 액체자신은 용융되어

높은 운동성을 갖는 알킬기의 집합층에 고정된 상태일

것으로 생각된다 여기에 리튬염을 첨가하면 비극성염

을 갖지 않는 리튬이온의 우선 인 수송이 기 된

다(lt그림 3-19gt 참조)

제3장 국내외 기술개발 동향 35

lt그림 3-19gt 이온성 액체 도메인 의 목 이온수송의 모식도

새로운 용매

- Alabama 학의 Rogers 등은 셀룰로오스를 용해시키는

이온성 액체로서 bmim Cl(1-butyl-3-methylimidazolium

chloride)을 개발하 다(47)

lt그림 3-20gt bmimCl의 구조

- Bmin Cl은 실온에서는 고체로서 75에서 용해되지만

100 정도로 가열한 bmim Cl에 종이(셀룰로오스)를

침지하면 순식간에 용해된다 이 용액을 시린지

(syringe)에 의해 물 에서 용출(溶出)시키면 셀룰로

오스 화이버가 생성된다 풍부한 목재자원을 셀룰로스

로 추출하는 시도가 이루어지고 있다

36 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

- 한 핵산류를 용해시킨 이온액체를 개발하고 있는데

DNA나 RNA는 물에 쉽게 용해되지 않는데 이를 용

해시키는 이온액체가 얻어졌다 일정량의 핵산을 용해

시키는 온도는 사용하는 이온액체의 구조에 크게 의존

한다(48)

- 특히 분자내 는 분자간의 수소결합을 단하는 능

력이 요구되는데 여기에는 염소음이온의 효과가 큰 것

으로 알려져 있다 염소를 포함하는 염은 일반 으로

융 이 높고 실온에서 액상으로 존재하기가 어려운

이 있다

- 이는 음이온의 부 하가 비국재화하고 있지 않기 때문

에 정 인 상호작용이 강하게 작용하고 있는 결과이

다 이를 피하기 해 양이온구조를 개선하여 상온에

서 액체의 염화물 염을 합성한다(49)

- 이 방법으로 양이온 구조를 개선하여 실온에서 액체상

태 염화물염인 aaim Cl(13-diallylimidazolium chloride)

를 개발하 다 aaim Cl은 융 이 21 부근이지만 한번

용융하면 과냉각 상태에서도 안정하여 실온에서 사용

가능하다 단지 도가 높은 것이 난 이다

단백질의 기화학반응용 해질용액

- 단백질의 기화학 인 성질로서 단백질을 이온액체에

용해시키는 것은 통상의 고분자를 용해시키는 것과는

차원이 다데 단백질의 기능은 펩사이드쇄의 3차 구조

에 크게 의존하기 때문에 3차구조가변하면 변성에 의

해서 목 달성이 되지 않는다 따라서 무리한 용해작

업은 변성을 래한다

제3장 국내외 기술개발 동향 37

- 이에 하여 PEO(polyethylene oxide)의 에테르산소가

이온과 강하게 상호작용하고 있다 이는 가용성을 의

미하며 PEO가 단백질과 이온액체를 용해하여 단백질

의 안정성을 향상시킨다 종래 바이오디바이스의 작성

이 곤란했든 것은 수 에서 단백질의 불안정성에 기인

하 는데 사용 온도에 따라 이온액체 의 단백질의

기화학이 새로운 가능성의 개척을 시사한다(50)

5 국내동향

이온액체의 매반응분야(51)

- 한국과학기술연구원 송충의 박사는 이온성 액체를 키

랄 화합물 제조를 한 매반응에 도입하여 고가인

매와 용매의 반복 사용을 가능하게 함에 따라 결

국 매와 용매의 소비를 최소화시킬 수 있는 소 청

정 비 칭 매반응을 개발하 다

- 즉 Jacobsons chiral (salen)MnIII

매 존재 하에서

22-dimethylchro-mene의 비 칭 에폭시화 반응시

[bmim]PF6와 CH2Cl2 (14 vv) 혼합물 용매를 사용

함으로써 96-94의 학순도로 chromene oxides를

합성하는데 성공하 다 이온성 액체를 첨단유기합성

기술인 학활성화합물 제조기술개발에 용함으로써

용매와 매의 소비를 최소화하는 반응과정을 개발하

고 있다

- 이와 같은 기술은 화학 산업에서의 공해 요인을 감소

38 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

시킬 것이며 특히 노벨화학상 수상분야인 비 칭

매반응 분야의 최 문제 으로 지 되었던 키랄 매

의 분리 재회수가 가능하게 되었다는 에서 기술

으로도 우수한 성과라 할 수 있다

- 한 이온성 액체 내에서 일부 매반응이 가속화될

수도 있고 선택성 매의 안정성 역시 향상될 수

있음을 밝혔으며 더욱 놀라운 결과로는 기존의 유기

용매 내에서는 진행되지 않던 일부 반응이 이온

성 액체 내에서는 정량 으로 진행될 수 있다는 것이

- 한 많은 요한 유기반응에서 이온성 액체가 용매로

서뿐 아니라 자신이 재사용 가능 한 매로도 작용할

수 있음을 밝힌 바 있다 이러한 일련의 결과들은 이

온성 액체가 21세기에 매분야뿐 아니라 체 유기화

학분야의 새로운 장을 열고 있다는 에서 요한 의

미를 지닌다고 할 수 있다

합성 응용분야(52)

- 한국과학기술연구원 김훈식 박사 연구 은 KSeO2

(OCH3)를1-alkyl-3-methylimidazolium chloride와 반

응시켜 새로운 이미다졸륨 알킬셀 나이트 ([Rmim]

[SeO2(OCH3)]) 화합물을 합성하 다

- 아민화합물의 산화성 카르보닐화 반응을 통한 치환된

우 아 제조 반응에서 기존의 KSeO2(OCH3)을 매로

사용하 을 경우에 비해 이 화합물은 보다 온화한 반

응조건을 제공할 뿐 아니라 이소시아네이트의 구체

인 치환된 우 아와 카바메이트를 고수율로 합성할 수

제3장 국내외 기술개발 동향 39

있었다

- 재 이온성 액체를 이용한 분리 유기 속화합물을

함유한 고활성 매로서의 이온성 액체의 합성 응

용에 한 연구를 수행하고 있다

- 포항공과 학교의 김만주 교수 연구 은 Lipase를

[PPMIM]PF6 (PPMIM = 1-(3-phenylpropyl)-3-

methylimidazolium)와 혼합시켜Ionic liquid-Coated

Enzyme (ILCE)을 합성하 다 이 새로운 타입의

immobilized biocatalyst는 2차 알코올의 transest-

erification 반응을 통한 acetylated 화합물합성에 높은

활성과 재사용성을 보여 주었으며 이러한 연구결과를

다양한 생화학분야에 용하기 한 연구를 수행하고

있다

- 인하 학교의 지 윤 교수연구 은 alkyl mesylate로부

터 fluoro-alkane을 합성하는 반응에서 이온성 액체를

용매로 사용함으로써 기존방법에 비해 부반응이 거의

없고 생산성이 히 증가된 결과를 얻었으며 이러한

결과를 실용화시키기 한 연구를 지속하고 있다

- 신약개발 바이오벤처 기업 씨트리(C-TRI)는 이온성

액체를 이용한 학활성 화합물제조 기술개발회사로

서 지난 상반기에 31억원의 매출을 올렸으며 최근 이

온성 액체를 이용한 신약개발과 정 화학사업에 필요

한 연구 인력을 거 보강하여 이온성 액체 련사업

을 추진하고 있다

41

제4장

결론 및 제언

향후의 방향

- 이온성 액체에 한 앞으로의 망은 이온성 액체를

주 테마로 하는 국제회의가 증가하고 있다 미국화학

회는 작년 9월 New York에서 이온성 액체에 한 세

션이 개최되어 열띤 토론이 진행 되었다

- 2004년 3~4월에 Anaheim에서 개최된 세션은 ldquo이온성

액체와 고분자rdquo 다 유럽과 미국에서는 이온성 액체

를 반응용매로 보는 것이 주류를 이루고 있었다

- 2004년 10월 Hawaii에서 기화학의 미일합동 회가

열린다 주제는 이온성 액체(용융염)에 한 연구이었

- 앞으로도 이온성 액체에 한 연구는 증가할 것이고

여러 가지 배경을 갖고 있는 연구자들이 서로 다른 목

표를 가지고 연구에 노력할 것이라 생각된다

국내사정

- 우리나라의 황을 보면 재석유화학 의학 산업에

서만 약7억불에 달하는 유기용매가 사용되고 있으며

이들을 모두 체할 수 있다면 최 7억불시장을 형성

할 수 있으므로 이온성 액체의 시장잠재력은 매우 크

42 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

다 하겠다

- 이온성 액체는 휘발성유기화합물을 체할 수 있을 뿐

만 아니라 고가의 귀 속 매를 이온성 액체 층에 고

정화 시킬수 있어 매의 회수 재사용을 용이하게

하며 매의 활성도 안정도 선택도까지도 획기

으로 증가시킬 수 있으므로 환경 측면은 물론 경제

인 에서도 바람직한 청정용매라 할 수 있다

- 상기한바 와같이 이온성 액체의 잠재 인 응용가능성

은 앞으로 무한할 것으로 사료되므로 국내에서도 이에

한 연구자들의 심과 더불어 정부 기업체에 의

한 연구지원이 지속 으로 이루어져야 할 것이다

후의 과제

- 통상의 용매로 이온성 액체를 이용하는 경우에는 내구

성 제조가격 등의 인자가 요하지만 목 이 한정된

이온성 액체의 이용에 있어서는 목 하는 기능을 요

시할 필요가 있다

- 많은 이온성 액체가 합성되고 있으나 원하는 높은 물

성을 갖는 이온성 액체를 설계하는 데 기본이 되는 이

론이 아직은 없는 편이다 이를 해서는 특히 이온성

액체의 구조-물성의 상 계가 밝 져야 하는데 많

은 연구가 진행되고 있음에도 불구하고 그 계가 밝

지지 않고 있다 따라서 상태로서는 원하는 이온

성 액체를 직 만들어서 평가하는 방법밖에 없는 게

실이다

- 그러나 도화와 열안정성 등과 같이 상반 계에 있

는 특성은 하나의 라미터를 변화시키는 것에 의해

제4장 결론 및 제언 43

한 쪽의 특성은 양호하게 되지만 다른 한 쪽의 특성이

악화되는 것을 피할 수 없는 성질로서 아직 양쪽을 동

시에 만족하는 이온성 액체는 실 하지 못하고 있다

- 향후 이온성 액체는 청정용매의 개발과 더불어 새로

운 청정 공정기술의 개발을 통하여 신소재 신물질 생

산 공정을 환경친화 이면서 경제성 있는 공정개발에

기여할 것으로 기 된다

- 특히 비닐기 같은 합성 기능기를 이온성 액체의 단

구조로 도입하여 단독 합이나 공 합을 통해 고분

자화한 이온성 액체를 만들 수 있어 이를 잘 활용하여

이온 지라든가 연료 지 등의 해액으로 응용의 길

이 열린다면 학문 으로나 공업 으로 큰 의의가 있으

리라 생각되며 이 분야의 연구가 활성화되길 기 한

45

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저자소개

손 목

공학박사

한국에 지기술연구소 원장

한국과학기술정보연구원 문연구 원

서 수소 연료 지 개스 센서기술 등

강 종 석

공학박사

한국과학기술정보연구원 선임연구원

서 BT분야 국가연구개발 심층분석

리튬이차 지 등

BB088 손 목강종석

이온성 액체의 반응성 및 전기화학적

특성 연구동향

2005년 12월 19일 인쇄

2005년 12월 23일 발행

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화 3299-6114

등록 1991년 2월 12일 제5-258호

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ltFEFF0055007300650020006500730074006100730020006f007000630069006f006e006500730020007000610072006100200063007200650061007200200064006f00630075006d0065006e0074006f0073002000500044004600200063006f006e0020006d00610079006f00720020007200650073006f006c00750063006900f3006e00200064006500200069006d006100670065006e00200071007500650020007000650072006d006900740061006e0020006f006200740065006e0065007200200063006f007000690061007300200064006500200070007200650069006d0070007200650073006900f3006e0020006400650020006d00610079006f0072002000630061006c0069006400610064002e0020004c006f007300200064006f00630075006d0065006e0074006f00730020005000440046002000730065002000700075006500640065006e00200061006200720069007200200063006f006e0020004100630072006f00620061007400200079002000520065006100640065007200200035002e003000200079002000760065007200730069006f006e0065007300200070006f00730074006500720069006f007200650073002e0020004500730074006100200063006f006e0066006900670075007200610063006900f3006e0020007200650071007500690065007200650020006c006100200069006e0063007200750073007400610063006900f3006e0020006400650020006600750065006e007400650073002egt SUO ltFEFF004e00e4006900640065006e002000610073006500740075007300740065006e0020006100760075006c006c006100200076006f0069006400610061006e0020006c0075006f006400610020005000440046002d0061007300690061006b00690072006a006f006a0061002c0020006a006f006900640065006e002000740075006c006f0073007400750073006c00610061007400750020006f006e0020006b006f0072006b006500610020006a00610020006b007500760061006e0020007400610072006b006b007500750073002000730075007500720069002e0020005000440046002d0061007300690061006b00690072006a0061007400200076006f0069006400610061006e0020006100760061007400610020004100630072006f006200610074002d0020006a0061002000520065006100640065007200200035002e00300020002d006f0068006a0065006c006d0061006c006c0061002000740061006900200075007500640065006d006d0061006c006c0061002000760065007200730069006f006c006c0061002e0020004e00e4006d00e4002000610073006500740075006b0073006500740020006500640065006c006c00790074007400e4007600e4007400200066006f006e0074007400690065006e002000750070006f00740075007300740061002egt ITA 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 NOR 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 SVE ltFEFF0041006e007600e4006e00640020006400650020006800e4007200200069006e0073007400e4006c006c006e0069006e006700610072006e00610020006e00e40072002000640075002000760069006c006c00200073006b0061007000610020005000440046002d0064006f006b0075006d0065006e00740020006d006500640020006800f6006700720065002000620069006c0064007500700070006c00f60073006e0069006e00670020006600f60072002000700072006500700072006500730073007500740073006b0072006900660074006500720020006100760020006800f600670020006b00760061006c0069007400650074002e0020005000440046002d0064006f006b0075006d0065006e00740065006e0020006b0061006e002000f600700070006e006100730020006d006500640020004100630072006f0062006100740020006f00630068002000520065006100640065007200200035002e003000200065006c006c00650072002000730065006e006100720065002e00200044006500730073006100200069006e0073007400e4006c006c006e0069006e0067006100720020006b007200e400760065007200200069006e006b006c00750064006500720069006e00670020006100760020007400650063006b0065006e0073006e006900740074002egt KOR 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 CHS ltFEFF4f7f75288fd94e9b8bbe7f6e521b5efa76840020005000440046002065876863ff0c5c065305542b66f49ad8768456fe50cf52068fa87387ff0c4ee575284e8e9ad88d2891cf76845370524d6253537030028be5002000500044004600206587686353ef4ee54f7f752800200020004100630072006f00620061007400204e0e002000520065006100640065007200200035002e00300020548c66f49ad87248672c62535f0030028fd94e9b8bbe7f6e89816c425d4c51655b574f533002gt CHT ltFEFF4f7f752890194e9b8a2d5b9a5efa7acb76840020005000440046002065874ef65305542b8f039ad876845f7150cf89e367905ea6ff0c9069752865bc9ad854c18cea76845370524d521753703002005000440046002065874ef653ef4ee54f7f75280020004100630072006f0062006100740020548c002000520065006100640065007200200035002e0030002053ca66f465b07248672c4f86958b555f300290194e9b8a2d5b9a89816c425d4c51655b57578b3002gt gtgtgtgt setdistillerparamsltlt HWResolution [2400 2400] PageSize [612000 792000]gtgt setpagedevice

Page 5: 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향gift.kisti.re.kr/data/IAC/files/KISTI-200512-SYM-ion_fluid.pdf · ※ 이온성 액체는 사용되는 음이온의

1

제1장

서 론

1 연구의 배경

21세기 지식기반사회에서 과학기술경쟁력은 국가경쟁력

의 원천이며 이에 세계 각국들은 미래의 경쟁에 살아남

기 해 핵심기술과제를 선정하여 연구개발에 박차를

가하고 있다

우리나라 과학기술부도 2005년 6월 lsquo미래국가유망기술

원회rsquo를 구성하여 lsquo과학기술 측조사(2005-2030)rsquo 결과

(2005년 5월 국가과학기술 원회 보고)에서 도출된 기

술후보군을 바탕으로 『미래 국가유망기술 21』을 선정

하여 발표한 바 있다

한 한국과학기술정보연구원(KISTI)에서는 2005년 SCIE

논문데이터베이스를 이용한 정보계량학 분석을 통해

『미래 유망연구 역 선정연구』를 시도하 으며 본 보고

서는 그 결과에 기 하여 최근 2~3년간 논문의 인용도가

속히 높아지고 있는 유망 연구 역을 심으로 기술논평

형식으로 풀이한 심층 Expert Review이다

2 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

2 연구의 방법

한국과학기술정보연구원에서는 SCIE 데이터베이스에 등

록된 논문(1999~2005년 상반기까지 발표된 논문) 에

서 각 연도 각 분야별( 분류 22분야)로 피인용수

가 상 1인 고인용 논문(HCP Highly cited papers)

을 추출하고 공인용분석(Co-citation analysis) 동시단

어분석(Co-word analysis) 등의 과학계량학 방법들과

문가 평가(Expert evaluation)를 통해 lsquo미래 유망연구

역rsquo을 도출하 다

상기 도출된 미래 유망연구 역 에서 통계학 방법으

로 최근 논문의 인용도가 격히 상승하는 연구 역을

과학기술 분야별로 추출하여 본 테크이슈 보고서의 주제

로 삼았다

본 보고서는 이온성 액체의 반응성 기화학 특성

연구동향 분야에 있어서 최근 많이 발표되고 있는 논문

들을 종합하여 련 분야 연구에 한 기 지식과 함께

세계 인 연구동향을 개 으로 살펴보고 미래 핵심기

술로 자리잡기 한 연구개발 략을 제시하 다

3

제2장

기술의 개요

1 이온성 액체란

이온성 액체는 이온만으로 구성된 액체이며 분자성 용

매를 함유하지 않고 있기 때문에 증기압이 거의

없고 진공 에서도 액상(液狀)을 유지하는 특이한 액

체이다(1)

- 염(salt)은 양이온과 음이온이 강한 정 기 인 상호작

용을 통해 각각의 이온들이 규칙성을 갖고 정연하게

배열하고 있다 NaCl로 표되는 무기염은 고체상 결

정으로 이 염을 용융시키는 데는 800이상의 열이 필

요하다

- 용융상태의 무기염이 도 용기나 열 도체로 이용되

고 있는 것은 오래 부터 알려져 있으나 고온에서 이

용하는데 불편한 도 많았다 이종 이온의 혼합 등

융 을 낮추는 연구가 많았으나 100이하에서 용융하

는 무기염의 개발이 요해진다

1992년에 Wilkes 등이 1-ethyl-3-methylimidazolium-

tetrafluoroborate가 기 하에서 안정하여 실온에서 액

체상을 형성한다는 보고가 있은후 서서히 연구자나 기

4 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

술자의 주목을 받게 되어 이에 한 연구가 성행하게

되었다 이와 같이 실온에서 액체가 되는 염을 이온성

액체(ionic liquid)라 부른다(2)

- 일본에서는 실온에서 용융된 염을 이온성 액체라 하지

만 구미에서는 융 이 100 이하의 염을 ionic liquid

라고 하여 다소의 개념 차이가 있다

lt그림2-1gt 모든 이온성 액체가 상온에서 액체가 되는 것은 아니다

왼쪽은 mp 40의 methyltri-n-butylammoniumdocusate이며 오른쪽은

RTIL(room temperature ionic liquid)의 1-butyl-3- methyl imidazolium

diethyleneglycolmonomethylethersulfate이다 이온액체는 흰색에서 은

황색과 오 지색이 있다

2 이온성 액체의 특성

일반 물성

- 이온성 액체는 넓은 온도 범 에서 액체상태를 유지한

제2장 기술의 개요 5

다 증기압이거의 제로(zero)이며 보통 용매가 증발하

는 고온(400정도)에서도 안 하게 존재하는 것이 많

다 화학 으로 안 하며 불휘발성이기 때문에 유기물

인데도 불구하고 불연성이다(3)

- 이온만으로 구성된 고 도 액체는 하게 극성이 크

다고 생각하고 있으나 실제 이온성 액체는 알코올 정

도의 극성을 갖고 있으며 비 이 15 이상으로 큰데

비해 낮은 성을 갖고 있어 일반 인 극성용매와 같

이 취 된다

- 고 도의 이온의 운동성이 높아 양호한 이온 도성을

갖는다 기화학 으로 안정한 것도 보통의 분자성

용매에는 없는 특징이다

- 이온성 액체의 구성이온이 유기물이라는 으로 보아

여러 가지 유도체를 얻을 수 있는 것도 특징이다 비

록 여러 종류의 이온을 당하게 조합하여도 액상으로

될 가능성이 기는 하지만 한 설계에 의해 액상

염의 기능설계 가능성이 있다

lt그림 2-2gt 이온성 액체의 특징과 표 인 구성 이온 종류

고이온전도성

불연성

우수한

분자디자인성

열middot화학적안정성

고극성

불휘발성

여러화합물과의상용성

이온성액체

고이온전도성

불연성

우수한

분자디자인성

열middot화학적안정성

고극성

불휘발성

여러화합물과의상용성

이온성액체

6 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

음이온에 의한 특성

이온성 액체는 사용되는 음이온의 종류에 따라 그 특성이

히 달라진다 가장 많이 사용되는 음이온은 PF6-로

imidazolium 양이온과 결합하면 소수성 이온성 액체

[bmim]PF6-를 형성한다

- BF4- 한 일반 으로 많이 사용되는 음이온이다

PF6-와 거의 비슷한 특성을 갖고 있으나 imidazolium

과 이온성 액체를 형성하면 물에 잘 녹는 이온성 액

체[bmim]BF4-를 형성한다

- 즉 거의 비슷한 크기나 구조를 하고 있는 음이온을 사

용하더라도 얻어지는 이온성 액체의 특성은 히

달라지는 경우가 많다(4)

비록 여러 면에 있어서 응용이 개발되고는 있으나 PF6-

BF4-를 음이온으로 사용한 경우 물의 존재 하에서 열을

받으면 HF를 발생시키면서 분해가 일어난다 이 문제를

해결하기 해 여러 회사들에서는 다른 종류의 음이온을

선정하여 이온성 액체를 개발하고 있다

- 불소계이기는 하지만 F가 탄소에 붙어있는 음이온을

사용하면 C-F결합은 비활성이므로 열에 안정하여 HF

를 방출하지 않는다 CF3SO3- (CF3SO3)2N

-가 그 이

다(5)

배 성향

- 이온성 액체의 존재 하에서 속 매를 사용하는 공

제2장 기술의 개요 7

정의 경우에는 음이온이 반응에 있어 배 할 성향이

낮은 PF6-가 아직까지는 가장 한 것으로 본다

(CF3SO3)2N- 같은 경우도 같이 불소를 포함하는 음이

온은 고가이다(6)

- 가격과 안정성을 고려해서 Solvent Innovation과

Sachem(주)는 불소를포함하지 않은 새로운 이온성

액체를 시도한다(7)

- 가능성이 있는 것은 가격 경쟁력이 있으면서 그 크기

가 큰 bulk chemical을 음이온으로서 독성이 없으면서

생분해가 가능한 alkyl sulfate계 음이온이 상이다

ECOENG 500(Peg-5 cocomonium methoxulfate)가 그

한 인데 무독성임을 입증한 첫 번째 비 불소계 음

이온이다

lt그림 2-3gt n-octyl sulfate( ) docusate(아래)

- Sachem(주)는 docusate계 (dioctylsulfosuccinate) 음이

온을 사용하는데 이는 동물계에 매우 낮은 독성을 갖

고 있고 식품 제약 화장품등에 이미 사용되는 물

8 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

질이다

- 다른 이온성 액체와는 달리 docusate는 친유성이며

hydrocarbon과잘 섞이는 특성을 갖는다

융 련 성질

- Rogers 등에 의해 최근에 밝 진 이온성 액체의 특성

은 Cl과 같은 할로겐 음이온은 셀룰로스나 다른

oligosaccharide와 같은 생화학 물질들이 이온성 액체

에 녹는 것을 진시킨다는 것이다(8)

- 이온성 액체가 녹아있는 매질들과 특정의 상호 작용이

있는 성질을 이용하여 양이온 음이온 각각에 특정

의 기능기를 도입하는 새로운 연구가 진행되고 있다

이온성 액체에 부가되는 기능기는 이온성 액체의 반응

패턴을 증가시키거나 특정 물질과의 상호 작용을 증

가시키는 등 다양한 특성을 부여할 수 있다

- 150 이하에서 녹는 이온성 액체는 재 100개 이상

의 종류가 매된다(9) 디자인된 양이온과 다른 음이온

과의 조합은 다양한 범 의 녹는 을 가진 새로운 이

온성 액체를 얻을 수 있는데 이를 incognito 이온성

액체라고 한다

- incognito 이온성 액체로 18-diazabicyclo[540] undec-

7-enehydro tribromide (DBU-HBr mp 119-122)는 높

은 수율의 aromatic bromination을 얻는 좋은 반응물이

다(10)

상업 으로 쉽게 얻을 수 있는 융 을 갖는 아미노산 유

도체인생체 물질들도 이온성 액체의 개발에 사용될 수 있다

제2장 기술의 개요 9

- L-alanine ethyl ester hydrochloride (mp 78)

L-serine methylester hydrochloride (106)들이 이

다(11) 정의한 이온성 액체와는 좀 다른 특성이기는

하지만 융 을 갖는 염으로는 같은 의미로 볼 수

있다

lt그림 2-4gt 상품화된 다양한 이온성 액체

3 이온성 액체의 합성방법

헤테로 고리화합물을 활용한 합성제법이 가장 많이 알려

져 있다

- 지 까지 많은 이온성 액체가 설계되고 있으나 부분

은 이미다졸륨 등의 헤테로 방향환을 기본으로 하는

양이온으로 구성되어 있다 짝음이온의 종류에 따라

다른 성질을 보이기는 하지만 헤테로환 양이온 특히

10 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

이미다죨륨 양이온으로 구성된 염은 낮은 융 을 나타

낸다

lt그림 2-5gt 이온성 액체의 합성법

- 이온성 액체는 할로겐화 알킬을 아민의 제4 화 반응

에 의해 염을 얻고 이것을 한 음이온으로 교환하

여 얻는다 이 방법은 음이온교환반응에서 생기는 부

산물을 완 히 제거하기 어려워서 원하는 염을 높은

순도 높은 수율로 얻기는 쉽지 않고 사용하는 음이온

종류도 한정된다(12)

- 3 아민과 로톤산의 화반응으로 이온성 액체를

합성하는 방법이 새로 개발되었는데 이 방법은 부산

물의 혼입에 의한 순도의 하도 억제할 수 있으며 합

성이 가능한 이온성 액체의 종류도 풍부하다

- 이온성 액체의 모델 설계 혹은 구성하는 이온 구조

최 화를 의도한 스크리닝(screening)을 활용하여 많

은 종류의 이온성 액체가 합성되고 있으나 원하는 우

수한 물성을 갖는 이온성 액체의 설계지침은 아직까지

불완 하다 구조-물성의 상 계를 찾고자 많은 연

구가 진행되고 있으나 아직까지 일반 인 계를 찾

제2장 기술의 개요 11

지 못하고 있는 실정이다 즉 신규 이온성 액체를 찾

아낼 가능성이 아직 많다고 하겠다(13)

4 이온성 액체의 응용분야

이온성 액체의 특이한 성질을 이용하여 여러 응용이 제

안되고 있다 크게 환경부하가 은 그린(green) 용매로

서의 응용과 새로운 이온 도성 재료로서 응용으로 2분

야로 크게 나 수 있다 그린 용매로서의 연구는 주로

유럽과 미국에서 이온 도성 재료의 연구는 상 으

로 일본에서 연구가 많이 진행되고 있다

그린 용매(기능성 용매)

- 화학공정의 반응계에서 사용되는 용매 특히 유기용매

가 기나 하천 등으로 확산되는 것은 환경문제이다

더욱이 유기용매의 인화성이나 폭발성 작업종사자의

피독 등 안 에 한 문제가 요하다

- 이온성 액체를 그린 용매로서 응용하는 것은 일반 인

휘발성 용매를 체하는 반응용매(반응장)로서 응용으

로 에서 설명한 문제 을 한꺼번에 해결할 수 있는

가능성이 있다

- 이온성 액체를 용매로 사용할 수 있는 반응 로서 유

기합성 반응계 분리 추출 등 여러 분야가 있으며 생

체유래분자의 반응에도 검토되고 있다

- 최근에 이 분야의 연구의 방향은 이온성 액체의 분자

12 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

설계 장 을 이용하여 기능을 갖는 구조를 도입할 수

있다 실제 매활성이나 귀 속 회수 등의 기능

부여가 연구되고 있다 Davis등이 제창하는 Task-

Specific Ionic Liquid(14)라 불리는 차세 이온성 액체

가 그 좋은 이다

이온 도체

- 이온성 액체는 불휘발 불연성 특성이 있어 기존에

해액으로 사용되어온 유기용매가 갖고 있는 휘발성

인화성이라는 문제를 해결 할수 있다 따라서 이온

도성 재료로서의 연구는 리튬이온 지 연료 지 색소

증감 태양 지 작동장치(actuator) 커패시터(capacitor)

등의 이온성 소자용 해액 응용을 들 수 있다(3)

- 실제로 이온성 액체를 해액으로 사용하기 해서는

재 개발 된이온성 액체의 모든 물성을 개선하는데

범 한 분자설계로부터 물성과 구조의 계를 연구

하고 이를 통해 이온 특성을 최 화할 필요가 있다

- 보다 실제 인 응용을 해 이온성 액체 그 자체를

해액으로 사용하기보다는 고분자화에 의해 고체 해

질로서 하는 쪽이 더 좋은 경우가 있다 고분자화 된

이온성 액체의 특성은 이온성 소자의 소형경량화나 박

막화 안 성의 향상도 기 된다

- 재까지 얻어진 고분자 구조를 보면 고분자의 가지사

슬에 양이온음이온의 양쪽을 고정시킨 공 합 고분자

형 극성 이온형 등은 목 하는 이온만의 이동이

요구되는 응용에 당하다(15)

제2장 기술의 개요 13

다른 분야 응용

- 다른 분야의 응용 실례로는 자 도성 액체 윤활유

임계유체와의 혼합계 표면 개질제 등이 있다 휘발

하지 않는 액체 실온에서 액체상 염이라는 특징을 살

려 앞으로 다른 분야의 연구자와 교류를 통하여 이온

성 액체의 새로운 가능성을 열어갈 수 있다

15

제3장

국내외 연구개발 동향

1 연구의 방향

이온성 액체의 연구는 술한바 반응용매로의 이용과

해질 용액으로서의 이용으로 크게 분류된다

- Grignard 시약을 사용하는 반응 이외에는 부분이 이

온성 액체 에서 반응하는 것이 가능한 것으로 일반

의 유기합성 반응에서부터 고분자 합성까지 다양한 반

응이 검토되고 있다

- 소수성이 강한 불소함유 이온성 액체는 액액(液液)

의 2층으로 분리가 되어 물층의 에 무거운(비 15

정도) 이온성 액체층이 생성되는데 이를 이용하여 공

장 배수로부터 유기물을 추출하는 등 배수처리에 응용

할 수 있으며 반응물의 회수도 가능하다

해질 용액으로의 이용은 이온성 액체가 높은 이온

도성을 가진 것과 폭넓은 온도 역에서 액상을 유지하

면서 불연성인 것 창(電位窓)도 넓고 기화학 으

로 안정한 것 등의 특징을 가지고 있어 각종 기화학

디바이스에의 이용이 검토된다

- 이온성 액체가 해질 용액으로서 이용될 때 특히 특

16 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

정 이온의 이동(移動)이 기능발휘에 요한 역할을 하

는 경우에는 다음과 같은 두 가지의 을 고려해야

한다

용매로서 사용하는 이온성 액체를 구성하는 이온이

구배(potential gradient) 하에서 이동하도록 제어하

여 목 이온만을 도시킬 필요가 있다

목 이온을 성분으로 하는 이온성 액체가 거의 알려

져 있지 않기 때문에 목 이온을 함유한 염을 용해시

켜서 이용하는 것이지만 첨가한 염은 이온성 액체에

한 용해도가 일반 으로 높지 않다 용해성을 개선

하기 해서는 이온성 액체의 성분과 같은 이온을

응 이온으로 하는 염을 이용해야 한다

- 이온성 액체는 높은 이온 도성과 용질의 가용성(可

溶性) 등을 이용하여 해합성(電解合成)이나 해

합에도 응용되고 있다

2 반응장으로서 이온성 액체의 활용

농약 간체로서 요한 학활성체와 고분자 물질 생산

에 있어 용매 역할로 이온성 액체를 사용하여 그 가능성

특성에 하여 소개한다

제3장 국내외 기술개발 동향 17

학활성인 불소계 물질의 제조

불소계 물질은 의농약의 합성 간체로서 요하나 비

칭 불소화 반응에는 가 다

lt그림 3-1gt 비 칭 불소화 반응

- 이온성 액체 에서는 온에서도 사용 가능한 헥실=

메틸=이미다졸리움헥사후루오로포스페이트

[hmim][PF6]을 사용하여 구핵반응에 의해 비 칭 불

소화 반응이 일어나 높은 학순도의 불소화체를 합성

하고 있다(16)

- 이 반응의 과제는 학순도의 향상과 용 가능한 물

질을 넓히는 일이다 학활성 에폭시알코올의 불소화

로 학활성 불소화에폭시 화합물을 합성하는 것이 가

능하다고 알려져 있다(17)

18 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-2gt 학활성인 불소화 에폭시

비 칭 알돌(aldol) 반응

- 효소 알돌라아제(aldolase)에 의한 비 칭 합성을 모방

한 화학 매에의한 탄소-탄소 결합 형성 반응은 합성

화학의 요한 과제 이다(18) 용제로서 「재사용 가능

한」 이온성 액체를 이용하고 매로서 L- 로린

(proline)을 사용한 반응장에 한 몇 가지 보고가 나

와 있다(19)

lt그림 3-3gt L-proline을 매로 하는 알돌형 반응

제3장 국내외 기술개발 동향 19

- 아세톤과 L- 로린으로 형성된 에나민(enamine)을 반

응 기질(基質)로 하여 방향족 알데히드류와 알돌형 반

응에서도 지방족 알데히드 사이에서의 크로스 알돌형

반응에서도 꽤 높은 학순도의 생성물이 얻어지고 있

다(20)

- 기질로서 에틸=메틸= 톤을 사용할 때에도 높은

학순도로 입체제어를 행할 수 있고 반복 반응장으로

서 사용해도 재 성 좋게 생성물이 얻어지는 것을 확

인하 다

- 클로로아세톤으로부터 생성한 할로히드린을 간체로

서 학활성의에폭시 화합물로 변환할 수 있는 것도

알려져 있으나 학순도는70~80 정도이고 물질 제

조로서는 만족할 만한 학순도는 아니다(21)

- 기질인 알데히드류와 로린으로부터 형성된 반응

간체는 Michael addition(마이클 부가반응)을 용이하게

진행시킬 수 있다 이 반응에서는 수용체(受容體)의

LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital) 에

지가 하하고 구핵제(求核劑)의 공격을 받기 쉽게 되

는 것이 필요하여 불소계 물질이 합하다

- 로린 이외의 유기분자에서는 디에틸아미노트리메틸

실란을 매로서 이용한 불소계 물질의 선택 인 올

핀류 합성이 발표 되었다이 반응계에서는 알데히드류

와 매로부터 생성한 반응 간체가 불소계 헤미아세

탈류로 되고 간체로부터 입체 선택 으로 편일방(片

一方)의 올 핀류를 생성하고 있다(22)

20 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

학활성인 이온성 액체

- 학활성인 이온성 액체는 학활성인 아민계 물질을

출발원료로 해서 합성되고 있는 경우로 니코틴을 출발

물질로 학활성인 이온성 액체를 만들 수 있다(23) 할

로겐 교환법을 사용하는 합성법의 첫 단계에서 얻어지

는 니코틴의 롬염은 고체이지만 LiNTf2로 음이온

교환을 하면 도가 높은 이온성 액체가 얻어진다

lt그림 3-4gt 수종의 학활성인 이온성 액체

합성된 이온성 액체 [Et(S)-nicotine]NTf2를 Diels-

Alder 반응의 반응 용매로서 사용한 결과 기 한 바와

같이 양호한 수율로 생성물이 얻어 졌지만 3 아미노

기가 염기성 매로서 작용을 하여 비 칭 반응장으로

서의 기능은 나타나지 않았다

제3장 국내외 기술개발 동향 21

lt그림 3-5gt 학활성 이온성 액체의 염기성 매로서의 기능발

를 들면 디엔 체의 3-히드록시 -2피론을 사용하여

Diels-Alder 반응을 하면 루이스산이 기질에 결합하여

기질의 HOMO(the highest occupied molecular orbital)

에 지 가 하되고 반응이 진행하지 않는 것이

확인되었다

dienophile(2 결합을 한개 가진 화합물)로서 아크

릴산메틸을 사용하면 높은 수율로 endoexo = 31의

목 하는 화합물을 얻을 수 있으나 이 반응을 보통

이온성 액체[emim][NTf2] 에서 행하면 진행하지 않

는다(24)

에폭시화 반응

- 합성 간체로서 주목되는 에폭시 화합물도 이온성 액

체 에서 합성되고 있다 효소의 산화반응을 이용하

여 과산화수소를 사용해서 계 에서 과 산을 생성시

켜 효소반응과 화학반응을 연속 으로 조합시켜 에폭

22 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

시 반응이 일어나고 이온성 액체를 반응장으로 사용

한 시스템이다(25)

lt그림 3-6gt 효소반응을 활용한 에폭시화 반응

- 기질류(基質類)에서의 비 칭 에폭시화 반응에서 얻어

진에폭시 화합물의 학순도는 높기 때문에 실용 인

합성방법이며 이 시스템에서는 이온성 액체를 5회 반

복 사용하여도 수율이나 학순도의 변화가 없음이 보

고 되고 있다(26)

lt그림 3-7gt 비 칭 에폭시화 반응

제3장 국내외 기술개발 동향 23

비 칭시아노화 반응 비 칭 사이클로 로 화 반응

- 알데히드류의 비 칭시아노화 반응에서도 비 칭 매

를 활용함으로서 학순도가 98정도로 원하는 생성

물이 얻어지고 있으며 이온성 액체의 반응장으로서 유

용성을 보여주고 있다(27)

lt그림 3-8gt 비 칭 시아노화 반응

- 디아조화합물을 사용하는 사이클로 로 화 반응에서

생성하는 시스체와 트란스체의 기하이성체 비는 높지

않으나 각각 학순도는 상당히 높은 것이 얻어진

다(28)

lt그림 3-9gt 비 칭 사이클로 로 화 반응

24 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

이온성 액체 에서의 고분자 합성

- 이온성 액체 에서 합반응을 행하면 MwMn비가

작게 되는 것으로 보고 되었다 이온성 액체를 이용하

여 합개시제로서 과산화벤조일이나 아조비스이소부

틸로니트릴을 사용한 스티 메틸메타크릴 이트의

호모(homo) 합에서 생성물은 이온성 액체로부터 여

과하는 것만으로 분리가 가능하고 회수한 이온성 액체

를 합용 용매로서 재이용이 가능하고 생성된 고분자

체의 분자량도 증가한다

lt그림 3-10gt 이온성 액체[bmim][PF6] 의 스티 의 합반응

중합용매

개시제 중합용매 수율() 분자량

중합용매

개시제 중합용매 수율() 분자량

- 벤젠 에서와 비교하여 이온성 액체 에서 합도

(重合度) 더욱이 생성물의 수율이 향상하는 것은 이

온성 액체의 도가 벤젠에 비하여 높아 연쇄 이동을

일으키기가 어렵고 생성한 폴리머 라디칼이 용매계로

부터 계외(系外)로 배출되기 쉽기 때문이라 생각된다

- 더욱이 이온성 액체 에서 AIBN(22-Azobis (isobuthy-

제3장 국내외 기술개발 동향 25

ronitril)) 내지는 BPO(benzoylperoxide)를 합개시제

로 한 스티 과 메틸메타크릴 이트의 라디칼 공 합

에 하여도 검토되고 있다

- 공 합 반응은 스티 의 첨가 몰비를 MMA에 비해

증 시켜도 코폴리머 분자량 모노머의 변화율이

하하는 경향이 있다 이 결과는 벤젠을 용매로 한 공

합계와 반 의 경향이고 이온성 액체의 극성이 높아

스티 에 비하여 극성 용매 에서 MMA의 합성이

높아지기 때문이라고 생각된다(29)

lt그림 3-11gt 이온성액체[bmim][PF6] 의 공 합 반응

3 촉매반응에서의 이온성 용액

매반응에서 이온성 용액은 자체 매성 보조 매 매활

성자 매 심의 새로운 리간드의 원 반응을 한 용매

등으로써 용된다(30)

26 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

유기 매로서의 이온성 용액

- 이온성 용액을 매반응에 사용하는 가장 좋은 방법은

용매와 매를 조합해서 사용하는 것이다 용매를 바

꿀 때마다 반응이 빨라지면 새로운 용매는 매 역할

을 한 것으로 본다

lt그림 3-12gt methyl acrylate와 [C4C1im]+ 양이온 사이의 수소결합

- 염화알루미늄염(III)(AlCl3) 이온성 용액에서 자치

환 산성 이온성 용액에서 아 (arenes)의 좋은 용해

성과 결합한 산성의 염화알루미늄염 이온성 용액의

높은 농도 [Al2Cl7]-는 친 자성 방향족 치환을 한

이상 인 용매로 만들 수 있다 산성인 [C2C1im]

Cl-AlCl3에서 1-염화 로 과의 벤젠 알킬반응에서 알

킬 고분자화가 측되었다 이이온성 용액시스템은 높

은 활동성과 선택성을 보 다(31)

- 유기용매로서 이온성 용액 이온성 용액은 지난 수년

간 유기 매 반응에 새로운 흥미를 갖기 시작하 으며

이 분야에 향을 수 있는 가능성을 가지고 있다

유기 매 반응에 한 근방법은 흔히 디엘-알더

(Diels-Alder) 환형추가 그 유도체인 수소결합의

상호작용 반응을 통해서이다(32)

제3장 국내외 기술개발 동향 27

보조 매로의 이온성 용액은 올 핀의 이합체화 (Olefin

dimerization)에서 니 매로 산성염화알루미늄염의 이

온성 용액이 로펜을 헥센에 이합체화를 한 반응에서

용매와 보조 매의 조합으로 사용한 첫 번째 경우이

다(33)

리간드 원으로서의 이온성 용액

- 수소화와 수소포르 화 반응 수소화 반응 수소포

르 화 반응을 해 용매로서 [Et4N][SnCl3]의 PtCl2용

액은 속에 매의 확실한 분해도 없이 올 핀의 수

소화에 효과 으로 매반응을 일으켰다 공기와의

을 피하도록 하는 가운데 활성화의 손실이 없이

매용액을 계속 으로 사용함으로써 반응이 이루어진

다(34)

- 팔라듐 NHC착물의 형성 이온성 용액은 팔라둠 매

반응의 넓은범 의 용매로 사용되어 왔다 이 연구과

정에서 재미있는 화학 상은 HHC착물과 나노 입

자의 형성이었다 이는 아직 논쟁의 상이 되고 있다

NHC착물은 이미다졸리움 이온성 용액에서 형성되며

기 하지 않는 반응성 는 선택성이 감지될 때 이를

항상 고려해야한다(35)

28 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-13gt NHC 매의 lactide 합에서의 ring opening

- 이온성 용액에서 나노입자의 형성 최근에 매로서

나노입자의 사용이 증가되는 심분야이다 1996년

Kaufmann이 이온성 용액에서처음으로 팔라듐의 매

반응을 보고하 다 일련의 아릴 롬이[C16PbBu3]Br

는 [Bu4N]Br에서 노말-알킬 이트와 결합하여 수율

90이상의 trans-시안염을 생성하는 반응이었다(36)

반응 용매로서의 이온성 용액

- 알 수소화 반응 [SbF6]- 와 [PF4]-의 두 이온성

용액에서 수소화 반응의 속도는 알 용액에서보다 훨

씬 높았다 왜 이 이온성 용액이 개선되었는지에 해

서는 아직 연구된 바가 없다 실제 매의 실체조차확

인이 안 되었다 반응용액으로부터 생성된 알 은 분

리가 쉬웠고 매를 함유한 용액은 순환되었다(37)

lt그림 3-14gt [C4C1im][PF6]의 수소포르 화 매의 두형태의 평형

제3장 국내외 기술개발 동향 29

- 산화 비록 재 사용되는 부분의 이온성 용액은 산

화에 안정 이고 산화과정에 이상 인 용매를 제공하

고 있지만 이것은 불과 지난몇 년 사이의 일이었다

Ni(acac)2는 [C4C1im][PF6]에서 해당되는 산의 라-

치환 benzaldehydes를 보통의 수율로 공기 에서 산

화반응의 매로 사용되어 왔다(38)

기화학 매용매로써의 이온성 용액

- 자화학을 이끄는 이온성 용액은 기화학 합성용

용매로서 가능성을 보이고 있다 최근에는 Ni이 알킬

벤질 아릴 할로겐화합물의 기 도성 동종결합

(electro conductive homo-coupling) 반응에 매로 보

고 된 바 있다 니 (II)착물은 니 (0)의 종에 하여

환원되고 방향성 할로겐화물에 첨가되어 할로겐 화합

물이 된다는 제안이 있었다(39)

이온성 용액의 고정화

- 반응시스템이 액체일 때 많은 장 이 있지만 때로는

그것을 고정화(immobilize) 시킬 필요가 있다 이온성

용액을 고정화 시키는데 심이 모아지고 있으며 첫

번째의 시도가 이온성 용액- 합체 겔을 만들기 하

여 고분자 vinylidenefluoride- hexachloropropylene의

공 합체를 사용한 것이다(40)

30 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

4 근대의 동향

할로겐 리이온액체

- 근년 이온성 액체에 한 연구가 많이 수행되고 있지

만 합성하고 있는 이온성 액체의 구조는 의외로 한정

되어 있으며 양이온은 테트라알킬암모늄(tetraalkyla-

mmonium) 피롤리디니움(pyrolidinium) 이미다졸리움

(imidazolium) 피리디니움(pyridinium) 등과 같이 비

교 다양성이 풍부한 반면에 음이온 종류는 BF4

PF6 CF3SO3 (CF3SO2)2N 등 할로겐 원소를 구조

에 함유한 것은 일반 으로 종류가 많지 않다(41)

- 할로겐을 포함하지 않는 음이온도 보고 되어 있는데

많은 양이온과 조합하여 액체화를 달성함이 쉽지 않고

한정된 양이온과 질산음이온이나 산 음이온 등을 결

합시킨 것이 보고 되어 있다(42)

- 최근 H Ohno(43)등은 할로겐 원소를 함유하지 않은

음이온으로 이온액체를 구축하기 하여 헤테로방향환

화합물을 착안하여 이미다졸이나 피라졸 등의 아졸

(azol)류 에서 산성을 띠는 124-triazolate 1234-

tetrazolate 등과 이미다졸리움 양이온을 조합시키는 것

에 의해 이온성 액체를 합성하 다

- 이 이온성 액체는 분자량과 비교해서 하의 비국재화

(非局在化)가 크다 한 할로겐 원소를 함유하지 않

고 C H N의 3종류원소만으로 구성되어 있다

제3장 국내외 기술개발 동향 31

lt그림 3-15gt 할로겐 리이온액체의 구조

쯔 츠 이온성 액체 (Zwitter ionic liquids)

- 한편 M Yoshizawa(44) 등은 이온 도재료로서 이온액

체를 사용하는 경우는 구배에 한 이온액체의 구

성이온종의 이동이 큰 문제로 된다

- 따라서 리튬 2차 지나 연료 지 등 목 이온종의 수

율과 계의 출력과의 계를 디바이스에 응용할 때는

이온 도재료로서 이온성 액체를 사용하는 것으로 양

이온과 음이온을 스페이서(spacer)로 결합하는 것에

의해 실온에서 액체상태인 성 이온 액체(zwitter

ionic liquid)를 제안하고 있다

- 양이온과 음이온을 스페이서로 결합하면 하는 체

로서 성이 되어 하이동이 없는 염으로 되는데 스

페이서가 짧아서 충분한 염해리가 힘드나 어느 정도의

자유도가 얻어지면 zwitterion으로 된다

32 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-16gt zwitter ionic liquids의 모식도

특정이온을 포함하는 이온액체

- 이온성 액체를 이온 도체로 사용하는 과제는 목 이

온의 도입이다 이는 리튬염 등 목 이온을 포함하는

염 등을 이온액체에 용해시켜 도입한다

- 그런데 염의 첨가는 계의 성의 증가 이온 도도의

하를 가져온다 한 이온액체와 상용하는 분자무

기염은 많지 않고 첨가염의 종류도 한정되어있는 것이

문제이다

- 이의 해결이 자의 zwitter ion이고 두 번째가 목 이

온을 실온에서 액체화가 가능하면 문제가 해결된다

이러한 방법으로 각종의 알칼리 속 이온성 액체

(alkali metal ionic liquid)를 개발하 다(45)

- lt그림 3-17gt은 알칼리 속이온성 액체는 2가의 응

음이온과 1가의 오니움(onium) 양이온 1가의 목 이

온으로 구성된다

lt그림 3-17gt 알칼리 속이온액체의 개념도

제3장 국내외 기술개발 동향 33

- 이온액체는 구성하는 이온 간의 정 기 상호작용은

없을수록 좋으므로 강한 상호작용을 일으키는 다가이

온의 사용은 물이다 당 리튬 양이온의 이온액체

가 목 이나 여러 가지의 알칼리 속이온도 액체로

되는데 이를 응용하면 로톤을 포함하는 이온액체도

얻어지게 된다

이온액체의 합

- 이온성 액체는 분자 디자인이 용이하기 때문에 고분자

구조를 도입하는 것도 가능하며 이온성 액체의 고분

자화로는 각종의 고분자와 혼합한 겔화가 알려져 있지

만 이온성 액체 에 합기를 직 도입하여 고분자

화 하는 것에 의해 이온 도성뿐 아니라 디바이스의

다운사이징(down-sizing)에 기여할 것으로 망하고

있다(41)

- lt그림 3-18gt은 고분자화 이온액체를 나타내는데 종래

의 polyethyl-eneoxide유도체에 의존하지 않는 새로운

이온 도재료로서 검토된다

- lt그림 3-18gt에서 양이온과 음이온의 한쪽이 고분자의

주쇄에 고정되어 있어서 도 이온종을 선택하는 이

유용하다 한 구성이온종의 양방이 고분자 주쇄에

고정된 구조는 이온 도성을 나타내지 않으나 목 이

온의 첨가로 선택 도가 일어난다(46)

34 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-18gt 이온액체폴리머의 변화

자기조직화 이온액체

- 이온액체는 등방성의 액체로서 3차원 인 이온을 운반

하는 것이 가능하다 이로서 차원제어를 행하고 특정

방향으로 이온을 수송하는 시도가 있다 이를 해 자

기 집합력을 이온액체에 부여할 필요가 있다

- 이온액체의 자기조직화에는 양친매성화합물(兩親媒性

化合物)의 성질을 이용한다 극성성분이 있는 이온액

체에 비극성기(탄화수소쇄 탄화불소쇄)를 도입한 양

친매성 이온액체는 벌크로 써모트로픽 액정성을 발

하여 극성 비극성기가 분자 벨에서 상분리된 구조

를 형성한다

- 이 액체 도메인 에는 이온성 액체자신은 용융되어

높은 운동성을 갖는 알킬기의 집합층에 고정된 상태일

것으로 생각된다 여기에 리튬염을 첨가하면 비극성염

을 갖지 않는 리튬이온의 우선 인 수송이 기 된

다(lt그림 3-19gt 참조)

제3장 국내외 기술개발 동향 35

lt그림 3-19gt 이온성 액체 도메인 의 목 이온수송의 모식도

새로운 용매

- Alabama 학의 Rogers 등은 셀룰로오스를 용해시키는

이온성 액체로서 bmim Cl(1-butyl-3-methylimidazolium

chloride)을 개발하 다(47)

lt그림 3-20gt bmimCl의 구조

- Bmin Cl은 실온에서는 고체로서 75에서 용해되지만

100 정도로 가열한 bmim Cl에 종이(셀룰로오스)를

침지하면 순식간에 용해된다 이 용액을 시린지

(syringe)에 의해 물 에서 용출(溶出)시키면 셀룰로

오스 화이버가 생성된다 풍부한 목재자원을 셀룰로스

로 추출하는 시도가 이루어지고 있다

36 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

- 한 핵산류를 용해시킨 이온액체를 개발하고 있는데

DNA나 RNA는 물에 쉽게 용해되지 않는데 이를 용

해시키는 이온액체가 얻어졌다 일정량의 핵산을 용해

시키는 온도는 사용하는 이온액체의 구조에 크게 의존

한다(48)

- 특히 분자내 는 분자간의 수소결합을 단하는 능

력이 요구되는데 여기에는 염소음이온의 효과가 큰 것

으로 알려져 있다 염소를 포함하는 염은 일반 으로

융 이 높고 실온에서 액상으로 존재하기가 어려운

이 있다

- 이는 음이온의 부 하가 비국재화하고 있지 않기 때문

에 정 인 상호작용이 강하게 작용하고 있는 결과이

다 이를 피하기 해 양이온구조를 개선하여 상온에

서 액체의 염화물 염을 합성한다(49)

- 이 방법으로 양이온 구조를 개선하여 실온에서 액체상

태 염화물염인 aaim Cl(13-diallylimidazolium chloride)

를 개발하 다 aaim Cl은 융 이 21 부근이지만 한번

용융하면 과냉각 상태에서도 안정하여 실온에서 사용

가능하다 단지 도가 높은 것이 난 이다

단백질의 기화학반응용 해질용액

- 단백질의 기화학 인 성질로서 단백질을 이온액체에

용해시키는 것은 통상의 고분자를 용해시키는 것과는

차원이 다데 단백질의 기능은 펩사이드쇄의 3차 구조

에 크게 의존하기 때문에 3차구조가변하면 변성에 의

해서 목 달성이 되지 않는다 따라서 무리한 용해작

업은 변성을 래한다

제3장 국내외 기술개발 동향 37

- 이에 하여 PEO(polyethylene oxide)의 에테르산소가

이온과 강하게 상호작용하고 있다 이는 가용성을 의

미하며 PEO가 단백질과 이온액체를 용해하여 단백질

의 안정성을 향상시킨다 종래 바이오디바이스의 작성

이 곤란했든 것은 수 에서 단백질의 불안정성에 기인

하 는데 사용 온도에 따라 이온액체 의 단백질의

기화학이 새로운 가능성의 개척을 시사한다(50)

5 국내동향

이온액체의 매반응분야(51)

- 한국과학기술연구원 송충의 박사는 이온성 액체를 키

랄 화합물 제조를 한 매반응에 도입하여 고가인

매와 용매의 반복 사용을 가능하게 함에 따라 결

국 매와 용매의 소비를 최소화시킬 수 있는 소 청

정 비 칭 매반응을 개발하 다

- 즉 Jacobsons chiral (salen)MnIII

매 존재 하에서

22-dimethylchro-mene의 비 칭 에폭시화 반응시

[bmim]PF6와 CH2Cl2 (14 vv) 혼합물 용매를 사용

함으로써 96-94의 학순도로 chromene oxides를

합성하는데 성공하 다 이온성 액체를 첨단유기합성

기술인 학활성화합물 제조기술개발에 용함으로써

용매와 매의 소비를 최소화하는 반응과정을 개발하

고 있다

- 이와 같은 기술은 화학 산업에서의 공해 요인을 감소

38 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

시킬 것이며 특히 노벨화학상 수상분야인 비 칭

매반응 분야의 최 문제 으로 지 되었던 키랄 매

의 분리 재회수가 가능하게 되었다는 에서 기술

으로도 우수한 성과라 할 수 있다

- 한 이온성 액체 내에서 일부 매반응이 가속화될

수도 있고 선택성 매의 안정성 역시 향상될 수

있음을 밝혔으며 더욱 놀라운 결과로는 기존의 유기

용매 내에서는 진행되지 않던 일부 반응이 이온

성 액체 내에서는 정량 으로 진행될 수 있다는 것이

- 한 많은 요한 유기반응에서 이온성 액체가 용매로

서뿐 아니라 자신이 재사용 가능 한 매로도 작용할

수 있음을 밝힌 바 있다 이러한 일련의 결과들은 이

온성 액체가 21세기에 매분야뿐 아니라 체 유기화

학분야의 새로운 장을 열고 있다는 에서 요한 의

미를 지닌다고 할 수 있다

합성 응용분야(52)

- 한국과학기술연구원 김훈식 박사 연구 은 KSeO2

(OCH3)를1-alkyl-3-methylimidazolium chloride와 반

응시켜 새로운 이미다졸륨 알킬셀 나이트 ([Rmim]

[SeO2(OCH3)]) 화합물을 합성하 다

- 아민화합물의 산화성 카르보닐화 반응을 통한 치환된

우 아 제조 반응에서 기존의 KSeO2(OCH3)을 매로

사용하 을 경우에 비해 이 화합물은 보다 온화한 반

응조건을 제공할 뿐 아니라 이소시아네이트의 구체

인 치환된 우 아와 카바메이트를 고수율로 합성할 수

제3장 국내외 기술개발 동향 39

있었다

- 재 이온성 액체를 이용한 분리 유기 속화합물을

함유한 고활성 매로서의 이온성 액체의 합성 응

용에 한 연구를 수행하고 있다

- 포항공과 학교의 김만주 교수 연구 은 Lipase를

[PPMIM]PF6 (PPMIM = 1-(3-phenylpropyl)-3-

methylimidazolium)와 혼합시켜Ionic liquid-Coated

Enzyme (ILCE)을 합성하 다 이 새로운 타입의

immobilized biocatalyst는 2차 알코올의 transest-

erification 반응을 통한 acetylated 화합물합성에 높은

활성과 재사용성을 보여 주었으며 이러한 연구결과를

다양한 생화학분야에 용하기 한 연구를 수행하고

있다

- 인하 학교의 지 윤 교수연구 은 alkyl mesylate로부

터 fluoro-alkane을 합성하는 반응에서 이온성 액체를

용매로 사용함으로써 기존방법에 비해 부반응이 거의

없고 생산성이 히 증가된 결과를 얻었으며 이러한

결과를 실용화시키기 한 연구를 지속하고 있다

- 신약개발 바이오벤처 기업 씨트리(C-TRI)는 이온성

액체를 이용한 학활성 화합물제조 기술개발회사로

서 지난 상반기에 31억원의 매출을 올렸으며 최근 이

온성 액체를 이용한 신약개발과 정 화학사업에 필요

한 연구 인력을 거 보강하여 이온성 액체 련사업

을 추진하고 있다

41

제4장

결론 및 제언

향후의 방향

- 이온성 액체에 한 앞으로의 망은 이온성 액체를

주 테마로 하는 국제회의가 증가하고 있다 미국화학

회는 작년 9월 New York에서 이온성 액체에 한 세

션이 개최되어 열띤 토론이 진행 되었다

- 2004년 3~4월에 Anaheim에서 개최된 세션은 ldquo이온성

액체와 고분자rdquo 다 유럽과 미국에서는 이온성 액체

를 반응용매로 보는 것이 주류를 이루고 있었다

- 2004년 10월 Hawaii에서 기화학의 미일합동 회가

열린다 주제는 이온성 액체(용융염)에 한 연구이었

- 앞으로도 이온성 액체에 한 연구는 증가할 것이고

여러 가지 배경을 갖고 있는 연구자들이 서로 다른 목

표를 가지고 연구에 노력할 것이라 생각된다

국내사정

- 우리나라의 황을 보면 재석유화학 의학 산업에

서만 약7억불에 달하는 유기용매가 사용되고 있으며

이들을 모두 체할 수 있다면 최 7억불시장을 형성

할 수 있으므로 이온성 액체의 시장잠재력은 매우 크

42 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

다 하겠다

- 이온성 액체는 휘발성유기화합물을 체할 수 있을 뿐

만 아니라 고가의 귀 속 매를 이온성 액체 층에 고

정화 시킬수 있어 매의 회수 재사용을 용이하게

하며 매의 활성도 안정도 선택도까지도 획기

으로 증가시킬 수 있으므로 환경 측면은 물론 경제

인 에서도 바람직한 청정용매라 할 수 있다

- 상기한바 와같이 이온성 액체의 잠재 인 응용가능성

은 앞으로 무한할 것으로 사료되므로 국내에서도 이에

한 연구자들의 심과 더불어 정부 기업체에 의

한 연구지원이 지속 으로 이루어져야 할 것이다

후의 과제

- 통상의 용매로 이온성 액체를 이용하는 경우에는 내구

성 제조가격 등의 인자가 요하지만 목 이 한정된

이온성 액체의 이용에 있어서는 목 하는 기능을 요

시할 필요가 있다

- 많은 이온성 액체가 합성되고 있으나 원하는 높은 물

성을 갖는 이온성 액체를 설계하는 데 기본이 되는 이

론이 아직은 없는 편이다 이를 해서는 특히 이온성

액체의 구조-물성의 상 계가 밝 져야 하는데 많

은 연구가 진행되고 있음에도 불구하고 그 계가 밝

지지 않고 있다 따라서 상태로서는 원하는 이온

성 액체를 직 만들어서 평가하는 방법밖에 없는 게

실이다

- 그러나 도화와 열안정성 등과 같이 상반 계에 있

는 특성은 하나의 라미터를 변화시키는 것에 의해

제4장 결론 및 제언 43

한 쪽의 특성은 양호하게 되지만 다른 한 쪽의 특성이

악화되는 것을 피할 수 없는 성질로서 아직 양쪽을 동

시에 만족하는 이온성 액체는 실 하지 못하고 있다

- 향후 이온성 액체는 청정용매의 개발과 더불어 새로

운 청정 공정기술의 개발을 통하여 신소재 신물질 생

산 공정을 환경친화 이면서 경제성 있는 공정개발에

기여할 것으로 기 된다

- 특히 비닐기 같은 합성 기능기를 이온성 액체의 단

구조로 도입하여 단독 합이나 공 합을 통해 고분

자화한 이온성 액체를 만들 수 있어 이를 잘 활용하여

이온 지라든가 연료 지 등의 해액으로 응용의 길

이 열린다면 학문 으로나 공업 으로 큰 의의가 있으

리라 생각되며 이 분야의 연구가 활성화되길 기 한

45

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손 목

공학박사

한국에 지기술연구소 원장

한국과학기술정보연구원 문연구 원

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강 종 석

공학박사

한국과학기술정보연구원 선임연구원

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리튬이차 지 등

BB088 손 목강종석

이온성 액체의 반응성 및 전기화학적

특성 연구동향

2005년 12월 19일 인쇄

2005년 12월 23일 발행

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등록 1991년 2월 12일 제5-258호

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 SUO 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 ITA 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 NOR ltFEFF004200720075006b00200064006900730073006500200069006e006e007300740069006c006c0069006e00670065006e0065002000740069006c002000e50020006f00700070007200650074007400650020005000440046002d0064006f006b0075006d0065006e0074006500720020006d006500640020006800f80079006500720065002000620069006c00640065006f00700070006c00f80073006e0069006e006700200066006f00720020006800f800790020007500740073006b00720069006600740073006b00760061006c00690074006500740020006600f800720020007400720079006b006b002e0020005000440046002d0064006f006b0075006d0065006e0074006500720020006b0061006e002000e50070006e006500730020006d006500640020004100630072006f0062006100740020006f0067002000520065006100640065007200200035002e00300020006f0067002000730065006e006500720065002e00200044006900730073006500200069006e006e007300740069006c006c0069006e00670065006e00650020006b0072006500760065007200200073006b00720069006600740069006e006e00620079006700670069006e0067002egt SVE 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 KOR 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 CHS ltFEFF4f7f75288fd94e9b8bbe7f6e521b5efa76840020005000440046002065876863ff0c5c065305542b66f49ad8768456fe50cf52068fa87387ff0c4ee575284e8e9ad88d2891cf76845370524d6253537030028be5002000500044004600206587686353ef4ee54f7f752800200020004100630072006f00620061007400204e0e002000520065006100640065007200200035002e00300020548c66f49ad87248672c62535f0030028fd94e9b8bbe7f6e89816c425d4c51655b574f533002gt CHT ltFEFF4f7f752890194e9b8a2d5b9a5efa7acb76840020005000440046002065874ef65305542b8f039ad876845f7150cf89e367905ea6ff0c9069752865bc9ad854c18cea76845370524d521753703002005000440046002065874ef653ef4ee54f7f75280020004100630072006f0062006100740020548c002000520065006100640065007200200035002e0030002053ca66f465b07248672c4f86958b555f300290194e9b8a2d5b9a89816c425d4c51655b57578b3002gt gtgtgtgt setdistillerparamsltlt HWResolution [2400 2400] PageSize [612000 792000]gtgt setpagedevice

Page 6: 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향gift.kisti.re.kr/data/IAC/files/KISTI-200512-SYM-ion_fluid.pdf · ※ 이온성 액체는 사용되는 음이온의

2 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

2 연구의 방법

한국과학기술정보연구원에서는 SCIE 데이터베이스에 등

록된 논문(1999~2005년 상반기까지 발표된 논문) 에

서 각 연도 각 분야별( 분류 22분야)로 피인용수

가 상 1인 고인용 논문(HCP Highly cited papers)

을 추출하고 공인용분석(Co-citation analysis) 동시단

어분석(Co-word analysis) 등의 과학계량학 방법들과

문가 평가(Expert evaluation)를 통해 lsquo미래 유망연구

역rsquo을 도출하 다

상기 도출된 미래 유망연구 역 에서 통계학 방법으

로 최근 논문의 인용도가 격히 상승하는 연구 역을

과학기술 분야별로 추출하여 본 테크이슈 보고서의 주제

로 삼았다

본 보고서는 이온성 액체의 반응성 기화학 특성

연구동향 분야에 있어서 최근 많이 발표되고 있는 논문

들을 종합하여 련 분야 연구에 한 기 지식과 함께

세계 인 연구동향을 개 으로 살펴보고 미래 핵심기

술로 자리잡기 한 연구개발 략을 제시하 다

3

제2장

기술의 개요

1 이온성 액체란

이온성 액체는 이온만으로 구성된 액체이며 분자성 용

매를 함유하지 않고 있기 때문에 증기압이 거의

없고 진공 에서도 액상(液狀)을 유지하는 특이한 액

체이다(1)

- 염(salt)은 양이온과 음이온이 강한 정 기 인 상호작

용을 통해 각각의 이온들이 규칙성을 갖고 정연하게

배열하고 있다 NaCl로 표되는 무기염은 고체상 결

정으로 이 염을 용융시키는 데는 800이상의 열이 필

요하다

- 용융상태의 무기염이 도 용기나 열 도체로 이용되

고 있는 것은 오래 부터 알려져 있으나 고온에서 이

용하는데 불편한 도 많았다 이종 이온의 혼합 등

융 을 낮추는 연구가 많았으나 100이하에서 용융하

는 무기염의 개발이 요해진다

1992년에 Wilkes 등이 1-ethyl-3-methylimidazolium-

tetrafluoroborate가 기 하에서 안정하여 실온에서 액

체상을 형성한다는 보고가 있은후 서서히 연구자나 기

4 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

술자의 주목을 받게 되어 이에 한 연구가 성행하게

되었다 이와 같이 실온에서 액체가 되는 염을 이온성

액체(ionic liquid)라 부른다(2)

- 일본에서는 실온에서 용융된 염을 이온성 액체라 하지

만 구미에서는 융 이 100 이하의 염을 ionic liquid

라고 하여 다소의 개념 차이가 있다

lt그림2-1gt 모든 이온성 액체가 상온에서 액체가 되는 것은 아니다

왼쪽은 mp 40의 methyltri-n-butylammoniumdocusate이며 오른쪽은

RTIL(room temperature ionic liquid)의 1-butyl-3- methyl imidazolium

diethyleneglycolmonomethylethersulfate이다 이온액체는 흰색에서 은

황색과 오 지색이 있다

2 이온성 액체의 특성

일반 물성

- 이온성 액체는 넓은 온도 범 에서 액체상태를 유지한

제2장 기술의 개요 5

다 증기압이거의 제로(zero)이며 보통 용매가 증발하

는 고온(400정도)에서도 안 하게 존재하는 것이 많

다 화학 으로 안 하며 불휘발성이기 때문에 유기물

인데도 불구하고 불연성이다(3)

- 이온만으로 구성된 고 도 액체는 하게 극성이 크

다고 생각하고 있으나 실제 이온성 액체는 알코올 정

도의 극성을 갖고 있으며 비 이 15 이상으로 큰데

비해 낮은 성을 갖고 있어 일반 인 극성용매와 같

이 취 된다

- 고 도의 이온의 운동성이 높아 양호한 이온 도성을

갖는다 기화학 으로 안정한 것도 보통의 분자성

용매에는 없는 특징이다

- 이온성 액체의 구성이온이 유기물이라는 으로 보아

여러 가지 유도체를 얻을 수 있는 것도 특징이다 비

록 여러 종류의 이온을 당하게 조합하여도 액상으로

될 가능성이 기는 하지만 한 설계에 의해 액상

염의 기능설계 가능성이 있다

lt그림 2-2gt 이온성 액체의 특징과 표 인 구성 이온 종류

고이온전도성

불연성

우수한

분자디자인성

열middot화학적안정성

고극성

불휘발성

여러화합물과의상용성

이온성액체

고이온전도성

불연성

우수한

분자디자인성

열middot화학적안정성

고극성

불휘발성

여러화합물과의상용성

이온성액체

6 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

음이온에 의한 특성

이온성 액체는 사용되는 음이온의 종류에 따라 그 특성이

히 달라진다 가장 많이 사용되는 음이온은 PF6-로

imidazolium 양이온과 결합하면 소수성 이온성 액체

[bmim]PF6-를 형성한다

- BF4- 한 일반 으로 많이 사용되는 음이온이다

PF6-와 거의 비슷한 특성을 갖고 있으나 imidazolium

과 이온성 액체를 형성하면 물에 잘 녹는 이온성 액

체[bmim]BF4-를 형성한다

- 즉 거의 비슷한 크기나 구조를 하고 있는 음이온을 사

용하더라도 얻어지는 이온성 액체의 특성은 히

달라지는 경우가 많다(4)

비록 여러 면에 있어서 응용이 개발되고는 있으나 PF6-

BF4-를 음이온으로 사용한 경우 물의 존재 하에서 열을

받으면 HF를 발생시키면서 분해가 일어난다 이 문제를

해결하기 해 여러 회사들에서는 다른 종류의 음이온을

선정하여 이온성 액체를 개발하고 있다

- 불소계이기는 하지만 F가 탄소에 붙어있는 음이온을

사용하면 C-F결합은 비활성이므로 열에 안정하여 HF

를 방출하지 않는다 CF3SO3- (CF3SO3)2N

-가 그 이

다(5)

배 성향

- 이온성 액체의 존재 하에서 속 매를 사용하는 공

제2장 기술의 개요 7

정의 경우에는 음이온이 반응에 있어 배 할 성향이

낮은 PF6-가 아직까지는 가장 한 것으로 본다

(CF3SO3)2N- 같은 경우도 같이 불소를 포함하는 음이

온은 고가이다(6)

- 가격과 안정성을 고려해서 Solvent Innovation과

Sachem(주)는 불소를포함하지 않은 새로운 이온성

액체를 시도한다(7)

- 가능성이 있는 것은 가격 경쟁력이 있으면서 그 크기

가 큰 bulk chemical을 음이온으로서 독성이 없으면서

생분해가 가능한 alkyl sulfate계 음이온이 상이다

ECOENG 500(Peg-5 cocomonium methoxulfate)가 그

한 인데 무독성임을 입증한 첫 번째 비 불소계 음

이온이다

lt그림 2-3gt n-octyl sulfate( ) docusate(아래)

- Sachem(주)는 docusate계 (dioctylsulfosuccinate) 음이

온을 사용하는데 이는 동물계에 매우 낮은 독성을 갖

고 있고 식품 제약 화장품등에 이미 사용되는 물

8 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

질이다

- 다른 이온성 액체와는 달리 docusate는 친유성이며

hydrocarbon과잘 섞이는 특성을 갖는다

융 련 성질

- Rogers 등에 의해 최근에 밝 진 이온성 액체의 특성

은 Cl과 같은 할로겐 음이온은 셀룰로스나 다른

oligosaccharide와 같은 생화학 물질들이 이온성 액체

에 녹는 것을 진시킨다는 것이다(8)

- 이온성 액체가 녹아있는 매질들과 특정의 상호 작용이

있는 성질을 이용하여 양이온 음이온 각각에 특정

의 기능기를 도입하는 새로운 연구가 진행되고 있다

이온성 액체에 부가되는 기능기는 이온성 액체의 반응

패턴을 증가시키거나 특정 물질과의 상호 작용을 증

가시키는 등 다양한 특성을 부여할 수 있다

- 150 이하에서 녹는 이온성 액체는 재 100개 이상

의 종류가 매된다(9) 디자인된 양이온과 다른 음이온

과의 조합은 다양한 범 의 녹는 을 가진 새로운 이

온성 액체를 얻을 수 있는데 이를 incognito 이온성

액체라고 한다

- incognito 이온성 액체로 18-diazabicyclo[540] undec-

7-enehydro tribromide (DBU-HBr mp 119-122)는 높

은 수율의 aromatic bromination을 얻는 좋은 반응물이

다(10)

상업 으로 쉽게 얻을 수 있는 융 을 갖는 아미노산 유

도체인생체 물질들도 이온성 액체의 개발에 사용될 수 있다

제2장 기술의 개요 9

- L-alanine ethyl ester hydrochloride (mp 78)

L-serine methylester hydrochloride (106)들이 이

다(11) 정의한 이온성 액체와는 좀 다른 특성이기는

하지만 융 을 갖는 염으로는 같은 의미로 볼 수

있다

lt그림 2-4gt 상품화된 다양한 이온성 액체

3 이온성 액체의 합성방법

헤테로 고리화합물을 활용한 합성제법이 가장 많이 알려

져 있다

- 지 까지 많은 이온성 액체가 설계되고 있으나 부분

은 이미다졸륨 등의 헤테로 방향환을 기본으로 하는

양이온으로 구성되어 있다 짝음이온의 종류에 따라

다른 성질을 보이기는 하지만 헤테로환 양이온 특히

10 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

이미다죨륨 양이온으로 구성된 염은 낮은 융 을 나타

낸다

lt그림 2-5gt 이온성 액체의 합성법

- 이온성 액체는 할로겐화 알킬을 아민의 제4 화 반응

에 의해 염을 얻고 이것을 한 음이온으로 교환하

여 얻는다 이 방법은 음이온교환반응에서 생기는 부

산물을 완 히 제거하기 어려워서 원하는 염을 높은

순도 높은 수율로 얻기는 쉽지 않고 사용하는 음이온

종류도 한정된다(12)

- 3 아민과 로톤산의 화반응으로 이온성 액체를

합성하는 방법이 새로 개발되었는데 이 방법은 부산

물의 혼입에 의한 순도의 하도 억제할 수 있으며 합

성이 가능한 이온성 액체의 종류도 풍부하다

- 이온성 액체의 모델 설계 혹은 구성하는 이온 구조

최 화를 의도한 스크리닝(screening)을 활용하여 많

은 종류의 이온성 액체가 합성되고 있으나 원하는 우

수한 물성을 갖는 이온성 액체의 설계지침은 아직까지

불완 하다 구조-물성의 상 계를 찾고자 많은 연

구가 진행되고 있으나 아직까지 일반 인 계를 찾

제2장 기술의 개요 11

지 못하고 있는 실정이다 즉 신규 이온성 액체를 찾

아낼 가능성이 아직 많다고 하겠다(13)

4 이온성 액체의 응용분야

이온성 액체의 특이한 성질을 이용하여 여러 응용이 제

안되고 있다 크게 환경부하가 은 그린(green) 용매로

서의 응용과 새로운 이온 도성 재료로서 응용으로 2분

야로 크게 나 수 있다 그린 용매로서의 연구는 주로

유럽과 미국에서 이온 도성 재료의 연구는 상 으

로 일본에서 연구가 많이 진행되고 있다

그린 용매(기능성 용매)

- 화학공정의 반응계에서 사용되는 용매 특히 유기용매

가 기나 하천 등으로 확산되는 것은 환경문제이다

더욱이 유기용매의 인화성이나 폭발성 작업종사자의

피독 등 안 에 한 문제가 요하다

- 이온성 액체를 그린 용매로서 응용하는 것은 일반 인

휘발성 용매를 체하는 반응용매(반응장)로서 응용으

로 에서 설명한 문제 을 한꺼번에 해결할 수 있는

가능성이 있다

- 이온성 액체를 용매로 사용할 수 있는 반응 로서 유

기합성 반응계 분리 추출 등 여러 분야가 있으며 생

체유래분자의 반응에도 검토되고 있다

- 최근에 이 분야의 연구의 방향은 이온성 액체의 분자

12 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

설계 장 을 이용하여 기능을 갖는 구조를 도입할 수

있다 실제 매활성이나 귀 속 회수 등의 기능

부여가 연구되고 있다 Davis등이 제창하는 Task-

Specific Ionic Liquid(14)라 불리는 차세 이온성 액체

가 그 좋은 이다

이온 도체

- 이온성 액체는 불휘발 불연성 특성이 있어 기존에

해액으로 사용되어온 유기용매가 갖고 있는 휘발성

인화성이라는 문제를 해결 할수 있다 따라서 이온

도성 재료로서의 연구는 리튬이온 지 연료 지 색소

증감 태양 지 작동장치(actuator) 커패시터(capacitor)

등의 이온성 소자용 해액 응용을 들 수 있다(3)

- 실제로 이온성 액체를 해액으로 사용하기 해서는

재 개발 된이온성 액체의 모든 물성을 개선하는데

범 한 분자설계로부터 물성과 구조의 계를 연구

하고 이를 통해 이온 특성을 최 화할 필요가 있다

- 보다 실제 인 응용을 해 이온성 액체 그 자체를

해액으로 사용하기보다는 고분자화에 의해 고체 해

질로서 하는 쪽이 더 좋은 경우가 있다 고분자화 된

이온성 액체의 특성은 이온성 소자의 소형경량화나 박

막화 안 성의 향상도 기 된다

- 재까지 얻어진 고분자 구조를 보면 고분자의 가지사

슬에 양이온음이온의 양쪽을 고정시킨 공 합 고분자

형 극성 이온형 등은 목 하는 이온만의 이동이

요구되는 응용에 당하다(15)

제2장 기술의 개요 13

다른 분야 응용

- 다른 분야의 응용 실례로는 자 도성 액체 윤활유

임계유체와의 혼합계 표면 개질제 등이 있다 휘발

하지 않는 액체 실온에서 액체상 염이라는 특징을 살

려 앞으로 다른 분야의 연구자와 교류를 통하여 이온

성 액체의 새로운 가능성을 열어갈 수 있다

15

제3장

국내외 연구개발 동향

1 연구의 방향

이온성 액체의 연구는 술한바 반응용매로의 이용과

해질 용액으로서의 이용으로 크게 분류된다

- Grignard 시약을 사용하는 반응 이외에는 부분이 이

온성 액체 에서 반응하는 것이 가능한 것으로 일반

의 유기합성 반응에서부터 고분자 합성까지 다양한 반

응이 검토되고 있다

- 소수성이 강한 불소함유 이온성 액체는 액액(液液)

의 2층으로 분리가 되어 물층의 에 무거운(비 15

정도) 이온성 액체층이 생성되는데 이를 이용하여 공

장 배수로부터 유기물을 추출하는 등 배수처리에 응용

할 수 있으며 반응물의 회수도 가능하다

해질 용액으로의 이용은 이온성 액체가 높은 이온

도성을 가진 것과 폭넓은 온도 역에서 액상을 유지하

면서 불연성인 것 창(電位窓)도 넓고 기화학 으

로 안정한 것 등의 특징을 가지고 있어 각종 기화학

디바이스에의 이용이 검토된다

- 이온성 액체가 해질 용액으로서 이용될 때 특히 특

16 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

정 이온의 이동(移動)이 기능발휘에 요한 역할을 하

는 경우에는 다음과 같은 두 가지의 을 고려해야

한다

용매로서 사용하는 이온성 액체를 구성하는 이온이

구배(potential gradient) 하에서 이동하도록 제어하

여 목 이온만을 도시킬 필요가 있다

목 이온을 성분으로 하는 이온성 액체가 거의 알려

져 있지 않기 때문에 목 이온을 함유한 염을 용해시

켜서 이용하는 것이지만 첨가한 염은 이온성 액체에

한 용해도가 일반 으로 높지 않다 용해성을 개선

하기 해서는 이온성 액체의 성분과 같은 이온을

응 이온으로 하는 염을 이용해야 한다

- 이온성 액체는 높은 이온 도성과 용질의 가용성(可

溶性) 등을 이용하여 해합성(電解合成)이나 해

합에도 응용되고 있다

2 반응장으로서 이온성 액체의 활용

농약 간체로서 요한 학활성체와 고분자 물질 생산

에 있어 용매 역할로 이온성 액체를 사용하여 그 가능성

특성에 하여 소개한다

제3장 국내외 기술개발 동향 17

학활성인 불소계 물질의 제조

불소계 물질은 의농약의 합성 간체로서 요하나 비

칭 불소화 반응에는 가 다

lt그림 3-1gt 비 칭 불소화 반응

- 이온성 액체 에서는 온에서도 사용 가능한 헥실=

메틸=이미다졸리움헥사후루오로포스페이트

[hmim][PF6]을 사용하여 구핵반응에 의해 비 칭 불

소화 반응이 일어나 높은 학순도의 불소화체를 합성

하고 있다(16)

- 이 반응의 과제는 학순도의 향상과 용 가능한 물

질을 넓히는 일이다 학활성 에폭시알코올의 불소화

로 학활성 불소화에폭시 화합물을 합성하는 것이 가

능하다고 알려져 있다(17)

18 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-2gt 학활성인 불소화 에폭시

비 칭 알돌(aldol) 반응

- 효소 알돌라아제(aldolase)에 의한 비 칭 합성을 모방

한 화학 매에의한 탄소-탄소 결합 형성 반응은 합성

화학의 요한 과제 이다(18) 용제로서 「재사용 가능

한」 이온성 액체를 이용하고 매로서 L- 로린

(proline)을 사용한 반응장에 한 몇 가지 보고가 나

와 있다(19)

lt그림 3-3gt L-proline을 매로 하는 알돌형 반응

제3장 국내외 기술개발 동향 19

- 아세톤과 L- 로린으로 형성된 에나민(enamine)을 반

응 기질(基質)로 하여 방향족 알데히드류와 알돌형 반

응에서도 지방족 알데히드 사이에서의 크로스 알돌형

반응에서도 꽤 높은 학순도의 생성물이 얻어지고 있

다(20)

- 기질로서 에틸=메틸= 톤을 사용할 때에도 높은

학순도로 입체제어를 행할 수 있고 반복 반응장으로

서 사용해도 재 성 좋게 생성물이 얻어지는 것을 확

인하 다

- 클로로아세톤으로부터 생성한 할로히드린을 간체로

서 학활성의에폭시 화합물로 변환할 수 있는 것도

알려져 있으나 학순도는70~80 정도이고 물질 제

조로서는 만족할 만한 학순도는 아니다(21)

- 기질인 알데히드류와 로린으로부터 형성된 반응

간체는 Michael addition(마이클 부가반응)을 용이하게

진행시킬 수 있다 이 반응에서는 수용체(受容體)의

LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital) 에

지가 하하고 구핵제(求核劑)의 공격을 받기 쉽게 되

는 것이 필요하여 불소계 물질이 합하다

- 로린 이외의 유기분자에서는 디에틸아미노트리메틸

실란을 매로서 이용한 불소계 물질의 선택 인 올

핀류 합성이 발표 되었다이 반응계에서는 알데히드류

와 매로부터 생성한 반응 간체가 불소계 헤미아세

탈류로 되고 간체로부터 입체 선택 으로 편일방(片

一方)의 올 핀류를 생성하고 있다(22)

20 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

학활성인 이온성 액체

- 학활성인 이온성 액체는 학활성인 아민계 물질을

출발원료로 해서 합성되고 있는 경우로 니코틴을 출발

물질로 학활성인 이온성 액체를 만들 수 있다(23) 할

로겐 교환법을 사용하는 합성법의 첫 단계에서 얻어지

는 니코틴의 롬염은 고체이지만 LiNTf2로 음이온

교환을 하면 도가 높은 이온성 액체가 얻어진다

lt그림 3-4gt 수종의 학활성인 이온성 액체

합성된 이온성 액체 [Et(S)-nicotine]NTf2를 Diels-

Alder 반응의 반응 용매로서 사용한 결과 기 한 바와

같이 양호한 수율로 생성물이 얻어 졌지만 3 아미노

기가 염기성 매로서 작용을 하여 비 칭 반응장으로

서의 기능은 나타나지 않았다

제3장 국내외 기술개발 동향 21

lt그림 3-5gt 학활성 이온성 액체의 염기성 매로서의 기능발

를 들면 디엔 체의 3-히드록시 -2피론을 사용하여

Diels-Alder 반응을 하면 루이스산이 기질에 결합하여

기질의 HOMO(the highest occupied molecular orbital)

에 지 가 하되고 반응이 진행하지 않는 것이

확인되었다

dienophile(2 결합을 한개 가진 화합물)로서 아크

릴산메틸을 사용하면 높은 수율로 endoexo = 31의

목 하는 화합물을 얻을 수 있으나 이 반응을 보통

이온성 액체[emim][NTf2] 에서 행하면 진행하지 않

는다(24)

에폭시화 반응

- 합성 간체로서 주목되는 에폭시 화합물도 이온성 액

체 에서 합성되고 있다 효소의 산화반응을 이용하

여 과산화수소를 사용해서 계 에서 과 산을 생성시

켜 효소반응과 화학반응을 연속 으로 조합시켜 에폭

22 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

시 반응이 일어나고 이온성 액체를 반응장으로 사용

한 시스템이다(25)

lt그림 3-6gt 효소반응을 활용한 에폭시화 반응

- 기질류(基質類)에서의 비 칭 에폭시화 반응에서 얻어

진에폭시 화합물의 학순도는 높기 때문에 실용 인

합성방법이며 이 시스템에서는 이온성 액체를 5회 반

복 사용하여도 수율이나 학순도의 변화가 없음이 보

고 되고 있다(26)

lt그림 3-7gt 비 칭 에폭시화 반응

제3장 국내외 기술개발 동향 23

비 칭시아노화 반응 비 칭 사이클로 로 화 반응

- 알데히드류의 비 칭시아노화 반응에서도 비 칭 매

를 활용함으로서 학순도가 98정도로 원하는 생성

물이 얻어지고 있으며 이온성 액체의 반응장으로서 유

용성을 보여주고 있다(27)

lt그림 3-8gt 비 칭 시아노화 반응

- 디아조화합물을 사용하는 사이클로 로 화 반응에서

생성하는 시스체와 트란스체의 기하이성체 비는 높지

않으나 각각 학순도는 상당히 높은 것이 얻어진

다(28)

lt그림 3-9gt 비 칭 사이클로 로 화 반응

24 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

이온성 액체 에서의 고분자 합성

- 이온성 액체 에서 합반응을 행하면 MwMn비가

작게 되는 것으로 보고 되었다 이온성 액체를 이용하

여 합개시제로서 과산화벤조일이나 아조비스이소부

틸로니트릴을 사용한 스티 메틸메타크릴 이트의

호모(homo) 합에서 생성물은 이온성 액체로부터 여

과하는 것만으로 분리가 가능하고 회수한 이온성 액체

를 합용 용매로서 재이용이 가능하고 생성된 고분자

체의 분자량도 증가한다

lt그림 3-10gt 이온성 액체[bmim][PF6] 의 스티 의 합반응

중합용매

개시제 중합용매 수율() 분자량

중합용매

개시제 중합용매 수율() 분자량

- 벤젠 에서와 비교하여 이온성 액체 에서 합도

(重合度) 더욱이 생성물의 수율이 향상하는 것은 이

온성 액체의 도가 벤젠에 비하여 높아 연쇄 이동을

일으키기가 어렵고 생성한 폴리머 라디칼이 용매계로

부터 계외(系外)로 배출되기 쉽기 때문이라 생각된다

- 더욱이 이온성 액체 에서 AIBN(22-Azobis (isobuthy-

제3장 국내외 기술개발 동향 25

ronitril)) 내지는 BPO(benzoylperoxide)를 합개시제

로 한 스티 과 메틸메타크릴 이트의 라디칼 공 합

에 하여도 검토되고 있다

- 공 합 반응은 스티 의 첨가 몰비를 MMA에 비해

증 시켜도 코폴리머 분자량 모노머의 변화율이

하하는 경향이 있다 이 결과는 벤젠을 용매로 한 공

합계와 반 의 경향이고 이온성 액체의 극성이 높아

스티 에 비하여 극성 용매 에서 MMA의 합성이

높아지기 때문이라고 생각된다(29)

lt그림 3-11gt 이온성액체[bmim][PF6] 의 공 합 반응

3 촉매반응에서의 이온성 용액

매반응에서 이온성 용액은 자체 매성 보조 매 매활

성자 매 심의 새로운 리간드의 원 반응을 한 용매

등으로써 용된다(30)

26 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

유기 매로서의 이온성 용액

- 이온성 용액을 매반응에 사용하는 가장 좋은 방법은

용매와 매를 조합해서 사용하는 것이다 용매를 바

꿀 때마다 반응이 빨라지면 새로운 용매는 매 역할

을 한 것으로 본다

lt그림 3-12gt methyl acrylate와 [C4C1im]+ 양이온 사이의 수소결합

- 염화알루미늄염(III)(AlCl3) 이온성 용액에서 자치

환 산성 이온성 용액에서 아 (arenes)의 좋은 용해

성과 결합한 산성의 염화알루미늄염 이온성 용액의

높은 농도 [Al2Cl7]-는 친 자성 방향족 치환을 한

이상 인 용매로 만들 수 있다 산성인 [C2C1im]

Cl-AlCl3에서 1-염화 로 과의 벤젠 알킬반응에서 알

킬 고분자화가 측되었다 이이온성 용액시스템은 높

은 활동성과 선택성을 보 다(31)

- 유기용매로서 이온성 용액 이온성 용액은 지난 수년

간 유기 매 반응에 새로운 흥미를 갖기 시작하 으며

이 분야에 향을 수 있는 가능성을 가지고 있다

유기 매 반응에 한 근방법은 흔히 디엘-알더

(Diels-Alder) 환형추가 그 유도체인 수소결합의

상호작용 반응을 통해서이다(32)

제3장 국내외 기술개발 동향 27

보조 매로의 이온성 용액은 올 핀의 이합체화 (Olefin

dimerization)에서 니 매로 산성염화알루미늄염의 이

온성 용액이 로펜을 헥센에 이합체화를 한 반응에서

용매와 보조 매의 조합으로 사용한 첫 번째 경우이

다(33)

리간드 원으로서의 이온성 용액

- 수소화와 수소포르 화 반응 수소화 반응 수소포

르 화 반응을 해 용매로서 [Et4N][SnCl3]의 PtCl2용

액은 속에 매의 확실한 분해도 없이 올 핀의 수

소화에 효과 으로 매반응을 일으켰다 공기와의

을 피하도록 하는 가운데 활성화의 손실이 없이

매용액을 계속 으로 사용함으로써 반응이 이루어진

다(34)

- 팔라듐 NHC착물의 형성 이온성 용액은 팔라둠 매

반응의 넓은범 의 용매로 사용되어 왔다 이 연구과

정에서 재미있는 화학 상은 HHC착물과 나노 입

자의 형성이었다 이는 아직 논쟁의 상이 되고 있다

NHC착물은 이미다졸리움 이온성 용액에서 형성되며

기 하지 않는 반응성 는 선택성이 감지될 때 이를

항상 고려해야한다(35)

28 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-13gt NHC 매의 lactide 합에서의 ring opening

- 이온성 용액에서 나노입자의 형성 최근에 매로서

나노입자의 사용이 증가되는 심분야이다 1996년

Kaufmann이 이온성 용액에서처음으로 팔라듐의 매

반응을 보고하 다 일련의 아릴 롬이[C16PbBu3]Br

는 [Bu4N]Br에서 노말-알킬 이트와 결합하여 수율

90이상의 trans-시안염을 생성하는 반응이었다(36)

반응 용매로서의 이온성 용액

- 알 수소화 반응 [SbF6]- 와 [PF4]-의 두 이온성

용액에서 수소화 반응의 속도는 알 용액에서보다 훨

씬 높았다 왜 이 이온성 용액이 개선되었는지에 해

서는 아직 연구된 바가 없다 실제 매의 실체조차확

인이 안 되었다 반응용액으로부터 생성된 알 은 분

리가 쉬웠고 매를 함유한 용액은 순환되었다(37)

lt그림 3-14gt [C4C1im][PF6]의 수소포르 화 매의 두형태의 평형

제3장 국내외 기술개발 동향 29

- 산화 비록 재 사용되는 부분의 이온성 용액은 산

화에 안정 이고 산화과정에 이상 인 용매를 제공하

고 있지만 이것은 불과 지난몇 년 사이의 일이었다

Ni(acac)2는 [C4C1im][PF6]에서 해당되는 산의 라-

치환 benzaldehydes를 보통의 수율로 공기 에서 산

화반응의 매로 사용되어 왔다(38)

기화학 매용매로써의 이온성 용액

- 자화학을 이끄는 이온성 용액은 기화학 합성용

용매로서 가능성을 보이고 있다 최근에는 Ni이 알킬

벤질 아릴 할로겐화합물의 기 도성 동종결합

(electro conductive homo-coupling) 반응에 매로 보

고 된 바 있다 니 (II)착물은 니 (0)의 종에 하여

환원되고 방향성 할로겐화물에 첨가되어 할로겐 화합

물이 된다는 제안이 있었다(39)

이온성 용액의 고정화

- 반응시스템이 액체일 때 많은 장 이 있지만 때로는

그것을 고정화(immobilize) 시킬 필요가 있다 이온성

용액을 고정화 시키는데 심이 모아지고 있으며 첫

번째의 시도가 이온성 용액- 합체 겔을 만들기 하

여 고분자 vinylidenefluoride- hexachloropropylene의

공 합체를 사용한 것이다(40)

30 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

4 근대의 동향

할로겐 리이온액체

- 근년 이온성 액체에 한 연구가 많이 수행되고 있지

만 합성하고 있는 이온성 액체의 구조는 의외로 한정

되어 있으며 양이온은 테트라알킬암모늄(tetraalkyla-

mmonium) 피롤리디니움(pyrolidinium) 이미다졸리움

(imidazolium) 피리디니움(pyridinium) 등과 같이 비

교 다양성이 풍부한 반면에 음이온 종류는 BF4

PF6 CF3SO3 (CF3SO2)2N 등 할로겐 원소를 구조

에 함유한 것은 일반 으로 종류가 많지 않다(41)

- 할로겐을 포함하지 않는 음이온도 보고 되어 있는데

많은 양이온과 조합하여 액체화를 달성함이 쉽지 않고

한정된 양이온과 질산음이온이나 산 음이온 등을 결

합시킨 것이 보고 되어 있다(42)

- 최근 H Ohno(43)등은 할로겐 원소를 함유하지 않은

음이온으로 이온액체를 구축하기 하여 헤테로방향환

화합물을 착안하여 이미다졸이나 피라졸 등의 아졸

(azol)류 에서 산성을 띠는 124-triazolate 1234-

tetrazolate 등과 이미다졸리움 양이온을 조합시키는 것

에 의해 이온성 액체를 합성하 다

- 이 이온성 액체는 분자량과 비교해서 하의 비국재화

(非局在化)가 크다 한 할로겐 원소를 함유하지 않

고 C H N의 3종류원소만으로 구성되어 있다

제3장 국내외 기술개발 동향 31

lt그림 3-15gt 할로겐 리이온액체의 구조

쯔 츠 이온성 액체 (Zwitter ionic liquids)

- 한편 M Yoshizawa(44) 등은 이온 도재료로서 이온액

체를 사용하는 경우는 구배에 한 이온액체의 구

성이온종의 이동이 큰 문제로 된다

- 따라서 리튬 2차 지나 연료 지 등 목 이온종의 수

율과 계의 출력과의 계를 디바이스에 응용할 때는

이온 도재료로서 이온성 액체를 사용하는 것으로 양

이온과 음이온을 스페이서(spacer)로 결합하는 것에

의해 실온에서 액체상태인 성 이온 액체(zwitter

ionic liquid)를 제안하고 있다

- 양이온과 음이온을 스페이서로 결합하면 하는 체

로서 성이 되어 하이동이 없는 염으로 되는데 스

페이서가 짧아서 충분한 염해리가 힘드나 어느 정도의

자유도가 얻어지면 zwitterion으로 된다

32 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-16gt zwitter ionic liquids의 모식도

특정이온을 포함하는 이온액체

- 이온성 액체를 이온 도체로 사용하는 과제는 목 이

온의 도입이다 이는 리튬염 등 목 이온을 포함하는

염 등을 이온액체에 용해시켜 도입한다

- 그런데 염의 첨가는 계의 성의 증가 이온 도도의

하를 가져온다 한 이온액체와 상용하는 분자무

기염은 많지 않고 첨가염의 종류도 한정되어있는 것이

문제이다

- 이의 해결이 자의 zwitter ion이고 두 번째가 목 이

온을 실온에서 액체화가 가능하면 문제가 해결된다

이러한 방법으로 각종의 알칼리 속 이온성 액체

(alkali metal ionic liquid)를 개발하 다(45)

- lt그림 3-17gt은 알칼리 속이온성 액체는 2가의 응

음이온과 1가의 오니움(onium) 양이온 1가의 목 이

온으로 구성된다

lt그림 3-17gt 알칼리 속이온액체의 개념도

제3장 국내외 기술개발 동향 33

- 이온액체는 구성하는 이온 간의 정 기 상호작용은

없을수록 좋으므로 강한 상호작용을 일으키는 다가이

온의 사용은 물이다 당 리튬 양이온의 이온액체

가 목 이나 여러 가지의 알칼리 속이온도 액체로

되는데 이를 응용하면 로톤을 포함하는 이온액체도

얻어지게 된다

이온액체의 합

- 이온성 액체는 분자 디자인이 용이하기 때문에 고분자

구조를 도입하는 것도 가능하며 이온성 액체의 고분

자화로는 각종의 고분자와 혼합한 겔화가 알려져 있지

만 이온성 액체 에 합기를 직 도입하여 고분자

화 하는 것에 의해 이온 도성뿐 아니라 디바이스의

다운사이징(down-sizing)에 기여할 것으로 망하고

있다(41)

- lt그림 3-18gt은 고분자화 이온액체를 나타내는데 종래

의 polyethyl-eneoxide유도체에 의존하지 않는 새로운

이온 도재료로서 검토된다

- lt그림 3-18gt에서 양이온과 음이온의 한쪽이 고분자의

주쇄에 고정되어 있어서 도 이온종을 선택하는 이

유용하다 한 구성이온종의 양방이 고분자 주쇄에

고정된 구조는 이온 도성을 나타내지 않으나 목 이

온의 첨가로 선택 도가 일어난다(46)

34 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-18gt 이온액체폴리머의 변화

자기조직화 이온액체

- 이온액체는 등방성의 액체로서 3차원 인 이온을 운반

하는 것이 가능하다 이로서 차원제어를 행하고 특정

방향으로 이온을 수송하는 시도가 있다 이를 해 자

기 집합력을 이온액체에 부여할 필요가 있다

- 이온액체의 자기조직화에는 양친매성화합물(兩親媒性

化合物)의 성질을 이용한다 극성성분이 있는 이온액

체에 비극성기(탄화수소쇄 탄화불소쇄)를 도입한 양

친매성 이온액체는 벌크로 써모트로픽 액정성을 발

하여 극성 비극성기가 분자 벨에서 상분리된 구조

를 형성한다

- 이 액체 도메인 에는 이온성 액체자신은 용융되어

높은 운동성을 갖는 알킬기의 집합층에 고정된 상태일

것으로 생각된다 여기에 리튬염을 첨가하면 비극성염

을 갖지 않는 리튬이온의 우선 인 수송이 기 된

다(lt그림 3-19gt 참조)

제3장 국내외 기술개발 동향 35

lt그림 3-19gt 이온성 액체 도메인 의 목 이온수송의 모식도

새로운 용매

- Alabama 학의 Rogers 등은 셀룰로오스를 용해시키는

이온성 액체로서 bmim Cl(1-butyl-3-methylimidazolium

chloride)을 개발하 다(47)

lt그림 3-20gt bmimCl의 구조

- Bmin Cl은 실온에서는 고체로서 75에서 용해되지만

100 정도로 가열한 bmim Cl에 종이(셀룰로오스)를

침지하면 순식간에 용해된다 이 용액을 시린지

(syringe)에 의해 물 에서 용출(溶出)시키면 셀룰로

오스 화이버가 생성된다 풍부한 목재자원을 셀룰로스

로 추출하는 시도가 이루어지고 있다

36 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

- 한 핵산류를 용해시킨 이온액체를 개발하고 있는데

DNA나 RNA는 물에 쉽게 용해되지 않는데 이를 용

해시키는 이온액체가 얻어졌다 일정량의 핵산을 용해

시키는 온도는 사용하는 이온액체의 구조에 크게 의존

한다(48)

- 특히 분자내 는 분자간의 수소결합을 단하는 능

력이 요구되는데 여기에는 염소음이온의 효과가 큰 것

으로 알려져 있다 염소를 포함하는 염은 일반 으로

융 이 높고 실온에서 액상으로 존재하기가 어려운

이 있다

- 이는 음이온의 부 하가 비국재화하고 있지 않기 때문

에 정 인 상호작용이 강하게 작용하고 있는 결과이

다 이를 피하기 해 양이온구조를 개선하여 상온에

서 액체의 염화물 염을 합성한다(49)

- 이 방법으로 양이온 구조를 개선하여 실온에서 액체상

태 염화물염인 aaim Cl(13-diallylimidazolium chloride)

를 개발하 다 aaim Cl은 융 이 21 부근이지만 한번

용융하면 과냉각 상태에서도 안정하여 실온에서 사용

가능하다 단지 도가 높은 것이 난 이다

단백질의 기화학반응용 해질용액

- 단백질의 기화학 인 성질로서 단백질을 이온액체에

용해시키는 것은 통상의 고분자를 용해시키는 것과는

차원이 다데 단백질의 기능은 펩사이드쇄의 3차 구조

에 크게 의존하기 때문에 3차구조가변하면 변성에 의

해서 목 달성이 되지 않는다 따라서 무리한 용해작

업은 변성을 래한다

제3장 국내외 기술개발 동향 37

- 이에 하여 PEO(polyethylene oxide)의 에테르산소가

이온과 강하게 상호작용하고 있다 이는 가용성을 의

미하며 PEO가 단백질과 이온액체를 용해하여 단백질

의 안정성을 향상시킨다 종래 바이오디바이스의 작성

이 곤란했든 것은 수 에서 단백질의 불안정성에 기인

하 는데 사용 온도에 따라 이온액체 의 단백질의

기화학이 새로운 가능성의 개척을 시사한다(50)

5 국내동향

이온액체의 매반응분야(51)

- 한국과학기술연구원 송충의 박사는 이온성 액체를 키

랄 화합물 제조를 한 매반응에 도입하여 고가인

매와 용매의 반복 사용을 가능하게 함에 따라 결

국 매와 용매의 소비를 최소화시킬 수 있는 소 청

정 비 칭 매반응을 개발하 다

- 즉 Jacobsons chiral (salen)MnIII

매 존재 하에서

22-dimethylchro-mene의 비 칭 에폭시화 반응시

[bmim]PF6와 CH2Cl2 (14 vv) 혼합물 용매를 사용

함으로써 96-94의 학순도로 chromene oxides를

합성하는데 성공하 다 이온성 액체를 첨단유기합성

기술인 학활성화합물 제조기술개발에 용함으로써

용매와 매의 소비를 최소화하는 반응과정을 개발하

고 있다

- 이와 같은 기술은 화학 산업에서의 공해 요인을 감소

38 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

시킬 것이며 특히 노벨화학상 수상분야인 비 칭

매반응 분야의 최 문제 으로 지 되었던 키랄 매

의 분리 재회수가 가능하게 되었다는 에서 기술

으로도 우수한 성과라 할 수 있다

- 한 이온성 액체 내에서 일부 매반응이 가속화될

수도 있고 선택성 매의 안정성 역시 향상될 수

있음을 밝혔으며 더욱 놀라운 결과로는 기존의 유기

용매 내에서는 진행되지 않던 일부 반응이 이온

성 액체 내에서는 정량 으로 진행될 수 있다는 것이

- 한 많은 요한 유기반응에서 이온성 액체가 용매로

서뿐 아니라 자신이 재사용 가능 한 매로도 작용할

수 있음을 밝힌 바 있다 이러한 일련의 결과들은 이

온성 액체가 21세기에 매분야뿐 아니라 체 유기화

학분야의 새로운 장을 열고 있다는 에서 요한 의

미를 지닌다고 할 수 있다

합성 응용분야(52)

- 한국과학기술연구원 김훈식 박사 연구 은 KSeO2

(OCH3)를1-alkyl-3-methylimidazolium chloride와 반

응시켜 새로운 이미다졸륨 알킬셀 나이트 ([Rmim]

[SeO2(OCH3)]) 화합물을 합성하 다

- 아민화합물의 산화성 카르보닐화 반응을 통한 치환된

우 아 제조 반응에서 기존의 KSeO2(OCH3)을 매로

사용하 을 경우에 비해 이 화합물은 보다 온화한 반

응조건을 제공할 뿐 아니라 이소시아네이트의 구체

인 치환된 우 아와 카바메이트를 고수율로 합성할 수

제3장 국내외 기술개발 동향 39

있었다

- 재 이온성 액체를 이용한 분리 유기 속화합물을

함유한 고활성 매로서의 이온성 액체의 합성 응

용에 한 연구를 수행하고 있다

- 포항공과 학교의 김만주 교수 연구 은 Lipase를

[PPMIM]PF6 (PPMIM = 1-(3-phenylpropyl)-3-

methylimidazolium)와 혼합시켜Ionic liquid-Coated

Enzyme (ILCE)을 합성하 다 이 새로운 타입의

immobilized biocatalyst는 2차 알코올의 transest-

erification 반응을 통한 acetylated 화합물합성에 높은

활성과 재사용성을 보여 주었으며 이러한 연구결과를

다양한 생화학분야에 용하기 한 연구를 수행하고

있다

- 인하 학교의 지 윤 교수연구 은 alkyl mesylate로부

터 fluoro-alkane을 합성하는 반응에서 이온성 액체를

용매로 사용함으로써 기존방법에 비해 부반응이 거의

없고 생산성이 히 증가된 결과를 얻었으며 이러한

결과를 실용화시키기 한 연구를 지속하고 있다

- 신약개발 바이오벤처 기업 씨트리(C-TRI)는 이온성

액체를 이용한 학활성 화합물제조 기술개발회사로

서 지난 상반기에 31억원의 매출을 올렸으며 최근 이

온성 액체를 이용한 신약개발과 정 화학사업에 필요

한 연구 인력을 거 보강하여 이온성 액체 련사업

을 추진하고 있다

41

제4장

결론 및 제언

향후의 방향

- 이온성 액체에 한 앞으로의 망은 이온성 액체를

주 테마로 하는 국제회의가 증가하고 있다 미국화학

회는 작년 9월 New York에서 이온성 액체에 한 세

션이 개최되어 열띤 토론이 진행 되었다

- 2004년 3~4월에 Anaheim에서 개최된 세션은 ldquo이온성

액체와 고분자rdquo 다 유럽과 미국에서는 이온성 액체

를 반응용매로 보는 것이 주류를 이루고 있었다

- 2004년 10월 Hawaii에서 기화학의 미일합동 회가

열린다 주제는 이온성 액체(용융염)에 한 연구이었

- 앞으로도 이온성 액체에 한 연구는 증가할 것이고

여러 가지 배경을 갖고 있는 연구자들이 서로 다른 목

표를 가지고 연구에 노력할 것이라 생각된다

국내사정

- 우리나라의 황을 보면 재석유화학 의학 산업에

서만 약7억불에 달하는 유기용매가 사용되고 있으며

이들을 모두 체할 수 있다면 최 7억불시장을 형성

할 수 있으므로 이온성 액체의 시장잠재력은 매우 크

42 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

다 하겠다

- 이온성 액체는 휘발성유기화합물을 체할 수 있을 뿐

만 아니라 고가의 귀 속 매를 이온성 액체 층에 고

정화 시킬수 있어 매의 회수 재사용을 용이하게

하며 매의 활성도 안정도 선택도까지도 획기

으로 증가시킬 수 있으므로 환경 측면은 물론 경제

인 에서도 바람직한 청정용매라 할 수 있다

- 상기한바 와같이 이온성 액체의 잠재 인 응용가능성

은 앞으로 무한할 것으로 사료되므로 국내에서도 이에

한 연구자들의 심과 더불어 정부 기업체에 의

한 연구지원이 지속 으로 이루어져야 할 것이다

후의 과제

- 통상의 용매로 이온성 액체를 이용하는 경우에는 내구

성 제조가격 등의 인자가 요하지만 목 이 한정된

이온성 액체의 이용에 있어서는 목 하는 기능을 요

시할 필요가 있다

- 많은 이온성 액체가 합성되고 있으나 원하는 높은 물

성을 갖는 이온성 액체를 설계하는 데 기본이 되는 이

론이 아직은 없는 편이다 이를 해서는 특히 이온성

액체의 구조-물성의 상 계가 밝 져야 하는데 많

은 연구가 진행되고 있음에도 불구하고 그 계가 밝

지지 않고 있다 따라서 상태로서는 원하는 이온

성 액체를 직 만들어서 평가하는 방법밖에 없는 게

실이다

- 그러나 도화와 열안정성 등과 같이 상반 계에 있

는 특성은 하나의 라미터를 변화시키는 것에 의해

제4장 결론 및 제언 43

한 쪽의 특성은 양호하게 되지만 다른 한 쪽의 특성이

악화되는 것을 피할 수 없는 성질로서 아직 양쪽을 동

시에 만족하는 이온성 액체는 실 하지 못하고 있다

- 향후 이온성 액체는 청정용매의 개발과 더불어 새로

운 청정 공정기술의 개발을 통하여 신소재 신물질 생

산 공정을 환경친화 이면서 경제성 있는 공정개발에

기여할 것으로 기 된다

- 특히 비닐기 같은 합성 기능기를 이온성 액체의 단

구조로 도입하여 단독 합이나 공 합을 통해 고분

자화한 이온성 액체를 만들 수 있어 이를 잘 활용하여

이온 지라든가 연료 지 등의 해액으로 응용의 길

이 열린다면 학문 으로나 공업 으로 큰 의의가 있으

리라 생각되며 이 분야의 연구가 활성화되길 기 한

45

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저자소개

손 목

공학박사

한국에 지기술연구소 원장

한국과학기술정보연구원 문연구 원

서 수소 연료 지 개스 센서기술 등

강 종 석

공학박사

한국과학기술정보연구원 선임연구원

서 BT분야 국가연구개발 심층분석

리튬이차 지 등

BB088 손 목강종석

이온성 액체의 반응성 및 전기화학적

특성 연구동향

2005년 12월 19일 인쇄

2005년 12월 23일 발행

발행처

서울특별시 동 문구 청량리동 206-9

ꂕ 130-742

화 3299-6114

등록 1991년 2월 12일 제5-258호

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SUO 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 ITA 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NOR 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 SVE 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 CHS ltFEFF4f7f75288fd94e9b8bbe7f6e521b5efa76840020005000440046002065876863ff0c5c065305542b66f49ad8768456fe50cf52068fa87387ff0c4ee575284e8e9ad88d2891cf76845370524d6253537030028be5002000500044004600206587686353ef4ee54f7f752800200020004100630072006f00620061007400204e0e002000520065006100640065007200200035002e00300020548c66f49ad87248672c62535f0030028fd94e9b8bbe7f6e89816c425d4c51655b574f533002gt CHT ltFEFF4f7f752890194e9b8a2d5b9a5efa7acb76840020005000440046002065874ef65305542b8f039ad876845f7150cf89e367905ea6ff0c9069752865bc9ad854c18cea76845370524d521753703002005000440046002065874ef653ef4ee54f7f75280020004100630072006f0062006100740020548c002000520065006100640065007200200035002e0030002053ca66f465b07248672c4f86958b555f300290194e9b8a2d5b9a89816c425d4c51655b57578b3002gt gtgtgtgt setdistillerparamsltlt HWResolution [2400 2400] PageSize [612000 792000]gtgt setpagedevice

Page 7: 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향gift.kisti.re.kr/data/IAC/files/KISTI-200512-SYM-ion_fluid.pdf · ※ 이온성 액체는 사용되는 음이온의

3

제2장

기술의 개요

1 이온성 액체란

이온성 액체는 이온만으로 구성된 액체이며 분자성 용

매를 함유하지 않고 있기 때문에 증기압이 거의

없고 진공 에서도 액상(液狀)을 유지하는 특이한 액

체이다(1)

- 염(salt)은 양이온과 음이온이 강한 정 기 인 상호작

용을 통해 각각의 이온들이 규칙성을 갖고 정연하게

배열하고 있다 NaCl로 표되는 무기염은 고체상 결

정으로 이 염을 용융시키는 데는 800이상의 열이 필

요하다

- 용융상태의 무기염이 도 용기나 열 도체로 이용되

고 있는 것은 오래 부터 알려져 있으나 고온에서 이

용하는데 불편한 도 많았다 이종 이온의 혼합 등

융 을 낮추는 연구가 많았으나 100이하에서 용융하

는 무기염의 개발이 요해진다

1992년에 Wilkes 등이 1-ethyl-3-methylimidazolium-

tetrafluoroborate가 기 하에서 안정하여 실온에서 액

체상을 형성한다는 보고가 있은후 서서히 연구자나 기

4 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

술자의 주목을 받게 되어 이에 한 연구가 성행하게

되었다 이와 같이 실온에서 액체가 되는 염을 이온성

액체(ionic liquid)라 부른다(2)

- 일본에서는 실온에서 용융된 염을 이온성 액체라 하지

만 구미에서는 융 이 100 이하의 염을 ionic liquid

라고 하여 다소의 개념 차이가 있다

lt그림2-1gt 모든 이온성 액체가 상온에서 액체가 되는 것은 아니다

왼쪽은 mp 40의 methyltri-n-butylammoniumdocusate이며 오른쪽은

RTIL(room temperature ionic liquid)의 1-butyl-3- methyl imidazolium

diethyleneglycolmonomethylethersulfate이다 이온액체는 흰색에서 은

황색과 오 지색이 있다

2 이온성 액체의 특성

일반 물성

- 이온성 액체는 넓은 온도 범 에서 액체상태를 유지한

제2장 기술의 개요 5

다 증기압이거의 제로(zero)이며 보통 용매가 증발하

는 고온(400정도)에서도 안 하게 존재하는 것이 많

다 화학 으로 안 하며 불휘발성이기 때문에 유기물

인데도 불구하고 불연성이다(3)

- 이온만으로 구성된 고 도 액체는 하게 극성이 크

다고 생각하고 있으나 실제 이온성 액체는 알코올 정

도의 극성을 갖고 있으며 비 이 15 이상으로 큰데

비해 낮은 성을 갖고 있어 일반 인 극성용매와 같

이 취 된다

- 고 도의 이온의 운동성이 높아 양호한 이온 도성을

갖는다 기화학 으로 안정한 것도 보통의 분자성

용매에는 없는 특징이다

- 이온성 액체의 구성이온이 유기물이라는 으로 보아

여러 가지 유도체를 얻을 수 있는 것도 특징이다 비

록 여러 종류의 이온을 당하게 조합하여도 액상으로

될 가능성이 기는 하지만 한 설계에 의해 액상

염의 기능설계 가능성이 있다

lt그림 2-2gt 이온성 액체의 특징과 표 인 구성 이온 종류

고이온전도성

불연성

우수한

분자디자인성

열middot화학적안정성

고극성

불휘발성

여러화합물과의상용성

이온성액체

고이온전도성

불연성

우수한

분자디자인성

열middot화학적안정성

고극성

불휘발성

여러화합물과의상용성

이온성액체

6 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

음이온에 의한 특성

이온성 액체는 사용되는 음이온의 종류에 따라 그 특성이

히 달라진다 가장 많이 사용되는 음이온은 PF6-로

imidazolium 양이온과 결합하면 소수성 이온성 액체

[bmim]PF6-를 형성한다

- BF4- 한 일반 으로 많이 사용되는 음이온이다

PF6-와 거의 비슷한 특성을 갖고 있으나 imidazolium

과 이온성 액체를 형성하면 물에 잘 녹는 이온성 액

체[bmim]BF4-를 형성한다

- 즉 거의 비슷한 크기나 구조를 하고 있는 음이온을 사

용하더라도 얻어지는 이온성 액체의 특성은 히

달라지는 경우가 많다(4)

비록 여러 면에 있어서 응용이 개발되고는 있으나 PF6-

BF4-를 음이온으로 사용한 경우 물의 존재 하에서 열을

받으면 HF를 발생시키면서 분해가 일어난다 이 문제를

해결하기 해 여러 회사들에서는 다른 종류의 음이온을

선정하여 이온성 액체를 개발하고 있다

- 불소계이기는 하지만 F가 탄소에 붙어있는 음이온을

사용하면 C-F결합은 비활성이므로 열에 안정하여 HF

를 방출하지 않는다 CF3SO3- (CF3SO3)2N

-가 그 이

다(5)

배 성향

- 이온성 액체의 존재 하에서 속 매를 사용하는 공

제2장 기술의 개요 7

정의 경우에는 음이온이 반응에 있어 배 할 성향이

낮은 PF6-가 아직까지는 가장 한 것으로 본다

(CF3SO3)2N- 같은 경우도 같이 불소를 포함하는 음이

온은 고가이다(6)

- 가격과 안정성을 고려해서 Solvent Innovation과

Sachem(주)는 불소를포함하지 않은 새로운 이온성

액체를 시도한다(7)

- 가능성이 있는 것은 가격 경쟁력이 있으면서 그 크기

가 큰 bulk chemical을 음이온으로서 독성이 없으면서

생분해가 가능한 alkyl sulfate계 음이온이 상이다

ECOENG 500(Peg-5 cocomonium methoxulfate)가 그

한 인데 무독성임을 입증한 첫 번째 비 불소계 음

이온이다

lt그림 2-3gt n-octyl sulfate( ) docusate(아래)

- Sachem(주)는 docusate계 (dioctylsulfosuccinate) 음이

온을 사용하는데 이는 동물계에 매우 낮은 독성을 갖

고 있고 식품 제약 화장품등에 이미 사용되는 물

8 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

질이다

- 다른 이온성 액체와는 달리 docusate는 친유성이며

hydrocarbon과잘 섞이는 특성을 갖는다

융 련 성질

- Rogers 등에 의해 최근에 밝 진 이온성 액체의 특성

은 Cl과 같은 할로겐 음이온은 셀룰로스나 다른

oligosaccharide와 같은 생화학 물질들이 이온성 액체

에 녹는 것을 진시킨다는 것이다(8)

- 이온성 액체가 녹아있는 매질들과 특정의 상호 작용이

있는 성질을 이용하여 양이온 음이온 각각에 특정

의 기능기를 도입하는 새로운 연구가 진행되고 있다

이온성 액체에 부가되는 기능기는 이온성 액체의 반응

패턴을 증가시키거나 특정 물질과의 상호 작용을 증

가시키는 등 다양한 특성을 부여할 수 있다

- 150 이하에서 녹는 이온성 액체는 재 100개 이상

의 종류가 매된다(9) 디자인된 양이온과 다른 음이온

과의 조합은 다양한 범 의 녹는 을 가진 새로운 이

온성 액체를 얻을 수 있는데 이를 incognito 이온성

액체라고 한다

- incognito 이온성 액체로 18-diazabicyclo[540] undec-

7-enehydro tribromide (DBU-HBr mp 119-122)는 높

은 수율의 aromatic bromination을 얻는 좋은 반응물이

다(10)

상업 으로 쉽게 얻을 수 있는 융 을 갖는 아미노산 유

도체인생체 물질들도 이온성 액체의 개발에 사용될 수 있다

제2장 기술의 개요 9

- L-alanine ethyl ester hydrochloride (mp 78)

L-serine methylester hydrochloride (106)들이 이

다(11) 정의한 이온성 액체와는 좀 다른 특성이기는

하지만 융 을 갖는 염으로는 같은 의미로 볼 수

있다

lt그림 2-4gt 상품화된 다양한 이온성 액체

3 이온성 액체의 합성방법

헤테로 고리화합물을 활용한 합성제법이 가장 많이 알려

져 있다

- 지 까지 많은 이온성 액체가 설계되고 있으나 부분

은 이미다졸륨 등의 헤테로 방향환을 기본으로 하는

양이온으로 구성되어 있다 짝음이온의 종류에 따라

다른 성질을 보이기는 하지만 헤테로환 양이온 특히

10 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

이미다죨륨 양이온으로 구성된 염은 낮은 융 을 나타

낸다

lt그림 2-5gt 이온성 액체의 합성법

- 이온성 액체는 할로겐화 알킬을 아민의 제4 화 반응

에 의해 염을 얻고 이것을 한 음이온으로 교환하

여 얻는다 이 방법은 음이온교환반응에서 생기는 부

산물을 완 히 제거하기 어려워서 원하는 염을 높은

순도 높은 수율로 얻기는 쉽지 않고 사용하는 음이온

종류도 한정된다(12)

- 3 아민과 로톤산의 화반응으로 이온성 액체를

합성하는 방법이 새로 개발되었는데 이 방법은 부산

물의 혼입에 의한 순도의 하도 억제할 수 있으며 합

성이 가능한 이온성 액체의 종류도 풍부하다

- 이온성 액체의 모델 설계 혹은 구성하는 이온 구조

최 화를 의도한 스크리닝(screening)을 활용하여 많

은 종류의 이온성 액체가 합성되고 있으나 원하는 우

수한 물성을 갖는 이온성 액체의 설계지침은 아직까지

불완 하다 구조-물성의 상 계를 찾고자 많은 연

구가 진행되고 있으나 아직까지 일반 인 계를 찾

제2장 기술의 개요 11

지 못하고 있는 실정이다 즉 신규 이온성 액체를 찾

아낼 가능성이 아직 많다고 하겠다(13)

4 이온성 액체의 응용분야

이온성 액체의 특이한 성질을 이용하여 여러 응용이 제

안되고 있다 크게 환경부하가 은 그린(green) 용매로

서의 응용과 새로운 이온 도성 재료로서 응용으로 2분

야로 크게 나 수 있다 그린 용매로서의 연구는 주로

유럽과 미국에서 이온 도성 재료의 연구는 상 으

로 일본에서 연구가 많이 진행되고 있다

그린 용매(기능성 용매)

- 화학공정의 반응계에서 사용되는 용매 특히 유기용매

가 기나 하천 등으로 확산되는 것은 환경문제이다

더욱이 유기용매의 인화성이나 폭발성 작업종사자의

피독 등 안 에 한 문제가 요하다

- 이온성 액체를 그린 용매로서 응용하는 것은 일반 인

휘발성 용매를 체하는 반응용매(반응장)로서 응용으

로 에서 설명한 문제 을 한꺼번에 해결할 수 있는

가능성이 있다

- 이온성 액체를 용매로 사용할 수 있는 반응 로서 유

기합성 반응계 분리 추출 등 여러 분야가 있으며 생

체유래분자의 반응에도 검토되고 있다

- 최근에 이 분야의 연구의 방향은 이온성 액체의 분자

12 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

설계 장 을 이용하여 기능을 갖는 구조를 도입할 수

있다 실제 매활성이나 귀 속 회수 등의 기능

부여가 연구되고 있다 Davis등이 제창하는 Task-

Specific Ionic Liquid(14)라 불리는 차세 이온성 액체

가 그 좋은 이다

이온 도체

- 이온성 액체는 불휘발 불연성 특성이 있어 기존에

해액으로 사용되어온 유기용매가 갖고 있는 휘발성

인화성이라는 문제를 해결 할수 있다 따라서 이온

도성 재료로서의 연구는 리튬이온 지 연료 지 색소

증감 태양 지 작동장치(actuator) 커패시터(capacitor)

등의 이온성 소자용 해액 응용을 들 수 있다(3)

- 실제로 이온성 액체를 해액으로 사용하기 해서는

재 개발 된이온성 액체의 모든 물성을 개선하는데

범 한 분자설계로부터 물성과 구조의 계를 연구

하고 이를 통해 이온 특성을 최 화할 필요가 있다

- 보다 실제 인 응용을 해 이온성 액체 그 자체를

해액으로 사용하기보다는 고분자화에 의해 고체 해

질로서 하는 쪽이 더 좋은 경우가 있다 고분자화 된

이온성 액체의 특성은 이온성 소자의 소형경량화나 박

막화 안 성의 향상도 기 된다

- 재까지 얻어진 고분자 구조를 보면 고분자의 가지사

슬에 양이온음이온의 양쪽을 고정시킨 공 합 고분자

형 극성 이온형 등은 목 하는 이온만의 이동이

요구되는 응용에 당하다(15)

제2장 기술의 개요 13

다른 분야 응용

- 다른 분야의 응용 실례로는 자 도성 액체 윤활유

임계유체와의 혼합계 표면 개질제 등이 있다 휘발

하지 않는 액체 실온에서 액체상 염이라는 특징을 살

려 앞으로 다른 분야의 연구자와 교류를 통하여 이온

성 액체의 새로운 가능성을 열어갈 수 있다

15

제3장

국내외 연구개발 동향

1 연구의 방향

이온성 액체의 연구는 술한바 반응용매로의 이용과

해질 용액으로서의 이용으로 크게 분류된다

- Grignard 시약을 사용하는 반응 이외에는 부분이 이

온성 액체 에서 반응하는 것이 가능한 것으로 일반

의 유기합성 반응에서부터 고분자 합성까지 다양한 반

응이 검토되고 있다

- 소수성이 강한 불소함유 이온성 액체는 액액(液液)

의 2층으로 분리가 되어 물층의 에 무거운(비 15

정도) 이온성 액체층이 생성되는데 이를 이용하여 공

장 배수로부터 유기물을 추출하는 등 배수처리에 응용

할 수 있으며 반응물의 회수도 가능하다

해질 용액으로의 이용은 이온성 액체가 높은 이온

도성을 가진 것과 폭넓은 온도 역에서 액상을 유지하

면서 불연성인 것 창(電位窓)도 넓고 기화학 으

로 안정한 것 등의 특징을 가지고 있어 각종 기화학

디바이스에의 이용이 검토된다

- 이온성 액체가 해질 용액으로서 이용될 때 특히 특

16 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

정 이온의 이동(移動)이 기능발휘에 요한 역할을 하

는 경우에는 다음과 같은 두 가지의 을 고려해야

한다

용매로서 사용하는 이온성 액체를 구성하는 이온이

구배(potential gradient) 하에서 이동하도록 제어하

여 목 이온만을 도시킬 필요가 있다

목 이온을 성분으로 하는 이온성 액체가 거의 알려

져 있지 않기 때문에 목 이온을 함유한 염을 용해시

켜서 이용하는 것이지만 첨가한 염은 이온성 액체에

한 용해도가 일반 으로 높지 않다 용해성을 개선

하기 해서는 이온성 액체의 성분과 같은 이온을

응 이온으로 하는 염을 이용해야 한다

- 이온성 액체는 높은 이온 도성과 용질의 가용성(可

溶性) 등을 이용하여 해합성(電解合成)이나 해

합에도 응용되고 있다

2 반응장으로서 이온성 액체의 활용

농약 간체로서 요한 학활성체와 고분자 물질 생산

에 있어 용매 역할로 이온성 액체를 사용하여 그 가능성

특성에 하여 소개한다

제3장 국내외 기술개발 동향 17

학활성인 불소계 물질의 제조

불소계 물질은 의농약의 합성 간체로서 요하나 비

칭 불소화 반응에는 가 다

lt그림 3-1gt 비 칭 불소화 반응

- 이온성 액체 에서는 온에서도 사용 가능한 헥실=

메틸=이미다졸리움헥사후루오로포스페이트

[hmim][PF6]을 사용하여 구핵반응에 의해 비 칭 불

소화 반응이 일어나 높은 학순도의 불소화체를 합성

하고 있다(16)

- 이 반응의 과제는 학순도의 향상과 용 가능한 물

질을 넓히는 일이다 학활성 에폭시알코올의 불소화

로 학활성 불소화에폭시 화합물을 합성하는 것이 가

능하다고 알려져 있다(17)

18 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-2gt 학활성인 불소화 에폭시

비 칭 알돌(aldol) 반응

- 효소 알돌라아제(aldolase)에 의한 비 칭 합성을 모방

한 화학 매에의한 탄소-탄소 결합 형성 반응은 합성

화학의 요한 과제 이다(18) 용제로서 「재사용 가능

한」 이온성 액체를 이용하고 매로서 L- 로린

(proline)을 사용한 반응장에 한 몇 가지 보고가 나

와 있다(19)

lt그림 3-3gt L-proline을 매로 하는 알돌형 반응

제3장 국내외 기술개발 동향 19

- 아세톤과 L- 로린으로 형성된 에나민(enamine)을 반

응 기질(基質)로 하여 방향족 알데히드류와 알돌형 반

응에서도 지방족 알데히드 사이에서의 크로스 알돌형

반응에서도 꽤 높은 학순도의 생성물이 얻어지고 있

다(20)

- 기질로서 에틸=메틸= 톤을 사용할 때에도 높은

학순도로 입체제어를 행할 수 있고 반복 반응장으로

서 사용해도 재 성 좋게 생성물이 얻어지는 것을 확

인하 다

- 클로로아세톤으로부터 생성한 할로히드린을 간체로

서 학활성의에폭시 화합물로 변환할 수 있는 것도

알려져 있으나 학순도는70~80 정도이고 물질 제

조로서는 만족할 만한 학순도는 아니다(21)

- 기질인 알데히드류와 로린으로부터 형성된 반응

간체는 Michael addition(마이클 부가반응)을 용이하게

진행시킬 수 있다 이 반응에서는 수용체(受容體)의

LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital) 에

지가 하하고 구핵제(求核劑)의 공격을 받기 쉽게 되

는 것이 필요하여 불소계 물질이 합하다

- 로린 이외의 유기분자에서는 디에틸아미노트리메틸

실란을 매로서 이용한 불소계 물질의 선택 인 올

핀류 합성이 발표 되었다이 반응계에서는 알데히드류

와 매로부터 생성한 반응 간체가 불소계 헤미아세

탈류로 되고 간체로부터 입체 선택 으로 편일방(片

一方)의 올 핀류를 생성하고 있다(22)

20 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

학활성인 이온성 액체

- 학활성인 이온성 액체는 학활성인 아민계 물질을

출발원료로 해서 합성되고 있는 경우로 니코틴을 출발

물질로 학활성인 이온성 액체를 만들 수 있다(23) 할

로겐 교환법을 사용하는 합성법의 첫 단계에서 얻어지

는 니코틴의 롬염은 고체이지만 LiNTf2로 음이온

교환을 하면 도가 높은 이온성 액체가 얻어진다

lt그림 3-4gt 수종의 학활성인 이온성 액체

합성된 이온성 액체 [Et(S)-nicotine]NTf2를 Diels-

Alder 반응의 반응 용매로서 사용한 결과 기 한 바와

같이 양호한 수율로 생성물이 얻어 졌지만 3 아미노

기가 염기성 매로서 작용을 하여 비 칭 반응장으로

서의 기능은 나타나지 않았다

제3장 국내외 기술개발 동향 21

lt그림 3-5gt 학활성 이온성 액체의 염기성 매로서의 기능발

를 들면 디엔 체의 3-히드록시 -2피론을 사용하여

Diels-Alder 반응을 하면 루이스산이 기질에 결합하여

기질의 HOMO(the highest occupied molecular orbital)

에 지 가 하되고 반응이 진행하지 않는 것이

확인되었다

dienophile(2 결합을 한개 가진 화합물)로서 아크

릴산메틸을 사용하면 높은 수율로 endoexo = 31의

목 하는 화합물을 얻을 수 있으나 이 반응을 보통

이온성 액체[emim][NTf2] 에서 행하면 진행하지 않

는다(24)

에폭시화 반응

- 합성 간체로서 주목되는 에폭시 화합물도 이온성 액

체 에서 합성되고 있다 효소의 산화반응을 이용하

여 과산화수소를 사용해서 계 에서 과 산을 생성시

켜 효소반응과 화학반응을 연속 으로 조합시켜 에폭

22 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

시 반응이 일어나고 이온성 액체를 반응장으로 사용

한 시스템이다(25)

lt그림 3-6gt 효소반응을 활용한 에폭시화 반응

- 기질류(基質類)에서의 비 칭 에폭시화 반응에서 얻어

진에폭시 화합물의 학순도는 높기 때문에 실용 인

합성방법이며 이 시스템에서는 이온성 액체를 5회 반

복 사용하여도 수율이나 학순도의 변화가 없음이 보

고 되고 있다(26)

lt그림 3-7gt 비 칭 에폭시화 반응

제3장 국내외 기술개발 동향 23

비 칭시아노화 반응 비 칭 사이클로 로 화 반응

- 알데히드류의 비 칭시아노화 반응에서도 비 칭 매

를 활용함으로서 학순도가 98정도로 원하는 생성

물이 얻어지고 있으며 이온성 액체의 반응장으로서 유

용성을 보여주고 있다(27)

lt그림 3-8gt 비 칭 시아노화 반응

- 디아조화합물을 사용하는 사이클로 로 화 반응에서

생성하는 시스체와 트란스체의 기하이성체 비는 높지

않으나 각각 학순도는 상당히 높은 것이 얻어진

다(28)

lt그림 3-9gt 비 칭 사이클로 로 화 반응

24 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

이온성 액체 에서의 고분자 합성

- 이온성 액체 에서 합반응을 행하면 MwMn비가

작게 되는 것으로 보고 되었다 이온성 액체를 이용하

여 합개시제로서 과산화벤조일이나 아조비스이소부

틸로니트릴을 사용한 스티 메틸메타크릴 이트의

호모(homo) 합에서 생성물은 이온성 액체로부터 여

과하는 것만으로 분리가 가능하고 회수한 이온성 액체

를 합용 용매로서 재이용이 가능하고 생성된 고분자

체의 분자량도 증가한다

lt그림 3-10gt 이온성 액체[bmim][PF6] 의 스티 의 합반응

중합용매

개시제 중합용매 수율() 분자량

중합용매

개시제 중합용매 수율() 분자량

- 벤젠 에서와 비교하여 이온성 액체 에서 합도

(重合度) 더욱이 생성물의 수율이 향상하는 것은 이

온성 액체의 도가 벤젠에 비하여 높아 연쇄 이동을

일으키기가 어렵고 생성한 폴리머 라디칼이 용매계로

부터 계외(系外)로 배출되기 쉽기 때문이라 생각된다

- 더욱이 이온성 액체 에서 AIBN(22-Azobis (isobuthy-

제3장 국내외 기술개발 동향 25

ronitril)) 내지는 BPO(benzoylperoxide)를 합개시제

로 한 스티 과 메틸메타크릴 이트의 라디칼 공 합

에 하여도 검토되고 있다

- 공 합 반응은 스티 의 첨가 몰비를 MMA에 비해

증 시켜도 코폴리머 분자량 모노머의 변화율이

하하는 경향이 있다 이 결과는 벤젠을 용매로 한 공

합계와 반 의 경향이고 이온성 액체의 극성이 높아

스티 에 비하여 극성 용매 에서 MMA의 합성이

높아지기 때문이라고 생각된다(29)

lt그림 3-11gt 이온성액체[bmim][PF6] 의 공 합 반응

3 촉매반응에서의 이온성 용액

매반응에서 이온성 용액은 자체 매성 보조 매 매활

성자 매 심의 새로운 리간드의 원 반응을 한 용매

등으로써 용된다(30)

26 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

유기 매로서의 이온성 용액

- 이온성 용액을 매반응에 사용하는 가장 좋은 방법은

용매와 매를 조합해서 사용하는 것이다 용매를 바

꿀 때마다 반응이 빨라지면 새로운 용매는 매 역할

을 한 것으로 본다

lt그림 3-12gt methyl acrylate와 [C4C1im]+ 양이온 사이의 수소결합

- 염화알루미늄염(III)(AlCl3) 이온성 용액에서 자치

환 산성 이온성 용액에서 아 (arenes)의 좋은 용해

성과 결합한 산성의 염화알루미늄염 이온성 용액의

높은 농도 [Al2Cl7]-는 친 자성 방향족 치환을 한

이상 인 용매로 만들 수 있다 산성인 [C2C1im]

Cl-AlCl3에서 1-염화 로 과의 벤젠 알킬반응에서 알

킬 고분자화가 측되었다 이이온성 용액시스템은 높

은 활동성과 선택성을 보 다(31)

- 유기용매로서 이온성 용액 이온성 용액은 지난 수년

간 유기 매 반응에 새로운 흥미를 갖기 시작하 으며

이 분야에 향을 수 있는 가능성을 가지고 있다

유기 매 반응에 한 근방법은 흔히 디엘-알더

(Diels-Alder) 환형추가 그 유도체인 수소결합의

상호작용 반응을 통해서이다(32)

제3장 국내외 기술개발 동향 27

보조 매로의 이온성 용액은 올 핀의 이합체화 (Olefin

dimerization)에서 니 매로 산성염화알루미늄염의 이

온성 용액이 로펜을 헥센에 이합체화를 한 반응에서

용매와 보조 매의 조합으로 사용한 첫 번째 경우이

다(33)

리간드 원으로서의 이온성 용액

- 수소화와 수소포르 화 반응 수소화 반응 수소포

르 화 반응을 해 용매로서 [Et4N][SnCl3]의 PtCl2용

액은 속에 매의 확실한 분해도 없이 올 핀의 수

소화에 효과 으로 매반응을 일으켰다 공기와의

을 피하도록 하는 가운데 활성화의 손실이 없이

매용액을 계속 으로 사용함으로써 반응이 이루어진

다(34)

- 팔라듐 NHC착물의 형성 이온성 용액은 팔라둠 매

반응의 넓은범 의 용매로 사용되어 왔다 이 연구과

정에서 재미있는 화학 상은 HHC착물과 나노 입

자의 형성이었다 이는 아직 논쟁의 상이 되고 있다

NHC착물은 이미다졸리움 이온성 용액에서 형성되며

기 하지 않는 반응성 는 선택성이 감지될 때 이를

항상 고려해야한다(35)

28 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-13gt NHC 매의 lactide 합에서의 ring opening

- 이온성 용액에서 나노입자의 형성 최근에 매로서

나노입자의 사용이 증가되는 심분야이다 1996년

Kaufmann이 이온성 용액에서처음으로 팔라듐의 매

반응을 보고하 다 일련의 아릴 롬이[C16PbBu3]Br

는 [Bu4N]Br에서 노말-알킬 이트와 결합하여 수율

90이상의 trans-시안염을 생성하는 반응이었다(36)

반응 용매로서의 이온성 용액

- 알 수소화 반응 [SbF6]- 와 [PF4]-의 두 이온성

용액에서 수소화 반응의 속도는 알 용액에서보다 훨

씬 높았다 왜 이 이온성 용액이 개선되었는지에 해

서는 아직 연구된 바가 없다 실제 매의 실체조차확

인이 안 되었다 반응용액으로부터 생성된 알 은 분

리가 쉬웠고 매를 함유한 용액은 순환되었다(37)

lt그림 3-14gt [C4C1im][PF6]의 수소포르 화 매의 두형태의 평형

제3장 국내외 기술개발 동향 29

- 산화 비록 재 사용되는 부분의 이온성 용액은 산

화에 안정 이고 산화과정에 이상 인 용매를 제공하

고 있지만 이것은 불과 지난몇 년 사이의 일이었다

Ni(acac)2는 [C4C1im][PF6]에서 해당되는 산의 라-

치환 benzaldehydes를 보통의 수율로 공기 에서 산

화반응의 매로 사용되어 왔다(38)

기화학 매용매로써의 이온성 용액

- 자화학을 이끄는 이온성 용액은 기화학 합성용

용매로서 가능성을 보이고 있다 최근에는 Ni이 알킬

벤질 아릴 할로겐화합물의 기 도성 동종결합

(electro conductive homo-coupling) 반응에 매로 보

고 된 바 있다 니 (II)착물은 니 (0)의 종에 하여

환원되고 방향성 할로겐화물에 첨가되어 할로겐 화합

물이 된다는 제안이 있었다(39)

이온성 용액의 고정화

- 반응시스템이 액체일 때 많은 장 이 있지만 때로는

그것을 고정화(immobilize) 시킬 필요가 있다 이온성

용액을 고정화 시키는데 심이 모아지고 있으며 첫

번째의 시도가 이온성 용액- 합체 겔을 만들기 하

여 고분자 vinylidenefluoride- hexachloropropylene의

공 합체를 사용한 것이다(40)

30 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

4 근대의 동향

할로겐 리이온액체

- 근년 이온성 액체에 한 연구가 많이 수행되고 있지

만 합성하고 있는 이온성 액체의 구조는 의외로 한정

되어 있으며 양이온은 테트라알킬암모늄(tetraalkyla-

mmonium) 피롤리디니움(pyrolidinium) 이미다졸리움

(imidazolium) 피리디니움(pyridinium) 등과 같이 비

교 다양성이 풍부한 반면에 음이온 종류는 BF4

PF6 CF3SO3 (CF3SO2)2N 등 할로겐 원소를 구조

에 함유한 것은 일반 으로 종류가 많지 않다(41)

- 할로겐을 포함하지 않는 음이온도 보고 되어 있는데

많은 양이온과 조합하여 액체화를 달성함이 쉽지 않고

한정된 양이온과 질산음이온이나 산 음이온 등을 결

합시킨 것이 보고 되어 있다(42)

- 최근 H Ohno(43)등은 할로겐 원소를 함유하지 않은

음이온으로 이온액체를 구축하기 하여 헤테로방향환

화합물을 착안하여 이미다졸이나 피라졸 등의 아졸

(azol)류 에서 산성을 띠는 124-triazolate 1234-

tetrazolate 등과 이미다졸리움 양이온을 조합시키는 것

에 의해 이온성 액체를 합성하 다

- 이 이온성 액체는 분자량과 비교해서 하의 비국재화

(非局在化)가 크다 한 할로겐 원소를 함유하지 않

고 C H N의 3종류원소만으로 구성되어 있다

제3장 국내외 기술개발 동향 31

lt그림 3-15gt 할로겐 리이온액체의 구조

쯔 츠 이온성 액체 (Zwitter ionic liquids)

- 한편 M Yoshizawa(44) 등은 이온 도재료로서 이온액

체를 사용하는 경우는 구배에 한 이온액체의 구

성이온종의 이동이 큰 문제로 된다

- 따라서 리튬 2차 지나 연료 지 등 목 이온종의 수

율과 계의 출력과의 계를 디바이스에 응용할 때는

이온 도재료로서 이온성 액체를 사용하는 것으로 양

이온과 음이온을 스페이서(spacer)로 결합하는 것에

의해 실온에서 액체상태인 성 이온 액체(zwitter

ionic liquid)를 제안하고 있다

- 양이온과 음이온을 스페이서로 결합하면 하는 체

로서 성이 되어 하이동이 없는 염으로 되는데 스

페이서가 짧아서 충분한 염해리가 힘드나 어느 정도의

자유도가 얻어지면 zwitterion으로 된다

32 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-16gt zwitter ionic liquids의 모식도

특정이온을 포함하는 이온액체

- 이온성 액체를 이온 도체로 사용하는 과제는 목 이

온의 도입이다 이는 리튬염 등 목 이온을 포함하는

염 등을 이온액체에 용해시켜 도입한다

- 그런데 염의 첨가는 계의 성의 증가 이온 도도의

하를 가져온다 한 이온액체와 상용하는 분자무

기염은 많지 않고 첨가염의 종류도 한정되어있는 것이

문제이다

- 이의 해결이 자의 zwitter ion이고 두 번째가 목 이

온을 실온에서 액체화가 가능하면 문제가 해결된다

이러한 방법으로 각종의 알칼리 속 이온성 액체

(alkali metal ionic liquid)를 개발하 다(45)

- lt그림 3-17gt은 알칼리 속이온성 액체는 2가의 응

음이온과 1가의 오니움(onium) 양이온 1가의 목 이

온으로 구성된다

lt그림 3-17gt 알칼리 속이온액체의 개념도

제3장 국내외 기술개발 동향 33

- 이온액체는 구성하는 이온 간의 정 기 상호작용은

없을수록 좋으므로 강한 상호작용을 일으키는 다가이

온의 사용은 물이다 당 리튬 양이온의 이온액체

가 목 이나 여러 가지의 알칼리 속이온도 액체로

되는데 이를 응용하면 로톤을 포함하는 이온액체도

얻어지게 된다

이온액체의 합

- 이온성 액체는 분자 디자인이 용이하기 때문에 고분자

구조를 도입하는 것도 가능하며 이온성 액체의 고분

자화로는 각종의 고분자와 혼합한 겔화가 알려져 있지

만 이온성 액체 에 합기를 직 도입하여 고분자

화 하는 것에 의해 이온 도성뿐 아니라 디바이스의

다운사이징(down-sizing)에 기여할 것으로 망하고

있다(41)

- lt그림 3-18gt은 고분자화 이온액체를 나타내는데 종래

의 polyethyl-eneoxide유도체에 의존하지 않는 새로운

이온 도재료로서 검토된다

- lt그림 3-18gt에서 양이온과 음이온의 한쪽이 고분자의

주쇄에 고정되어 있어서 도 이온종을 선택하는 이

유용하다 한 구성이온종의 양방이 고분자 주쇄에

고정된 구조는 이온 도성을 나타내지 않으나 목 이

온의 첨가로 선택 도가 일어난다(46)

34 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-18gt 이온액체폴리머의 변화

자기조직화 이온액체

- 이온액체는 등방성의 액체로서 3차원 인 이온을 운반

하는 것이 가능하다 이로서 차원제어를 행하고 특정

방향으로 이온을 수송하는 시도가 있다 이를 해 자

기 집합력을 이온액체에 부여할 필요가 있다

- 이온액체의 자기조직화에는 양친매성화합물(兩親媒性

化合物)의 성질을 이용한다 극성성분이 있는 이온액

체에 비극성기(탄화수소쇄 탄화불소쇄)를 도입한 양

친매성 이온액체는 벌크로 써모트로픽 액정성을 발

하여 극성 비극성기가 분자 벨에서 상분리된 구조

를 형성한다

- 이 액체 도메인 에는 이온성 액체자신은 용융되어

높은 운동성을 갖는 알킬기의 집합층에 고정된 상태일

것으로 생각된다 여기에 리튬염을 첨가하면 비극성염

을 갖지 않는 리튬이온의 우선 인 수송이 기 된

다(lt그림 3-19gt 참조)

제3장 국내외 기술개발 동향 35

lt그림 3-19gt 이온성 액체 도메인 의 목 이온수송의 모식도

새로운 용매

- Alabama 학의 Rogers 등은 셀룰로오스를 용해시키는

이온성 액체로서 bmim Cl(1-butyl-3-methylimidazolium

chloride)을 개발하 다(47)

lt그림 3-20gt bmimCl의 구조

- Bmin Cl은 실온에서는 고체로서 75에서 용해되지만

100 정도로 가열한 bmim Cl에 종이(셀룰로오스)를

침지하면 순식간에 용해된다 이 용액을 시린지

(syringe)에 의해 물 에서 용출(溶出)시키면 셀룰로

오스 화이버가 생성된다 풍부한 목재자원을 셀룰로스

로 추출하는 시도가 이루어지고 있다

36 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

- 한 핵산류를 용해시킨 이온액체를 개발하고 있는데

DNA나 RNA는 물에 쉽게 용해되지 않는데 이를 용

해시키는 이온액체가 얻어졌다 일정량의 핵산을 용해

시키는 온도는 사용하는 이온액체의 구조에 크게 의존

한다(48)

- 특히 분자내 는 분자간의 수소결합을 단하는 능

력이 요구되는데 여기에는 염소음이온의 효과가 큰 것

으로 알려져 있다 염소를 포함하는 염은 일반 으로

융 이 높고 실온에서 액상으로 존재하기가 어려운

이 있다

- 이는 음이온의 부 하가 비국재화하고 있지 않기 때문

에 정 인 상호작용이 강하게 작용하고 있는 결과이

다 이를 피하기 해 양이온구조를 개선하여 상온에

서 액체의 염화물 염을 합성한다(49)

- 이 방법으로 양이온 구조를 개선하여 실온에서 액체상

태 염화물염인 aaim Cl(13-diallylimidazolium chloride)

를 개발하 다 aaim Cl은 융 이 21 부근이지만 한번

용융하면 과냉각 상태에서도 안정하여 실온에서 사용

가능하다 단지 도가 높은 것이 난 이다

단백질의 기화학반응용 해질용액

- 단백질의 기화학 인 성질로서 단백질을 이온액체에

용해시키는 것은 통상의 고분자를 용해시키는 것과는

차원이 다데 단백질의 기능은 펩사이드쇄의 3차 구조

에 크게 의존하기 때문에 3차구조가변하면 변성에 의

해서 목 달성이 되지 않는다 따라서 무리한 용해작

업은 변성을 래한다

제3장 국내외 기술개발 동향 37

- 이에 하여 PEO(polyethylene oxide)의 에테르산소가

이온과 강하게 상호작용하고 있다 이는 가용성을 의

미하며 PEO가 단백질과 이온액체를 용해하여 단백질

의 안정성을 향상시킨다 종래 바이오디바이스의 작성

이 곤란했든 것은 수 에서 단백질의 불안정성에 기인

하 는데 사용 온도에 따라 이온액체 의 단백질의

기화학이 새로운 가능성의 개척을 시사한다(50)

5 국내동향

이온액체의 매반응분야(51)

- 한국과학기술연구원 송충의 박사는 이온성 액체를 키

랄 화합물 제조를 한 매반응에 도입하여 고가인

매와 용매의 반복 사용을 가능하게 함에 따라 결

국 매와 용매의 소비를 최소화시킬 수 있는 소 청

정 비 칭 매반응을 개발하 다

- 즉 Jacobsons chiral (salen)MnIII

매 존재 하에서

22-dimethylchro-mene의 비 칭 에폭시화 반응시

[bmim]PF6와 CH2Cl2 (14 vv) 혼합물 용매를 사용

함으로써 96-94의 학순도로 chromene oxides를

합성하는데 성공하 다 이온성 액체를 첨단유기합성

기술인 학활성화합물 제조기술개발에 용함으로써

용매와 매의 소비를 최소화하는 반응과정을 개발하

고 있다

- 이와 같은 기술은 화학 산업에서의 공해 요인을 감소

38 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

시킬 것이며 특히 노벨화학상 수상분야인 비 칭

매반응 분야의 최 문제 으로 지 되었던 키랄 매

의 분리 재회수가 가능하게 되었다는 에서 기술

으로도 우수한 성과라 할 수 있다

- 한 이온성 액체 내에서 일부 매반응이 가속화될

수도 있고 선택성 매의 안정성 역시 향상될 수

있음을 밝혔으며 더욱 놀라운 결과로는 기존의 유기

용매 내에서는 진행되지 않던 일부 반응이 이온

성 액체 내에서는 정량 으로 진행될 수 있다는 것이

- 한 많은 요한 유기반응에서 이온성 액체가 용매로

서뿐 아니라 자신이 재사용 가능 한 매로도 작용할

수 있음을 밝힌 바 있다 이러한 일련의 결과들은 이

온성 액체가 21세기에 매분야뿐 아니라 체 유기화

학분야의 새로운 장을 열고 있다는 에서 요한 의

미를 지닌다고 할 수 있다

합성 응용분야(52)

- 한국과학기술연구원 김훈식 박사 연구 은 KSeO2

(OCH3)를1-alkyl-3-methylimidazolium chloride와 반

응시켜 새로운 이미다졸륨 알킬셀 나이트 ([Rmim]

[SeO2(OCH3)]) 화합물을 합성하 다

- 아민화합물의 산화성 카르보닐화 반응을 통한 치환된

우 아 제조 반응에서 기존의 KSeO2(OCH3)을 매로

사용하 을 경우에 비해 이 화합물은 보다 온화한 반

응조건을 제공할 뿐 아니라 이소시아네이트의 구체

인 치환된 우 아와 카바메이트를 고수율로 합성할 수

제3장 국내외 기술개발 동향 39

있었다

- 재 이온성 액체를 이용한 분리 유기 속화합물을

함유한 고활성 매로서의 이온성 액체의 합성 응

용에 한 연구를 수행하고 있다

- 포항공과 학교의 김만주 교수 연구 은 Lipase를

[PPMIM]PF6 (PPMIM = 1-(3-phenylpropyl)-3-

methylimidazolium)와 혼합시켜Ionic liquid-Coated

Enzyme (ILCE)을 합성하 다 이 새로운 타입의

immobilized biocatalyst는 2차 알코올의 transest-

erification 반응을 통한 acetylated 화합물합성에 높은

활성과 재사용성을 보여 주었으며 이러한 연구결과를

다양한 생화학분야에 용하기 한 연구를 수행하고

있다

- 인하 학교의 지 윤 교수연구 은 alkyl mesylate로부

터 fluoro-alkane을 합성하는 반응에서 이온성 액체를

용매로 사용함으로써 기존방법에 비해 부반응이 거의

없고 생산성이 히 증가된 결과를 얻었으며 이러한

결과를 실용화시키기 한 연구를 지속하고 있다

- 신약개발 바이오벤처 기업 씨트리(C-TRI)는 이온성

액체를 이용한 학활성 화합물제조 기술개발회사로

서 지난 상반기에 31억원의 매출을 올렸으며 최근 이

온성 액체를 이용한 신약개발과 정 화학사업에 필요

한 연구 인력을 거 보강하여 이온성 액체 련사업

을 추진하고 있다

41

제4장

결론 및 제언

향후의 방향

- 이온성 액체에 한 앞으로의 망은 이온성 액체를

주 테마로 하는 국제회의가 증가하고 있다 미국화학

회는 작년 9월 New York에서 이온성 액체에 한 세

션이 개최되어 열띤 토론이 진행 되었다

- 2004년 3~4월에 Anaheim에서 개최된 세션은 ldquo이온성

액체와 고분자rdquo 다 유럽과 미국에서는 이온성 액체

를 반응용매로 보는 것이 주류를 이루고 있었다

- 2004년 10월 Hawaii에서 기화학의 미일합동 회가

열린다 주제는 이온성 액체(용융염)에 한 연구이었

- 앞으로도 이온성 액체에 한 연구는 증가할 것이고

여러 가지 배경을 갖고 있는 연구자들이 서로 다른 목

표를 가지고 연구에 노력할 것이라 생각된다

국내사정

- 우리나라의 황을 보면 재석유화학 의학 산업에

서만 약7억불에 달하는 유기용매가 사용되고 있으며

이들을 모두 체할 수 있다면 최 7억불시장을 형성

할 수 있으므로 이온성 액체의 시장잠재력은 매우 크

42 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

다 하겠다

- 이온성 액체는 휘발성유기화합물을 체할 수 있을 뿐

만 아니라 고가의 귀 속 매를 이온성 액체 층에 고

정화 시킬수 있어 매의 회수 재사용을 용이하게

하며 매의 활성도 안정도 선택도까지도 획기

으로 증가시킬 수 있으므로 환경 측면은 물론 경제

인 에서도 바람직한 청정용매라 할 수 있다

- 상기한바 와같이 이온성 액체의 잠재 인 응용가능성

은 앞으로 무한할 것으로 사료되므로 국내에서도 이에

한 연구자들의 심과 더불어 정부 기업체에 의

한 연구지원이 지속 으로 이루어져야 할 것이다

후의 과제

- 통상의 용매로 이온성 액체를 이용하는 경우에는 내구

성 제조가격 등의 인자가 요하지만 목 이 한정된

이온성 액체의 이용에 있어서는 목 하는 기능을 요

시할 필요가 있다

- 많은 이온성 액체가 합성되고 있으나 원하는 높은 물

성을 갖는 이온성 액체를 설계하는 데 기본이 되는 이

론이 아직은 없는 편이다 이를 해서는 특히 이온성

액체의 구조-물성의 상 계가 밝 져야 하는데 많

은 연구가 진행되고 있음에도 불구하고 그 계가 밝

지지 않고 있다 따라서 상태로서는 원하는 이온

성 액체를 직 만들어서 평가하는 방법밖에 없는 게

실이다

- 그러나 도화와 열안정성 등과 같이 상반 계에 있

는 특성은 하나의 라미터를 변화시키는 것에 의해

제4장 결론 및 제언 43

한 쪽의 특성은 양호하게 되지만 다른 한 쪽의 특성이

악화되는 것을 피할 수 없는 성질로서 아직 양쪽을 동

시에 만족하는 이온성 액체는 실 하지 못하고 있다

- 향후 이온성 액체는 청정용매의 개발과 더불어 새로

운 청정 공정기술의 개발을 통하여 신소재 신물질 생

산 공정을 환경친화 이면서 경제성 있는 공정개발에

기여할 것으로 기 된다

- 특히 비닐기 같은 합성 기능기를 이온성 액체의 단

구조로 도입하여 단독 합이나 공 합을 통해 고분

자화한 이온성 액체를 만들 수 있어 이를 잘 활용하여

이온 지라든가 연료 지 등의 해액으로 응용의 길

이 열린다면 학문 으로나 공업 으로 큰 의의가 있으

리라 생각되며 이 분야의 연구가 활성화되길 기 한

45

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저자소개

손 목

공학박사

한국에 지기술연구소 원장

한국과학기술정보연구원 문연구 원

서 수소 연료 지 개스 센서기술 등

강 종 석

공학박사

한국과학기술정보연구원 선임연구원

서 BT분야 국가연구개발 심층분석

리튬이차 지 등

BB088 손 목강종석

이온성 액체의 반응성 및 전기화학적

특성 연구동향

2005년 12월 19일 인쇄

2005년 12월 23일 발행

발행처

서울특별시 동 문구 청량리동 206-9

ꂕ 130-742

화 3299-6114

등록 1991년 2월 12일 제5-258호

발행인

조 화

인쇄처

신기획

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SUO 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 ITA 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 NOR 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 SVE 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 KOR 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 CHS ltFEFF4f7f75288fd94e9b8bbe7f6e521b5efa76840020005000440046002065876863ff0c5c065305542b66f49ad8768456fe50cf52068fa87387ff0c4ee575284e8e9ad88d2891cf76845370524d6253537030028be5002000500044004600206587686353ef4ee54f7f752800200020004100630072006f00620061007400204e0e002000520065006100640065007200200035002e00300020548c66f49ad87248672c62535f0030028fd94e9b8bbe7f6e89816c425d4c51655b574f533002gt CHT ltFEFF4f7f752890194e9b8a2d5b9a5efa7acb76840020005000440046002065874ef65305542b8f039ad876845f7150cf89e367905ea6ff0c9069752865bc9ad854c18cea76845370524d521753703002005000440046002065874ef653ef4ee54f7f75280020004100630072006f0062006100740020548c002000520065006100640065007200200035002e0030002053ca66f465b07248672c4f86958b555f300290194e9b8a2d5b9a89816c425d4c51655b57578b3002gt gtgtgtgt setdistillerparamsltlt HWResolution [2400 2400] PageSize [612000 792000]gtgt setpagedevice

Page 8: 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향gift.kisti.re.kr/data/IAC/files/KISTI-200512-SYM-ion_fluid.pdf · ※ 이온성 액체는 사용되는 음이온의

4 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

술자의 주목을 받게 되어 이에 한 연구가 성행하게

되었다 이와 같이 실온에서 액체가 되는 염을 이온성

액체(ionic liquid)라 부른다(2)

- 일본에서는 실온에서 용융된 염을 이온성 액체라 하지

만 구미에서는 융 이 100 이하의 염을 ionic liquid

라고 하여 다소의 개념 차이가 있다

lt그림2-1gt 모든 이온성 액체가 상온에서 액체가 되는 것은 아니다

왼쪽은 mp 40의 methyltri-n-butylammoniumdocusate이며 오른쪽은

RTIL(room temperature ionic liquid)의 1-butyl-3- methyl imidazolium

diethyleneglycolmonomethylethersulfate이다 이온액체는 흰색에서 은

황색과 오 지색이 있다

2 이온성 액체의 특성

일반 물성

- 이온성 액체는 넓은 온도 범 에서 액체상태를 유지한

제2장 기술의 개요 5

다 증기압이거의 제로(zero)이며 보통 용매가 증발하

는 고온(400정도)에서도 안 하게 존재하는 것이 많

다 화학 으로 안 하며 불휘발성이기 때문에 유기물

인데도 불구하고 불연성이다(3)

- 이온만으로 구성된 고 도 액체는 하게 극성이 크

다고 생각하고 있으나 실제 이온성 액체는 알코올 정

도의 극성을 갖고 있으며 비 이 15 이상으로 큰데

비해 낮은 성을 갖고 있어 일반 인 극성용매와 같

이 취 된다

- 고 도의 이온의 운동성이 높아 양호한 이온 도성을

갖는다 기화학 으로 안정한 것도 보통의 분자성

용매에는 없는 특징이다

- 이온성 액체의 구성이온이 유기물이라는 으로 보아

여러 가지 유도체를 얻을 수 있는 것도 특징이다 비

록 여러 종류의 이온을 당하게 조합하여도 액상으로

될 가능성이 기는 하지만 한 설계에 의해 액상

염의 기능설계 가능성이 있다

lt그림 2-2gt 이온성 액체의 특징과 표 인 구성 이온 종류

고이온전도성

불연성

우수한

분자디자인성

열middot화학적안정성

고극성

불휘발성

여러화합물과의상용성

이온성액체

고이온전도성

불연성

우수한

분자디자인성

열middot화학적안정성

고극성

불휘발성

여러화합물과의상용성

이온성액체

6 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

음이온에 의한 특성

이온성 액체는 사용되는 음이온의 종류에 따라 그 특성이

히 달라진다 가장 많이 사용되는 음이온은 PF6-로

imidazolium 양이온과 결합하면 소수성 이온성 액체

[bmim]PF6-를 형성한다

- BF4- 한 일반 으로 많이 사용되는 음이온이다

PF6-와 거의 비슷한 특성을 갖고 있으나 imidazolium

과 이온성 액체를 형성하면 물에 잘 녹는 이온성 액

체[bmim]BF4-를 형성한다

- 즉 거의 비슷한 크기나 구조를 하고 있는 음이온을 사

용하더라도 얻어지는 이온성 액체의 특성은 히

달라지는 경우가 많다(4)

비록 여러 면에 있어서 응용이 개발되고는 있으나 PF6-

BF4-를 음이온으로 사용한 경우 물의 존재 하에서 열을

받으면 HF를 발생시키면서 분해가 일어난다 이 문제를

해결하기 해 여러 회사들에서는 다른 종류의 음이온을

선정하여 이온성 액체를 개발하고 있다

- 불소계이기는 하지만 F가 탄소에 붙어있는 음이온을

사용하면 C-F결합은 비활성이므로 열에 안정하여 HF

를 방출하지 않는다 CF3SO3- (CF3SO3)2N

-가 그 이

다(5)

배 성향

- 이온성 액체의 존재 하에서 속 매를 사용하는 공

제2장 기술의 개요 7

정의 경우에는 음이온이 반응에 있어 배 할 성향이

낮은 PF6-가 아직까지는 가장 한 것으로 본다

(CF3SO3)2N- 같은 경우도 같이 불소를 포함하는 음이

온은 고가이다(6)

- 가격과 안정성을 고려해서 Solvent Innovation과

Sachem(주)는 불소를포함하지 않은 새로운 이온성

액체를 시도한다(7)

- 가능성이 있는 것은 가격 경쟁력이 있으면서 그 크기

가 큰 bulk chemical을 음이온으로서 독성이 없으면서

생분해가 가능한 alkyl sulfate계 음이온이 상이다

ECOENG 500(Peg-5 cocomonium methoxulfate)가 그

한 인데 무독성임을 입증한 첫 번째 비 불소계 음

이온이다

lt그림 2-3gt n-octyl sulfate( ) docusate(아래)

- Sachem(주)는 docusate계 (dioctylsulfosuccinate) 음이

온을 사용하는데 이는 동물계에 매우 낮은 독성을 갖

고 있고 식품 제약 화장품등에 이미 사용되는 물

8 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

질이다

- 다른 이온성 액체와는 달리 docusate는 친유성이며

hydrocarbon과잘 섞이는 특성을 갖는다

융 련 성질

- Rogers 등에 의해 최근에 밝 진 이온성 액체의 특성

은 Cl과 같은 할로겐 음이온은 셀룰로스나 다른

oligosaccharide와 같은 생화학 물질들이 이온성 액체

에 녹는 것을 진시킨다는 것이다(8)

- 이온성 액체가 녹아있는 매질들과 특정의 상호 작용이

있는 성질을 이용하여 양이온 음이온 각각에 특정

의 기능기를 도입하는 새로운 연구가 진행되고 있다

이온성 액체에 부가되는 기능기는 이온성 액체의 반응

패턴을 증가시키거나 특정 물질과의 상호 작용을 증

가시키는 등 다양한 특성을 부여할 수 있다

- 150 이하에서 녹는 이온성 액체는 재 100개 이상

의 종류가 매된다(9) 디자인된 양이온과 다른 음이온

과의 조합은 다양한 범 의 녹는 을 가진 새로운 이

온성 액체를 얻을 수 있는데 이를 incognito 이온성

액체라고 한다

- incognito 이온성 액체로 18-diazabicyclo[540] undec-

7-enehydro tribromide (DBU-HBr mp 119-122)는 높

은 수율의 aromatic bromination을 얻는 좋은 반응물이

다(10)

상업 으로 쉽게 얻을 수 있는 융 을 갖는 아미노산 유

도체인생체 물질들도 이온성 액체의 개발에 사용될 수 있다

제2장 기술의 개요 9

- L-alanine ethyl ester hydrochloride (mp 78)

L-serine methylester hydrochloride (106)들이 이

다(11) 정의한 이온성 액체와는 좀 다른 특성이기는

하지만 융 을 갖는 염으로는 같은 의미로 볼 수

있다

lt그림 2-4gt 상품화된 다양한 이온성 액체

3 이온성 액체의 합성방법

헤테로 고리화합물을 활용한 합성제법이 가장 많이 알려

져 있다

- 지 까지 많은 이온성 액체가 설계되고 있으나 부분

은 이미다졸륨 등의 헤테로 방향환을 기본으로 하는

양이온으로 구성되어 있다 짝음이온의 종류에 따라

다른 성질을 보이기는 하지만 헤테로환 양이온 특히

10 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

이미다죨륨 양이온으로 구성된 염은 낮은 융 을 나타

낸다

lt그림 2-5gt 이온성 액체의 합성법

- 이온성 액체는 할로겐화 알킬을 아민의 제4 화 반응

에 의해 염을 얻고 이것을 한 음이온으로 교환하

여 얻는다 이 방법은 음이온교환반응에서 생기는 부

산물을 완 히 제거하기 어려워서 원하는 염을 높은

순도 높은 수율로 얻기는 쉽지 않고 사용하는 음이온

종류도 한정된다(12)

- 3 아민과 로톤산의 화반응으로 이온성 액체를

합성하는 방법이 새로 개발되었는데 이 방법은 부산

물의 혼입에 의한 순도의 하도 억제할 수 있으며 합

성이 가능한 이온성 액체의 종류도 풍부하다

- 이온성 액체의 모델 설계 혹은 구성하는 이온 구조

최 화를 의도한 스크리닝(screening)을 활용하여 많

은 종류의 이온성 액체가 합성되고 있으나 원하는 우

수한 물성을 갖는 이온성 액체의 설계지침은 아직까지

불완 하다 구조-물성의 상 계를 찾고자 많은 연

구가 진행되고 있으나 아직까지 일반 인 계를 찾

제2장 기술의 개요 11

지 못하고 있는 실정이다 즉 신규 이온성 액체를 찾

아낼 가능성이 아직 많다고 하겠다(13)

4 이온성 액체의 응용분야

이온성 액체의 특이한 성질을 이용하여 여러 응용이 제

안되고 있다 크게 환경부하가 은 그린(green) 용매로

서의 응용과 새로운 이온 도성 재료로서 응용으로 2분

야로 크게 나 수 있다 그린 용매로서의 연구는 주로

유럽과 미국에서 이온 도성 재료의 연구는 상 으

로 일본에서 연구가 많이 진행되고 있다

그린 용매(기능성 용매)

- 화학공정의 반응계에서 사용되는 용매 특히 유기용매

가 기나 하천 등으로 확산되는 것은 환경문제이다

더욱이 유기용매의 인화성이나 폭발성 작업종사자의

피독 등 안 에 한 문제가 요하다

- 이온성 액체를 그린 용매로서 응용하는 것은 일반 인

휘발성 용매를 체하는 반응용매(반응장)로서 응용으

로 에서 설명한 문제 을 한꺼번에 해결할 수 있는

가능성이 있다

- 이온성 액체를 용매로 사용할 수 있는 반응 로서 유

기합성 반응계 분리 추출 등 여러 분야가 있으며 생

체유래분자의 반응에도 검토되고 있다

- 최근에 이 분야의 연구의 방향은 이온성 액체의 분자

12 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

설계 장 을 이용하여 기능을 갖는 구조를 도입할 수

있다 실제 매활성이나 귀 속 회수 등의 기능

부여가 연구되고 있다 Davis등이 제창하는 Task-

Specific Ionic Liquid(14)라 불리는 차세 이온성 액체

가 그 좋은 이다

이온 도체

- 이온성 액체는 불휘발 불연성 특성이 있어 기존에

해액으로 사용되어온 유기용매가 갖고 있는 휘발성

인화성이라는 문제를 해결 할수 있다 따라서 이온

도성 재료로서의 연구는 리튬이온 지 연료 지 색소

증감 태양 지 작동장치(actuator) 커패시터(capacitor)

등의 이온성 소자용 해액 응용을 들 수 있다(3)

- 실제로 이온성 액체를 해액으로 사용하기 해서는

재 개발 된이온성 액체의 모든 물성을 개선하는데

범 한 분자설계로부터 물성과 구조의 계를 연구

하고 이를 통해 이온 특성을 최 화할 필요가 있다

- 보다 실제 인 응용을 해 이온성 액체 그 자체를

해액으로 사용하기보다는 고분자화에 의해 고체 해

질로서 하는 쪽이 더 좋은 경우가 있다 고분자화 된

이온성 액체의 특성은 이온성 소자의 소형경량화나 박

막화 안 성의 향상도 기 된다

- 재까지 얻어진 고분자 구조를 보면 고분자의 가지사

슬에 양이온음이온의 양쪽을 고정시킨 공 합 고분자

형 극성 이온형 등은 목 하는 이온만의 이동이

요구되는 응용에 당하다(15)

제2장 기술의 개요 13

다른 분야 응용

- 다른 분야의 응용 실례로는 자 도성 액체 윤활유

임계유체와의 혼합계 표면 개질제 등이 있다 휘발

하지 않는 액체 실온에서 액체상 염이라는 특징을 살

려 앞으로 다른 분야의 연구자와 교류를 통하여 이온

성 액체의 새로운 가능성을 열어갈 수 있다

15

제3장

국내외 연구개발 동향

1 연구의 방향

이온성 액체의 연구는 술한바 반응용매로의 이용과

해질 용액으로서의 이용으로 크게 분류된다

- Grignard 시약을 사용하는 반응 이외에는 부분이 이

온성 액체 에서 반응하는 것이 가능한 것으로 일반

의 유기합성 반응에서부터 고분자 합성까지 다양한 반

응이 검토되고 있다

- 소수성이 강한 불소함유 이온성 액체는 액액(液液)

의 2층으로 분리가 되어 물층의 에 무거운(비 15

정도) 이온성 액체층이 생성되는데 이를 이용하여 공

장 배수로부터 유기물을 추출하는 등 배수처리에 응용

할 수 있으며 반응물의 회수도 가능하다

해질 용액으로의 이용은 이온성 액체가 높은 이온

도성을 가진 것과 폭넓은 온도 역에서 액상을 유지하

면서 불연성인 것 창(電位窓)도 넓고 기화학 으

로 안정한 것 등의 특징을 가지고 있어 각종 기화학

디바이스에의 이용이 검토된다

- 이온성 액체가 해질 용액으로서 이용될 때 특히 특

16 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

정 이온의 이동(移動)이 기능발휘에 요한 역할을 하

는 경우에는 다음과 같은 두 가지의 을 고려해야

한다

용매로서 사용하는 이온성 액체를 구성하는 이온이

구배(potential gradient) 하에서 이동하도록 제어하

여 목 이온만을 도시킬 필요가 있다

목 이온을 성분으로 하는 이온성 액체가 거의 알려

져 있지 않기 때문에 목 이온을 함유한 염을 용해시

켜서 이용하는 것이지만 첨가한 염은 이온성 액체에

한 용해도가 일반 으로 높지 않다 용해성을 개선

하기 해서는 이온성 액체의 성분과 같은 이온을

응 이온으로 하는 염을 이용해야 한다

- 이온성 액체는 높은 이온 도성과 용질의 가용성(可

溶性) 등을 이용하여 해합성(電解合成)이나 해

합에도 응용되고 있다

2 반응장으로서 이온성 액체의 활용

농약 간체로서 요한 학활성체와 고분자 물질 생산

에 있어 용매 역할로 이온성 액체를 사용하여 그 가능성

특성에 하여 소개한다

제3장 국내외 기술개발 동향 17

학활성인 불소계 물질의 제조

불소계 물질은 의농약의 합성 간체로서 요하나 비

칭 불소화 반응에는 가 다

lt그림 3-1gt 비 칭 불소화 반응

- 이온성 액체 에서는 온에서도 사용 가능한 헥실=

메틸=이미다졸리움헥사후루오로포스페이트

[hmim][PF6]을 사용하여 구핵반응에 의해 비 칭 불

소화 반응이 일어나 높은 학순도의 불소화체를 합성

하고 있다(16)

- 이 반응의 과제는 학순도의 향상과 용 가능한 물

질을 넓히는 일이다 학활성 에폭시알코올의 불소화

로 학활성 불소화에폭시 화합물을 합성하는 것이 가

능하다고 알려져 있다(17)

18 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-2gt 학활성인 불소화 에폭시

비 칭 알돌(aldol) 반응

- 효소 알돌라아제(aldolase)에 의한 비 칭 합성을 모방

한 화학 매에의한 탄소-탄소 결합 형성 반응은 합성

화학의 요한 과제 이다(18) 용제로서 「재사용 가능

한」 이온성 액체를 이용하고 매로서 L- 로린

(proline)을 사용한 반응장에 한 몇 가지 보고가 나

와 있다(19)

lt그림 3-3gt L-proline을 매로 하는 알돌형 반응

제3장 국내외 기술개발 동향 19

- 아세톤과 L- 로린으로 형성된 에나민(enamine)을 반

응 기질(基質)로 하여 방향족 알데히드류와 알돌형 반

응에서도 지방족 알데히드 사이에서의 크로스 알돌형

반응에서도 꽤 높은 학순도의 생성물이 얻어지고 있

다(20)

- 기질로서 에틸=메틸= 톤을 사용할 때에도 높은

학순도로 입체제어를 행할 수 있고 반복 반응장으로

서 사용해도 재 성 좋게 생성물이 얻어지는 것을 확

인하 다

- 클로로아세톤으로부터 생성한 할로히드린을 간체로

서 학활성의에폭시 화합물로 변환할 수 있는 것도

알려져 있으나 학순도는70~80 정도이고 물질 제

조로서는 만족할 만한 학순도는 아니다(21)

- 기질인 알데히드류와 로린으로부터 형성된 반응

간체는 Michael addition(마이클 부가반응)을 용이하게

진행시킬 수 있다 이 반응에서는 수용체(受容體)의

LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital) 에

지가 하하고 구핵제(求核劑)의 공격을 받기 쉽게 되

는 것이 필요하여 불소계 물질이 합하다

- 로린 이외의 유기분자에서는 디에틸아미노트리메틸

실란을 매로서 이용한 불소계 물질의 선택 인 올

핀류 합성이 발표 되었다이 반응계에서는 알데히드류

와 매로부터 생성한 반응 간체가 불소계 헤미아세

탈류로 되고 간체로부터 입체 선택 으로 편일방(片

一方)의 올 핀류를 생성하고 있다(22)

20 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

학활성인 이온성 액체

- 학활성인 이온성 액체는 학활성인 아민계 물질을

출발원료로 해서 합성되고 있는 경우로 니코틴을 출발

물질로 학활성인 이온성 액체를 만들 수 있다(23) 할

로겐 교환법을 사용하는 합성법의 첫 단계에서 얻어지

는 니코틴의 롬염은 고체이지만 LiNTf2로 음이온

교환을 하면 도가 높은 이온성 액체가 얻어진다

lt그림 3-4gt 수종의 학활성인 이온성 액체

합성된 이온성 액체 [Et(S)-nicotine]NTf2를 Diels-

Alder 반응의 반응 용매로서 사용한 결과 기 한 바와

같이 양호한 수율로 생성물이 얻어 졌지만 3 아미노

기가 염기성 매로서 작용을 하여 비 칭 반응장으로

서의 기능은 나타나지 않았다

제3장 국내외 기술개발 동향 21

lt그림 3-5gt 학활성 이온성 액체의 염기성 매로서의 기능발

를 들면 디엔 체의 3-히드록시 -2피론을 사용하여

Diels-Alder 반응을 하면 루이스산이 기질에 결합하여

기질의 HOMO(the highest occupied molecular orbital)

에 지 가 하되고 반응이 진행하지 않는 것이

확인되었다

dienophile(2 결합을 한개 가진 화합물)로서 아크

릴산메틸을 사용하면 높은 수율로 endoexo = 31의

목 하는 화합물을 얻을 수 있으나 이 반응을 보통

이온성 액체[emim][NTf2] 에서 행하면 진행하지 않

는다(24)

에폭시화 반응

- 합성 간체로서 주목되는 에폭시 화합물도 이온성 액

체 에서 합성되고 있다 효소의 산화반응을 이용하

여 과산화수소를 사용해서 계 에서 과 산을 생성시

켜 효소반응과 화학반응을 연속 으로 조합시켜 에폭

22 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

시 반응이 일어나고 이온성 액체를 반응장으로 사용

한 시스템이다(25)

lt그림 3-6gt 효소반응을 활용한 에폭시화 반응

- 기질류(基質類)에서의 비 칭 에폭시화 반응에서 얻어

진에폭시 화합물의 학순도는 높기 때문에 실용 인

합성방법이며 이 시스템에서는 이온성 액체를 5회 반

복 사용하여도 수율이나 학순도의 변화가 없음이 보

고 되고 있다(26)

lt그림 3-7gt 비 칭 에폭시화 반응

제3장 국내외 기술개발 동향 23

비 칭시아노화 반응 비 칭 사이클로 로 화 반응

- 알데히드류의 비 칭시아노화 반응에서도 비 칭 매

를 활용함으로서 학순도가 98정도로 원하는 생성

물이 얻어지고 있으며 이온성 액체의 반응장으로서 유

용성을 보여주고 있다(27)

lt그림 3-8gt 비 칭 시아노화 반응

- 디아조화합물을 사용하는 사이클로 로 화 반응에서

생성하는 시스체와 트란스체의 기하이성체 비는 높지

않으나 각각 학순도는 상당히 높은 것이 얻어진

다(28)

lt그림 3-9gt 비 칭 사이클로 로 화 반응

24 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

이온성 액체 에서의 고분자 합성

- 이온성 액체 에서 합반응을 행하면 MwMn비가

작게 되는 것으로 보고 되었다 이온성 액체를 이용하

여 합개시제로서 과산화벤조일이나 아조비스이소부

틸로니트릴을 사용한 스티 메틸메타크릴 이트의

호모(homo) 합에서 생성물은 이온성 액체로부터 여

과하는 것만으로 분리가 가능하고 회수한 이온성 액체

를 합용 용매로서 재이용이 가능하고 생성된 고분자

체의 분자량도 증가한다

lt그림 3-10gt 이온성 액체[bmim][PF6] 의 스티 의 합반응

중합용매

개시제 중합용매 수율() 분자량

중합용매

개시제 중합용매 수율() 분자량

- 벤젠 에서와 비교하여 이온성 액체 에서 합도

(重合度) 더욱이 생성물의 수율이 향상하는 것은 이

온성 액체의 도가 벤젠에 비하여 높아 연쇄 이동을

일으키기가 어렵고 생성한 폴리머 라디칼이 용매계로

부터 계외(系外)로 배출되기 쉽기 때문이라 생각된다

- 더욱이 이온성 액체 에서 AIBN(22-Azobis (isobuthy-

제3장 국내외 기술개발 동향 25

ronitril)) 내지는 BPO(benzoylperoxide)를 합개시제

로 한 스티 과 메틸메타크릴 이트의 라디칼 공 합

에 하여도 검토되고 있다

- 공 합 반응은 스티 의 첨가 몰비를 MMA에 비해

증 시켜도 코폴리머 분자량 모노머의 변화율이

하하는 경향이 있다 이 결과는 벤젠을 용매로 한 공

합계와 반 의 경향이고 이온성 액체의 극성이 높아

스티 에 비하여 극성 용매 에서 MMA의 합성이

높아지기 때문이라고 생각된다(29)

lt그림 3-11gt 이온성액체[bmim][PF6] 의 공 합 반응

3 촉매반응에서의 이온성 용액

매반응에서 이온성 용액은 자체 매성 보조 매 매활

성자 매 심의 새로운 리간드의 원 반응을 한 용매

등으로써 용된다(30)

26 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

유기 매로서의 이온성 용액

- 이온성 용액을 매반응에 사용하는 가장 좋은 방법은

용매와 매를 조합해서 사용하는 것이다 용매를 바

꿀 때마다 반응이 빨라지면 새로운 용매는 매 역할

을 한 것으로 본다

lt그림 3-12gt methyl acrylate와 [C4C1im]+ 양이온 사이의 수소결합

- 염화알루미늄염(III)(AlCl3) 이온성 용액에서 자치

환 산성 이온성 용액에서 아 (arenes)의 좋은 용해

성과 결합한 산성의 염화알루미늄염 이온성 용액의

높은 농도 [Al2Cl7]-는 친 자성 방향족 치환을 한

이상 인 용매로 만들 수 있다 산성인 [C2C1im]

Cl-AlCl3에서 1-염화 로 과의 벤젠 알킬반응에서 알

킬 고분자화가 측되었다 이이온성 용액시스템은 높

은 활동성과 선택성을 보 다(31)

- 유기용매로서 이온성 용액 이온성 용액은 지난 수년

간 유기 매 반응에 새로운 흥미를 갖기 시작하 으며

이 분야에 향을 수 있는 가능성을 가지고 있다

유기 매 반응에 한 근방법은 흔히 디엘-알더

(Diels-Alder) 환형추가 그 유도체인 수소결합의

상호작용 반응을 통해서이다(32)

제3장 국내외 기술개발 동향 27

보조 매로의 이온성 용액은 올 핀의 이합체화 (Olefin

dimerization)에서 니 매로 산성염화알루미늄염의 이

온성 용액이 로펜을 헥센에 이합체화를 한 반응에서

용매와 보조 매의 조합으로 사용한 첫 번째 경우이

다(33)

리간드 원으로서의 이온성 용액

- 수소화와 수소포르 화 반응 수소화 반응 수소포

르 화 반응을 해 용매로서 [Et4N][SnCl3]의 PtCl2용

액은 속에 매의 확실한 분해도 없이 올 핀의 수

소화에 효과 으로 매반응을 일으켰다 공기와의

을 피하도록 하는 가운데 활성화의 손실이 없이

매용액을 계속 으로 사용함으로써 반응이 이루어진

다(34)

- 팔라듐 NHC착물의 형성 이온성 용액은 팔라둠 매

반응의 넓은범 의 용매로 사용되어 왔다 이 연구과

정에서 재미있는 화학 상은 HHC착물과 나노 입

자의 형성이었다 이는 아직 논쟁의 상이 되고 있다

NHC착물은 이미다졸리움 이온성 용액에서 형성되며

기 하지 않는 반응성 는 선택성이 감지될 때 이를

항상 고려해야한다(35)

28 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-13gt NHC 매의 lactide 합에서의 ring opening

- 이온성 용액에서 나노입자의 형성 최근에 매로서

나노입자의 사용이 증가되는 심분야이다 1996년

Kaufmann이 이온성 용액에서처음으로 팔라듐의 매

반응을 보고하 다 일련의 아릴 롬이[C16PbBu3]Br

는 [Bu4N]Br에서 노말-알킬 이트와 결합하여 수율

90이상의 trans-시안염을 생성하는 반응이었다(36)

반응 용매로서의 이온성 용액

- 알 수소화 반응 [SbF6]- 와 [PF4]-의 두 이온성

용액에서 수소화 반응의 속도는 알 용액에서보다 훨

씬 높았다 왜 이 이온성 용액이 개선되었는지에 해

서는 아직 연구된 바가 없다 실제 매의 실체조차확

인이 안 되었다 반응용액으로부터 생성된 알 은 분

리가 쉬웠고 매를 함유한 용액은 순환되었다(37)

lt그림 3-14gt [C4C1im][PF6]의 수소포르 화 매의 두형태의 평형

제3장 국내외 기술개발 동향 29

- 산화 비록 재 사용되는 부분의 이온성 용액은 산

화에 안정 이고 산화과정에 이상 인 용매를 제공하

고 있지만 이것은 불과 지난몇 년 사이의 일이었다

Ni(acac)2는 [C4C1im][PF6]에서 해당되는 산의 라-

치환 benzaldehydes를 보통의 수율로 공기 에서 산

화반응의 매로 사용되어 왔다(38)

기화학 매용매로써의 이온성 용액

- 자화학을 이끄는 이온성 용액은 기화학 합성용

용매로서 가능성을 보이고 있다 최근에는 Ni이 알킬

벤질 아릴 할로겐화합물의 기 도성 동종결합

(electro conductive homo-coupling) 반응에 매로 보

고 된 바 있다 니 (II)착물은 니 (0)의 종에 하여

환원되고 방향성 할로겐화물에 첨가되어 할로겐 화합

물이 된다는 제안이 있었다(39)

이온성 용액의 고정화

- 반응시스템이 액체일 때 많은 장 이 있지만 때로는

그것을 고정화(immobilize) 시킬 필요가 있다 이온성

용액을 고정화 시키는데 심이 모아지고 있으며 첫

번째의 시도가 이온성 용액- 합체 겔을 만들기 하

여 고분자 vinylidenefluoride- hexachloropropylene의

공 합체를 사용한 것이다(40)

30 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

4 근대의 동향

할로겐 리이온액체

- 근년 이온성 액체에 한 연구가 많이 수행되고 있지

만 합성하고 있는 이온성 액체의 구조는 의외로 한정

되어 있으며 양이온은 테트라알킬암모늄(tetraalkyla-

mmonium) 피롤리디니움(pyrolidinium) 이미다졸리움

(imidazolium) 피리디니움(pyridinium) 등과 같이 비

교 다양성이 풍부한 반면에 음이온 종류는 BF4

PF6 CF3SO3 (CF3SO2)2N 등 할로겐 원소를 구조

에 함유한 것은 일반 으로 종류가 많지 않다(41)

- 할로겐을 포함하지 않는 음이온도 보고 되어 있는데

많은 양이온과 조합하여 액체화를 달성함이 쉽지 않고

한정된 양이온과 질산음이온이나 산 음이온 등을 결

합시킨 것이 보고 되어 있다(42)

- 최근 H Ohno(43)등은 할로겐 원소를 함유하지 않은

음이온으로 이온액체를 구축하기 하여 헤테로방향환

화합물을 착안하여 이미다졸이나 피라졸 등의 아졸

(azol)류 에서 산성을 띠는 124-triazolate 1234-

tetrazolate 등과 이미다졸리움 양이온을 조합시키는 것

에 의해 이온성 액체를 합성하 다

- 이 이온성 액체는 분자량과 비교해서 하의 비국재화

(非局在化)가 크다 한 할로겐 원소를 함유하지 않

고 C H N의 3종류원소만으로 구성되어 있다

제3장 국내외 기술개발 동향 31

lt그림 3-15gt 할로겐 리이온액체의 구조

쯔 츠 이온성 액체 (Zwitter ionic liquids)

- 한편 M Yoshizawa(44) 등은 이온 도재료로서 이온액

체를 사용하는 경우는 구배에 한 이온액체의 구

성이온종의 이동이 큰 문제로 된다

- 따라서 리튬 2차 지나 연료 지 등 목 이온종의 수

율과 계의 출력과의 계를 디바이스에 응용할 때는

이온 도재료로서 이온성 액체를 사용하는 것으로 양

이온과 음이온을 스페이서(spacer)로 결합하는 것에

의해 실온에서 액체상태인 성 이온 액체(zwitter

ionic liquid)를 제안하고 있다

- 양이온과 음이온을 스페이서로 결합하면 하는 체

로서 성이 되어 하이동이 없는 염으로 되는데 스

페이서가 짧아서 충분한 염해리가 힘드나 어느 정도의

자유도가 얻어지면 zwitterion으로 된다

32 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-16gt zwitter ionic liquids의 모식도

특정이온을 포함하는 이온액체

- 이온성 액체를 이온 도체로 사용하는 과제는 목 이

온의 도입이다 이는 리튬염 등 목 이온을 포함하는

염 등을 이온액체에 용해시켜 도입한다

- 그런데 염의 첨가는 계의 성의 증가 이온 도도의

하를 가져온다 한 이온액체와 상용하는 분자무

기염은 많지 않고 첨가염의 종류도 한정되어있는 것이

문제이다

- 이의 해결이 자의 zwitter ion이고 두 번째가 목 이

온을 실온에서 액체화가 가능하면 문제가 해결된다

이러한 방법으로 각종의 알칼리 속 이온성 액체

(alkali metal ionic liquid)를 개발하 다(45)

- lt그림 3-17gt은 알칼리 속이온성 액체는 2가의 응

음이온과 1가의 오니움(onium) 양이온 1가의 목 이

온으로 구성된다

lt그림 3-17gt 알칼리 속이온액체의 개념도

제3장 국내외 기술개발 동향 33

- 이온액체는 구성하는 이온 간의 정 기 상호작용은

없을수록 좋으므로 강한 상호작용을 일으키는 다가이

온의 사용은 물이다 당 리튬 양이온의 이온액체

가 목 이나 여러 가지의 알칼리 속이온도 액체로

되는데 이를 응용하면 로톤을 포함하는 이온액체도

얻어지게 된다

이온액체의 합

- 이온성 액체는 분자 디자인이 용이하기 때문에 고분자

구조를 도입하는 것도 가능하며 이온성 액체의 고분

자화로는 각종의 고분자와 혼합한 겔화가 알려져 있지

만 이온성 액체 에 합기를 직 도입하여 고분자

화 하는 것에 의해 이온 도성뿐 아니라 디바이스의

다운사이징(down-sizing)에 기여할 것으로 망하고

있다(41)

- lt그림 3-18gt은 고분자화 이온액체를 나타내는데 종래

의 polyethyl-eneoxide유도체에 의존하지 않는 새로운

이온 도재료로서 검토된다

- lt그림 3-18gt에서 양이온과 음이온의 한쪽이 고분자의

주쇄에 고정되어 있어서 도 이온종을 선택하는 이

유용하다 한 구성이온종의 양방이 고분자 주쇄에

고정된 구조는 이온 도성을 나타내지 않으나 목 이

온의 첨가로 선택 도가 일어난다(46)

34 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-18gt 이온액체폴리머의 변화

자기조직화 이온액체

- 이온액체는 등방성의 액체로서 3차원 인 이온을 운반

하는 것이 가능하다 이로서 차원제어를 행하고 특정

방향으로 이온을 수송하는 시도가 있다 이를 해 자

기 집합력을 이온액체에 부여할 필요가 있다

- 이온액체의 자기조직화에는 양친매성화합물(兩親媒性

化合物)의 성질을 이용한다 극성성분이 있는 이온액

체에 비극성기(탄화수소쇄 탄화불소쇄)를 도입한 양

친매성 이온액체는 벌크로 써모트로픽 액정성을 발

하여 극성 비극성기가 분자 벨에서 상분리된 구조

를 형성한다

- 이 액체 도메인 에는 이온성 액체자신은 용융되어

높은 운동성을 갖는 알킬기의 집합층에 고정된 상태일

것으로 생각된다 여기에 리튬염을 첨가하면 비극성염

을 갖지 않는 리튬이온의 우선 인 수송이 기 된

다(lt그림 3-19gt 참조)

제3장 국내외 기술개발 동향 35

lt그림 3-19gt 이온성 액체 도메인 의 목 이온수송의 모식도

새로운 용매

- Alabama 학의 Rogers 등은 셀룰로오스를 용해시키는

이온성 액체로서 bmim Cl(1-butyl-3-methylimidazolium

chloride)을 개발하 다(47)

lt그림 3-20gt bmimCl의 구조

- Bmin Cl은 실온에서는 고체로서 75에서 용해되지만

100 정도로 가열한 bmim Cl에 종이(셀룰로오스)를

침지하면 순식간에 용해된다 이 용액을 시린지

(syringe)에 의해 물 에서 용출(溶出)시키면 셀룰로

오스 화이버가 생성된다 풍부한 목재자원을 셀룰로스

로 추출하는 시도가 이루어지고 있다

36 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

- 한 핵산류를 용해시킨 이온액체를 개발하고 있는데

DNA나 RNA는 물에 쉽게 용해되지 않는데 이를 용

해시키는 이온액체가 얻어졌다 일정량의 핵산을 용해

시키는 온도는 사용하는 이온액체의 구조에 크게 의존

한다(48)

- 특히 분자내 는 분자간의 수소결합을 단하는 능

력이 요구되는데 여기에는 염소음이온의 효과가 큰 것

으로 알려져 있다 염소를 포함하는 염은 일반 으로

융 이 높고 실온에서 액상으로 존재하기가 어려운

이 있다

- 이는 음이온의 부 하가 비국재화하고 있지 않기 때문

에 정 인 상호작용이 강하게 작용하고 있는 결과이

다 이를 피하기 해 양이온구조를 개선하여 상온에

서 액체의 염화물 염을 합성한다(49)

- 이 방법으로 양이온 구조를 개선하여 실온에서 액체상

태 염화물염인 aaim Cl(13-diallylimidazolium chloride)

를 개발하 다 aaim Cl은 융 이 21 부근이지만 한번

용융하면 과냉각 상태에서도 안정하여 실온에서 사용

가능하다 단지 도가 높은 것이 난 이다

단백질의 기화학반응용 해질용액

- 단백질의 기화학 인 성질로서 단백질을 이온액체에

용해시키는 것은 통상의 고분자를 용해시키는 것과는

차원이 다데 단백질의 기능은 펩사이드쇄의 3차 구조

에 크게 의존하기 때문에 3차구조가변하면 변성에 의

해서 목 달성이 되지 않는다 따라서 무리한 용해작

업은 변성을 래한다

제3장 국내외 기술개발 동향 37

- 이에 하여 PEO(polyethylene oxide)의 에테르산소가

이온과 강하게 상호작용하고 있다 이는 가용성을 의

미하며 PEO가 단백질과 이온액체를 용해하여 단백질

의 안정성을 향상시킨다 종래 바이오디바이스의 작성

이 곤란했든 것은 수 에서 단백질의 불안정성에 기인

하 는데 사용 온도에 따라 이온액체 의 단백질의

기화학이 새로운 가능성의 개척을 시사한다(50)

5 국내동향

이온액체의 매반응분야(51)

- 한국과학기술연구원 송충의 박사는 이온성 액체를 키

랄 화합물 제조를 한 매반응에 도입하여 고가인

매와 용매의 반복 사용을 가능하게 함에 따라 결

국 매와 용매의 소비를 최소화시킬 수 있는 소 청

정 비 칭 매반응을 개발하 다

- 즉 Jacobsons chiral (salen)MnIII

매 존재 하에서

22-dimethylchro-mene의 비 칭 에폭시화 반응시

[bmim]PF6와 CH2Cl2 (14 vv) 혼합물 용매를 사용

함으로써 96-94의 학순도로 chromene oxides를

합성하는데 성공하 다 이온성 액체를 첨단유기합성

기술인 학활성화합물 제조기술개발에 용함으로써

용매와 매의 소비를 최소화하는 반응과정을 개발하

고 있다

- 이와 같은 기술은 화학 산업에서의 공해 요인을 감소

38 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

시킬 것이며 특히 노벨화학상 수상분야인 비 칭

매반응 분야의 최 문제 으로 지 되었던 키랄 매

의 분리 재회수가 가능하게 되었다는 에서 기술

으로도 우수한 성과라 할 수 있다

- 한 이온성 액체 내에서 일부 매반응이 가속화될

수도 있고 선택성 매의 안정성 역시 향상될 수

있음을 밝혔으며 더욱 놀라운 결과로는 기존의 유기

용매 내에서는 진행되지 않던 일부 반응이 이온

성 액체 내에서는 정량 으로 진행될 수 있다는 것이

- 한 많은 요한 유기반응에서 이온성 액체가 용매로

서뿐 아니라 자신이 재사용 가능 한 매로도 작용할

수 있음을 밝힌 바 있다 이러한 일련의 결과들은 이

온성 액체가 21세기에 매분야뿐 아니라 체 유기화

학분야의 새로운 장을 열고 있다는 에서 요한 의

미를 지닌다고 할 수 있다

합성 응용분야(52)

- 한국과학기술연구원 김훈식 박사 연구 은 KSeO2

(OCH3)를1-alkyl-3-methylimidazolium chloride와 반

응시켜 새로운 이미다졸륨 알킬셀 나이트 ([Rmim]

[SeO2(OCH3)]) 화합물을 합성하 다

- 아민화합물의 산화성 카르보닐화 반응을 통한 치환된

우 아 제조 반응에서 기존의 KSeO2(OCH3)을 매로

사용하 을 경우에 비해 이 화합물은 보다 온화한 반

응조건을 제공할 뿐 아니라 이소시아네이트의 구체

인 치환된 우 아와 카바메이트를 고수율로 합성할 수

제3장 국내외 기술개발 동향 39

있었다

- 재 이온성 액체를 이용한 분리 유기 속화합물을

함유한 고활성 매로서의 이온성 액체의 합성 응

용에 한 연구를 수행하고 있다

- 포항공과 학교의 김만주 교수 연구 은 Lipase를

[PPMIM]PF6 (PPMIM = 1-(3-phenylpropyl)-3-

methylimidazolium)와 혼합시켜Ionic liquid-Coated

Enzyme (ILCE)을 합성하 다 이 새로운 타입의

immobilized biocatalyst는 2차 알코올의 transest-

erification 반응을 통한 acetylated 화합물합성에 높은

활성과 재사용성을 보여 주었으며 이러한 연구결과를

다양한 생화학분야에 용하기 한 연구를 수행하고

있다

- 인하 학교의 지 윤 교수연구 은 alkyl mesylate로부

터 fluoro-alkane을 합성하는 반응에서 이온성 액체를

용매로 사용함으로써 기존방법에 비해 부반응이 거의

없고 생산성이 히 증가된 결과를 얻었으며 이러한

결과를 실용화시키기 한 연구를 지속하고 있다

- 신약개발 바이오벤처 기업 씨트리(C-TRI)는 이온성

액체를 이용한 학활성 화합물제조 기술개발회사로

서 지난 상반기에 31억원의 매출을 올렸으며 최근 이

온성 액체를 이용한 신약개발과 정 화학사업에 필요

한 연구 인력을 거 보강하여 이온성 액체 련사업

을 추진하고 있다

41

제4장

결론 및 제언

향후의 방향

- 이온성 액체에 한 앞으로의 망은 이온성 액체를

주 테마로 하는 국제회의가 증가하고 있다 미국화학

회는 작년 9월 New York에서 이온성 액체에 한 세

션이 개최되어 열띤 토론이 진행 되었다

- 2004년 3~4월에 Anaheim에서 개최된 세션은 ldquo이온성

액체와 고분자rdquo 다 유럽과 미국에서는 이온성 액체

를 반응용매로 보는 것이 주류를 이루고 있었다

- 2004년 10월 Hawaii에서 기화학의 미일합동 회가

열린다 주제는 이온성 액체(용융염)에 한 연구이었

- 앞으로도 이온성 액체에 한 연구는 증가할 것이고

여러 가지 배경을 갖고 있는 연구자들이 서로 다른 목

표를 가지고 연구에 노력할 것이라 생각된다

국내사정

- 우리나라의 황을 보면 재석유화학 의학 산업에

서만 약7억불에 달하는 유기용매가 사용되고 있으며

이들을 모두 체할 수 있다면 최 7억불시장을 형성

할 수 있으므로 이온성 액체의 시장잠재력은 매우 크

42 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

다 하겠다

- 이온성 액체는 휘발성유기화합물을 체할 수 있을 뿐

만 아니라 고가의 귀 속 매를 이온성 액체 층에 고

정화 시킬수 있어 매의 회수 재사용을 용이하게

하며 매의 활성도 안정도 선택도까지도 획기

으로 증가시킬 수 있으므로 환경 측면은 물론 경제

인 에서도 바람직한 청정용매라 할 수 있다

- 상기한바 와같이 이온성 액체의 잠재 인 응용가능성

은 앞으로 무한할 것으로 사료되므로 국내에서도 이에

한 연구자들의 심과 더불어 정부 기업체에 의

한 연구지원이 지속 으로 이루어져야 할 것이다

후의 과제

- 통상의 용매로 이온성 액체를 이용하는 경우에는 내구

성 제조가격 등의 인자가 요하지만 목 이 한정된

이온성 액체의 이용에 있어서는 목 하는 기능을 요

시할 필요가 있다

- 많은 이온성 액체가 합성되고 있으나 원하는 높은 물

성을 갖는 이온성 액체를 설계하는 데 기본이 되는 이

론이 아직은 없는 편이다 이를 해서는 특히 이온성

액체의 구조-물성의 상 계가 밝 져야 하는데 많

은 연구가 진행되고 있음에도 불구하고 그 계가 밝

지지 않고 있다 따라서 상태로서는 원하는 이온

성 액체를 직 만들어서 평가하는 방법밖에 없는 게

실이다

- 그러나 도화와 열안정성 등과 같이 상반 계에 있

는 특성은 하나의 라미터를 변화시키는 것에 의해

제4장 결론 및 제언 43

한 쪽의 특성은 양호하게 되지만 다른 한 쪽의 특성이

악화되는 것을 피할 수 없는 성질로서 아직 양쪽을 동

시에 만족하는 이온성 액체는 실 하지 못하고 있다

- 향후 이온성 액체는 청정용매의 개발과 더불어 새로

운 청정 공정기술의 개발을 통하여 신소재 신물질 생

산 공정을 환경친화 이면서 경제성 있는 공정개발에

기여할 것으로 기 된다

- 특히 비닐기 같은 합성 기능기를 이온성 액체의 단

구조로 도입하여 단독 합이나 공 합을 통해 고분

자화한 이온성 액체를 만들 수 있어 이를 잘 활용하여

이온 지라든가 연료 지 등의 해액으로 응용의 길

이 열린다면 학문 으로나 공업 으로 큰 의의가 있으

리라 생각되며 이 분야의 연구가 활성화되길 기 한

45

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저자소개

손 목

공학박사

한국에 지기술연구소 원장

한국과학기술정보연구원 문연구 원

서 수소 연료 지 개스 센서기술 등

강 종 석

공학박사

한국과학기술정보연구원 선임연구원

서 BT분야 국가연구개발 심층분석

리튬이차 지 등

BB088 손 목강종석

이온성 액체의 반응성 및 전기화학적

특성 연구동향

2005년 12월 19일 인쇄

2005년 12월 23일 발행

발행처

서울특별시 동 문구 청량리동 206-9

ꂕ 130-742

화 3299-6114

등록 1991년 2월 12일 제5-258호

발행인

조 화

인쇄처

신기획

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SUO 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 ITA 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NOR 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 SVE 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 CHS ltFEFF4f7f75288fd94e9b8bbe7f6e521b5efa76840020005000440046002065876863ff0c5c065305542b66f49ad8768456fe50cf52068fa87387ff0c4ee575284e8e9ad88d2891cf76845370524d6253537030028be5002000500044004600206587686353ef4ee54f7f752800200020004100630072006f00620061007400204e0e002000520065006100640065007200200035002e00300020548c66f49ad87248672c62535f0030028fd94e9b8bbe7f6e89816c425d4c51655b574f533002gt CHT ltFEFF4f7f752890194e9b8a2d5b9a5efa7acb76840020005000440046002065874ef65305542b8f039ad876845f7150cf89e367905ea6ff0c9069752865bc9ad854c18cea76845370524d521753703002005000440046002065874ef653ef4ee54f7f75280020004100630072006f0062006100740020548c002000520065006100640065007200200035002e0030002053ca66f465b07248672c4f86958b555f300290194e9b8a2d5b9a89816c425d4c51655b57578b3002gt gtgtgtgt setdistillerparamsltlt HWResolution [2400 2400] PageSize [612000 792000]gtgt setpagedevice

Page 9: 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향gift.kisti.re.kr/data/IAC/files/KISTI-200512-SYM-ion_fluid.pdf · ※ 이온성 액체는 사용되는 음이온의

제2장 기술의 개요 5

다 증기압이거의 제로(zero)이며 보통 용매가 증발하

는 고온(400정도)에서도 안 하게 존재하는 것이 많

다 화학 으로 안 하며 불휘발성이기 때문에 유기물

인데도 불구하고 불연성이다(3)

- 이온만으로 구성된 고 도 액체는 하게 극성이 크

다고 생각하고 있으나 실제 이온성 액체는 알코올 정

도의 극성을 갖고 있으며 비 이 15 이상으로 큰데

비해 낮은 성을 갖고 있어 일반 인 극성용매와 같

이 취 된다

- 고 도의 이온의 운동성이 높아 양호한 이온 도성을

갖는다 기화학 으로 안정한 것도 보통의 분자성

용매에는 없는 특징이다

- 이온성 액체의 구성이온이 유기물이라는 으로 보아

여러 가지 유도체를 얻을 수 있는 것도 특징이다 비

록 여러 종류의 이온을 당하게 조합하여도 액상으로

될 가능성이 기는 하지만 한 설계에 의해 액상

염의 기능설계 가능성이 있다

lt그림 2-2gt 이온성 액체의 특징과 표 인 구성 이온 종류

고이온전도성

불연성

우수한

분자디자인성

열middot화학적안정성

고극성

불휘발성

여러화합물과의상용성

이온성액체

고이온전도성

불연성

우수한

분자디자인성

열middot화학적안정성

고극성

불휘발성

여러화합물과의상용성

이온성액체

6 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

음이온에 의한 특성

이온성 액체는 사용되는 음이온의 종류에 따라 그 특성이

히 달라진다 가장 많이 사용되는 음이온은 PF6-로

imidazolium 양이온과 결합하면 소수성 이온성 액체

[bmim]PF6-를 형성한다

- BF4- 한 일반 으로 많이 사용되는 음이온이다

PF6-와 거의 비슷한 특성을 갖고 있으나 imidazolium

과 이온성 액체를 형성하면 물에 잘 녹는 이온성 액

체[bmim]BF4-를 형성한다

- 즉 거의 비슷한 크기나 구조를 하고 있는 음이온을 사

용하더라도 얻어지는 이온성 액체의 특성은 히

달라지는 경우가 많다(4)

비록 여러 면에 있어서 응용이 개발되고는 있으나 PF6-

BF4-를 음이온으로 사용한 경우 물의 존재 하에서 열을

받으면 HF를 발생시키면서 분해가 일어난다 이 문제를

해결하기 해 여러 회사들에서는 다른 종류의 음이온을

선정하여 이온성 액체를 개발하고 있다

- 불소계이기는 하지만 F가 탄소에 붙어있는 음이온을

사용하면 C-F결합은 비활성이므로 열에 안정하여 HF

를 방출하지 않는다 CF3SO3- (CF3SO3)2N

-가 그 이

다(5)

배 성향

- 이온성 액체의 존재 하에서 속 매를 사용하는 공

제2장 기술의 개요 7

정의 경우에는 음이온이 반응에 있어 배 할 성향이

낮은 PF6-가 아직까지는 가장 한 것으로 본다

(CF3SO3)2N- 같은 경우도 같이 불소를 포함하는 음이

온은 고가이다(6)

- 가격과 안정성을 고려해서 Solvent Innovation과

Sachem(주)는 불소를포함하지 않은 새로운 이온성

액체를 시도한다(7)

- 가능성이 있는 것은 가격 경쟁력이 있으면서 그 크기

가 큰 bulk chemical을 음이온으로서 독성이 없으면서

생분해가 가능한 alkyl sulfate계 음이온이 상이다

ECOENG 500(Peg-5 cocomonium methoxulfate)가 그

한 인데 무독성임을 입증한 첫 번째 비 불소계 음

이온이다

lt그림 2-3gt n-octyl sulfate( ) docusate(아래)

- Sachem(주)는 docusate계 (dioctylsulfosuccinate) 음이

온을 사용하는데 이는 동물계에 매우 낮은 독성을 갖

고 있고 식품 제약 화장품등에 이미 사용되는 물

8 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

질이다

- 다른 이온성 액체와는 달리 docusate는 친유성이며

hydrocarbon과잘 섞이는 특성을 갖는다

융 련 성질

- Rogers 등에 의해 최근에 밝 진 이온성 액체의 특성

은 Cl과 같은 할로겐 음이온은 셀룰로스나 다른

oligosaccharide와 같은 생화학 물질들이 이온성 액체

에 녹는 것을 진시킨다는 것이다(8)

- 이온성 액체가 녹아있는 매질들과 특정의 상호 작용이

있는 성질을 이용하여 양이온 음이온 각각에 특정

의 기능기를 도입하는 새로운 연구가 진행되고 있다

이온성 액체에 부가되는 기능기는 이온성 액체의 반응

패턴을 증가시키거나 특정 물질과의 상호 작용을 증

가시키는 등 다양한 특성을 부여할 수 있다

- 150 이하에서 녹는 이온성 액체는 재 100개 이상

의 종류가 매된다(9) 디자인된 양이온과 다른 음이온

과의 조합은 다양한 범 의 녹는 을 가진 새로운 이

온성 액체를 얻을 수 있는데 이를 incognito 이온성

액체라고 한다

- incognito 이온성 액체로 18-diazabicyclo[540] undec-

7-enehydro tribromide (DBU-HBr mp 119-122)는 높

은 수율의 aromatic bromination을 얻는 좋은 반응물이

다(10)

상업 으로 쉽게 얻을 수 있는 융 을 갖는 아미노산 유

도체인생체 물질들도 이온성 액체의 개발에 사용될 수 있다

제2장 기술의 개요 9

- L-alanine ethyl ester hydrochloride (mp 78)

L-serine methylester hydrochloride (106)들이 이

다(11) 정의한 이온성 액체와는 좀 다른 특성이기는

하지만 융 을 갖는 염으로는 같은 의미로 볼 수

있다

lt그림 2-4gt 상품화된 다양한 이온성 액체

3 이온성 액체의 합성방법

헤테로 고리화합물을 활용한 합성제법이 가장 많이 알려

져 있다

- 지 까지 많은 이온성 액체가 설계되고 있으나 부분

은 이미다졸륨 등의 헤테로 방향환을 기본으로 하는

양이온으로 구성되어 있다 짝음이온의 종류에 따라

다른 성질을 보이기는 하지만 헤테로환 양이온 특히

10 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

이미다죨륨 양이온으로 구성된 염은 낮은 융 을 나타

낸다

lt그림 2-5gt 이온성 액체의 합성법

- 이온성 액체는 할로겐화 알킬을 아민의 제4 화 반응

에 의해 염을 얻고 이것을 한 음이온으로 교환하

여 얻는다 이 방법은 음이온교환반응에서 생기는 부

산물을 완 히 제거하기 어려워서 원하는 염을 높은

순도 높은 수율로 얻기는 쉽지 않고 사용하는 음이온

종류도 한정된다(12)

- 3 아민과 로톤산의 화반응으로 이온성 액체를

합성하는 방법이 새로 개발되었는데 이 방법은 부산

물의 혼입에 의한 순도의 하도 억제할 수 있으며 합

성이 가능한 이온성 액체의 종류도 풍부하다

- 이온성 액체의 모델 설계 혹은 구성하는 이온 구조

최 화를 의도한 스크리닝(screening)을 활용하여 많

은 종류의 이온성 액체가 합성되고 있으나 원하는 우

수한 물성을 갖는 이온성 액체의 설계지침은 아직까지

불완 하다 구조-물성의 상 계를 찾고자 많은 연

구가 진행되고 있으나 아직까지 일반 인 계를 찾

제2장 기술의 개요 11

지 못하고 있는 실정이다 즉 신규 이온성 액체를 찾

아낼 가능성이 아직 많다고 하겠다(13)

4 이온성 액체의 응용분야

이온성 액체의 특이한 성질을 이용하여 여러 응용이 제

안되고 있다 크게 환경부하가 은 그린(green) 용매로

서의 응용과 새로운 이온 도성 재료로서 응용으로 2분

야로 크게 나 수 있다 그린 용매로서의 연구는 주로

유럽과 미국에서 이온 도성 재료의 연구는 상 으

로 일본에서 연구가 많이 진행되고 있다

그린 용매(기능성 용매)

- 화학공정의 반응계에서 사용되는 용매 특히 유기용매

가 기나 하천 등으로 확산되는 것은 환경문제이다

더욱이 유기용매의 인화성이나 폭발성 작업종사자의

피독 등 안 에 한 문제가 요하다

- 이온성 액체를 그린 용매로서 응용하는 것은 일반 인

휘발성 용매를 체하는 반응용매(반응장)로서 응용으

로 에서 설명한 문제 을 한꺼번에 해결할 수 있는

가능성이 있다

- 이온성 액체를 용매로 사용할 수 있는 반응 로서 유

기합성 반응계 분리 추출 등 여러 분야가 있으며 생

체유래분자의 반응에도 검토되고 있다

- 최근에 이 분야의 연구의 방향은 이온성 액체의 분자

12 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

설계 장 을 이용하여 기능을 갖는 구조를 도입할 수

있다 실제 매활성이나 귀 속 회수 등의 기능

부여가 연구되고 있다 Davis등이 제창하는 Task-

Specific Ionic Liquid(14)라 불리는 차세 이온성 액체

가 그 좋은 이다

이온 도체

- 이온성 액체는 불휘발 불연성 특성이 있어 기존에

해액으로 사용되어온 유기용매가 갖고 있는 휘발성

인화성이라는 문제를 해결 할수 있다 따라서 이온

도성 재료로서의 연구는 리튬이온 지 연료 지 색소

증감 태양 지 작동장치(actuator) 커패시터(capacitor)

등의 이온성 소자용 해액 응용을 들 수 있다(3)

- 실제로 이온성 액체를 해액으로 사용하기 해서는

재 개발 된이온성 액체의 모든 물성을 개선하는데

범 한 분자설계로부터 물성과 구조의 계를 연구

하고 이를 통해 이온 특성을 최 화할 필요가 있다

- 보다 실제 인 응용을 해 이온성 액체 그 자체를

해액으로 사용하기보다는 고분자화에 의해 고체 해

질로서 하는 쪽이 더 좋은 경우가 있다 고분자화 된

이온성 액체의 특성은 이온성 소자의 소형경량화나 박

막화 안 성의 향상도 기 된다

- 재까지 얻어진 고분자 구조를 보면 고분자의 가지사

슬에 양이온음이온의 양쪽을 고정시킨 공 합 고분자

형 극성 이온형 등은 목 하는 이온만의 이동이

요구되는 응용에 당하다(15)

제2장 기술의 개요 13

다른 분야 응용

- 다른 분야의 응용 실례로는 자 도성 액체 윤활유

임계유체와의 혼합계 표면 개질제 등이 있다 휘발

하지 않는 액체 실온에서 액체상 염이라는 특징을 살

려 앞으로 다른 분야의 연구자와 교류를 통하여 이온

성 액체의 새로운 가능성을 열어갈 수 있다

15

제3장

국내외 연구개발 동향

1 연구의 방향

이온성 액체의 연구는 술한바 반응용매로의 이용과

해질 용액으로서의 이용으로 크게 분류된다

- Grignard 시약을 사용하는 반응 이외에는 부분이 이

온성 액체 에서 반응하는 것이 가능한 것으로 일반

의 유기합성 반응에서부터 고분자 합성까지 다양한 반

응이 검토되고 있다

- 소수성이 강한 불소함유 이온성 액체는 액액(液液)

의 2층으로 분리가 되어 물층의 에 무거운(비 15

정도) 이온성 액체층이 생성되는데 이를 이용하여 공

장 배수로부터 유기물을 추출하는 등 배수처리에 응용

할 수 있으며 반응물의 회수도 가능하다

해질 용액으로의 이용은 이온성 액체가 높은 이온

도성을 가진 것과 폭넓은 온도 역에서 액상을 유지하

면서 불연성인 것 창(電位窓)도 넓고 기화학 으

로 안정한 것 등의 특징을 가지고 있어 각종 기화학

디바이스에의 이용이 검토된다

- 이온성 액체가 해질 용액으로서 이용될 때 특히 특

16 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

정 이온의 이동(移動)이 기능발휘에 요한 역할을 하

는 경우에는 다음과 같은 두 가지의 을 고려해야

한다

용매로서 사용하는 이온성 액체를 구성하는 이온이

구배(potential gradient) 하에서 이동하도록 제어하

여 목 이온만을 도시킬 필요가 있다

목 이온을 성분으로 하는 이온성 액체가 거의 알려

져 있지 않기 때문에 목 이온을 함유한 염을 용해시

켜서 이용하는 것이지만 첨가한 염은 이온성 액체에

한 용해도가 일반 으로 높지 않다 용해성을 개선

하기 해서는 이온성 액체의 성분과 같은 이온을

응 이온으로 하는 염을 이용해야 한다

- 이온성 액체는 높은 이온 도성과 용질의 가용성(可

溶性) 등을 이용하여 해합성(電解合成)이나 해

합에도 응용되고 있다

2 반응장으로서 이온성 액체의 활용

농약 간체로서 요한 학활성체와 고분자 물질 생산

에 있어 용매 역할로 이온성 액체를 사용하여 그 가능성

특성에 하여 소개한다

제3장 국내외 기술개발 동향 17

학활성인 불소계 물질의 제조

불소계 물질은 의농약의 합성 간체로서 요하나 비

칭 불소화 반응에는 가 다

lt그림 3-1gt 비 칭 불소화 반응

- 이온성 액체 에서는 온에서도 사용 가능한 헥실=

메틸=이미다졸리움헥사후루오로포스페이트

[hmim][PF6]을 사용하여 구핵반응에 의해 비 칭 불

소화 반응이 일어나 높은 학순도의 불소화체를 합성

하고 있다(16)

- 이 반응의 과제는 학순도의 향상과 용 가능한 물

질을 넓히는 일이다 학활성 에폭시알코올의 불소화

로 학활성 불소화에폭시 화합물을 합성하는 것이 가

능하다고 알려져 있다(17)

18 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-2gt 학활성인 불소화 에폭시

비 칭 알돌(aldol) 반응

- 효소 알돌라아제(aldolase)에 의한 비 칭 합성을 모방

한 화학 매에의한 탄소-탄소 결합 형성 반응은 합성

화학의 요한 과제 이다(18) 용제로서 「재사용 가능

한」 이온성 액체를 이용하고 매로서 L- 로린

(proline)을 사용한 반응장에 한 몇 가지 보고가 나

와 있다(19)

lt그림 3-3gt L-proline을 매로 하는 알돌형 반응

제3장 국내외 기술개발 동향 19

- 아세톤과 L- 로린으로 형성된 에나민(enamine)을 반

응 기질(基質)로 하여 방향족 알데히드류와 알돌형 반

응에서도 지방족 알데히드 사이에서의 크로스 알돌형

반응에서도 꽤 높은 학순도의 생성물이 얻어지고 있

다(20)

- 기질로서 에틸=메틸= 톤을 사용할 때에도 높은

학순도로 입체제어를 행할 수 있고 반복 반응장으로

서 사용해도 재 성 좋게 생성물이 얻어지는 것을 확

인하 다

- 클로로아세톤으로부터 생성한 할로히드린을 간체로

서 학활성의에폭시 화합물로 변환할 수 있는 것도

알려져 있으나 학순도는70~80 정도이고 물질 제

조로서는 만족할 만한 학순도는 아니다(21)

- 기질인 알데히드류와 로린으로부터 형성된 반응

간체는 Michael addition(마이클 부가반응)을 용이하게

진행시킬 수 있다 이 반응에서는 수용체(受容體)의

LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital) 에

지가 하하고 구핵제(求核劑)의 공격을 받기 쉽게 되

는 것이 필요하여 불소계 물질이 합하다

- 로린 이외의 유기분자에서는 디에틸아미노트리메틸

실란을 매로서 이용한 불소계 물질의 선택 인 올

핀류 합성이 발표 되었다이 반응계에서는 알데히드류

와 매로부터 생성한 반응 간체가 불소계 헤미아세

탈류로 되고 간체로부터 입체 선택 으로 편일방(片

一方)의 올 핀류를 생성하고 있다(22)

20 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

학활성인 이온성 액체

- 학활성인 이온성 액체는 학활성인 아민계 물질을

출발원료로 해서 합성되고 있는 경우로 니코틴을 출발

물질로 학활성인 이온성 액체를 만들 수 있다(23) 할

로겐 교환법을 사용하는 합성법의 첫 단계에서 얻어지

는 니코틴의 롬염은 고체이지만 LiNTf2로 음이온

교환을 하면 도가 높은 이온성 액체가 얻어진다

lt그림 3-4gt 수종의 학활성인 이온성 액체

합성된 이온성 액체 [Et(S)-nicotine]NTf2를 Diels-

Alder 반응의 반응 용매로서 사용한 결과 기 한 바와

같이 양호한 수율로 생성물이 얻어 졌지만 3 아미노

기가 염기성 매로서 작용을 하여 비 칭 반응장으로

서의 기능은 나타나지 않았다

제3장 국내외 기술개발 동향 21

lt그림 3-5gt 학활성 이온성 액체의 염기성 매로서의 기능발

를 들면 디엔 체의 3-히드록시 -2피론을 사용하여

Diels-Alder 반응을 하면 루이스산이 기질에 결합하여

기질의 HOMO(the highest occupied molecular orbital)

에 지 가 하되고 반응이 진행하지 않는 것이

확인되었다

dienophile(2 결합을 한개 가진 화합물)로서 아크

릴산메틸을 사용하면 높은 수율로 endoexo = 31의

목 하는 화합물을 얻을 수 있으나 이 반응을 보통

이온성 액체[emim][NTf2] 에서 행하면 진행하지 않

는다(24)

에폭시화 반응

- 합성 간체로서 주목되는 에폭시 화합물도 이온성 액

체 에서 합성되고 있다 효소의 산화반응을 이용하

여 과산화수소를 사용해서 계 에서 과 산을 생성시

켜 효소반응과 화학반응을 연속 으로 조합시켜 에폭

22 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

시 반응이 일어나고 이온성 액체를 반응장으로 사용

한 시스템이다(25)

lt그림 3-6gt 효소반응을 활용한 에폭시화 반응

- 기질류(基質類)에서의 비 칭 에폭시화 반응에서 얻어

진에폭시 화합물의 학순도는 높기 때문에 실용 인

합성방법이며 이 시스템에서는 이온성 액체를 5회 반

복 사용하여도 수율이나 학순도의 변화가 없음이 보

고 되고 있다(26)

lt그림 3-7gt 비 칭 에폭시화 반응

제3장 국내외 기술개발 동향 23

비 칭시아노화 반응 비 칭 사이클로 로 화 반응

- 알데히드류의 비 칭시아노화 반응에서도 비 칭 매

를 활용함으로서 학순도가 98정도로 원하는 생성

물이 얻어지고 있으며 이온성 액체의 반응장으로서 유

용성을 보여주고 있다(27)

lt그림 3-8gt 비 칭 시아노화 반응

- 디아조화합물을 사용하는 사이클로 로 화 반응에서

생성하는 시스체와 트란스체의 기하이성체 비는 높지

않으나 각각 학순도는 상당히 높은 것이 얻어진

다(28)

lt그림 3-9gt 비 칭 사이클로 로 화 반응

24 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

이온성 액체 에서의 고분자 합성

- 이온성 액체 에서 합반응을 행하면 MwMn비가

작게 되는 것으로 보고 되었다 이온성 액체를 이용하

여 합개시제로서 과산화벤조일이나 아조비스이소부

틸로니트릴을 사용한 스티 메틸메타크릴 이트의

호모(homo) 합에서 생성물은 이온성 액체로부터 여

과하는 것만으로 분리가 가능하고 회수한 이온성 액체

를 합용 용매로서 재이용이 가능하고 생성된 고분자

체의 분자량도 증가한다

lt그림 3-10gt 이온성 액체[bmim][PF6] 의 스티 의 합반응

중합용매

개시제 중합용매 수율() 분자량

중합용매

개시제 중합용매 수율() 분자량

- 벤젠 에서와 비교하여 이온성 액체 에서 합도

(重合度) 더욱이 생성물의 수율이 향상하는 것은 이

온성 액체의 도가 벤젠에 비하여 높아 연쇄 이동을

일으키기가 어렵고 생성한 폴리머 라디칼이 용매계로

부터 계외(系外)로 배출되기 쉽기 때문이라 생각된다

- 더욱이 이온성 액체 에서 AIBN(22-Azobis (isobuthy-

제3장 국내외 기술개발 동향 25

ronitril)) 내지는 BPO(benzoylperoxide)를 합개시제

로 한 스티 과 메틸메타크릴 이트의 라디칼 공 합

에 하여도 검토되고 있다

- 공 합 반응은 스티 의 첨가 몰비를 MMA에 비해

증 시켜도 코폴리머 분자량 모노머의 변화율이

하하는 경향이 있다 이 결과는 벤젠을 용매로 한 공

합계와 반 의 경향이고 이온성 액체의 극성이 높아

스티 에 비하여 극성 용매 에서 MMA의 합성이

높아지기 때문이라고 생각된다(29)

lt그림 3-11gt 이온성액체[bmim][PF6] 의 공 합 반응

3 촉매반응에서의 이온성 용액

매반응에서 이온성 용액은 자체 매성 보조 매 매활

성자 매 심의 새로운 리간드의 원 반응을 한 용매

등으로써 용된다(30)

26 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

유기 매로서의 이온성 용액

- 이온성 용액을 매반응에 사용하는 가장 좋은 방법은

용매와 매를 조합해서 사용하는 것이다 용매를 바

꿀 때마다 반응이 빨라지면 새로운 용매는 매 역할

을 한 것으로 본다

lt그림 3-12gt methyl acrylate와 [C4C1im]+ 양이온 사이의 수소결합

- 염화알루미늄염(III)(AlCl3) 이온성 용액에서 자치

환 산성 이온성 용액에서 아 (arenes)의 좋은 용해

성과 결합한 산성의 염화알루미늄염 이온성 용액의

높은 농도 [Al2Cl7]-는 친 자성 방향족 치환을 한

이상 인 용매로 만들 수 있다 산성인 [C2C1im]

Cl-AlCl3에서 1-염화 로 과의 벤젠 알킬반응에서 알

킬 고분자화가 측되었다 이이온성 용액시스템은 높

은 활동성과 선택성을 보 다(31)

- 유기용매로서 이온성 용액 이온성 용액은 지난 수년

간 유기 매 반응에 새로운 흥미를 갖기 시작하 으며

이 분야에 향을 수 있는 가능성을 가지고 있다

유기 매 반응에 한 근방법은 흔히 디엘-알더

(Diels-Alder) 환형추가 그 유도체인 수소결합의

상호작용 반응을 통해서이다(32)

제3장 국내외 기술개발 동향 27

보조 매로의 이온성 용액은 올 핀의 이합체화 (Olefin

dimerization)에서 니 매로 산성염화알루미늄염의 이

온성 용액이 로펜을 헥센에 이합체화를 한 반응에서

용매와 보조 매의 조합으로 사용한 첫 번째 경우이

다(33)

리간드 원으로서의 이온성 용액

- 수소화와 수소포르 화 반응 수소화 반응 수소포

르 화 반응을 해 용매로서 [Et4N][SnCl3]의 PtCl2용

액은 속에 매의 확실한 분해도 없이 올 핀의 수

소화에 효과 으로 매반응을 일으켰다 공기와의

을 피하도록 하는 가운데 활성화의 손실이 없이

매용액을 계속 으로 사용함으로써 반응이 이루어진

다(34)

- 팔라듐 NHC착물의 형성 이온성 용액은 팔라둠 매

반응의 넓은범 의 용매로 사용되어 왔다 이 연구과

정에서 재미있는 화학 상은 HHC착물과 나노 입

자의 형성이었다 이는 아직 논쟁의 상이 되고 있다

NHC착물은 이미다졸리움 이온성 용액에서 형성되며

기 하지 않는 반응성 는 선택성이 감지될 때 이를

항상 고려해야한다(35)

28 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-13gt NHC 매의 lactide 합에서의 ring opening

- 이온성 용액에서 나노입자의 형성 최근에 매로서

나노입자의 사용이 증가되는 심분야이다 1996년

Kaufmann이 이온성 용액에서처음으로 팔라듐의 매

반응을 보고하 다 일련의 아릴 롬이[C16PbBu3]Br

는 [Bu4N]Br에서 노말-알킬 이트와 결합하여 수율

90이상의 trans-시안염을 생성하는 반응이었다(36)

반응 용매로서의 이온성 용액

- 알 수소화 반응 [SbF6]- 와 [PF4]-의 두 이온성

용액에서 수소화 반응의 속도는 알 용액에서보다 훨

씬 높았다 왜 이 이온성 용액이 개선되었는지에 해

서는 아직 연구된 바가 없다 실제 매의 실체조차확

인이 안 되었다 반응용액으로부터 생성된 알 은 분

리가 쉬웠고 매를 함유한 용액은 순환되었다(37)

lt그림 3-14gt [C4C1im][PF6]의 수소포르 화 매의 두형태의 평형

제3장 국내외 기술개발 동향 29

- 산화 비록 재 사용되는 부분의 이온성 용액은 산

화에 안정 이고 산화과정에 이상 인 용매를 제공하

고 있지만 이것은 불과 지난몇 년 사이의 일이었다

Ni(acac)2는 [C4C1im][PF6]에서 해당되는 산의 라-

치환 benzaldehydes를 보통의 수율로 공기 에서 산

화반응의 매로 사용되어 왔다(38)

기화학 매용매로써의 이온성 용액

- 자화학을 이끄는 이온성 용액은 기화학 합성용

용매로서 가능성을 보이고 있다 최근에는 Ni이 알킬

벤질 아릴 할로겐화합물의 기 도성 동종결합

(electro conductive homo-coupling) 반응에 매로 보

고 된 바 있다 니 (II)착물은 니 (0)의 종에 하여

환원되고 방향성 할로겐화물에 첨가되어 할로겐 화합

물이 된다는 제안이 있었다(39)

이온성 용액의 고정화

- 반응시스템이 액체일 때 많은 장 이 있지만 때로는

그것을 고정화(immobilize) 시킬 필요가 있다 이온성

용액을 고정화 시키는데 심이 모아지고 있으며 첫

번째의 시도가 이온성 용액- 합체 겔을 만들기 하

여 고분자 vinylidenefluoride- hexachloropropylene의

공 합체를 사용한 것이다(40)

30 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

4 근대의 동향

할로겐 리이온액체

- 근년 이온성 액체에 한 연구가 많이 수행되고 있지

만 합성하고 있는 이온성 액체의 구조는 의외로 한정

되어 있으며 양이온은 테트라알킬암모늄(tetraalkyla-

mmonium) 피롤리디니움(pyrolidinium) 이미다졸리움

(imidazolium) 피리디니움(pyridinium) 등과 같이 비

교 다양성이 풍부한 반면에 음이온 종류는 BF4

PF6 CF3SO3 (CF3SO2)2N 등 할로겐 원소를 구조

에 함유한 것은 일반 으로 종류가 많지 않다(41)

- 할로겐을 포함하지 않는 음이온도 보고 되어 있는데

많은 양이온과 조합하여 액체화를 달성함이 쉽지 않고

한정된 양이온과 질산음이온이나 산 음이온 등을 결

합시킨 것이 보고 되어 있다(42)

- 최근 H Ohno(43)등은 할로겐 원소를 함유하지 않은

음이온으로 이온액체를 구축하기 하여 헤테로방향환

화합물을 착안하여 이미다졸이나 피라졸 등의 아졸

(azol)류 에서 산성을 띠는 124-triazolate 1234-

tetrazolate 등과 이미다졸리움 양이온을 조합시키는 것

에 의해 이온성 액체를 합성하 다

- 이 이온성 액체는 분자량과 비교해서 하의 비국재화

(非局在化)가 크다 한 할로겐 원소를 함유하지 않

고 C H N의 3종류원소만으로 구성되어 있다

제3장 국내외 기술개발 동향 31

lt그림 3-15gt 할로겐 리이온액체의 구조

쯔 츠 이온성 액체 (Zwitter ionic liquids)

- 한편 M Yoshizawa(44) 등은 이온 도재료로서 이온액

체를 사용하는 경우는 구배에 한 이온액체의 구

성이온종의 이동이 큰 문제로 된다

- 따라서 리튬 2차 지나 연료 지 등 목 이온종의 수

율과 계의 출력과의 계를 디바이스에 응용할 때는

이온 도재료로서 이온성 액체를 사용하는 것으로 양

이온과 음이온을 스페이서(spacer)로 결합하는 것에

의해 실온에서 액체상태인 성 이온 액체(zwitter

ionic liquid)를 제안하고 있다

- 양이온과 음이온을 스페이서로 결합하면 하는 체

로서 성이 되어 하이동이 없는 염으로 되는데 스

페이서가 짧아서 충분한 염해리가 힘드나 어느 정도의

자유도가 얻어지면 zwitterion으로 된다

32 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-16gt zwitter ionic liquids의 모식도

특정이온을 포함하는 이온액체

- 이온성 액체를 이온 도체로 사용하는 과제는 목 이

온의 도입이다 이는 리튬염 등 목 이온을 포함하는

염 등을 이온액체에 용해시켜 도입한다

- 그런데 염의 첨가는 계의 성의 증가 이온 도도의

하를 가져온다 한 이온액체와 상용하는 분자무

기염은 많지 않고 첨가염의 종류도 한정되어있는 것이

문제이다

- 이의 해결이 자의 zwitter ion이고 두 번째가 목 이

온을 실온에서 액체화가 가능하면 문제가 해결된다

이러한 방법으로 각종의 알칼리 속 이온성 액체

(alkali metal ionic liquid)를 개발하 다(45)

- lt그림 3-17gt은 알칼리 속이온성 액체는 2가의 응

음이온과 1가의 오니움(onium) 양이온 1가의 목 이

온으로 구성된다

lt그림 3-17gt 알칼리 속이온액체의 개념도

제3장 국내외 기술개발 동향 33

- 이온액체는 구성하는 이온 간의 정 기 상호작용은

없을수록 좋으므로 강한 상호작용을 일으키는 다가이

온의 사용은 물이다 당 리튬 양이온의 이온액체

가 목 이나 여러 가지의 알칼리 속이온도 액체로

되는데 이를 응용하면 로톤을 포함하는 이온액체도

얻어지게 된다

이온액체의 합

- 이온성 액체는 분자 디자인이 용이하기 때문에 고분자

구조를 도입하는 것도 가능하며 이온성 액체의 고분

자화로는 각종의 고분자와 혼합한 겔화가 알려져 있지

만 이온성 액체 에 합기를 직 도입하여 고분자

화 하는 것에 의해 이온 도성뿐 아니라 디바이스의

다운사이징(down-sizing)에 기여할 것으로 망하고

있다(41)

- lt그림 3-18gt은 고분자화 이온액체를 나타내는데 종래

의 polyethyl-eneoxide유도체에 의존하지 않는 새로운

이온 도재료로서 검토된다

- lt그림 3-18gt에서 양이온과 음이온의 한쪽이 고분자의

주쇄에 고정되어 있어서 도 이온종을 선택하는 이

유용하다 한 구성이온종의 양방이 고분자 주쇄에

고정된 구조는 이온 도성을 나타내지 않으나 목 이

온의 첨가로 선택 도가 일어난다(46)

34 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-18gt 이온액체폴리머의 변화

자기조직화 이온액체

- 이온액체는 등방성의 액체로서 3차원 인 이온을 운반

하는 것이 가능하다 이로서 차원제어를 행하고 특정

방향으로 이온을 수송하는 시도가 있다 이를 해 자

기 집합력을 이온액체에 부여할 필요가 있다

- 이온액체의 자기조직화에는 양친매성화합물(兩親媒性

化合物)의 성질을 이용한다 극성성분이 있는 이온액

체에 비극성기(탄화수소쇄 탄화불소쇄)를 도입한 양

친매성 이온액체는 벌크로 써모트로픽 액정성을 발

하여 극성 비극성기가 분자 벨에서 상분리된 구조

를 형성한다

- 이 액체 도메인 에는 이온성 액체자신은 용융되어

높은 운동성을 갖는 알킬기의 집합층에 고정된 상태일

것으로 생각된다 여기에 리튬염을 첨가하면 비극성염

을 갖지 않는 리튬이온의 우선 인 수송이 기 된

다(lt그림 3-19gt 참조)

제3장 국내외 기술개발 동향 35

lt그림 3-19gt 이온성 액체 도메인 의 목 이온수송의 모식도

새로운 용매

- Alabama 학의 Rogers 등은 셀룰로오스를 용해시키는

이온성 액체로서 bmim Cl(1-butyl-3-methylimidazolium

chloride)을 개발하 다(47)

lt그림 3-20gt bmimCl의 구조

- Bmin Cl은 실온에서는 고체로서 75에서 용해되지만

100 정도로 가열한 bmim Cl에 종이(셀룰로오스)를

침지하면 순식간에 용해된다 이 용액을 시린지

(syringe)에 의해 물 에서 용출(溶出)시키면 셀룰로

오스 화이버가 생성된다 풍부한 목재자원을 셀룰로스

로 추출하는 시도가 이루어지고 있다

36 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

- 한 핵산류를 용해시킨 이온액체를 개발하고 있는데

DNA나 RNA는 물에 쉽게 용해되지 않는데 이를 용

해시키는 이온액체가 얻어졌다 일정량의 핵산을 용해

시키는 온도는 사용하는 이온액체의 구조에 크게 의존

한다(48)

- 특히 분자내 는 분자간의 수소결합을 단하는 능

력이 요구되는데 여기에는 염소음이온의 효과가 큰 것

으로 알려져 있다 염소를 포함하는 염은 일반 으로

융 이 높고 실온에서 액상으로 존재하기가 어려운

이 있다

- 이는 음이온의 부 하가 비국재화하고 있지 않기 때문

에 정 인 상호작용이 강하게 작용하고 있는 결과이

다 이를 피하기 해 양이온구조를 개선하여 상온에

서 액체의 염화물 염을 합성한다(49)

- 이 방법으로 양이온 구조를 개선하여 실온에서 액체상

태 염화물염인 aaim Cl(13-diallylimidazolium chloride)

를 개발하 다 aaim Cl은 융 이 21 부근이지만 한번

용융하면 과냉각 상태에서도 안정하여 실온에서 사용

가능하다 단지 도가 높은 것이 난 이다

단백질의 기화학반응용 해질용액

- 단백질의 기화학 인 성질로서 단백질을 이온액체에

용해시키는 것은 통상의 고분자를 용해시키는 것과는

차원이 다데 단백질의 기능은 펩사이드쇄의 3차 구조

에 크게 의존하기 때문에 3차구조가변하면 변성에 의

해서 목 달성이 되지 않는다 따라서 무리한 용해작

업은 변성을 래한다

제3장 국내외 기술개발 동향 37

- 이에 하여 PEO(polyethylene oxide)의 에테르산소가

이온과 강하게 상호작용하고 있다 이는 가용성을 의

미하며 PEO가 단백질과 이온액체를 용해하여 단백질

의 안정성을 향상시킨다 종래 바이오디바이스의 작성

이 곤란했든 것은 수 에서 단백질의 불안정성에 기인

하 는데 사용 온도에 따라 이온액체 의 단백질의

기화학이 새로운 가능성의 개척을 시사한다(50)

5 국내동향

이온액체의 매반응분야(51)

- 한국과학기술연구원 송충의 박사는 이온성 액체를 키

랄 화합물 제조를 한 매반응에 도입하여 고가인

매와 용매의 반복 사용을 가능하게 함에 따라 결

국 매와 용매의 소비를 최소화시킬 수 있는 소 청

정 비 칭 매반응을 개발하 다

- 즉 Jacobsons chiral (salen)MnIII

매 존재 하에서

22-dimethylchro-mene의 비 칭 에폭시화 반응시

[bmim]PF6와 CH2Cl2 (14 vv) 혼합물 용매를 사용

함으로써 96-94의 학순도로 chromene oxides를

합성하는데 성공하 다 이온성 액체를 첨단유기합성

기술인 학활성화합물 제조기술개발에 용함으로써

용매와 매의 소비를 최소화하는 반응과정을 개발하

고 있다

- 이와 같은 기술은 화학 산업에서의 공해 요인을 감소

38 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

시킬 것이며 특히 노벨화학상 수상분야인 비 칭

매반응 분야의 최 문제 으로 지 되었던 키랄 매

의 분리 재회수가 가능하게 되었다는 에서 기술

으로도 우수한 성과라 할 수 있다

- 한 이온성 액체 내에서 일부 매반응이 가속화될

수도 있고 선택성 매의 안정성 역시 향상될 수

있음을 밝혔으며 더욱 놀라운 결과로는 기존의 유기

용매 내에서는 진행되지 않던 일부 반응이 이온

성 액체 내에서는 정량 으로 진행될 수 있다는 것이

- 한 많은 요한 유기반응에서 이온성 액체가 용매로

서뿐 아니라 자신이 재사용 가능 한 매로도 작용할

수 있음을 밝힌 바 있다 이러한 일련의 결과들은 이

온성 액체가 21세기에 매분야뿐 아니라 체 유기화

학분야의 새로운 장을 열고 있다는 에서 요한 의

미를 지닌다고 할 수 있다

합성 응용분야(52)

- 한국과학기술연구원 김훈식 박사 연구 은 KSeO2

(OCH3)를1-alkyl-3-methylimidazolium chloride와 반

응시켜 새로운 이미다졸륨 알킬셀 나이트 ([Rmim]

[SeO2(OCH3)]) 화합물을 합성하 다

- 아민화합물의 산화성 카르보닐화 반응을 통한 치환된

우 아 제조 반응에서 기존의 KSeO2(OCH3)을 매로

사용하 을 경우에 비해 이 화합물은 보다 온화한 반

응조건을 제공할 뿐 아니라 이소시아네이트의 구체

인 치환된 우 아와 카바메이트를 고수율로 합성할 수

제3장 국내외 기술개발 동향 39

있었다

- 재 이온성 액체를 이용한 분리 유기 속화합물을

함유한 고활성 매로서의 이온성 액체의 합성 응

용에 한 연구를 수행하고 있다

- 포항공과 학교의 김만주 교수 연구 은 Lipase를

[PPMIM]PF6 (PPMIM = 1-(3-phenylpropyl)-3-

methylimidazolium)와 혼합시켜Ionic liquid-Coated

Enzyme (ILCE)을 합성하 다 이 새로운 타입의

immobilized biocatalyst는 2차 알코올의 transest-

erification 반응을 통한 acetylated 화합물합성에 높은

활성과 재사용성을 보여 주었으며 이러한 연구결과를

다양한 생화학분야에 용하기 한 연구를 수행하고

있다

- 인하 학교의 지 윤 교수연구 은 alkyl mesylate로부

터 fluoro-alkane을 합성하는 반응에서 이온성 액체를

용매로 사용함으로써 기존방법에 비해 부반응이 거의

없고 생산성이 히 증가된 결과를 얻었으며 이러한

결과를 실용화시키기 한 연구를 지속하고 있다

- 신약개발 바이오벤처 기업 씨트리(C-TRI)는 이온성

액체를 이용한 학활성 화합물제조 기술개발회사로

서 지난 상반기에 31억원의 매출을 올렸으며 최근 이

온성 액체를 이용한 신약개발과 정 화학사업에 필요

한 연구 인력을 거 보강하여 이온성 액체 련사업

을 추진하고 있다

41

제4장

결론 및 제언

향후의 방향

- 이온성 액체에 한 앞으로의 망은 이온성 액체를

주 테마로 하는 국제회의가 증가하고 있다 미국화학

회는 작년 9월 New York에서 이온성 액체에 한 세

션이 개최되어 열띤 토론이 진행 되었다

- 2004년 3~4월에 Anaheim에서 개최된 세션은 ldquo이온성

액체와 고분자rdquo 다 유럽과 미국에서는 이온성 액체

를 반응용매로 보는 것이 주류를 이루고 있었다

- 2004년 10월 Hawaii에서 기화학의 미일합동 회가

열린다 주제는 이온성 액체(용융염)에 한 연구이었

- 앞으로도 이온성 액체에 한 연구는 증가할 것이고

여러 가지 배경을 갖고 있는 연구자들이 서로 다른 목

표를 가지고 연구에 노력할 것이라 생각된다

국내사정

- 우리나라의 황을 보면 재석유화학 의학 산업에

서만 약7억불에 달하는 유기용매가 사용되고 있으며

이들을 모두 체할 수 있다면 최 7억불시장을 형성

할 수 있으므로 이온성 액체의 시장잠재력은 매우 크

42 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

다 하겠다

- 이온성 액체는 휘발성유기화합물을 체할 수 있을 뿐

만 아니라 고가의 귀 속 매를 이온성 액체 층에 고

정화 시킬수 있어 매의 회수 재사용을 용이하게

하며 매의 활성도 안정도 선택도까지도 획기

으로 증가시킬 수 있으므로 환경 측면은 물론 경제

인 에서도 바람직한 청정용매라 할 수 있다

- 상기한바 와같이 이온성 액체의 잠재 인 응용가능성

은 앞으로 무한할 것으로 사료되므로 국내에서도 이에

한 연구자들의 심과 더불어 정부 기업체에 의

한 연구지원이 지속 으로 이루어져야 할 것이다

후의 과제

- 통상의 용매로 이온성 액체를 이용하는 경우에는 내구

성 제조가격 등의 인자가 요하지만 목 이 한정된

이온성 액체의 이용에 있어서는 목 하는 기능을 요

시할 필요가 있다

- 많은 이온성 액체가 합성되고 있으나 원하는 높은 물

성을 갖는 이온성 액체를 설계하는 데 기본이 되는 이

론이 아직은 없는 편이다 이를 해서는 특히 이온성

액체의 구조-물성의 상 계가 밝 져야 하는데 많

은 연구가 진행되고 있음에도 불구하고 그 계가 밝

지지 않고 있다 따라서 상태로서는 원하는 이온

성 액체를 직 만들어서 평가하는 방법밖에 없는 게

실이다

- 그러나 도화와 열안정성 등과 같이 상반 계에 있

는 특성은 하나의 라미터를 변화시키는 것에 의해

제4장 결론 및 제언 43

한 쪽의 특성은 양호하게 되지만 다른 한 쪽의 특성이

악화되는 것을 피할 수 없는 성질로서 아직 양쪽을 동

시에 만족하는 이온성 액체는 실 하지 못하고 있다

- 향후 이온성 액체는 청정용매의 개발과 더불어 새로

운 청정 공정기술의 개발을 통하여 신소재 신물질 생

산 공정을 환경친화 이면서 경제성 있는 공정개발에

기여할 것으로 기 된다

- 특히 비닐기 같은 합성 기능기를 이온성 액체의 단

구조로 도입하여 단독 합이나 공 합을 통해 고분

자화한 이온성 액체를 만들 수 있어 이를 잘 활용하여

이온 지라든가 연료 지 등의 해액으로 응용의 길

이 열린다면 학문 으로나 공업 으로 큰 의의가 있으

리라 생각되며 이 분야의 연구가 활성화되길 기 한

45

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저자소개

손 목

공학박사

한국에 지기술연구소 원장

한국과학기술정보연구원 문연구 원

서 수소 연료 지 개스 센서기술 등

강 종 석

공학박사

한국과학기술정보연구원 선임연구원

서 BT분야 국가연구개발 심층분석

리튬이차 지 등

BB088 손 목강종석

이온성 액체의 반응성 및 전기화학적

특성 연구동향

2005년 12월 19일 인쇄

2005년 12월 23일 발행

발행처

서울특별시 동 문구 청량리동 206-9

ꂕ 130-742

화 3299-6114

등록 1991년 2월 12일 제5-258호

발행인

조 화

인쇄처

신기획

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SUO 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 ITA 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NOR 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 SVE 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 CHS ltFEFF4f7f75288fd94e9b8bbe7f6e521b5efa76840020005000440046002065876863ff0c5c065305542b66f49ad8768456fe50cf52068fa87387ff0c4ee575284e8e9ad88d2891cf76845370524d6253537030028be5002000500044004600206587686353ef4ee54f7f752800200020004100630072006f00620061007400204e0e002000520065006100640065007200200035002e00300020548c66f49ad87248672c62535f0030028fd94e9b8bbe7f6e89816c425d4c51655b574f533002gt CHT ltFEFF4f7f752890194e9b8a2d5b9a5efa7acb76840020005000440046002065874ef65305542b8f039ad876845f7150cf89e367905ea6ff0c9069752865bc9ad854c18cea76845370524d521753703002005000440046002065874ef653ef4ee54f7f75280020004100630072006f0062006100740020548c002000520065006100640065007200200035002e0030002053ca66f465b07248672c4f86958b555f300290194e9b8a2d5b9a89816c425d4c51655b57578b3002gt gtgtgtgt setdistillerparamsltlt HWResolution [2400 2400] PageSize [612000 792000]gtgt setpagedevice

Page 10: 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향gift.kisti.re.kr/data/IAC/files/KISTI-200512-SYM-ion_fluid.pdf · ※ 이온성 액체는 사용되는 음이온의

6 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

음이온에 의한 특성

이온성 액체는 사용되는 음이온의 종류에 따라 그 특성이

히 달라진다 가장 많이 사용되는 음이온은 PF6-로

imidazolium 양이온과 결합하면 소수성 이온성 액체

[bmim]PF6-를 형성한다

- BF4- 한 일반 으로 많이 사용되는 음이온이다

PF6-와 거의 비슷한 특성을 갖고 있으나 imidazolium

과 이온성 액체를 형성하면 물에 잘 녹는 이온성 액

체[bmim]BF4-를 형성한다

- 즉 거의 비슷한 크기나 구조를 하고 있는 음이온을 사

용하더라도 얻어지는 이온성 액체의 특성은 히

달라지는 경우가 많다(4)

비록 여러 면에 있어서 응용이 개발되고는 있으나 PF6-

BF4-를 음이온으로 사용한 경우 물의 존재 하에서 열을

받으면 HF를 발생시키면서 분해가 일어난다 이 문제를

해결하기 해 여러 회사들에서는 다른 종류의 음이온을

선정하여 이온성 액체를 개발하고 있다

- 불소계이기는 하지만 F가 탄소에 붙어있는 음이온을

사용하면 C-F결합은 비활성이므로 열에 안정하여 HF

를 방출하지 않는다 CF3SO3- (CF3SO3)2N

-가 그 이

다(5)

배 성향

- 이온성 액체의 존재 하에서 속 매를 사용하는 공

제2장 기술의 개요 7

정의 경우에는 음이온이 반응에 있어 배 할 성향이

낮은 PF6-가 아직까지는 가장 한 것으로 본다

(CF3SO3)2N- 같은 경우도 같이 불소를 포함하는 음이

온은 고가이다(6)

- 가격과 안정성을 고려해서 Solvent Innovation과

Sachem(주)는 불소를포함하지 않은 새로운 이온성

액체를 시도한다(7)

- 가능성이 있는 것은 가격 경쟁력이 있으면서 그 크기

가 큰 bulk chemical을 음이온으로서 독성이 없으면서

생분해가 가능한 alkyl sulfate계 음이온이 상이다

ECOENG 500(Peg-5 cocomonium methoxulfate)가 그

한 인데 무독성임을 입증한 첫 번째 비 불소계 음

이온이다

lt그림 2-3gt n-octyl sulfate( ) docusate(아래)

- Sachem(주)는 docusate계 (dioctylsulfosuccinate) 음이

온을 사용하는데 이는 동물계에 매우 낮은 독성을 갖

고 있고 식품 제약 화장품등에 이미 사용되는 물

8 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

질이다

- 다른 이온성 액체와는 달리 docusate는 친유성이며

hydrocarbon과잘 섞이는 특성을 갖는다

융 련 성질

- Rogers 등에 의해 최근에 밝 진 이온성 액체의 특성

은 Cl과 같은 할로겐 음이온은 셀룰로스나 다른

oligosaccharide와 같은 생화학 물질들이 이온성 액체

에 녹는 것을 진시킨다는 것이다(8)

- 이온성 액체가 녹아있는 매질들과 특정의 상호 작용이

있는 성질을 이용하여 양이온 음이온 각각에 특정

의 기능기를 도입하는 새로운 연구가 진행되고 있다

이온성 액체에 부가되는 기능기는 이온성 액체의 반응

패턴을 증가시키거나 특정 물질과의 상호 작용을 증

가시키는 등 다양한 특성을 부여할 수 있다

- 150 이하에서 녹는 이온성 액체는 재 100개 이상

의 종류가 매된다(9) 디자인된 양이온과 다른 음이온

과의 조합은 다양한 범 의 녹는 을 가진 새로운 이

온성 액체를 얻을 수 있는데 이를 incognito 이온성

액체라고 한다

- incognito 이온성 액체로 18-diazabicyclo[540] undec-

7-enehydro tribromide (DBU-HBr mp 119-122)는 높

은 수율의 aromatic bromination을 얻는 좋은 반응물이

다(10)

상업 으로 쉽게 얻을 수 있는 융 을 갖는 아미노산 유

도체인생체 물질들도 이온성 액체의 개발에 사용될 수 있다

제2장 기술의 개요 9

- L-alanine ethyl ester hydrochloride (mp 78)

L-serine methylester hydrochloride (106)들이 이

다(11) 정의한 이온성 액체와는 좀 다른 특성이기는

하지만 융 을 갖는 염으로는 같은 의미로 볼 수

있다

lt그림 2-4gt 상품화된 다양한 이온성 액체

3 이온성 액체의 합성방법

헤테로 고리화합물을 활용한 합성제법이 가장 많이 알려

져 있다

- 지 까지 많은 이온성 액체가 설계되고 있으나 부분

은 이미다졸륨 등의 헤테로 방향환을 기본으로 하는

양이온으로 구성되어 있다 짝음이온의 종류에 따라

다른 성질을 보이기는 하지만 헤테로환 양이온 특히

10 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

이미다죨륨 양이온으로 구성된 염은 낮은 융 을 나타

낸다

lt그림 2-5gt 이온성 액체의 합성법

- 이온성 액체는 할로겐화 알킬을 아민의 제4 화 반응

에 의해 염을 얻고 이것을 한 음이온으로 교환하

여 얻는다 이 방법은 음이온교환반응에서 생기는 부

산물을 완 히 제거하기 어려워서 원하는 염을 높은

순도 높은 수율로 얻기는 쉽지 않고 사용하는 음이온

종류도 한정된다(12)

- 3 아민과 로톤산의 화반응으로 이온성 액체를

합성하는 방법이 새로 개발되었는데 이 방법은 부산

물의 혼입에 의한 순도의 하도 억제할 수 있으며 합

성이 가능한 이온성 액체의 종류도 풍부하다

- 이온성 액체의 모델 설계 혹은 구성하는 이온 구조

최 화를 의도한 스크리닝(screening)을 활용하여 많

은 종류의 이온성 액체가 합성되고 있으나 원하는 우

수한 물성을 갖는 이온성 액체의 설계지침은 아직까지

불완 하다 구조-물성의 상 계를 찾고자 많은 연

구가 진행되고 있으나 아직까지 일반 인 계를 찾

제2장 기술의 개요 11

지 못하고 있는 실정이다 즉 신규 이온성 액체를 찾

아낼 가능성이 아직 많다고 하겠다(13)

4 이온성 액체의 응용분야

이온성 액체의 특이한 성질을 이용하여 여러 응용이 제

안되고 있다 크게 환경부하가 은 그린(green) 용매로

서의 응용과 새로운 이온 도성 재료로서 응용으로 2분

야로 크게 나 수 있다 그린 용매로서의 연구는 주로

유럽과 미국에서 이온 도성 재료의 연구는 상 으

로 일본에서 연구가 많이 진행되고 있다

그린 용매(기능성 용매)

- 화학공정의 반응계에서 사용되는 용매 특히 유기용매

가 기나 하천 등으로 확산되는 것은 환경문제이다

더욱이 유기용매의 인화성이나 폭발성 작업종사자의

피독 등 안 에 한 문제가 요하다

- 이온성 액체를 그린 용매로서 응용하는 것은 일반 인

휘발성 용매를 체하는 반응용매(반응장)로서 응용으

로 에서 설명한 문제 을 한꺼번에 해결할 수 있는

가능성이 있다

- 이온성 액체를 용매로 사용할 수 있는 반응 로서 유

기합성 반응계 분리 추출 등 여러 분야가 있으며 생

체유래분자의 반응에도 검토되고 있다

- 최근에 이 분야의 연구의 방향은 이온성 액체의 분자

12 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

설계 장 을 이용하여 기능을 갖는 구조를 도입할 수

있다 실제 매활성이나 귀 속 회수 등의 기능

부여가 연구되고 있다 Davis등이 제창하는 Task-

Specific Ionic Liquid(14)라 불리는 차세 이온성 액체

가 그 좋은 이다

이온 도체

- 이온성 액체는 불휘발 불연성 특성이 있어 기존에

해액으로 사용되어온 유기용매가 갖고 있는 휘발성

인화성이라는 문제를 해결 할수 있다 따라서 이온

도성 재료로서의 연구는 리튬이온 지 연료 지 색소

증감 태양 지 작동장치(actuator) 커패시터(capacitor)

등의 이온성 소자용 해액 응용을 들 수 있다(3)

- 실제로 이온성 액체를 해액으로 사용하기 해서는

재 개발 된이온성 액체의 모든 물성을 개선하는데

범 한 분자설계로부터 물성과 구조의 계를 연구

하고 이를 통해 이온 특성을 최 화할 필요가 있다

- 보다 실제 인 응용을 해 이온성 액체 그 자체를

해액으로 사용하기보다는 고분자화에 의해 고체 해

질로서 하는 쪽이 더 좋은 경우가 있다 고분자화 된

이온성 액체의 특성은 이온성 소자의 소형경량화나 박

막화 안 성의 향상도 기 된다

- 재까지 얻어진 고분자 구조를 보면 고분자의 가지사

슬에 양이온음이온의 양쪽을 고정시킨 공 합 고분자

형 극성 이온형 등은 목 하는 이온만의 이동이

요구되는 응용에 당하다(15)

제2장 기술의 개요 13

다른 분야 응용

- 다른 분야의 응용 실례로는 자 도성 액체 윤활유

임계유체와의 혼합계 표면 개질제 등이 있다 휘발

하지 않는 액체 실온에서 액체상 염이라는 특징을 살

려 앞으로 다른 분야의 연구자와 교류를 통하여 이온

성 액체의 새로운 가능성을 열어갈 수 있다

15

제3장

국내외 연구개발 동향

1 연구의 방향

이온성 액체의 연구는 술한바 반응용매로의 이용과

해질 용액으로서의 이용으로 크게 분류된다

- Grignard 시약을 사용하는 반응 이외에는 부분이 이

온성 액체 에서 반응하는 것이 가능한 것으로 일반

의 유기합성 반응에서부터 고분자 합성까지 다양한 반

응이 검토되고 있다

- 소수성이 강한 불소함유 이온성 액체는 액액(液液)

의 2층으로 분리가 되어 물층의 에 무거운(비 15

정도) 이온성 액체층이 생성되는데 이를 이용하여 공

장 배수로부터 유기물을 추출하는 등 배수처리에 응용

할 수 있으며 반응물의 회수도 가능하다

해질 용액으로의 이용은 이온성 액체가 높은 이온

도성을 가진 것과 폭넓은 온도 역에서 액상을 유지하

면서 불연성인 것 창(電位窓)도 넓고 기화학 으

로 안정한 것 등의 특징을 가지고 있어 각종 기화학

디바이스에의 이용이 검토된다

- 이온성 액체가 해질 용액으로서 이용될 때 특히 특

16 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

정 이온의 이동(移動)이 기능발휘에 요한 역할을 하

는 경우에는 다음과 같은 두 가지의 을 고려해야

한다

용매로서 사용하는 이온성 액체를 구성하는 이온이

구배(potential gradient) 하에서 이동하도록 제어하

여 목 이온만을 도시킬 필요가 있다

목 이온을 성분으로 하는 이온성 액체가 거의 알려

져 있지 않기 때문에 목 이온을 함유한 염을 용해시

켜서 이용하는 것이지만 첨가한 염은 이온성 액체에

한 용해도가 일반 으로 높지 않다 용해성을 개선

하기 해서는 이온성 액체의 성분과 같은 이온을

응 이온으로 하는 염을 이용해야 한다

- 이온성 액체는 높은 이온 도성과 용질의 가용성(可

溶性) 등을 이용하여 해합성(電解合成)이나 해

합에도 응용되고 있다

2 반응장으로서 이온성 액체의 활용

농약 간체로서 요한 학활성체와 고분자 물질 생산

에 있어 용매 역할로 이온성 액체를 사용하여 그 가능성

특성에 하여 소개한다

제3장 국내외 기술개발 동향 17

학활성인 불소계 물질의 제조

불소계 물질은 의농약의 합성 간체로서 요하나 비

칭 불소화 반응에는 가 다

lt그림 3-1gt 비 칭 불소화 반응

- 이온성 액체 에서는 온에서도 사용 가능한 헥실=

메틸=이미다졸리움헥사후루오로포스페이트

[hmim][PF6]을 사용하여 구핵반응에 의해 비 칭 불

소화 반응이 일어나 높은 학순도의 불소화체를 합성

하고 있다(16)

- 이 반응의 과제는 학순도의 향상과 용 가능한 물

질을 넓히는 일이다 학활성 에폭시알코올의 불소화

로 학활성 불소화에폭시 화합물을 합성하는 것이 가

능하다고 알려져 있다(17)

18 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-2gt 학활성인 불소화 에폭시

비 칭 알돌(aldol) 반응

- 효소 알돌라아제(aldolase)에 의한 비 칭 합성을 모방

한 화학 매에의한 탄소-탄소 결합 형성 반응은 합성

화학의 요한 과제 이다(18) 용제로서 「재사용 가능

한」 이온성 액체를 이용하고 매로서 L- 로린

(proline)을 사용한 반응장에 한 몇 가지 보고가 나

와 있다(19)

lt그림 3-3gt L-proline을 매로 하는 알돌형 반응

제3장 국내외 기술개발 동향 19

- 아세톤과 L- 로린으로 형성된 에나민(enamine)을 반

응 기질(基質)로 하여 방향족 알데히드류와 알돌형 반

응에서도 지방족 알데히드 사이에서의 크로스 알돌형

반응에서도 꽤 높은 학순도의 생성물이 얻어지고 있

다(20)

- 기질로서 에틸=메틸= 톤을 사용할 때에도 높은

학순도로 입체제어를 행할 수 있고 반복 반응장으로

서 사용해도 재 성 좋게 생성물이 얻어지는 것을 확

인하 다

- 클로로아세톤으로부터 생성한 할로히드린을 간체로

서 학활성의에폭시 화합물로 변환할 수 있는 것도

알려져 있으나 학순도는70~80 정도이고 물질 제

조로서는 만족할 만한 학순도는 아니다(21)

- 기질인 알데히드류와 로린으로부터 형성된 반응

간체는 Michael addition(마이클 부가반응)을 용이하게

진행시킬 수 있다 이 반응에서는 수용체(受容體)의

LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital) 에

지가 하하고 구핵제(求核劑)의 공격을 받기 쉽게 되

는 것이 필요하여 불소계 물질이 합하다

- 로린 이외의 유기분자에서는 디에틸아미노트리메틸

실란을 매로서 이용한 불소계 물질의 선택 인 올

핀류 합성이 발표 되었다이 반응계에서는 알데히드류

와 매로부터 생성한 반응 간체가 불소계 헤미아세

탈류로 되고 간체로부터 입체 선택 으로 편일방(片

一方)의 올 핀류를 생성하고 있다(22)

20 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

학활성인 이온성 액체

- 학활성인 이온성 액체는 학활성인 아민계 물질을

출발원료로 해서 합성되고 있는 경우로 니코틴을 출발

물질로 학활성인 이온성 액체를 만들 수 있다(23) 할

로겐 교환법을 사용하는 합성법의 첫 단계에서 얻어지

는 니코틴의 롬염은 고체이지만 LiNTf2로 음이온

교환을 하면 도가 높은 이온성 액체가 얻어진다

lt그림 3-4gt 수종의 학활성인 이온성 액체

합성된 이온성 액체 [Et(S)-nicotine]NTf2를 Diels-

Alder 반응의 반응 용매로서 사용한 결과 기 한 바와

같이 양호한 수율로 생성물이 얻어 졌지만 3 아미노

기가 염기성 매로서 작용을 하여 비 칭 반응장으로

서의 기능은 나타나지 않았다

제3장 국내외 기술개발 동향 21

lt그림 3-5gt 학활성 이온성 액체의 염기성 매로서의 기능발

를 들면 디엔 체의 3-히드록시 -2피론을 사용하여

Diels-Alder 반응을 하면 루이스산이 기질에 결합하여

기질의 HOMO(the highest occupied molecular orbital)

에 지 가 하되고 반응이 진행하지 않는 것이

확인되었다

dienophile(2 결합을 한개 가진 화합물)로서 아크

릴산메틸을 사용하면 높은 수율로 endoexo = 31의

목 하는 화합물을 얻을 수 있으나 이 반응을 보통

이온성 액체[emim][NTf2] 에서 행하면 진행하지 않

는다(24)

에폭시화 반응

- 합성 간체로서 주목되는 에폭시 화합물도 이온성 액

체 에서 합성되고 있다 효소의 산화반응을 이용하

여 과산화수소를 사용해서 계 에서 과 산을 생성시

켜 효소반응과 화학반응을 연속 으로 조합시켜 에폭

22 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

시 반응이 일어나고 이온성 액체를 반응장으로 사용

한 시스템이다(25)

lt그림 3-6gt 효소반응을 활용한 에폭시화 반응

- 기질류(基質類)에서의 비 칭 에폭시화 반응에서 얻어

진에폭시 화합물의 학순도는 높기 때문에 실용 인

합성방법이며 이 시스템에서는 이온성 액체를 5회 반

복 사용하여도 수율이나 학순도의 변화가 없음이 보

고 되고 있다(26)

lt그림 3-7gt 비 칭 에폭시화 반응

제3장 국내외 기술개발 동향 23

비 칭시아노화 반응 비 칭 사이클로 로 화 반응

- 알데히드류의 비 칭시아노화 반응에서도 비 칭 매

를 활용함으로서 학순도가 98정도로 원하는 생성

물이 얻어지고 있으며 이온성 액체의 반응장으로서 유

용성을 보여주고 있다(27)

lt그림 3-8gt 비 칭 시아노화 반응

- 디아조화합물을 사용하는 사이클로 로 화 반응에서

생성하는 시스체와 트란스체의 기하이성체 비는 높지

않으나 각각 학순도는 상당히 높은 것이 얻어진

다(28)

lt그림 3-9gt 비 칭 사이클로 로 화 반응

24 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

이온성 액체 에서의 고분자 합성

- 이온성 액체 에서 합반응을 행하면 MwMn비가

작게 되는 것으로 보고 되었다 이온성 액체를 이용하

여 합개시제로서 과산화벤조일이나 아조비스이소부

틸로니트릴을 사용한 스티 메틸메타크릴 이트의

호모(homo) 합에서 생성물은 이온성 액체로부터 여

과하는 것만으로 분리가 가능하고 회수한 이온성 액체

를 합용 용매로서 재이용이 가능하고 생성된 고분자

체의 분자량도 증가한다

lt그림 3-10gt 이온성 액체[bmim][PF6] 의 스티 의 합반응

중합용매

개시제 중합용매 수율() 분자량

중합용매

개시제 중합용매 수율() 분자량

- 벤젠 에서와 비교하여 이온성 액체 에서 합도

(重合度) 더욱이 생성물의 수율이 향상하는 것은 이

온성 액체의 도가 벤젠에 비하여 높아 연쇄 이동을

일으키기가 어렵고 생성한 폴리머 라디칼이 용매계로

부터 계외(系外)로 배출되기 쉽기 때문이라 생각된다

- 더욱이 이온성 액체 에서 AIBN(22-Azobis (isobuthy-

제3장 국내외 기술개발 동향 25

ronitril)) 내지는 BPO(benzoylperoxide)를 합개시제

로 한 스티 과 메틸메타크릴 이트의 라디칼 공 합

에 하여도 검토되고 있다

- 공 합 반응은 스티 의 첨가 몰비를 MMA에 비해

증 시켜도 코폴리머 분자량 모노머의 변화율이

하하는 경향이 있다 이 결과는 벤젠을 용매로 한 공

합계와 반 의 경향이고 이온성 액체의 극성이 높아

스티 에 비하여 극성 용매 에서 MMA의 합성이

높아지기 때문이라고 생각된다(29)

lt그림 3-11gt 이온성액체[bmim][PF6] 의 공 합 반응

3 촉매반응에서의 이온성 용액

매반응에서 이온성 용액은 자체 매성 보조 매 매활

성자 매 심의 새로운 리간드의 원 반응을 한 용매

등으로써 용된다(30)

26 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

유기 매로서의 이온성 용액

- 이온성 용액을 매반응에 사용하는 가장 좋은 방법은

용매와 매를 조합해서 사용하는 것이다 용매를 바

꿀 때마다 반응이 빨라지면 새로운 용매는 매 역할

을 한 것으로 본다

lt그림 3-12gt methyl acrylate와 [C4C1im]+ 양이온 사이의 수소결합

- 염화알루미늄염(III)(AlCl3) 이온성 용액에서 자치

환 산성 이온성 용액에서 아 (arenes)의 좋은 용해

성과 결합한 산성의 염화알루미늄염 이온성 용액의

높은 농도 [Al2Cl7]-는 친 자성 방향족 치환을 한

이상 인 용매로 만들 수 있다 산성인 [C2C1im]

Cl-AlCl3에서 1-염화 로 과의 벤젠 알킬반응에서 알

킬 고분자화가 측되었다 이이온성 용액시스템은 높

은 활동성과 선택성을 보 다(31)

- 유기용매로서 이온성 용액 이온성 용액은 지난 수년

간 유기 매 반응에 새로운 흥미를 갖기 시작하 으며

이 분야에 향을 수 있는 가능성을 가지고 있다

유기 매 반응에 한 근방법은 흔히 디엘-알더

(Diels-Alder) 환형추가 그 유도체인 수소결합의

상호작용 반응을 통해서이다(32)

제3장 국내외 기술개발 동향 27

보조 매로의 이온성 용액은 올 핀의 이합체화 (Olefin

dimerization)에서 니 매로 산성염화알루미늄염의 이

온성 용액이 로펜을 헥센에 이합체화를 한 반응에서

용매와 보조 매의 조합으로 사용한 첫 번째 경우이

다(33)

리간드 원으로서의 이온성 용액

- 수소화와 수소포르 화 반응 수소화 반응 수소포

르 화 반응을 해 용매로서 [Et4N][SnCl3]의 PtCl2용

액은 속에 매의 확실한 분해도 없이 올 핀의 수

소화에 효과 으로 매반응을 일으켰다 공기와의

을 피하도록 하는 가운데 활성화의 손실이 없이

매용액을 계속 으로 사용함으로써 반응이 이루어진

다(34)

- 팔라듐 NHC착물의 형성 이온성 용액은 팔라둠 매

반응의 넓은범 의 용매로 사용되어 왔다 이 연구과

정에서 재미있는 화학 상은 HHC착물과 나노 입

자의 형성이었다 이는 아직 논쟁의 상이 되고 있다

NHC착물은 이미다졸리움 이온성 용액에서 형성되며

기 하지 않는 반응성 는 선택성이 감지될 때 이를

항상 고려해야한다(35)

28 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-13gt NHC 매의 lactide 합에서의 ring opening

- 이온성 용액에서 나노입자의 형성 최근에 매로서

나노입자의 사용이 증가되는 심분야이다 1996년

Kaufmann이 이온성 용액에서처음으로 팔라듐의 매

반응을 보고하 다 일련의 아릴 롬이[C16PbBu3]Br

는 [Bu4N]Br에서 노말-알킬 이트와 결합하여 수율

90이상의 trans-시안염을 생성하는 반응이었다(36)

반응 용매로서의 이온성 용액

- 알 수소화 반응 [SbF6]- 와 [PF4]-의 두 이온성

용액에서 수소화 반응의 속도는 알 용액에서보다 훨

씬 높았다 왜 이 이온성 용액이 개선되었는지에 해

서는 아직 연구된 바가 없다 실제 매의 실체조차확

인이 안 되었다 반응용액으로부터 생성된 알 은 분

리가 쉬웠고 매를 함유한 용액은 순환되었다(37)

lt그림 3-14gt [C4C1im][PF6]의 수소포르 화 매의 두형태의 평형

제3장 국내외 기술개발 동향 29

- 산화 비록 재 사용되는 부분의 이온성 용액은 산

화에 안정 이고 산화과정에 이상 인 용매를 제공하

고 있지만 이것은 불과 지난몇 년 사이의 일이었다

Ni(acac)2는 [C4C1im][PF6]에서 해당되는 산의 라-

치환 benzaldehydes를 보통의 수율로 공기 에서 산

화반응의 매로 사용되어 왔다(38)

기화학 매용매로써의 이온성 용액

- 자화학을 이끄는 이온성 용액은 기화학 합성용

용매로서 가능성을 보이고 있다 최근에는 Ni이 알킬

벤질 아릴 할로겐화합물의 기 도성 동종결합

(electro conductive homo-coupling) 반응에 매로 보

고 된 바 있다 니 (II)착물은 니 (0)의 종에 하여

환원되고 방향성 할로겐화물에 첨가되어 할로겐 화합

물이 된다는 제안이 있었다(39)

이온성 용액의 고정화

- 반응시스템이 액체일 때 많은 장 이 있지만 때로는

그것을 고정화(immobilize) 시킬 필요가 있다 이온성

용액을 고정화 시키는데 심이 모아지고 있으며 첫

번째의 시도가 이온성 용액- 합체 겔을 만들기 하

여 고분자 vinylidenefluoride- hexachloropropylene의

공 합체를 사용한 것이다(40)

30 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

4 근대의 동향

할로겐 리이온액체

- 근년 이온성 액체에 한 연구가 많이 수행되고 있지

만 합성하고 있는 이온성 액체의 구조는 의외로 한정

되어 있으며 양이온은 테트라알킬암모늄(tetraalkyla-

mmonium) 피롤리디니움(pyrolidinium) 이미다졸리움

(imidazolium) 피리디니움(pyridinium) 등과 같이 비

교 다양성이 풍부한 반면에 음이온 종류는 BF4

PF6 CF3SO3 (CF3SO2)2N 등 할로겐 원소를 구조

에 함유한 것은 일반 으로 종류가 많지 않다(41)

- 할로겐을 포함하지 않는 음이온도 보고 되어 있는데

많은 양이온과 조합하여 액체화를 달성함이 쉽지 않고

한정된 양이온과 질산음이온이나 산 음이온 등을 결

합시킨 것이 보고 되어 있다(42)

- 최근 H Ohno(43)등은 할로겐 원소를 함유하지 않은

음이온으로 이온액체를 구축하기 하여 헤테로방향환

화합물을 착안하여 이미다졸이나 피라졸 등의 아졸

(azol)류 에서 산성을 띠는 124-triazolate 1234-

tetrazolate 등과 이미다졸리움 양이온을 조합시키는 것

에 의해 이온성 액체를 합성하 다

- 이 이온성 액체는 분자량과 비교해서 하의 비국재화

(非局在化)가 크다 한 할로겐 원소를 함유하지 않

고 C H N의 3종류원소만으로 구성되어 있다

제3장 국내외 기술개발 동향 31

lt그림 3-15gt 할로겐 리이온액체의 구조

쯔 츠 이온성 액체 (Zwitter ionic liquids)

- 한편 M Yoshizawa(44) 등은 이온 도재료로서 이온액

체를 사용하는 경우는 구배에 한 이온액체의 구

성이온종의 이동이 큰 문제로 된다

- 따라서 리튬 2차 지나 연료 지 등 목 이온종의 수

율과 계의 출력과의 계를 디바이스에 응용할 때는

이온 도재료로서 이온성 액체를 사용하는 것으로 양

이온과 음이온을 스페이서(spacer)로 결합하는 것에

의해 실온에서 액체상태인 성 이온 액체(zwitter

ionic liquid)를 제안하고 있다

- 양이온과 음이온을 스페이서로 결합하면 하는 체

로서 성이 되어 하이동이 없는 염으로 되는데 스

페이서가 짧아서 충분한 염해리가 힘드나 어느 정도의

자유도가 얻어지면 zwitterion으로 된다

32 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-16gt zwitter ionic liquids의 모식도

특정이온을 포함하는 이온액체

- 이온성 액체를 이온 도체로 사용하는 과제는 목 이

온의 도입이다 이는 리튬염 등 목 이온을 포함하는

염 등을 이온액체에 용해시켜 도입한다

- 그런데 염의 첨가는 계의 성의 증가 이온 도도의

하를 가져온다 한 이온액체와 상용하는 분자무

기염은 많지 않고 첨가염의 종류도 한정되어있는 것이

문제이다

- 이의 해결이 자의 zwitter ion이고 두 번째가 목 이

온을 실온에서 액체화가 가능하면 문제가 해결된다

이러한 방법으로 각종의 알칼리 속 이온성 액체

(alkali metal ionic liquid)를 개발하 다(45)

- lt그림 3-17gt은 알칼리 속이온성 액체는 2가의 응

음이온과 1가의 오니움(onium) 양이온 1가의 목 이

온으로 구성된다

lt그림 3-17gt 알칼리 속이온액체의 개념도

제3장 국내외 기술개발 동향 33

- 이온액체는 구성하는 이온 간의 정 기 상호작용은

없을수록 좋으므로 강한 상호작용을 일으키는 다가이

온의 사용은 물이다 당 리튬 양이온의 이온액체

가 목 이나 여러 가지의 알칼리 속이온도 액체로

되는데 이를 응용하면 로톤을 포함하는 이온액체도

얻어지게 된다

이온액체의 합

- 이온성 액체는 분자 디자인이 용이하기 때문에 고분자

구조를 도입하는 것도 가능하며 이온성 액체의 고분

자화로는 각종의 고분자와 혼합한 겔화가 알려져 있지

만 이온성 액체 에 합기를 직 도입하여 고분자

화 하는 것에 의해 이온 도성뿐 아니라 디바이스의

다운사이징(down-sizing)에 기여할 것으로 망하고

있다(41)

- lt그림 3-18gt은 고분자화 이온액체를 나타내는데 종래

의 polyethyl-eneoxide유도체에 의존하지 않는 새로운

이온 도재료로서 검토된다

- lt그림 3-18gt에서 양이온과 음이온의 한쪽이 고분자의

주쇄에 고정되어 있어서 도 이온종을 선택하는 이

유용하다 한 구성이온종의 양방이 고분자 주쇄에

고정된 구조는 이온 도성을 나타내지 않으나 목 이

온의 첨가로 선택 도가 일어난다(46)

34 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-18gt 이온액체폴리머의 변화

자기조직화 이온액체

- 이온액체는 등방성의 액체로서 3차원 인 이온을 운반

하는 것이 가능하다 이로서 차원제어를 행하고 특정

방향으로 이온을 수송하는 시도가 있다 이를 해 자

기 집합력을 이온액체에 부여할 필요가 있다

- 이온액체의 자기조직화에는 양친매성화합물(兩親媒性

化合物)의 성질을 이용한다 극성성분이 있는 이온액

체에 비극성기(탄화수소쇄 탄화불소쇄)를 도입한 양

친매성 이온액체는 벌크로 써모트로픽 액정성을 발

하여 극성 비극성기가 분자 벨에서 상분리된 구조

를 형성한다

- 이 액체 도메인 에는 이온성 액체자신은 용융되어

높은 운동성을 갖는 알킬기의 집합층에 고정된 상태일

것으로 생각된다 여기에 리튬염을 첨가하면 비극성염

을 갖지 않는 리튬이온의 우선 인 수송이 기 된

다(lt그림 3-19gt 참조)

제3장 국내외 기술개발 동향 35

lt그림 3-19gt 이온성 액체 도메인 의 목 이온수송의 모식도

새로운 용매

- Alabama 학의 Rogers 등은 셀룰로오스를 용해시키는

이온성 액체로서 bmim Cl(1-butyl-3-methylimidazolium

chloride)을 개발하 다(47)

lt그림 3-20gt bmimCl의 구조

- Bmin Cl은 실온에서는 고체로서 75에서 용해되지만

100 정도로 가열한 bmim Cl에 종이(셀룰로오스)를

침지하면 순식간에 용해된다 이 용액을 시린지

(syringe)에 의해 물 에서 용출(溶出)시키면 셀룰로

오스 화이버가 생성된다 풍부한 목재자원을 셀룰로스

로 추출하는 시도가 이루어지고 있다

36 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

- 한 핵산류를 용해시킨 이온액체를 개발하고 있는데

DNA나 RNA는 물에 쉽게 용해되지 않는데 이를 용

해시키는 이온액체가 얻어졌다 일정량의 핵산을 용해

시키는 온도는 사용하는 이온액체의 구조에 크게 의존

한다(48)

- 특히 분자내 는 분자간의 수소결합을 단하는 능

력이 요구되는데 여기에는 염소음이온의 효과가 큰 것

으로 알려져 있다 염소를 포함하는 염은 일반 으로

융 이 높고 실온에서 액상으로 존재하기가 어려운

이 있다

- 이는 음이온의 부 하가 비국재화하고 있지 않기 때문

에 정 인 상호작용이 강하게 작용하고 있는 결과이

다 이를 피하기 해 양이온구조를 개선하여 상온에

서 액체의 염화물 염을 합성한다(49)

- 이 방법으로 양이온 구조를 개선하여 실온에서 액체상

태 염화물염인 aaim Cl(13-diallylimidazolium chloride)

를 개발하 다 aaim Cl은 융 이 21 부근이지만 한번

용융하면 과냉각 상태에서도 안정하여 실온에서 사용

가능하다 단지 도가 높은 것이 난 이다

단백질의 기화학반응용 해질용액

- 단백질의 기화학 인 성질로서 단백질을 이온액체에

용해시키는 것은 통상의 고분자를 용해시키는 것과는

차원이 다데 단백질의 기능은 펩사이드쇄의 3차 구조

에 크게 의존하기 때문에 3차구조가변하면 변성에 의

해서 목 달성이 되지 않는다 따라서 무리한 용해작

업은 변성을 래한다

제3장 국내외 기술개발 동향 37

- 이에 하여 PEO(polyethylene oxide)의 에테르산소가

이온과 강하게 상호작용하고 있다 이는 가용성을 의

미하며 PEO가 단백질과 이온액체를 용해하여 단백질

의 안정성을 향상시킨다 종래 바이오디바이스의 작성

이 곤란했든 것은 수 에서 단백질의 불안정성에 기인

하 는데 사용 온도에 따라 이온액체 의 단백질의

기화학이 새로운 가능성의 개척을 시사한다(50)

5 국내동향

이온액체의 매반응분야(51)

- 한국과학기술연구원 송충의 박사는 이온성 액체를 키

랄 화합물 제조를 한 매반응에 도입하여 고가인

매와 용매의 반복 사용을 가능하게 함에 따라 결

국 매와 용매의 소비를 최소화시킬 수 있는 소 청

정 비 칭 매반응을 개발하 다

- 즉 Jacobsons chiral (salen)MnIII

매 존재 하에서

22-dimethylchro-mene의 비 칭 에폭시화 반응시

[bmim]PF6와 CH2Cl2 (14 vv) 혼합물 용매를 사용

함으로써 96-94의 학순도로 chromene oxides를

합성하는데 성공하 다 이온성 액체를 첨단유기합성

기술인 학활성화합물 제조기술개발에 용함으로써

용매와 매의 소비를 최소화하는 반응과정을 개발하

고 있다

- 이와 같은 기술은 화학 산업에서의 공해 요인을 감소

38 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

시킬 것이며 특히 노벨화학상 수상분야인 비 칭

매반응 분야의 최 문제 으로 지 되었던 키랄 매

의 분리 재회수가 가능하게 되었다는 에서 기술

으로도 우수한 성과라 할 수 있다

- 한 이온성 액체 내에서 일부 매반응이 가속화될

수도 있고 선택성 매의 안정성 역시 향상될 수

있음을 밝혔으며 더욱 놀라운 결과로는 기존의 유기

용매 내에서는 진행되지 않던 일부 반응이 이온

성 액체 내에서는 정량 으로 진행될 수 있다는 것이

- 한 많은 요한 유기반응에서 이온성 액체가 용매로

서뿐 아니라 자신이 재사용 가능 한 매로도 작용할

수 있음을 밝힌 바 있다 이러한 일련의 결과들은 이

온성 액체가 21세기에 매분야뿐 아니라 체 유기화

학분야의 새로운 장을 열고 있다는 에서 요한 의

미를 지닌다고 할 수 있다

합성 응용분야(52)

- 한국과학기술연구원 김훈식 박사 연구 은 KSeO2

(OCH3)를1-alkyl-3-methylimidazolium chloride와 반

응시켜 새로운 이미다졸륨 알킬셀 나이트 ([Rmim]

[SeO2(OCH3)]) 화합물을 합성하 다

- 아민화합물의 산화성 카르보닐화 반응을 통한 치환된

우 아 제조 반응에서 기존의 KSeO2(OCH3)을 매로

사용하 을 경우에 비해 이 화합물은 보다 온화한 반

응조건을 제공할 뿐 아니라 이소시아네이트의 구체

인 치환된 우 아와 카바메이트를 고수율로 합성할 수

제3장 국내외 기술개발 동향 39

있었다

- 재 이온성 액체를 이용한 분리 유기 속화합물을

함유한 고활성 매로서의 이온성 액체의 합성 응

용에 한 연구를 수행하고 있다

- 포항공과 학교의 김만주 교수 연구 은 Lipase를

[PPMIM]PF6 (PPMIM = 1-(3-phenylpropyl)-3-

methylimidazolium)와 혼합시켜Ionic liquid-Coated

Enzyme (ILCE)을 합성하 다 이 새로운 타입의

immobilized biocatalyst는 2차 알코올의 transest-

erification 반응을 통한 acetylated 화합물합성에 높은

활성과 재사용성을 보여 주었으며 이러한 연구결과를

다양한 생화학분야에 용하기 한 연구를 수행하고

있다

- 인하 학교의 지 윤 교수연구 은 alkyl mesylate로부

터 fluoro-alkane을 합성하는 반응에서 이온성 액체를

용매로 사용함으로써 기존방법에 비해 부반응이 거의

없고 생산성이 히 증가된 결과를 얻었으며 이러한

결과를 실용화시키기 한 연구를 지속하고 있다

- 신약개발 바이오벤처 기업 씨트리(C-TRI)는 이온성

액체를 이용한 학활성 화합물제조 기술개발회사로

서 지난 상반기에 31억원의 매출을 올렸으며 최근 이

온성 액체를 이용한 신약개발과 정 화학사업에 필요

한 연구 인력을 거 보강하여 이온성 액체 련사업

을 추진하고 있다

41

제4장

결론 및 제언

향후의 방향

- 이온성 액체에 한 앞으로의 망은 이온성 액체를

주 테마로 하는 국제회의가 증가하고 있다 미국화학

회는 작년 9월 New York에서 이온성 액체에 한 세

션이 개최되어 열띤 토론이 진행 되었다

- 2004년 3~4월에 Anaheim에서 개최된 세션은 ldquo이온성

액체와 고분자rdquo 다 유럽과 미국에서는 이온성 액체

를 반응용매로 보는 것이 주류를 이루고 있었다

- 2004년 10월 Hawaii에서 기화학의 미일합동 회가

열린다 주제는 이온성 액체(용융염)에 한 연구이었

- 앞으로도 이온성 액체에 한 연구는 증가할 것이고

여러 가지 배경을 갖고 있는 연구자들이 서로 다른 목

표를 가지고 연구에 노력할 것이라 생각된다

국내사정

- 우리나라의 황을 보면 재석유화학 의학 산업에

서만 약7억불에 달하는 유기용매가 사용되고 있으며

이들을 모두 체할 수 있다면 최 7억불시장을 형성

할 수 있으므로 이온성 액체의 시장잠재력은 매우 크

42 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

다 하겠다

- 이온성 액체는 휘발성유기화합물을 체할 수 있을 뿐

만 아니라 고가의 귀 속 매를 이온성 액체 층에 고

정화 시킬수 있어 매의 회수 재사용을 용이하게

하며 매의 활성도 안정도 선택도까지도 획기

으로 증가시킬 수 있으므로 환경 측면은 물론 경제

인 에서도 바람직한 청정용매라 할 수 있다

- 상기한바 와같이 이온성 액체의 잠재 인 응용가능성

은 앞으로 무한할 것으로 사료되므로 국내에서도 이에

한 연구자들의 심과 더불어 정부 기업체에 의

한 연구지원이 지속 으로 이루어져야 할 것이다

후의 과제

- 통상의 용매로 이온성 액체를 이용하는 경우에는 내구

성 제조가격 등의 인자가 요하지만 목 이 한정된

이온성 액체의 이용에 있어서는 목 하는 기능을 요

시할 필요가 있다

- 많은 이온성 액체가 합성되고 있으나 원하는 높은 물

성을 갖는 이온성 액체를 설계하는 데 기본이 되는 이

론이 아직은 없는 편이다 이를 해서는 특히 이온성

액체의 구조-물성의 상 계가 밝 져야 하는데 많

은 연구가 진행되고 있음에도 불구하고 그 계가 밝

지지 않고 있다 따라서 상태로서는 원하는 이온

성 액체를 직 만들어서 평가하는 방법밖에 없는 게

실이다

- 그러나 도화와 열안정성 등과 같이 상반 계에 있

는 특성은 하나의 라미터를 변화시키는 것에 의해

제4장 결론 및 제언 43

한 쪽의 특성은 양호하게 되지만 다른 한 쪽의 특성이

악화되는 것을 피할 수 없는 성질로서 아직 양쪽을 동

시에 만족하는 이온성 액체는 실 하지 못하고 있다

- 향후 이온성 액체는 청정용매의 개발과 더불어 새로

운 청정 공정기술의 개발을 통하여 신소재 신물질 생

산 공정을 환경친화 이면서 경제성 있는 공정개발에

기여할 것으로 기 된다

- 특히 비닐기 같은 합성 기능기를 이온성 액체의 단

구조로 도입하여 단독 합이나 공 합을 통해 고분

자화한 이온성 액체를 만들 수 있어 이를 잘 활용하여

이온 지라든가 연료 지 등의 해액으로 응용의 길

이 열린다면 학문 으로나 공업 으로 큰 의의가 있으

리라 생각되며 이 분야의 연구가 활성화되길 기 한

45

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저자소개

손 목

공학박사

한국에 지기술연구소 원장

한국과학기술정보연구원 문연구 원

서 수소 연료 지 개스 센서기술 등

강 종 석

공학박사

한국과학기술정보연구원 선임연구원

서 BT분야 국가연구개발 심층분석

리튬이차 지 등

BB088 손 목강종석

이온성 액체의 반응성 및 전기화학적

특성 연구동향

2005년 12월 19일 인쇄

2005년 12월 23일 발행

발행처

서울특별시 동 문구 청량리동 206-9

ꂕ 130-742

화 3299-6114

등록 1991년 2월 12일 제5-258호

발행인

조 화

인쇄처

신기획

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ITA 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 NOR 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 SVE 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 CHS ltFEFF4f7f75288fd94e9b8bbe7f6e521b5efa76840020005000440046002065876863ff0c5c065305542b66f49ad8768456fe50cf52068fa87387ff0c4ee575284e8e9ad88d2891cf76845370524d6253537030028be5002000500044004600206587686353ef4ee54f7f752800200020004100630072006f00620061007400204e0e002000520065006100640065007200200035002e00300020548c66f49ad87248672c62535f0030028fd94e9b8bbe7f6e89816c425d4c51655b574f533002gt CHT ltFEFF4f7f752890194e9b8a2d5b9a5efa7acb76840020005000440046002065874ef65305542b8f039ad876845f7150cf89e367905ea6ff0c9069752865bc9ad854c18cea76845370524d521753703002005000440046002065874ef653ef4ee54f7f75280020004100630072006f0062006100740020548c002000520065006100640065007200200035002e0030002053ca66f465b07248672c4f86958b555f300290194e9b8a2d5b9a89816c425d4c51655b57578b3002gt gtgtgtgt setdistillerparamsltlt HWResolution [2400 2400] PageSize [612000 792000]gtgt setpagedevice

Page 11: 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향gift.kisti.re.kr/data/IAC/files/KISTI-200512-SYM-ion_fluid.pdf · ※ 이온성 액체는 사용되는 음이온의

제2장 기술의 개요 7

정의 경우에는 음이온이 반응에 있어 배 할 성향이

낮은 PF6-가 아직까지는 가장 한 것으로 본다

(CF3SO3)2N- 같은 경우도 같이 불소를 포함하는 음이

온은 고가이다(6)

- 가격과 안정성을 고려해서 Solvent Innovation과

Sachem(주)는 불소를포함하지 않은 새로운 이온성

액체를 시도한다(7)

- 가능성이 있는 것은 가격 경쟁력이 있으면서 그 크기

가 큰 bulk chemical을 음이온으로서 독성이 없으면서

생분해가 가능한 alkyl sulfate계 음이온이 상이다

ECOENG 500(Peg-5 cocomonium methoxulfate)가 그

한 인데 무독성임을 입증한 첫 번째 비 불소계 음

이온이다

lt그림 2-3gt n-octyl sulfate( ) docusate(아래)

- Sachem(주)는 docusate계 (dioctylsulfosuccinate) 음이

온을 사용하는데 이는 동물계에 매우 낮은 독성을 갖

고 있고 식품 제약 화장품등에 이미 사용되는 물

8 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

질이다

- 다른 이온성 액체와는 달리 docusate는 친유성이며

hydrocarbon과잘 섞이는 특성을 갖는다

융 련 성질

- Rogers 등에 의해 최근에 밝 진 이온성 액체의 특성

은 Cl과 같은 할로겐 음이온은 셀룰로스나 다른

oligosaccharide와 같은 생화학 물질들이 이온성 액체

에 녹는 것을 진시킨다는 것이다(8)

- 이온성 액체가 녹아있는 매질들과 특정의 상호 작용이

있는 성질을 이용하여 양이온 음이온 각각에 특정

의 기능기를 도입하는 새로운 연구가 진행되고 있다

이온성 액체에 부가되는 기능기는 이온성 액체의 반응

패턴을 증가시키거나 특정 물질과의 상호 작용을 증

가시키는 등 다양한 특성을 부여할 수 있다

- 150 이하에서 녹는 이온성 액체는 재 100개 이상

의 종류가 매된다(9) 디자인된 양이온과 다른 음이온

과의 조합은 다양한 범 의 녹는 을 가진 새로운 이

온성 액체를 얻을 수 있는데 이를 incognito 이온성

액체라고 한다

- incognito 이온성 액체로 18-diazabicyclo[540] undec-

7-enehydro tribromide (DBU-HBr mp 119-122)는 높

은 수율의 aromatic bromination을 얻는 좋은 반응물이

다(10)

상업 으로 쉽게 얻을 수 있는 융 을 갖는 아미노산 유

도체인생체 물질들도 이온성 액체의 개발에 사용될 수 있다

제2장 기술의 개요 9

- L-alanine ethyl ester hydrochloride (mp 78)

L-serine methylester hydrochloride (106)들이 이

다(11) 정의한 이온성 액체와는 좀 다른 특성이기는

하지만 융 을 갖는 염으로는 같은 의미로 볼 수

있다

lt그림 2-4gt 상품화된 다양한 이온성 액체

3 이온성 액체의 합성방법

헤테로 고리화합물을 활용한 합성제법이 가장 많이 알려

져 있다

- 지 까지 많은 이온성 액체가 설계되고 있으나 부분

은 이미다졸륨 등의 헤테로 방향환을 기본으로 하는

양이온으로 구성되어 있다 짝음이온의 종류에 따라

다른 성질을 보이기는 하지만 헤테로환 양이온 특히

10 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

이미다죨륨 양이온으로 구성된 염은 낮은 융 을 나타

낸다

lt그림 2-5gt 이온성 액체의 합성법

- 이온성 액체는 할로겐화 알킬을 아민의 제4 화 반응

에 의해 염을 얻고 이것을 한 음이온으로 교환하

여 얻는다 이 방법은 음이온교환반응에서 생기는 부

산물을 완 히 제거하기 어려워서 원하는 염을 높은

순도 높은 수율로 얻기는 쉽지 않고 사용하는 음이온

종류도 한정된다(12)

- 3 아민과 로톤산의 화반응으로 이온성 액체를

합성하는 방법이 새로 개발되었는데 이 방법은 부산

물의 혼입에 의한 순도의 하도 억제할 수 있으며 합

성이 가능한 이온성 액체의 종류도 풍부하다

- 이온성 액체의 모델 설계 혹은 구성하는 이온 구조

최 화를 의도한 스크리닝(screening)을 활용하여 많

은 종류의 이온성 액체가 합성되고 있으나 원하는 우

수한 물성을 갖는 이온성 액체의 설계지침은 아직까지

불완 하다 구조-물성의 상 계를 찾고자 많은 연

구가 진행되고 있으나 아직까지 일반 인 계를 찾

제2장 기술의 개요 11

지 못하고 있는 실정이다 즉 신규 이온성 액체를 찾

아낼 가능성이 아직 많다고 하겠다(13)

4 이온성 액체의 응용분야

이온성 액체의 특이한 성질을 이용하여 여러 응용이 제

안되고 있다 크게 환경부하가 은 그린(green) 용매로

서의 응용과 새로운 이온 도성 재료로서 응용으로 2분

야로 크게 나 수 있다 그린 용매로서의 연구는 주로

유럽과 미국에서 이온 도성 재료의 연구는 상 으

로 일본에서 연구가 많이 진행되고 있다

그린 용매(기능성 용매)

- 화학공정의 반응계에서 사용되는 용매 특히 유기용매

가 기나 하천 등으로 확산되는 것은 환경문제이다

더욱이 유기용매의 인화성이나 폭발성 작업종사자의

피독 등 안 에 한 문제가 요하다

- 이온성 액체를 그린 용매로서 응용하는 것은 일반 인

휘발성 용매를 체하는 반응용매(반응장)로서 응용으

로 에서 설명한 문제 을 한꺼번에 해결할 수 있는

가능성이 있다

- 이온성 액체를 용매로 사용할 수 있는 반응 로서 유

기합성 반응계 분리 추출 등 여러 분야가 있으며 생

체유래분자의 반응에도 검토되고 있다

- 최근에 이 분야의 연구의 방향은 이온성 액체의 분자

12 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

설계 장 을 이용하여 기능을 갖는 구조를 도입할 수

있다 실제 매활성이나 귀 속 회수 등의 기능

부여가 연구되고 있다 Davis등이 제창하는 Task-

Specific Ionic Liquid(14)라 불리는 차세 이온성 액체

가 그 좋은 이다

이온 도체

- 이온성 액체는 불휘발 불연성 특성이 있어 기존에

해액으로 사용되어온 유기용매가 갖고 있는 휘발성

인화성이라는 문제를 해결 할수 있다 따라서 이온

도성 재료로서의 연구는 리튬이온 지 연료 지 색소

증감 태양 지 작동장치(actuator) 커패시터(capacitor)

등의 이온성 소자용 해액 응용을 들 수 있다(3)

- 실제로 이온성 액체를 해액으로 사용하기 해서는

재 개발 된이온성 액체의 모든 물성을 개선하는데

범 한 분자설계로부터 물성과 구조의 계를 연구

하고 이를 통해 이온 특성을 최 화할 필요가 있다

- 보다 실제 인 응용을 해 이온성 액체 그 자체를

해액으로 사용하기보다는 고분자화에 의해 고체 해

질로서 하는 쪽이 더 좋은 경우가 있다 고분자화 된

이온성 액체의 특성은 이온성 소자의 소형경량화나 박

막화 안 성의 향상도 기 된다

- 재까지 얻어진 고분자 구조를 보면 고분자의 가지사

슬에 양이온음이온의 양쪽을 고정시킨 공 합 고분자

형 극성 이온형 등은 목 하는 이온만의 이동이

요구되는 응용에 당하다(15)

제2장 기술의 개요 13

다른 분야 응용

- 다른 분야의 응용 실례로는 자 도성 액체 윤활유

임계유체와의 혼합계 표면 개질제 등이 있다 휘발

하지 않는 액체 실온에서 액체상 염이라는 특징을 살

려 앞으로 다른 분야의 연구자와 교류를 통하여 이온

성 액체의 새로운 가능성을 열어갈 수 있다

15

제3장

국내외 연구개발 동향

1 연구의 방향

이온성 액체의 연구는 술한바 반응용매로의 이용과

해질 용액으로서의 이용으로 크게 분류된다

- Grignard 시약을 사용하는 반응 이외에는 부분이 이

온성 액체 에서 반응하는 것이 가능한 것으로 일반

의 유기합성 반응에서부터 고분자 합성까지 다양한 반

응이 검토되고 있다

- 소수성이 강한 불소함유 이온성 액체는 액액(液液)

의 2층으로 분리가 되어 물층의 에 무거운(비 15

정도) 이온성 액체층이 생성되는데 이를 이용하여 공

장 배수로부터 유기물을 추출하는 등 배수처리에 응용

할 수 있으며 반응물의 회수도 가능하다

해질 용액으로의 이용은 이온성 액체가 높은 이온

도성을 가진 것과 폭넓은 온도 역에서 액상을 유지하

면서 불연성인 것 창(電位窓)도 넓고 기화학 으

로 안정한 것 등의 특징을 가지고 있어 각종 기화학

디바이스에의 이용이 검토된다

- 이온성 액체가 해질 용액으로서 이용될 때 특히 특

16 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

정 이온의 이동(移動)이 기능발휘에 요한 역할을 하

는 경우에는 다음과 같은 두 가지의 을 고려해야

한다

용매로서 사용하는 이온성 액체를 구성하는 이온이

구배(potential gradient) 하에서 이동하도록 제어하

여 목 이온만을 도시킬 필요가 있다

목 이온을 성분으로 하는 이온성 액체가 거의 알려

져 있지 않기 때문에 목 이온을 함유한 염을 용해시

켜서 이용하는 것이지만 첨가한 염은 이온성 액체에

한 용해도가 일반 으로 높지 않다 용해성을 개선

하기 해서는 이온성 액체의 성분과 같은 이온을

응 이온으로 하는 염을 이용해야 한다

- 이온성 액체는 높은 이온 도성과 용질의 가용성(可

溶性) 등을 이용하여 해합성(電解合成)이나 해

합에도 응용되고 있다

2 반응장으로서 이온성 액체의 활용

농약 간체로서 요한 학활성체와 고분자 물질 생산

에 있어 용매 역할로 이온성 액체를 사용하여 그 가능성

특성에 하여 소개한다

제3장 국내외 기술개발 동향 17

학활성인 불소계 물질의 제조

불소계 물질은 의농약의 합성 간체로서 요하나 비

칭 불소화 반응에는 가 다

lt그림 3-1gt 비 칭 불소화 반응

- 이온성 액체 에서는 온에서도 사용 가능한 헥실=

메틸=이미다졸리움헥사후루오로포스페이트

[hmim][PF6]을 사용하여 구핵반응에 의해 비 칭 불

소화 반응이 일어나 높은 학순도의 불소화체를 합성

하고 있다(16)

- 이 반응의 과제는 학순도의 향상과 용 가능한 물

질을 넓히는 일이다 학활성 에폭시알코올의 불소화

로 학활성 불소화에폭시 화합물을 합성하는 것이 가

능하다고 알려져 있다(17)

18 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-2gt 학활성인 불소화 에폭시

비 칭 알돌(aldol) 반응

- 효소 알돌라아제(aldolase)에 의한 비 칭 합성을 모방

한 화학 매에의한 탄소-탄소 결합 형성 반응은 합성

화학의 요한 과제 이다(18) 용제로서 「재사용 가능

한」 이온성 액체를 이용하고 매로서 L- 로린

(proline)을 사용한 반응장에 한 몇 가지 보고가 나

와 있다(19)

lt그림 3-3gt L-proline을 매로 하는 알돌형 반응

제3장 국내외 기술개발 동향 19

- 아세톤과 L- 로린으로 형성된 에나민(enamine)을 반

응 기질(基質)로 하여 방향족 알데히드류와 알돌형 반

응에서도 지방족 알데히드 사이에서의 크로스 알돌형

반응에서도 꽤 높은 학순도의 생성물이 얻어지고 있

다(20)

- 기질로서 에틸=메틸= 톤을 사용할 때에도 높은

학순도로 입체제어를 행할 수 있고 반복 반응장으로

서 사용해도 재 성 좋게 생성물이 얻어지는 것을 확

인하 다

- 클로로아세톤으로부터 생성한 할로히드린을 간체로

서 학활성의에폭시 화합물로 변환할 수 있는 것도

알려져 있으나 학순도는70~80 정도이고 물질 제

조로서는 만족할 만한 학순도는 아니다(21)

- 기질인 알데히드류와 로린으로부터 형성된 반응

간체는 Michael addition(마이클 부가반응)을 용이하게

진행시킬 수 있다 이 반응에서는 수용체(受容體)의

LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital) 에

지가 하하고 구핵제(求核劑)의 공격을 받기 쉽게 되

는 것이 필요하여 불소계 물질이 합하다

- 로린 이외의 유기분자에서는 디에틸아미노트리메틸

실란을 매로서 이용한 불소계 물질의 선택 인 올

핀류 합성이 발표 되었다이 반응계에서는 알데히드류

와 매로부터 생성한 반응 간체가 불소계 헤미아세

탈류로 되고 간체로부터 입체 선택 으로 편일방(片

一方)의 올 핀류를 생성하고 있다(22)

20 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

학활성인 이온성 액체

- 학활성인 이온성 액체는 학활성인 아민계 물질을

출발원료로 해서 합성되고 있는 경우로 니코틴을 출발

물질로 학활성인 이온성 액체를 만들 수 있다(23) 할

로겐 교환법을 사용하는 합성법의 첫 단계에서 얻어지

는 니코틴의 롬염은 고체이지만 LiNTf2로 음이온

교환을 하면 도가 높은 이온성 액체가 얻어진다

lt그림 3-4gt 수종의 학활성인 이온성 액체

합성된 이온성 액체 [Et(S)-nicotine]NTf2를 Diels-

Alder 반응의 반응 용매로서 사용한 결과 기 한 바와

같이 양호한 수율로 생성물이 얻어 졌지만 3 아미노

기가 염기성 매로서 작용을 하여 비 칭 반응장으로

서의 기능은 나타나지 않았다

제3장 국내외 기술개발 동향 21

lt그림 3-5gt 학활성 이온성 액체의 염기성 매로서의 기능발

를 들면 디엔 체의 3-히드록시 -2피론을 사용하여

Diels-Alder 반응을 하면 루이스산이 기질에 결합하여

기질의 HOMO(the highest occupied molecular orbital)

에 지 가 하되고 반응이 진행하지 않는 것이

확인되었다

dienophile(2 결합을 한개 가진 화합물)로서 아크

릴산메틸을 사용하면 높은 수율로 endoexo = 31의

목 하는 화합물을 얻을 수 있으나 이 반응을 보통

이온성 액체[emim][NTf2] 에서 행하면 진행하지 않

는다(24)

에폭시화 반응

- 합성 간체로서 주목되는 에폭시 화합물도 이온성 액

체 에서 합성되고 있다 효소의 산화반응을 이용하

여 과산화수소를 사용해서 계 에서 과 산을 생성시

켜 효소반응과 화학반응을 연속 으로 조합시켜 에폭

22 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

시 반응이 일어나고 이온성 액체를 반응장으로 사용

한 시스템이다(25)

lt그림 3-6gt 효소반응을 활용한 에폭시화 반응

- 기질류(基質類)에서의 비 칭 에폭시화 반응에서 얻어

진에폭시 화합물의 학순도는 높기 때문에 실용 인

합성방법이며 이 시스템에서는 이온성 액체를 5회 반

복 사용하여도 수율이나 학순도의 변화가 없음이 보

고 되고 있다(26)

lt그림 3-7gt 비 칭 에폭시화 반응

제3장 국내외 기술개발 동향 23

비 칭시아노화 반응 비 칭 사이클로 로 화 반응

- 알데히드류의 비 칭시아노화 반응에서도 비 칭 매

를 활용함으로서 학순도가 98정도로 원하는 생성

물이 얻어지고 있으며 이온성 액체의 반응장으로서 유

용성을 보여주고 있다(27)

lt그림 3-8gt 비 칭 시아노화 반응

- 디아조화합물을 사용하는 사이클로 로 화 반응에서

생성하는 시스체와 트란스체의 기하이성체 비는 높지

않으나 각각 학순도는 상당히 높은 것이 얻어진

다(28)

lt그림 3-9gt 비 칭 사이클로 로 화 반응

24 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

이온성 액체 에서의 고분자 합성

- 이온성 액체 에서 합반응을 행하면 MwMn비가

작게 되는 것으로 보고 되었다 이온성 액체를 이용하

여 합개시제로서 과산화벤조일이나 아조비스이소부

틸로니트릴을 사용한 스티 메틸메타크릴 이트의

호모(homo) 합에서 생성물은 이온성 액체로부터 여

과하는 것만으로 분리가 가능하고 회수한 이온성 액체

를 합용 용매로서 재이용이 가능하고 생성된 고분자

체의 분자량도 증가한다

lt그림 3-10gt 이온성 액체[bmim][PF6] 의 스티 의 합반응

중합용매

개시제 중합용매 수율() 분자량

중합용매

개시제 중합용매 수율() 분자량

- 벤젠 에서와 비교하여 이온성 액체 에서 합도

(重合度) 더욱이 생성물의 수율이 향상하는 것은 이

온성 액체의 도가 벤젠에 비하여 높아 연쇄 이동을

일으키기가 어렵고 생성한 폴리머 라디칼이 용매계로

부터 계외(系外)로 배출되기 쉽기 때문이라 생각된다

- 더욱이 이온성 액체 에서 AIBN(22-Azobis (isobuthy-

제3장 국내외 기술개발 동향 25

ronitril)) 내지는 BPO(benzoylperoxide)를 합개시제

로 한 스티 과 메틸메타크릴 이트의 라디칼 공 합

에 하여도 검토되고 있다

- 공 합 반응은 스티 의 첨가 몰비를 MMA에 비해

증 시켜도 코폴리머 분자량 모노머의 변화율이

하하는 경향이 있다 이 결과는 벤젠을 용매로 한 공

합계와 반 의 경향이고 이온성 액체의 극성이 높아

스티 에 비하여 극성 용매 에서 MMA의 합성이

높아지기 때문이라고 생각된다(29)

lt그림 3-11gt 이온성액체[bmim][PF6] 의 공 합 반응

3 촉매반응에서의 이온성 용액

매반응에서 이온성 용액은 자체 매성 보조 매 매활

성자 매 심의 새로운 리간드의 원 반응을 한 용매

등으로써 용된다(30)

26 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

유기 매로서의 이온성 용액

- 이온성 용액을 매반응에 사용하는 가장 좋은 방법은

용매와 매를 조합해서 사용하는 것이다 용매를 바

꿀 때마다 반응이 빨라지면 새로운 용매는 매 역할

을 한 것으로 본다

lt그림 3-12gt methyl acrylate와 [C4C1im]+ 양이온 사이의 수소결합

- 염화알루미늄염(III)(AlCl3) 이온성 용액에서 자치

환 산성 이온성 용액에서 아 (arenes)의 좋은 용해

성과 결합한 산성의 염화알루미늄염 이온성 용액의

높은 농도 [Al2Cl7]-는 친 자성 방향족 치환을 한

이상 인 용매로 만들 수 있다 산성인 [C2C1im]

Cl-AlCl3에서 1-염화 로 과의 벤젠 알킬반응에서 알

킬 고분자화가 측되었다 이이온성 용액시스템은 높

은 활동성과 선택성을 보 다(31)

- 유기용매로서 이온성 용액 이온성 용액은 지난 수년

간 유기 매 반응에 새로운 흥미를 갖기 시작하 으며

이 분야에 향을 수 있는 가능성을 가지고 있다

유기 매 반응에 한 근방법은 흔히 디엘-알더

(Diels-Alder) 환형추가 그 유도체인 수소결합의

상호작용 반응을 통해서이다(32)

제3장 국내외 기술개발 동향 27

보조 매로의 이온성 용액은 올 핀의 이합체화 (Olefin

dimerization)에서 니 매로 산성염화알루미늄염의 이

온성 용액이 로펜을 헥센에 이합체화를 한 반응에서

용매와 보조 매의 조합으로 사용한 첫 번째 경우이

다(33)

리간드 원으로서의 이온성 용액

- 수소화와 수소포르 화 반응 수소화 반응 수소포

르 화 반응을 해 용매로서 [Et4N][SnCl3]의 PtCl2용

액은 속에 매의 확실한 분해도 없이 올 핀의 수

소화에 효과 으로 매반응을 일으켰다 공기와의

을 피하도록 하는 가운데 활성화의 손실이 없이

매용액을 계속 으로 사용함으로써 반응이 이루어진

다(34)

- 팔라듐 NHC착물의 형성 이온성 용액은 팔라둠 매

반응의 넓은범 의 용매로 사용되어 왔다 이 연구과

정에서 재미있는 화학 상은 HHC착물과 나노 입

자의 형성이었다 이는 아직 논쟁의 상이 되고 있다

NHC착물은 이미다졸리움 이온성 용액에서 형성되며

기 하지 않는 반응성 는 선택성이 감지될 때 이를

항상 고려해야한다(35)

28 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-13gt NHC 매의 lactide 합에서의 ring opening

- 이온성 용액에서 나노입자의 형성 최근에 매로서

나노입자의 사용이 증가되는 심분야이다 1996년

Kaufmann이 이온성 용액에서처음으로 팔라듐의 매

반응을 보고하 다 일련의 아릴 롬이[C16PbBu3]Br

는 [Bu4N]Br에서 노말-알킬 이트와 결합하여 수율

90이상의 trans-시안염을 생성하는 반응이었다(36)

반응 용매로서의 이온성 용액

- 알 수소화 반응 [SbF6]- 와 [PF4]-의 두 이온성

용액에서 수소화 반응의 속도는 알 용액에서보다 훨

씬 높았다 왜 이 이온성 용액이 개선되었는지에 해

서는 아직 연구된 바가 없다 실제 매의 실체조차확

인이 안 되었다 반응용액으로부터 생성된 알 은 분

리가 쉬웠고 매를 함유한 용액은 순환되었다(37)

lt그림 3-14gt [C4C1im][PF6]의 수소포르 화 매의 두형태의 평형

제3장 국내외 기술개발 동향 29

- 산화 비록 재 사용되는 부분의 이온성 용액은 산

화에 안정 이고 산화과정에 이상 인 용매를 제공하

고 있지만 이것은 불과 지난몇 년 사이의 일이었다

Ni(acac)2는 [C4C1im][PF6]에서 해당되는 산의 라-

치환 benzaldehydes를 보통의 수율로 공기 에서 산

화반응의 매로 사용되어 왔다(38)

기화학 매용매로써의 이온성 용액

- 자화학을 이끄는 이온성 용액은 기화학 합성용

용매로서 가능성을 보이고 있다 최근에는 Ni이 알킬

벤질 아릴 할로겐화합물의 기 도성 동종결합

(electro conductive homo-coupling) 반응에 매로 보

고 된 바 있다 니 (II)착물은 니 (0)의 종에 하여

환원되고 방향성 할로겐화물에 첨가되어 할로겐 화합

물이 된다는 제안이 있었다(39)

이온성 용액의 고정화

- 반응시스템이 액체일 때 많은 장 이 있지만 때로는

그것을 고정화(immobilize) 시킬 필요가 있다 이온성

용액을 고정화 시키는데 심이 모아지고 있으며 첫

번째의 시도가 이온성 용액- 합체 겔을 만들기 하

여 고분자 vinylidenefluoride- hexachloropropylene의

공 합체를 사용한 것이다(40)

30 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

4 근대의 동향

할로겐 리이온액체

- 근년 이온성 액체에 한 연구가 많이 수행되고 있지

만 합성하고 있는 이온성 액체의 구조는 의외로 한정

되어 있으며 양이온은 테트라알킬암모늄(tetraalkyla-

mmonium) 피롤리디니움(pyrolidinium) 이미다졸리움

(imidazolium) 피리디니움(pyridinium) 등과 같이 비

교 다양성이 풍부한 반면에 음이온 종류는 BF4

PF6 CF3SO3 (CF3SO2)2N 등 할로겐 원소를 구조

에 함유한 것은 일반 으로 종류가 많지 않다(41)

- 할로겐을 포함하지 않는 음이온도 보고 되어 있는데

많은 양이온과 조합하여 액체화를 달성함이 쉽지 않고

한정된 양이온과 질산음이온이나 산 음이온 등을 결

합시킨 것이 보고 되어 있다(42)

- 최근 H Ohno(43)등은 할로겐 원소를 함유하지 않은

음이온으로 이온액체를 구축하기 하여 헤테로방향환

화합물을 착안하여 이미다졸이나 피라졸 등의 아졸

(azol)류 에서 산성을 띠는 124-triazolate 1234-

tetrazolate 등과 이미다졸리움 양이온을 조합시키는 것

에 의해 이온성 액체를 합성하 다

- 이 이온성 액체는 분자량과 비교해서 하의 비국재화

(非局在化)가 크다 한 할로겐 원소를 함유하지 않

고 C H N의 3종류원소만으로 구성되어 있다

제3장 국내외 기술개발 동향 31

lt그림 3-15gt 할로겐 리이온액체의 구조

쯔 츠 이온성 액체 (Zwitter ionic liquids)

- 한편 M Yoshizawa(44) 등은 이온 도재료로서 이온액

체를 사용하는 경우는 구배에 한 이온액체의 구

성이온종의 이동이 큰 문제로 된다

- 따라서 리튬 2차 지나 연료 지 등 목 이온종의 수

율과 계의 출력과의 계를 디바이스에 응용할 때는

이온 도재료로서 이온성 액체를 사용하는 것으로 양

이온과 음이온을 스페이서(spacer)로 결합하는 것에

의해 실온에서 액체상태인 성 이온 액체(zwitter

ionic liquid)를 제안하고 있다

- 양이온과 음이온을 스페이서로 결합하면 하는 체

로서 성이 되어 하이동이 없는 염으로 되는데 스

페이서가 짧아서 충분한 염해리가 힘드나 어느 정도의

자유도가 얻어지면 zwitterion으로 된다

32 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-16gt zwitter ionic liquids의 모식도

특정이온을 포함하는 이온액체

- 이온성 액체를 이온 도체로 사용하는 과제는 목 이

온의 도입이다 이는 리튬염 등 목 이온을 포함하는

염 등을 이온액체에 용해시켜 도입한다

- 그런데 염의 첨가는 계의 성의 증가 이온 도도의

하를 가져온다 한 이온액체와 상용하는 분자무

기염은 많지 않고 첨가염의 종류도 한정되어있는 것이

문제이다

- 이의 해결이 자의 zwitter ion이고 두 번째가 목 이

온을 실온에서 액체화가 가능하면 문제가 해결된다

이러한 방법으로 각종의 알칼리 속 이온성 액체

(alkali metal ionic liquid)를 개발하 다(45)

- lt그림 3-17gt은 알칼리 속이온성 액체는 2가의 응

음이온과 1가의 오니움(onium) 양이온 1가의 목 이

온으로 구성된다

lt그림 3-17gt 알칼리 속이온액체의 개념도

제3장 국내외 기술개발 동향 33

- 이온액체는 구성하는 이온 간의 정 기 상호작용은

없을수록 좋으므로 강한 상호작용을 일으키는 다가이

온의 사용은 물이다 당 리튬 양이온의 이온액체

가 목 이나 여러 가지의 알칼리 속이온도 액체로

되는데 이를 응용하면 로톤을 포함하는 이온액체도

얻어지게 된다

이온액체의 합

- 이온성 액체는 분자 디자인이 용이하기 때문에 고분자

구조를 도입하는 것도 가능하며 이온성 액체의 고분

자화로는 각종의 고분자와 혼합한 겔화가 알려져 있지

만 이온성 액체 에 합기를 직 도입하여 고분자

화 하는 것에 의해 이온 도성뿐 아니라 디바이스의

다운사이징(down-sizing)에 기여할 것으로 망하고

있다(41)

- lt그림 3-18gt은 고분자화 이온액체를 나타내는데 종래

의 polyethyl-eneoxide유도체에 의존하지 않는 새로운

이온 도재료로서 검토된다

- lt그림 3-18gt에서 양이온과 음이온의 한쪽이 고분자의

주쇄에 고정되어 있어서 도 이온종을 선택하는 이

유용하다 한 구성이온종의 양방이 고분자 주쇄에

고정된 구조는 이온 도성을 나타내지 않으나 목 이

온의 첨가로 선택 도가 일어난다(46)

34 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-18gt 이온액체폴리머의 변화

자기조직화 이온액체

- 이온액체는 등방성의 액체로서 3차원 인 이온을 운반

하는 것이 가능하다 이로서 차원제어를 행하고 특정

방향으로 이온을 수송하는 시도가 있다 이를 해 자

기 집합력을 이온액체에 부여할 필요가 있다

- 이온액체의 자기조직화에는 양친매성화합물(兩親媒性

化合物)의 성질을 이용한다 극성성분이 있는 이온액

체에 비극성기(탄화수소쇄 탄화불소쇄)를 도입한 양

친매성 이온액체는 벌크로 써모트로픽 액정성을 발

하여 극성 비극성기가 분자 벨에서 상분리된 구조

를 형성한다

- 이 액체 도메인 에는 이온성 액체자신은 용융되어

높은 운동성을 갖는 알킬기의 집합층에 고정된 상태일

것으로 생각된다 여기에 리튬염을 첨가하면 비극성염

을 갖지 않는 리튬이온의 우선 인 수송이 기 된

다(lt그림 3-19gt 참조)

제3장 국내외 기술개발 동향 35

lt그림 3-19gt 이온성 액체 도메인 의 목 이온수송의 모식도

새로운 용매

- Alabama 학의 Rogers 등은 셀룰로오스를 용해시키는

이온성 액체로서 bmim Cl(1-butyl-3-methylimidazolium

chloride)을 개발하 다(47)

lt그림 3-20gt bmimCl의 구조

- Bmin Cl은 실온에서는 고체로서 75에서 용해되지만

100 정도로 가열한 bmim Cl에 종이(셀룰로오스)를

침지하면 순식간에 용해된다 이 용액을 시린지

(syringe)에 의해 물 에서 용출(溶出)시키면 셀룰로

오스 화이버가 생성된다 풍부한 목재자원을 셀룰로스

로 추출하는 시도가 이루어지고 있다

36 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

- 한 핵산류를 용해시킨 이온액체를 개발하고 있는데

DNA나 RNA는 물에 쉽게 용해되지 않는데 이를 용

해시키는 이온액체가 얻어졌다 일정량의 핵산을 용해

시키는 온도는 사용하는 이온액체의 구조에 크게 의존

한다(48)

- 특히 분자내 는 분자간의 수소결합을 단하는 능

력이 요구되는데 여기에는 염소음이온의 효과가 큰 것

으로 알려져 있다 염소를 포함하는 염은 일반 으로

융 이 높고 실온에서 액상으로 존재하기가 어려운

이 있다

- 이는 음이온의 부 하가 비국재화하고 있지 않기 때문

에 정 인 상호작용이 강하게 작용하고 있는 결과이

다 이를 피하기 해 양이온구조를 개선하여 상온에

서 액체의 염화물 염을 합성한다(49)

- 이 방법으로 양이온 구조를 개선하여 실온에서 액체상

태 염화물염인 aaim Cl(13-diallylimidazolium chloride)

를 개발하 다 aaim Cl은 융 이 21 부근이지만 한번

용융하면 과냉각 상태에서도 안정하여 실온에서 사용

가능하다 단지 도가 높은 것이 난 이다

단백질의 기화학반응용 해질용액

- 단백질의 기화학 인 성질로서 단백질을 이온액체에

용해시키는 것은 통상의 고분자를 용해시키는 것과는

차원이 다데 단백질의 기능은 펩사이드쇄의 3차 구조

에 크게 의존하기 때문에 3차구조가변하면 변성에 의

해서 목 달성이 되지 않는다 따라서 무리한 용해작

업은 변성을 래한다

제3장 국내외 기술개발 동향 37

- 이에 하여 PEO(polyethylene oxide)의 에테르산소가

이온과 강하게 상호작용하고 있다 이는 가용성을 의

미하며 PEO가 단백질과 이온액체를 용해하여 단백질

의 안정성을 향상시킨다 종래 바이오디바이스의 작성

이 곤란했든 것은 수 에서 단백질의 불안정성에 기인

하 는데 사용 온도에 따라 이온액체 의 단백질의

기화학이 새로운 가능성의 개척을 시사한다(50)

5 국내동향

이온액체의 매반응분야(51)

- 한국과학기술연구원 송충의 박사는 이온성 액체를 키

랄 화합물 제조를 한 매반응에 도입하여 고가인

매와 용매의 반복 사용을 가능하게 함에 따라 결

국 매와 용매의 소비를 최소화시킬 수 있는 소 청

정 비 칭 매반응을 개발하 다

- 즉 Jacobsons chiral (salen)MnIII

매 존재 하에서

22-dimethylchro-mene의 비 칭 에폭시화 반응시

[bmim]PF6와 CH2Cl2 (14 vv) 혼합물 용매를 사용

함으로써 96-94의 학순도로 chromene oxides를

합성하는데 성공하 다 이온성 액체를 첨단유기합성

기술인 학활성화합물 제조기술개발에 용함으로써

용매와 매의 소비를 최소화하는 반응과정을 개발하

고 있다

- 이와 같은 기술은 화학 산업에서의 공해 요인을 감소

38 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

시킬 것이며 특히 노벨화학상 수상분야인 비 칭

매반응 분야의 최 문제 으로 지 되었던 키랄 매

의 분리 재회수가 가능하게 되었다는 에서 기술

으로도 우수한 성과라 할 수 있다

- 한 이온성 액체 내에서 일부 매반응이 가속화될

수도 있고 선택성 매의 안정성 역시 향상될 수

있음을 밝혔으며 더욱 놀라운 결과로는 기존의 유기

용매 내에서는 진행되지 않던 일부 반응이 이온

성 액체 내에서는 정량 으로 진행될 수 있다는 것이

- 한 많은 요한 유기반응에서 이온성 액체가 용매로

서뿐 아니라 자신이 재사용 가능 한 매로도 작용할

수 있음을 밝힌 바 있다 이러한 일련의 결과들은 이

온성 액체가 21세기에 매분야뿐 아니라 체 유기화

학분야의 새로운 장을 열고 있다는 에서 요한 의

미를 지닌다고 할 수 있다

합성 응용분야(52)

- 한국과학기술연구원 김훈식 박사 연구 은 KSeO2

(OCH3)를1-alkyl-3-methylimidazolium chloride와 반

응시켜 새로운 이미다졸륨 알킬셀 나이트 ([Rmim]

[SeO2(OCH3)]) 화합물을 합성하 다

- 아민화합물의 산화성 카르보닐화 반응을 통한 치환된

우 아 제조 반응에서 기존의 KSeO2(OCH3)을 매로

사용하 을 경우에 비해 이 화합물은 보다 온화한 반

응조건을 제공할 뿐 아니라 이소시아네이트의 구체

인 치환된 우 아와 카바메이트를 고수율로 합성할 수

제3장 국내외 기술개발 동향 39

있었다

- 재 이온성 액체를 이용한 분리 유기 속화합물을

함유한 고활성 매로서의 이온성 액체의 합성 응

용에 한 연구를 수행하고 있다

- 포항공과 학교의 김만주 교수 연구 은 Lipase를

[PPMIM]PF6 (PPMIM = 1-(3-phenylpropyl)-3-

methylimidazolium)와 혼합시켜Ionic liquid-Coated

Enzyme (ILCE)을 합성하 다 이 새로운 타입의

immobilized biocatalyst는 2차 알코올의 transest-

erification 반응을 통한 acetylated 화합물합성에 높은

활성과 재사용성을 보여 주었으며 이러한 연구결과를

다양한 생화학분야에 용하기 한 연구를 수행하고

있다

- 인하 학교의 지 윤 교수연구 은 alkyl mesylate로부

터 fluoro-alkane을 합성하는 반응에서 이온성 액체를

용매로 사용함으로써 기존방법에 비해 부반응이 거의

없고 생산성이 히 증가된 결과를 얻었으며 이러한

결과를 실용화시키기 한 연구를 지속하고 있다

- 신약개발 바이오벤처 기업 씨트리(C-TRI)는 이온성

액체를 이용한 학활성 화합물제조 기술개발회사로

서 지난 상반기에 31억원의 매출을 올렸으며 최근 이

온성 액체를 이용한 신약개발과 정 화학사업에 필요

한 연구 인력을 거 보강하여 이온성 액체 련사업

을 추진하고 있다

41

제4장

결론 및 제언

향후의 방향

- 이온성 액체에 한 앞으로의 망은 이온성 액체를

주 테마로 하는 국제회의가 증가하고 있다 미국화학

회는 작년 9월 New York에서 이온성 액체에 한 세

션이 개최되어 열띤 토론이 진행 되었다

- 2004년 3~4월에 Anaheim에서 개최된 세션은 ldquo이온성

액체와 고분자rdquo 다 유럽과 미국에서는 이온성 액체

를 반응용매로 보는 것이 주류를 이루고 있었다

- 2004년 10월 Hawaii에서 기화학의 미일합동 회가

열린다 주제는 이온성 액체(용융염)에 한 연구이었

- 앞으로도 이온성 액체에 한 연구는 증가할 것이고

여러 가지 배경을 갖고 있는 연구자들이 서로 다른 목

표를 가지고 연구에 노력할 것이라 생각된다

국내사정

- 우리나라의 황을 보면 재석유화학 의학 산업에

서만 약7억불에 달하는 유기용매가 사용되고 있으며

이들을 모두 체할 수 있다면 최 7억불시장을 형성

할 수 있으므로 이온성 액체의 시장잠재력은 매우 크

42 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

다 하겠다

- 이온성 액체는 휘발성유기화합물을 체할 수 있을 뿐

만 아니라 고가의 귀 속 매를 이온성 액체 층에 고

정화 시킬수 있어 매의 회수 재사용을 용이하게

하며 매의 활성도 안정도 선택도까지도 획기

으로 증가시킬 수 있으므로 환경 측면은 물론 경제

인 에서도 바람직한 청정용매라 할 수 있다

- 상기한바 와같이 이온성 액체의 잠재 인 응용가능성

은 앞으로 무한할 것으로 사료되므로 국내에서도 이에

한 연구자들의 심과 더불어 정부 기업체에 의

한 연구지원이 지속 으로 이루어져야 할 것이다

후의 과제

- 통상의 용매로 이온성 액체를 이용하는 경우에는 내구

성 제조가격 등의 인자가 요하지만 목 이 한정된

이온성 액체의 이용에 있어서는 목 하는 기능을 요

시할 필요가 있다

- 많은 이온성 액체가 합성되고 있으나 원하는 높은 물

성을 갖는 이온성 액체를 설계하는 데 기본이 되는 이

론이 아직은 없는 편이다 이를 해서는 특히 이온성

액체의 구조-물성의 상 계가 밝 져야 하는데 많

은 연구가 진행되고 있음에도 불구하고 그 계가 밝

지지 않고 있다 따라서 상태로서는 원하는 이온

성 액체를 직 만들어서 평가하는 방법밖에 없는 게

실이다

- 그러나 도화와 열안정성 등과 같이 상반 계에 있

는 특성은 하나의 라미터를 변화시키는 것에 의해

제4장 결론 및 제언 43

한 쪽의 특성은 양호하게 되지만 다른 한 쪽의 특성이

악화되는 것을 피할 수 없는 성질로서 아직 양쪽을 동

시에 만족하는 이온성 액체는 실 하지 못하고 있다

- 향후 이온성 액체는 청정용매의 개발과 더불어 새로

운 청정 공정기술의 개발을 통하여 신소재 신물질 생

산 공정을 환경친화 이면서 경제성 있는 공정개발에

기여할 것으로 기 된다

- 특히 비닐기 같은 합성 기능기를 이온성 액체의 단

구조로 도입하여 단독 합이나 공 합을 통해 고분

자화한 이온성 액체를 만들 수 있어 이를 잘 활용하여

이온 지라든가 연료 지 등의 해액으로 응용의 길

이 열린다면 학문 으로나 공업 으로 큰 의의가 있으

리라 생각되며 이 분야의 연구가 활성화되길 기 한

45

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저자소개

손 목

공학박사

한국에 지기술연구소 원장

한국과학기술정보연구원 문연구 원

서 수소 연료 지 개스 센서기술 등

강 종 석

공학박사

한국과학기술정보연구원 선임연구원

서 BT분야 국가연구개발 심층분석

리튬이차 지 등

BB088 손 목강종석

이온성 액체의 반응성 및 전기화학적

특성 연구동향

2005년 12월 19일 인쇄

2005년 12월 23일 발행

발행처

서울특별시 동 문구 청량리동 206-9

ꂕ 130-742

화 3299-6114

등록 1991년 2월 12일 제5-258호

발행인

조 화

인쇄처

신기획

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ITA 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NOR 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 SVE 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Page 12: 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향gift.kisti.re.kr/data/IAC/files/KISTI-200512-SYM-ion_fluid.pdf · ※ 이온성 액체는 사용되는 음이온의

8 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

질이다

- 다른 이온성 액체와는 달리 docusate는 친유성이며

hydrocarbon과잘 섞이는 특성을 갖는다

융 련 성질

- Rogers 등에 의해 최근에 밝 진 이온성 액체의 특성

은 Cl과 같은 할로겐 음이온은 셀룰로스나 다른

oligosaccharide와 같은 생화학 물질들이 이온성 액체

에 녹는 것을 진시킨다는 것이다(8)

- 이온성 액체가 녹아있는 매질들과 특정의 상호 작용이

있는 성질을 이용하여 양이온 음이온 각각에 특정

의 기능기를 도입하는 새로운 연구가 진행되고 있다

이온성 액체에 부가되는 기능기는 이온성 액체의 반응

패턴을 증가시키거나 특정 물질과의 상호 작용을 증

가시키는 등 다양한 특성을 부여할 수 있다

- 150 이하에서 녹는 이온성 액체는 재 100개 이상

의 종류가 매된다(9) 디자인된 양이온과 다른 음이온

과의 조합은 다양한 범 의 녹는 을 가진 새로운 이

온성 액체를 얻을 수 있는데 이를 incognito 이온성

액체라고 한다

- incognito 이온성 액체로 18-diazabicyclo[540] undec-

7-enehydro tribromide (DBU-HBr mp 119-122)는 높

은 수율의 aromatic bromination을 얻는 좋은 반응물이

다(10)

상업 으로 쉽게 얻을 수 있는 융 을 갖는 아미노산 유

도체인생체 물질들도 이온성 액체의 개발에 사용될 수 있다

제2장 기술의 개요 9

- L-alanine ethyl ester hydrochloride (mp 78)

L-serine methylester hydrochloride (106)들이 이

다(11) 정의한 이온성 액체와는 좀 다른 특성이기는

하지만 융 을 갖는 염으로는 같은 의미로 볼 수

있다

lt그림 2-4gt 상품화된 다양한 이온성 액체

3 이온성 액체의 합성방법

헤테로 고리화합물을 활용한 합성제법이 가장 많이 알려

져 있다

- 지 까지 많은 이온성 액체가 설계되고 있으나 부분

은 이미다졸륨 등의 헤테로 방향환을 기본으로 하는

양이온으로 구성되어 있다 짝음이온의 종류에 따라

다른 성질을 보이기는 하지만 헤테로환 양이온 특히

10 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

이미다죨륨 양이온으로 구성된 염은 낮은 융 을 나타

낸다

lt그림 2-5gt 이온성 액체의 합성법

- 이온성 액체는 할로겐화 알킬을 아민의 제4 화 반응

에 의해 염을 얻고 이것을 한 음이온으로 교환하

여 얻는다 이 방법은 음이온교환반응에서 생기는 부

산물을 완 히 제거하기 어려워서 원하는 염을 높은

순도 높은 수율로 얻기는 쉽지 않고 사용하는 음이온

종류도 한정된다(12)

- 3 아민과 로톤산의 화반응으로 이온성 액체를

합성하는 방법이 새로 개발되었는데 이 방법은 부산

물의 혼입에 의한 순도의 하도 억제할 수 있으며 합

성이 가능한 이온성 액체의 종류도 풍부하다

- 이온성 액체의 모델 설계 혹은 구성하는 이온 구조

최 화를 의도한 스크리닝(screening)을 활용하여 많

은 종류의 이온성 액체가 합성되고 있으나 원하는 우

수한 물성을 갖는 이온성 액체의 설계지침은 아직까지

불완 하다 구조-물성의 상 계를 찾고자 많은 연

구가 진행되고 있으나 아직까지 일반 인 계를 찾

제2장 기술의 개요 11

지 못하고 있는 실정이다 즉 신규 이온성 액체를 찾

아낼 가능성이 아직 많다고 하겠다(13)

4 이온성 액체의 응용분야

이온성 액체의 특이한 성질을 이용하여 여러 응용이 제

안되고 있다 크게 환경부하가 은 그린(green) 용매로

서의 응용과 새로운 이온 도성 재료로서 응용으로 2분

야로 크게 나 수 있다 그린 용매로서의 연구는 주로

유럽과 미국에서 이온 도성 재료의 연구는 상 으

로 일본에서 연구가 많이 진행되고 있다

그린 용매(기능성 용매)

- 화학공정의 반응계에서 사용되는 용매 특히 유기용매

가 기나 하천 등으로 확산되는 것은 환경문제이다

더욱이 유기용매의 인화성이나 폭발성 작업종사자의

피독 등 안 에 한 문제가 요하다

- 이온성 액체를 그린 용매로서 응용하는 것은 일반 인

휘발성 용매를 체하는 반응용매(반응장)로서 응용으

로 에서 설명한 문제 을 한꺼번에 해결할 수 있는

가능성이 있다

- 이온성 액체를 용매로 사용할 수 있는 반응 로서 유

기합성 반응계 분리 추출 등 여러 분야가 있으며 생

체유래분자의 반응에도 검토되고 있다

- 최근에 이 분야의 연구의 방향은 이온성 액체의 분자

12 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

설계 장 을 이용하여 기능을 갖는 구조를 도입할 수

있다 실제 매활성이나 귀 속 회수 등의 기능

부여가 연구되고 있다 Davis등이 제창하는 Task-

Specific Ionic Liquid(14)라 불리는 차세 이온성 액체

가 그 좋은 이다

이온 도체

- 이온성 액체는 불휘발 불연성 특성이 있어 기존에

해액으로 사용되어온 유기용매가 갖고 있는 휘발성

인화성이라는 문제를 해결 할수 있다 따라서 이온

도성 재료로서의 연구는 리튬이온 지 연료 지 색소

증감 태양 지 작동장치(actuator) 커패시터(capacitor)

등의 이온성 소자용 해액 응용을 들 수 있다(3)

- 실제로 이온성 액체를 해액으로 사용하기 해서는

재 개발 된이온성 액체의 모든 물성을 개선하는데

범 한 분자설계로부터 물성과 구조의 계를 연구

하고 이를 통해 이온 특성을 최 화할 필요가 있다

- 보다 실제 인 응용을 해 이온성 액체 그 자체를

해액으로 사용하기보다는 고분자화에 의해 고체 해

질로서 하는 쪽이 더 좋은 경우가 있다 고분자화 된

이온성 액체의 특성은 이온성 소자의 소형경량화나 박

막화 안 성의 향상도 기 된다

- 재까지 얻어진 고분자 구조를 보면 고분자의 가지사

슬에 양이온음이온의 양쪽을 고정시킨 공 합 고분자

형 극성 이온형 등은 목 하는 이온만의 이동이

요구되는 응용에 당하다(15)

제2장 기술의 개요 13

다른 분야 응용

- 다른 분야의 응용 실례로는 자 도성 액체 윤활유

임계유체와의 혼합계 표면 개질제 등이 있다 휘발

하지 않는 액체 실온에서 액체상 염이라는 특징을 살

려 앞으로 다른 분야의 연구자와 교류를 통하여 이온

성 액체의 새로운 가능성을 열어갈 수 있다

15

제3장

국내외 연구개발 동향

1 연구의 방향

이온성 액체의 연구는 술한바 반응용매로의 이용과

해질 용액으로서의 이용으로 크게 분류된다

- Grignard 시약을 사용하는 반응 이외에는 부분이 이

온성 액체 에서 반응하는 것이 가능한 것으로 일반

의 유기합성 반응에서부터 고분자 합성까지 다양한 반

응이 검토되고 있다

- 소수성이 강한 불소함유 이온성 액체는 액액(液液)

의 2층으로 분리가 되어 물층의 에 무거운(비 15

정도) 이온성 액체층이 생성되는데 이를 이용하여 공

장 배수로부터 유기물을 추출하는 등 배수처리에 응용

할 수 있으며 반응물의 회수도 가능하다

해질 용액으로의 이용은 이온성 액체가 높은 이온

도성을 가진 것과 폭넓은 온도 역에서 액상을 유지하

면서 불연성인 것 창(電位窓)도 넓고 기화학 으

로 안정한 것 등의 특징을 가지고 있어 각종 기화학

디바이스에의 이용이 검토된다

- 이온성 액체가 해질 용액으로서 이용될 때 특히 특

16 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

정 이온의 이동(移動)이 기능발휘에 요한 역할을 하

는 경우에는 다음과 같은 두 가지의 을 고려해야

한다

용매로서 사용하는 이온성 액체를 구성하는 이온이

구배(potential gradient) 하에서 이동하도록 제어하

여 목 이온만을 도시킬 필요가 있다

목 이온을 성분으로 하는 이온성 액체가 거의 알려

져 있지 않기 때문에 목 이온을 함유한 염을 용해시

켜서 이용하는 것이지만 첨가한 염은 이온성 액체에

한 용해도가 일반 으로 높지 않다 용해성을 개선

하기 해서는 이온성 액체의 성분과 같은 이온을

응 이온으로 하는 염을 이용해야 한다

- 이온성 액체는 높은 이온 도성과 용질의 가용성(可

溶性) 등을 이용하여 해합성(電解合成)이나 해

합에도 응용되고 있다

2 반응장으로서 이온성 액체의 활용

농약 간체로서 요한 학활성체와 고분자 물질 생산

에 있어 용매 역할로 이온성 액체를 사용하여 그 가능성

특성에 하여 소개한다

제3장 국내외 기술개발 동향 17

학활성인 불소계 물질의 제조

불소계 물질은 의농약의 합성 간체로서 요하나 비

칭 불소화 반응에는 가 다

lt그림 3-1gt 비 칭 불소화 반응

- 이온성 액체 에서는 온에서도 사용 가능한 헥실=

메틸=이미다졸리움헥사후루오로포스페이트

[hmim][PF6]을 사용하여 구핵반응에 의해 비 칭 불

소화 반응이 일어나 높은 학순도의 불소화체를 합성

하고 있다(16)

- 이 반응의 과제는 학순도의 향상과 용 가능한 물

질을 넓히는 일이다 학활성 에폭시알코올의 불소화

로 학활성 불소화에폭시 화합물을 합성하는 것이 가

능하다고 알려져 있다(17)

18 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-2gt 학활성인 불소화 에폭시

비 칭 알돌(aldol) 반응

- 효소 알돌라아제(aldolase)에 의한 비 칭 합성을 모방

한 화학 매에의한 탄소-탄소 결합 형성 반응은 합성

화학의 요한 과제 이다(18) 용제로서 「재사용 가능

한」 이온성 액체를 이용하고 매로서 L- 로린

(proline)을 사용한 반응장에 한 몇 가지 보고가 나

와 있다(19)

lt그림 3-3gt L-proline을 매로 하는 알돌형 반응

제3장 국내외 기술개발 동향 19

- 아세톤과 L- 로린으로 형성된 에나민(enamine)을 반

응 기질(基質)로 하여 방향족 알데히드류와 알돌형 반

응에서도 지방족 알데히드 사이에서의 크로스 알돌형

반응에서도 꽤 높은 학순도의 생성물이 얻어지고 있

다(20)

- 기질로서 에틸=메틸= 톤을 사용할 때에도 높은

학순도로 입체제어를 행할 수 있고 반복 반응장으로

서 사용해도 재 성 좋게 생성물이 얻어지는 것을 확

인하 다

- 클로로아세톤으로부터 생성한 할로히드린을 간체로

서 학활성의에폭시 화합물로 변환할 수 있는 것도

알려져 있으나 학순도는70~80 정도이고 물질 제

조로서는 만족할 만한 학순도는 아니다(21)

- 기질인 알데히드류와 로린으로부터 형성된 반응

간체는 Michael addition(마이클 부가반응)을 용이하게

진행시킬 수 있다 이 반응에서는 수용체(受容體)의

LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital) 에

지가 하하고 구핵제(求核劑)의 공격을 받기 쉽게 되

는 것이 필요하여 불소계 물질이 합하다

- 로린 이외의 유기분자에서는 디에틸아미노트리메틸

실란을 매로서 이용한 불소계 물질의 선택 인 올

핀류 합성이 발표 되었다이 반응계에서는 알데히드류

와 매로부터 생성한 반응 간체가 불소계 헤미아세

탈류로 되고 간체로부터 입체 선택 으로 편일방(片

一方)의 올 핀류를 생성하고 있다(22)

20 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

학활성인 이온성 액체

- 학활성인 이온성 액체는 학활성인 아민계 물질을

출발원료로 해서 합성되고 있는 경우로 니코틴을 출발

물질로 학활성인 이온성 액체를 만들 수 있다(23) 할

로겐 교환법을 사용하는 합성법의 첫 단계에서 얻어지

는 니코틴의 롬염은 고체이지만 LiNTf2로 음이온

교환을 하면 도가 높은 이온성 액체가 얻어진다

lt그림 3-4gt 수종의 학활성인 이온성 액체

합성된 이온성 액체 [Et(S)-nicotine]NTf2를 Diels-

Alder 반응의 반응 용매로서 사용한 결과 기 한 바와

같이 양호한 수율로 생성물이 얻어 졌지만 3 아미노

기가 염기성 매로서 작용을 하여 비 칭 반응장으로

서의 기능은 나타나지 않았다

제3장 국내외 기술개발 동향 21

lt그림 3-5gt 학활성 이온성 액체의 염기성 매로서의 기능발

를 들면 디엔 체의 3-히드록시 -2피론을 사용하여

Diels-Alder 반응을 하면 루이스산이 기질에 결합하여

기질의 HOMO(the highest occupied molecular orbital)

에 지 가 하되고 반응이 진행하지 않는 것이

확인되었다

dienophile(2 결합을 한개 가진 화합물)로서 아크

릴산메틸을 사용하면 높은 수율로 endoexo = 31의

목 하는 화합물을 얻을 수 있으나 이 반응을 보통

이온성 액체[emim][NTf2] 에서 행하면 진행하지 않

는다(24)

에폭시화 반응

- 합성 간체로서 주목되는 에폭시 화합물도 이온성 액

체 에서 합성되고 있다 효소의 산화반응을 이용하

여 과산화수소를 사용해서 계 에서 과 산을 생성시

켜 효소반응과 화학반응을 연속 으로 조합시켜 에폭

22 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

시 반응이 일어나고 이온성 액체를 반응장으로 사용

한 시스템이다(25)

lt그림 3-6gt 효소반응을 활용한 에폭시화 반응

- 기질류(基質類)에서의 비 칭 에폭시화 반응에서 얻어

진에폭시 화합물의 학순도는 높기 때문에 실용 인

합성방법이며 이 시스템에서는 이온성 액체를 5회 반

복 사용하여도 수율이나 학순도의 변화가 없음이 보

고 되고 있다(26)

lt그림 3-7gt 비 칭 에폭시화 반응

제3장 국내외 기술개발 동향 23

비 칭시아노화 반응 비 칭 사이클로 로 화 반응

- 알데히드류의 비 칭시아노화 반응에서도 비 칭 매

를 활용함으로서 학순도가 98정도로 원하는 생성

물이 얻어지고 있으며 이온성 액체의 반응장으로서 유

용성을 보여주고 있다(27)

lt그림 3-8gt 비 칭 시아노화 반응

- 디아조화합물을 사용하는 사이클로 로 화 반응에서

생성하는 시스체와 트란스체의 기하이성체 비는 높지

않으나 각각 학순도는 상당히 높은 것이 얻어진

다(28)

lt그림 3-9gt 비 칭 사이클로 로 화 반응

24 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

이온성 액체 에서의 고분자 합성

- 이온성 액체 에서 합반응을 행하면 MwMn비가

작게 되는 것으로 보고 되었다 이온성 액체를 이용하

여 합개시제로서 과산화벤조일이나 아조비스이소부

틸로니트릴을 사용한 스티 메틸메타크릴 이트의

호모(homo) 합에서 생성물은 이온성 액체로부터 여

과하는 것만으로 분리가 가능하고 회수한 이온성 액체

를 합용 용매로서 재이용이 가능하고 생성된 고분자

체의 분자량도 증가한다

lt그림 3-10gt 이온성 액체[bmim][PF6] 의 스티 의 합반응

중합용매

개시제 중합용매 수율() 분자량

중합용매

개시제 중합용매 수율() 분자량

- 벤젠 에서와 비교하여 이온성 액체 에서 합도

(重合度) 더욱이 생성물의 수율이 향상하는 것은 이

온성 액체의 도가 벤젠에 비하여 높아 연쇄 이동을

일으키기가 어렵고 생성한 폴리머 라디칼이 용매계로

부터 계외(系外)로 배출되기 쉽기 때문이라 생각된다

- 더욱이 이온성 액체 에서 AIBN(22-Azobis (isobuthy-

제3장 국내외 기술개발 동향 25

ronitril)) 내지는 BPO(benzoylperoxide)를 합개시제

로 한 스티 과 메틸메타크릴 이트의 라디칼 공 합

에 하여도 검토되고 있다

- 공 합 반응은 스티 의 첨가 몰비를 MMA에 비해

증 시켜도 코폴리머 분자량 모노머의 변화율이

하하는 경향이 있다 이 결과는 벤젠을 용매로 한 공

합계와 반 의 경향이고 이온성 액체의 극성이 높아

스티 에 비하여 극성 용매 에서 MMA의 합성이

높아지기 때문이라고 생각된다(29)

lt그림 3-11gt 이온성액체[bmim][PF6] 의 공 합 반응

3 촉매반응에서의 이온성 용액

매반응에서 이온성 용액은 자체 매성 보조 매 매활

성자 매 심의 새로운 리간드의 원 반응을 한 용매

등으로써 용된다(30)

26 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

유기 매로서의 이온성 용액

- 이온성 용액을 매반응에 사용하는 가장 좋은 방법은

용매와 매를 조합해서 사용하는 것이다 용매를 바

꿀 때마다 반응이 빨라지면 새로운 용매는 매 역할

을 한 것으로 본다

lt그림 3-12gt methyl acrylate와 [C4C1im]+ 양이온 사이의 수소결합

- 염화알루미늄염(III)(AlCl3) 이온성 용액에서 자치

환 산성 이온성 용액에서 아 (arenes)의 좋은 용해

성과 결합한 산성의 염화알루미늄염 이온성 용액의

높은 농도 [Al2Cl7]-는 친 자성 방향족 치환을 한

이상 인 용매로 만들 수 있다 산성인 [C2C1im]

Cl-AlCl3에서 1-염화 로 과의 벤젠 알킬반응에서 알

킬 고분자화가 측되었다 이이온성 용액시스템은 높

은 활동성과 선택성을 보 다(31)

- 유기용매로서 이온성 용액 이온성 용액은 지난 수년

간 유기 매 반응에 새로운 흥미를 갖기 시작하 으며

이 분야에 향을 수 있는 가능성을 가지고 있다

유기 매 반응에 한 근방법은 흔히 디엘-알더

(Diels-Alder) 환형추가 그 유도체인 수소결합의

상호작용 반응을 통해서이다(32)

제3장 국내외 기술개발 동향 27

보조 매로의 이온성 용액은 올 핀의 이합체화 (Olefin

dimerization)에서 니 매로 산성염화알루미늄염의 이

온성 용액이 로펜을 헥센에 이합체화를 한 반응에서

용매와 보조 매의 조합으로 사용한 첫 번째 경우이

다(33)

리간드 원으로서의 이온성 용액

- 수소화와 수소포르 화 반응 수소화 반응 수소포

르 화 반응을 해 용매로서 [Et4N][SnCl3]의 PtCl2용

액은 속에 매의 확실한 분해도 없이 올 핀의 수

소화에 효과 으로 매반응을 일으켰다 공기와의

을 피하도록 하는 가운데 활성화의 손실이 없이

매용액을 계속 으로 사용함으로써 반응이 이루어진

다(34)

- 팔라듐 NHC착물의 형성 이온성 용액은 팔라둠 매

반응의 넓은범 의 용매로 사용되어 왔다 이 연구과

정에서 재미있는 화학 상은 HHC착물과 나노 입

자의 형성이었다 이는 아직 논쟁의 상이 되고 있다

NHC착물은 이미다졸리움 이온성 용액에서 형성되며

기 하지 않는 반응성 는 선택성이 감지될 때 이를

항상 고려해야한다(35)

28 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-13gt NHC 매의 lactide 합에서의 ring opening

- 이온성 용액에서 나노입자의 형성 최근에 매로서

나노입자의 사용이 증가되는 심분야이다 1996년

Kaufmann이 이온성 용액에서처음으로 팔라듐의 매

반응을 보고하 다 일련의 아릴 롬이[C16PbBu3]Br

는 [Bu4N]Br에서 노말-알킬 이트와 결합하여 수율

90이상의 trans-시안염을 생성하는 반응이었다(36)

반응 용매로서의 이온성 용액

- 알 수소화 반응 [SbF6]- 와 [PF4]-의 두 이온성

용액에서 수소화 반응의 속도는 알 용액에서보다 훨

씬 높았다 왜 이 이온성 용액이 개선되었는지에 해

서는 아직 연구된 바가 없다 실제 매의 실체조차확

인이 안 되었다 반응용액으로부터 생성된 알 은 분

리가 쉬웠고 매를 함유한 용액은 순환되었다(37)

lt그림 3-14gt [C4C1im][PF6]의 수소포르 화 매의 두형태의 평형

제3장 국내외 기술개발 동향 29

- 산화 비록 재 사용되는 부분의 이온성 용액은 산

화에 안정 이고 산화과정에 이상 인 용매를 제공하

고 있지만 이것은 불과 지난몇 년 사이의 일이었다

Ni(acac)2는 [C4C1im][PF6]에서 해당되는 산의 라-

치환 benzaldehydes를 보통의 수율로 공기 에서 산

화반응의 매로 사용되어 왔다(38)

기화학 매용매로써의 이온성 용액

- 자화학을 이끄는 이온성 용액은 기화학 합성용

용매로서 가능성을 보이고 있다 최근에는 Ni이 알킬

벤질 아릴 할로겐화합물의 기 도성 동종결합

(electro conductive homo-coupling) 반응에 매로 보

고 된 바 있다 니 (II)착물은 니 (0)의 종에 하여

환원되고 방향성 할로겐화물에 첨가되어 할로겐 화합

물이 된다는 제안이 있었다(39)

이온성 용액의 고정화

- 반응시스템이 액체일 때 많은 장 이 있지만 때로는

그것을 고정화(immobilize) 시킬 필요가 있다 이온성

용액을 고정화 시키는데 심이 모아지고 있으며 첫

번째의 시도가 이온성 용액- 합체 겔을 만들기 하

여 고분자 vinylidenefluoride- hexachloropropylene의

공 합체를 사용한 것이다(40)

30 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

4 근대의 동향

할로겐 리이온액체

- 근년 이온성 액체에 한 연구가 많이 수행되고 있지

만 합성하고 있는 이온성 액체의 구조는 의외로 한정

되어 있으며 양이온은 테트라알킬암모늄(tetraalkyla-

mmonium) 피롤리디니움(pyrolidinium) 이미다졸리움

(imidazolium) 피리디니움(pyridinium) 등과 같이 비

교 다양성이 풍부한 반면에 음이온 종류는 BF4

PF6 CF3SO3 (CF3SO2)2N 등 할로겐 원소를 구조

에 함유한 것은 일반 으로 종류가 많지 않다(41)

- 할로겐을 포함하지 않는 음이온도 보고 되어 있는데

많은 양이온과 조합하여 액체화를 달성함이 쉽지 않고

한정된 양이온과 질산음이온이나 산 음이온 등을 결

합시킨 것이 보고 되어 있다(42)

- 최근 H Ohno(43)등은 할로겐 원소를 함유하지 않은

음이온으로 이온액체를 구축하기 하여 헤테로방향환

화합물을 착안하여 이미다졸이나 피라졸 등의 아졸

(azol)류 에서 산성을 띠는 124-triazolate 1234-

tetrazolate 등과 이미다졸리움 양이온을 조합시키는 것

에 의해 이온성 액체를 합성하 다

- 이 이온성 액체는 분자량과 비교해서 하의 비국재화

(非局在化)가 크다 한 할로겐 원소를 함유하지 않

고 C H N의 3종류원소만으로 구성되어 있다

제3장 국내외 기술개발 동향 31

lt그림 3-15gt 할로겐 리이온액체의 구조

쯔 츠 이온성 액체 (Zwitter ionic liquids)

- 한편 M Yoshizawa(44) 등은 이온 도재료로서 이온액

체를 사용하는 경우는 구배에 한 이온액체의 구

성이온종의 이동이 큰 문제로 된다

- 따라서 리튬 2차 지나 연료 지 등 목 이온종의 수

율과 계의 출력과의 계를 디바이스에 응용할 때는

이온 도재료로서 이온성 액체를 사용하는 것으로 양

이온과 음이온을 스페이서(spacer)로 결합하는 것에

의해 실온에서 액체상태인 성 이온 액체(zwitter

ionic liquid)를 제안하고 있다

- 양이온과 음이온을 스페이서로 결합하면 하는 체

로서 성이 되어 하이동이 없는 염으로 되는데 스

페이서가 짧아서 충분한 염해리가 힘드나 어느 정도의

자유도가 얻어지면 zwitterion으로 된다

32 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-16gt zwitter ionic liquids의 모식도

특정이온을 포함하는 이온액체

- 이온성 액체를 이온 도체로 사용하는 과제는 목 이

온의 도입이다 이는 리튬염 등 목 이온을 포함하는

염 등을 이온액체에 용해시켜 도입한다

- 그런데 염의 첨가는 계의 성의 증가 이온 도도의

하를 가져온다 한 이온액체와 상용하는 분자무

기염은 많지 않고 첨가염의 종류도 한정되어있는 것이

문제이다

- 이의 해결이 자의 zwitter ion이고 두 번째가 목 이

온을 실온에서 액체화가 가능하면 문제가 해결된다

이러한 방법으로 각종의 알칼리 속 이온성 액체

(alkali metal ionic liquid)를 개발하 다(45)

- lt그림 3-17gt은 알칼리 속이온성 액체는 2가의 응

음이온과 1가의 오니움(onium) 양이온 1가의 목 이

온으로 구성된다

lt그림 3-17gt 알칼리 속이온액체의 개념도

제3장 국내외 기술개발 동향 33

- 이온액체는 구성하는 이온 간의 정 기 상호작용은

없을수록 좋으므로 강한 상호작용을 일으키는 다가이

온의 사용은 물이다 당 리튬 양이온의 이온액체

가 목 이나 여러 가지의 알칼리 속이온도 액체로

되는데 이를 응용하면 로톤을 포함하는 이온액체도

얻어지게 된다

이온액체의 합

- 이온성 액체는 분자 디자인이 용이하기 때문에 고분자

구조를 도입하는 것도 가능하며 이온성 액체의 고분

자화로는 각종의 고분자와 혼합한 겔화가 알려져 있지

만 이온성 액체 에 합기를 직 도입하여 고분자

화 하는 것에 의해 이온 도성뿐 아니라 디바이스의

다운사이징(down-sizing)에 기여할 것으로 망하고

있다(41)

- lt그림 3-18gt은 고분자화 이온액체를 나타내는데 종래

의 polyethyl-eneoxide유도체에 의존하지 않는 새로운

이온 도재료로서 검토된다

- lt그림 3-18gt에서 양이온과 음이온의 한쪽이 고분자의

주쇄에 고정되어 있어서 도 이온종을 선택하는 이

유용하다 한 구성이온종의 양방이 고분자 주쇄에

고정된 구조는 이온 도성을 나타내지 않으나 목 이

온의 첨가로 선택 도가 일어난다(46)

34 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-18gt 이온액체폴리머의 변화

자기조직화 이온액체

- 이온액체는 등방성의 액체로서 3차원 인 이온을 운반

하는 것이 가능하다 이로서 차원제어를 행하고 특정

방향으로 이온을 수송하는 시도가 있다 이를 해 자

기 집합력을 이온액체에 부여할 필요가 있다

- 이온액체의 자기조직화에는 양친매성화합물(兩親媒性

化合物)의 성질을 이용한다 극성성분이 있는 이온액

체에 비극성기(탄화수소쇄 탄화불소쇄)를 도입한 양

친매성 이온액체는 벌크로 써모트로픽 액정성을 발

하여 극성 비극성기가 분자 벨에서 상분리된 구조

를 형성한다

- 이 액체 도메인 에는 이온성 액체자신은 용융되어

높은 운동성을 갖는 알킬기의 집합층에 고정된 상태일

것으로 생각된다 여기에 리튬염을 첨가하면 비극성염

을 갖지 않는 리튬이온의 우선 인 수송이 기 된

다(lt그림 3-19gt 참조)

제3장 국내외 기술개발 동향 35

lt그림 3-19gt 이온성 액체 도메인 의 목 이온수송의 모식도

새로운 용매

- Alabama 학의 Rogers 등은 셀룰로오스를 용해시키는

이온성 액체로서 bmim Cl(1-butyl-3-methylimidazolium

chloride)을 개발하 다(47)

lt그림 3-20gt bmimCl의 구조

- Bmin Cl은 실온에서는 고체로서 75에서 용해되지만

100 정도로 가열한 bmim Cl에 종이(셀룰로오스)를

침지하면 순식간에 용해된다 이 용액을 시린지

(syringe)에 의해 물 에서 용출(溶出)시키면 셀룰로

오스 화이버가 생성된다 풍부한 목재자원을 셀룰로스

로 추출하는 시도가 이루어지고 있다

36 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

- 한 핵산류를 용해시킨 이온액체를 개발하고 있는데

DNA나 RNA는 물에 쉽게 용해되지 않는데 이를 용

해시키는 이온액체가 얻어졌다 일정량의 핵산을 용해

시키는 온도는 사용하는 이온액체의 구조에 크게 의존

한다(48)

- 특히 분자내 는 분자간의 수소결합을 단하는 능

력이 요구되는데 여기에는 염소음이온의 효과가 큰 것

으로 알려져 있다 염소를 포함하는 염은 일반 으로

융 이 높고 실온에서 액상으로 존재하기가 어려운

이 있다

- 이는 음이온의 부 하가 비국재화하고 있지 않기 때문

에 정 인 상호작용이 강하게 작용하고 있는 결과이

다 이를 피하기 해 양이온구조를 개선하여 상온에

서 액체의 염화물 염을 합성한다(49)

- 이 방법으로 양이온 구조를 개선하여 실온에서 액체상

태 염화물염인 aaim Cl(13-diallylimidazolium chloride)

를 개발하 다 aaim Cl은 융 이 21 부근이지만 한번

용융하면 과냉각 상태에서도 안정하여 실온에서 사용

가능하다 단지 도가 높은 것이 난 이다

단백질의 기화학반응용 해질용액

- 단백질의 기화학 인 성질로서 단백질을 이온액체에

용해시키는 것은 통상의 고분자를 용해시키는 것과는

차원이 다데 단백질의 기능은 펩사이드쇄의 3차 구조

에 크게 의존하기 때문에 3차구조가변하면 변성에 의

해서 목 달성이 되지 않는다 따라서 무리한 용해작

업은 변성을 래한다

제3장 국내외 기술개발 동향 37

- 이에 하여 PEO(polyethylene oxide)의 에테르산소가

이온과 강하게 상호작용하고 있다 이는 가용성을 의

미하며 PEO가 단백질과 이온액체를 용해하여 단백질

의 안정성을 향상시킨다 종래 바이오디바이스의 작성

이 곤란했든 것은 수 에서 단백질의 불안정성에 기인

하 는데 사용 온도에 따라 이온액체 의 단백질의

기화학이 새로운 가능성의 개척을 시사한다(50)

5 국내동향

이온액체의 매반응분야(51)

- 한국과학기술연구원 송충의 박사는 이온성 액체를 키

랄 화합물 제조를 한 매반응에 도입하여 고가인

매와 용매의 반복 사용을 가능하게 함에 따라 결

국 매와 용매의 소비를 최소화시킬 수 있는 소 청

정 비 칭 매반응을 개발하 다

- 즉 Jacobsons chiral (salen)MnIII

매 존재 하에서

22-dimethylchro-mene의 비 칭 에폭시화 반응시

[bmim]PF6와 CH2Cl2 (14 vv) 혼합물 용매를 사용

함으로써 96-94의 학순도로 chromene oxides를

합성하는데 성공하 다 이온성 액체를 첨단유기합성

기술인 학활성화합물 제조기술개발에 용함으로써

용매와 매의 소비를 최소화하는 반응과정을 개발하

고 있다

- 이와 같은 기술은 화학 산업에서의 공해 요인을 감소

38 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

시킬 것이며 특히 노벨화학상 수상분야인 비 칭

매반응 분야의 최 문제 으로 지 되었던 키랄 매

의 분리 재회수가 가능하게 되었다는 에서 기술

으로도 우수한 성과라 할 수 있다

- 한 이온성 액체 내에서 일부 매반응이 가속화될

수도 있고 선택성 매의 안정성 역시 향상될 수

있음을 밝혔으며 더욱 놀라운 결과로는 기존의 유기

용매 내에서는 진행되지 않던 일부 반응이 이온

성 액체 내에서는 정량 으로 진행될 수 있다는 것이

- 한 많은 요한 유기반응에서 이온성 액체가 용매로

서뿐 아니라 자신이 재사용 가능 한 매로도 작용할

수 있음을 밝힌 바 있다 이러한 일련의 결과들은 이

온성 액체가 21세기에 매분야뿐 아니라 체 유기화

학분야의 새로운 장을 열고 있다는 에서 요한 의

미를 지닌다고 할 수 있다

합성 응용분야(52)

- 한국과학기술연구원 김훈식 박사 연구 은 KSeO2

(OCH3)를1-alkyl-3-methylimidazolium chloride와 반

응시켜 새로운 이미다졸륨 알킬셀 나이트 ([Rmim]

[SeO2(OCH3)]) 화합물을 합성하 다

- 아민화합물의 산화성 카르보닐화 반응을 통한 치환된

우 아 제조 반응에서 기존의 KSeO2(OCH3)을 매로

사용하 을 경우에 비해 이 화합물은 보다 온화한 반

응조건을 제공할 뿐 아니라 이소시아네이트의 구체

인 치환된 우 아와 카바메이트를 고수율로 합성할 수

제3장 국내외 기술개발 동향 39

있었다

- 재 이온성 액체를 이용한 분리 유기 속화합물을

함유한 고활성 매로서의 이온성 액체의 합성 응

용에 한 연구를 수행하고 있다

- 포항공과 학교의 김만주 교수 연구 은 Lipase를

[PPMIM]PF6 (PPMIM = 1-(3-phenylpropyl)-3-

methylimidazolium)와 혼합시켜Ionic liquid-Coated

Enzyme (ILCE)을 합성하 다 이 새로운 타입의

immobilized biocatalyst는 2차 알코올의 transest-

erification 반응을 통한 acetylated 화합물합성에 높은

활성과 재사용성을 보여 주었으며 이러한 연구결과를

다양한 생화학분야에 용하기 한 연구를 수행하고

있다

- 인하 학교의 지 윤 교수연구 은 alkyl mesylate로부

터 fluoro-alkane을 합성하는 반응에서 이온성 액체를

용매로 사용함으로써 기존방법에 비해 부반응이 거의

없고 생산성이 히 증가된 결과를 얻었으며 이러한

결과를 실용화시키기 한 연구를 지속하고 있다

- 신약개발 바이오벤처 기업 씨트리(C-TRI)는 이온성

액체를 이용한 학활성 화합물제조 기술개발회사로

서 지난 상반기에 31억원의 매출을 올렸으며 최근 이

온성 액체를 이용한 신약개발과 정 화학사업에 필요

한 연구 인력을 거 보강하여 이온성 액체 련사업

을 추진하고 있다

41

제4장

결론 및 제언

향후의 방향

- 이온성 액체에 한 앞으로의 망은 이온성 액체를

주 테마로 하는 국제회의가 증가하고 있다 미국화학

회는 작년 9월 New York에서 이온성 액체에 한 세

션이 개최되어 열띤 토론이 진행 되었다

- 2004년 3~4월에 Anaheim에서 개최된 세션은 ldquo이온성

액체와 고분자rdquo 다 유럽과 미국에서는 이온성 액체

를 반응용매로 보는 것이 주류를 이루고 있었다

- 2004년 10월 Hawaii에서 기화학의 미일합동 회가

열린다 주제는 이온성 액체(용융염)에 한 연구이었

- 앞으로도 이온성 액체에 한 연구는 증가할 것이고

여러 가지 배경을 갖고 있는 연구자들이 서로 다른 목

표를 가지고 연구에 노력할 것이라 생각된다

국내사정

- 우리나라의 황을 보면 재석유화학 의학 산업에

서만 약7억불에 달하는 유기용매가 사용되고 있으며

이들을 모두 체할 수 있다면 최 7억불시장을 형성

할 수 있으므로 이온성 액체의 시장잠재력은 매우 크

42 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

다 하겠다

- 이온성 액체는 휘발성유기화합물을 체할 수 있을 뿐

만 아니라 고가의 귀 속 매를 이온성 액체 층에 고

정화 시킬수 있어 매의 회수 재사용을 용이하게

하며 매의 활성도 안정도 선택도까지도 획기

으로 증가시킬 수 있으므로 환경 측면은 물론 경제

인 에서도 바람직한 청정용매라 할 수 있다

- 상기한바 와같이 이온성 액체의 잠재 인 응용가능성

은 앞으로 무한할 것으로 사료되므로 국내에서도 이에

한 연구자들의 심과 더불어 정부 기업체에 의

한 연구지원이 지속 으로 이루어져야 할 것이다

후의 과제

- 통상의 용매로 이온성 액체를 이용하는 경우에는 내구

성 제조가격 등의 인자가 요하지만 목 이 한정된

이온성 액체의 이용에 있어서는 목 하는 기능을 요

시할 필요가 있다

- 많은 이온성 액체가 합성되고 있으나 원하는 높은 물

성을 갖는 이온성 액체를 설계하는 데 기본이 되는 이

론이 아직은 없는 편이다 이를 해서는 특히 이온성

액체의 구조-물성의 상 계가 밝 져야 하는데 많

은 연구가 진행되고 있음에도 불구하고 그 계가 밝

지지 않고 있다 따라서 상태로서는 원하는 이온

성 액체를 직 만들어서 평가하는 방법밖에 없는 게

실이다

- 그러나 도화와 열안정성 등과 같이 상반 계에 있

는 특성은 하나의 라미터를 변화시키는 것에 의해

제4장 결론 및 제언 43

한 쪽의 특성은 양호하게 되지만 다른 한 쪽의 특성이

악화되는 것을 피할 수 없는 성질로서 아직 양쪽을 동

시에 만족하는 이온성 액체는 실 하지 못하고 있다

- 향후 이온성 액체는 청정용매의 개발과 더불어 새로

운 청정 공정기술의 개발을 통하여 신소재 신물질 생

산 공정을 환경친화 이면서 경제성 있는 공정개발에

기여할 것으로 기 된다

- 특히 비닐기 같은 합성 기능기를 이온성 액체의 단

구조로 도입하여 단독 합이나 공 합을 통해 고분

자화한 이온성 액체를 만들 수 있어 이를 잘 활용하여

이온 지라든가 연료 지 등의 해액으로 응용의 길

이 열린다면 학문 으로나 공업 으로 큰 의의가 있으

리라 생각되며 이 분야의 연구가 활성화되길 기 한

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저자소개

손 목

공학박사

한국에 지기술연구소 원장

한국과학기술정보연구원 문연구 원

서 수소 연료 지 개스 센서기술 등

강 종 석

공학박사

한국과학기술정보연구원 선임연구원

서 BT분야 국가연구개발 심층분석

리튬이차 지 등

BB088 손 목강종석

이온성 액체의 반응성 및 전기화학적

특성 연구동향

2005년 12월 19일 인쇄

2005년 12월 23일 발행

발행처

서울특별시 동 문구 청량리동 206-9

ꂕ 130-742

화 3299-6114

등록 1991년 2월 12일 제5-258호

발행인

조 화

인쇄처

신기획

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Page 13: 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향gift.kisti.re.kr/data/IAC/files/KISTI-200512-SYM-ion_fluid.pdf · ※ 이온성 액체는 사용되는 음이온의

제2장 기술의 개요 9

- L-alanine ethyl ester hydrochloride (mp 78)

L-serine methylester hydrochloride (106)들이 이

다(11) 정의한 이온성 액체와는 좀 다른 특성이기는

하지만 융 을 갖는 염으로는 같은 의미로 볼 수

있다

lt그림 2-4gt 상품화된 다양한 이온성 액체

3 이온성 액체의 합성방법

헤테로 고리화합물을 활용한 합성제법이 가장 많이 알려

져 있다

- 지 까지 많은 이온성 액체가 설계되고 있으나 부분

은 이미다졸륨 등의 헤테로 방향환을 기본으로 하는

양이온으로 구성되어 있다 짝음이온의 종류에 따라

다른 성질을 보이기는 하지만 헤테로환 양이온 특히

10 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

이미다죨륨 양이온으로 구성된 염은 낮은 융 을 나타

낸다

lt그림 2-5gt 이온성 액체의 합성법

- 이온성 액체는 할로겐화 알킬을 아민의 제4 화 반응

에 의해 염을 얻고 이것을 한 음이온으로 교환하

여 얻는다 이 방법은 음이온교환반응에서 생기는 부

산물을 완 히 제거하기 어려워서 원하는 염을 높은

순도 높은 수율로 얻기는 쉽지 않고 사용하는 음이온

종류도 한정된다(12)

- 3 아민과 로톤산의 화반응으로 이온성 액체를

합성하는 방법이 새로 개발되었는데 이 방법은 부산

물의 혼입에 의한 순도의 하도 억제할 수 있으며 합

성이 가능한 이온성 액체의 종류도 풍부하다

- 이온성 액체의 모델 설계 혹은 구성하는 이온 구조

최 화를 의도한 스크리닝(screening)을 활용하여 많

은 종류의 이온성 액체가 합성되고 있으나 원하는 우

수한 물성을 갖는 이온성 액체의 설계지침은 아직까지

불완 하다 구조-물성의 상 계를 찾고자 많은 연

구가 진행되고 있으나 아직까지 일반 인 계를 찾

제2장 기술의 개요 11

지 못하고 있는 실정이다 즉 신규 이온성 액체를 찾

아낼 가능성이 아직 많다고 하겠다(13)

4 이온성 액체의 응용분야

이온성 액체의 특이한 성질을 이용하여 여러 응용이 제

안되고 있다 크게 환경부하가 은 그린(green) 용매로

서의 응용과 새로운 이온 도성 재료로서 응용으로 2분

야로 크게 나 수 있다 그린 용매로서의 연구는 주로

유럽과 미국에서 이온 도성 재료의 연구는 상 으

로 일본에서 연구가 많이 진행되고 있다

그린 용매(기능성 용매)

- 화학공정의 반응계에서 사용되는 용매 특히 유기용매

가 기나 하천 등으로 확산되는 것은 환경문제이다

더욱이 유기용매의 인화성이나 폭발성 작업종사자의

피독 등 안 에 한 문제가 요하다

- 이온성 액체를 그린 용매로서 응용하는 것은 일반 인

휘발성 용매를 체하는 반응용매(반응장)로서 응용으

로 에서 설명한 문제 을 한꺼번에 해결할 수 있는

가능성이 있다

- 이온성 액체를 용매로 사용할 수 있는 반응 로서 유

기합성 반응계 분리 추출 등 여러 분야가 있으며 생

체유래분자의 반응에도 검토되고 있다

- 최근에 이 분야의 연구의 방향은 이온성 액체의 분자

12 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

설계 장 을 이용하여 기능을 갖는 구조를 도입할 수

있다 실제 매활성이나 귀 속 회수 등의 기능

부여가 연구되고 있다 Davis등이 제창하는 Task-

Specific Ionic Liquid(14)라 불리는 차세 이온성 액체

가 그 좋은 이다

이온 도체

- 이온성 액체는 불휘발 불연성 특성이 있어 기존에

해액으로 사용되어온 유기용매가 갖고 있는 휘발성

인화성이라는 문제를 해결 할수 있다 따라서 이온

도성 재료로서의 연구는 리튬이온 지 연료 지 색소

증감 태양 지 작동장치(actuator) 커패시터(capacitor)

등의 이온성 소자용 해액 응용을 들 수 있다(3)

- 실제로 이온성 액체를 해액으로 사용하기 해서는

재 개발 된이온성 액체의 모든 물성을 개선하는데

범 한 분자설계로부터 물성과 구조의 계를 연구

하고 이를 통해 이온 특성을 최 화할 필요가 있다

- 보다 실제 인 응용을 해 이온성 액체 그 자체를

해액으로 사용하기보다는 고분자화에 의해 고체 해

질로서 하는 쪽이 더 좋은 경우가 있다 고분자화 된

이온성 액체의 특성은 이온성 소자의 소형경량화나 박

막화 안 성의 향상도 기 된다

- 재까지 얻어진 고분자 구조를 보면 고분자의 가지사

슬에 양이온음이온의 양쪽을 고정시킨 공 합 고분자

형 극성 이온형 등은 목 하는 이온만의 이동이

요구되는 응용에 당하다(15)

제2장 기술의 개요 13

다른 분야 응용

- 다른 분야의 응용 실례로는 자 도성 액체 윤활유

임계유체와의 혼합계 표면 개질제 등이 있다 휘발

하지 않는 액체 실온에서 액체상 염이라는 특징을 살

려 앞으로 다른 분야의 연구자와 교류를 통하여 이온

성 액체의 새로운 가능성을 열어갈 수 있다

15

제3장

국내외 연구개발 동향

1 연구의 방향

이온성 액체의 연구는 술한바 반응용매로의 이용과

해질 용액으로서의 이용으로 크게 분류된다

- Grignard 시약을 사용하는 반응 이외에는 부분이 이

온성 액체 에서 반응하는 것이 가능한 것으로 일반

의 유기합성 반응에서부터 고분자 합성까지 다양한 반

응이 검토되고 있다

- 소수성이 강한 불소함유 이온성 액체는 액액(液液)

의 2층으로 분리가 되어 물층의 에 무거운(비 15

정도) 이온성 액체층이 생성되는데 이를 이용하여 공

장 배수로부터 유기물을 추출하는 등 배수처리에 응용

할 수 있으며 반응물의 회수도 가능하다

해질 용액으로의 이용은 이온성 액체가 높은 이온

도성을 가진 것과 폭넓은 온도 역에서 액상을 유지하

면서 불연성인 것 창(電位窓)도 넓고 기화학 으

로 안정한 것 등의 특징을 가지고 있어 각종 기화학

디바이스에의 이용이 검토된다

- 이온성 액체가 해질 용액으로서 이용될 때 특히 특

16 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

정 이온의 이동(移動)이 기능발휘에 요한 역할을 하

는 경우에는 다음과 같은 두 가지의 을 고려해야

한다

용매로서 사용하는 이온성 액체를 구성하는 이온이

구배(potential gradient) 하에서 이동하도록 제어하

여 목 이온만을 도시킬 필요가 있다

목 이온을 성분으로 하는 이온성 액체가 거의 알려

져 있지 않기 때문에 목 이온을 함유한 염을 용해시

켜서 이용하는 것이지만 첨가한 염은 이온성 액체에

한 용해도가 일반 으로 높지 않다 용해성을 개선

하기 해서는 이온성 액체의 성분과 같은 이온을

응 이온으로 하는 염을 이용해야 한다

- 이온성 액체는 높은 이온 도성과 용질의 가용성(可

溶性) 등을 이용하여 해합성(電解合成)이나 해

합에도 응용되고 있다

2 반응장으로서 이온성 액체의 활용

농약 간체로서 요한 학활성체와 고분자 물질 생산

에 있어 용매 역할로 이온성 액체를 사용하여 그 가능성

특성에 하여 소개한다

제3장 국내외 기술개발 동향 17

학활성인 불소계 물질의 제조

불소계 물질은 의농약의 합성 간체로서 요하나 비

칭 불소화 반응에는 가 다

lt그림 3-1gt 비 칭 불소화 반응

- 이온성 액체 에서는 온에서도 사용 가능한 헥실=

메틸=이미다졸리움헥사후루오로포스페이트

[hmim][PF6]을 사용하여 구핵반응에 의해 비 칭 불

소화 반응이 일어나 높은 학순도의 불소화체를 합성

하고 있다(16)

- 이 반응의 과제는 학순도의 향상과 용 가능한 물

질을 넓히는 일이다 학활성 에폭시알코올의 불소화

로 학활성 불소화에폭시 화합물을 합성하는 것이 가

능하다고 알려져 있다(17)

18 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-2gt 학활성인 불소화 에폭시

비 칭 알돌(aldol) 반응

- 효소 알돌라아제(aldolase)에 의한 비 칭 합성을 모방

한 화학 매에의한 탄소-탄소 결합 형성 반응은 합성

화학의 요한 과제 이다(18) 용제로서 「재사용 가능

한」 이온성 액체를 이용하고 매로서 L- 로린

(proline)을 사용한 반응장에 한 몇 가지 보고가 나

와 있다(19)

lt그림 3-3gt L-proline을 매로 하는 알돌형 반응

제3장 국내외 기술개발 동향 19

- 아세톤과 L- 로린으로 형성된 에나민(enamine)을 반

응 기질(基質)로 하여 방향족 알데히드류와 알돌형 반

응에서도 지방족 알데히드 사이에서의 크로스 알돌형

반응에서도 꽤 높은 학순도의 생성물이 얻어지고 있

다(20)

- 기질로서 에틸=메틸= 톤을 사용할 때에도 높은

학순도로 입체제어를 행할 수 있고 반복 반응장으로

서 사용해도 재 성 좋게 생성물이 얻어지는 것을 확

인하 다

- 클로로아세톤으로부터 생성한 할로히드린을 간체로

서 학활성의에폭시 화합물로 변환할 수 있는 것도

알려져 있으나 학순도는70~80 정도이고 물질 제

조로서는 만족할 만한 학순도는 아니다(21)

- 기질인 알데히드류와 로린으로부터 형성된 반응

간체는 Michael addition(마이클 부가반응)을 용이하게

진행시킬 수 있다 이 반응에서는 수용체(受容體)의

LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital) 에

지가 하하고 구핵제(求核劑)의 공격을 받기 쉽게 되

는 것이 필요하여 불소계 물질이 합하다

- 로린 이외의 유기분자에서는 디에틸아미노트리메틸

실란을 매로서 이용한 불소계 물질의 선택 인 올

핀류 합성이 발표 되었다이 반응계에서는 알데히드류

와 매로부터 생성한 반응 간체가 불소계 헤미아세

탈류로 되고 간체로부터 입체 선택 으로 편일방(片

一方)의 올 핀류를 생성하고 있다(22)

20 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

학활성인 이온성 액체

- 학활성인 이온성 액체는 학활성인 아민계 물질을

출발원료로 해서 합성되고 있는 경우로 니코틴을 출발

물질로 학활성인 이온성 액체를 만들 수 있다(23) 할

로겐 교환법을 사용하는 합성법의 첫 단계에서 얻어지

는 니코틴의 롬염은 고체이지만 LiNTf2로 음이온

교환을 하면 도가 높은 이온성 액체가 얻어진다

lt그림 3-4gt 수종의 학활성인 이온성 액체

합성된 이온성 액체 [Et(S)-nicotine]NTf2를 Diels-

Alder 반응의 반응 용매로서 사용한 결과 기 한 바와

같이 양호한 수율로 생성물이 얻어 졌지만 3 아미노

기가 염기성 매로서 작용을 하여 비 칭 반응장으로

서의 기능은 나타나지 않았다

제3장 국내외 기술개발 동향 21

lt그림 3-5gt 학활성 이온성 액체의 염기성 매로서의 기능발

를 들면 디엔 체의 3-히드록시 -2피론을 사용하여

Diels-Alder 반응을 하면 루이스산이 기질에 결합하여

기질의 HOMO(the highest occupied molecular orbital)

에 지 가 하되고 반응이 진행하지 않는 것이

확인되었다

dienophile(2 결합을 한개 가진 화합물)로서 아크

릴산메틸을 사용하면 높은 수율로 endoexo = 31의

목 하는 화합물을 얻을 수 있으나 이 반응을 보통

이온성 액체[emim][NTf2] 에서 행하면 진행하지 않

는다(24)

에폭시화 반응

- 합성 간체로서 주목되는 에폭시 화합물도 이온성 액

체 에서 합성되고 있다 효소의 산화반응을 이용하

여 과산화수소를 사용해서 계 에서 과 산을 생성시

켜 효소반응과 화학반응을 연속 으로 조합시켜 에폭

22 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

시 반응이 일어나고 이온성 액체를 반응장으로 사용

한 시스템이다(25)

lt그림 3-6gt 효소반응을 활용한 에폭시화 반응

- 기질류(基質類)에서의 비 칭 에폭시화 반응에서 얻어

진에폭시 화합물의 학순도는 높기 때문에 실용 인

합성방법이며 이 시스템에서는 이온성 액체를 5회 반

복 사용하여도 수율이나 학순도의 변화가 없음이 보

고 되고 있다(26)

lt그림 3-7gt 비 칭 에폭시화 반응

제3장 국내외 기술개발 동향 23

비 칭시아노화 반응 비 칭 사이클로 로 화 반응

- 알데히드류의 비 칭시아노화 반응에서도 비 칭 매

를 활용함으로서 학순도가 98정도로 원하는 생성

물이 얻어지고 있으며 이온성 액체의 반응장으로서 유

용성을 보여주고 있다(27)

lt그림 3-8gt 비 칭 시아노화 반응

- 디아조화합물을 사용하는 사이클로 로 화 반응에서

생성하는 시스체와 트란스체의 기하이성체 비는 높지

않으나 각각 학순도는 상당히 높은 것이 얻어진

다(28)

lt그림 3-9gt 비 칭 사이클로 로 화 반응

24 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

이온성 액체 에서의 고분자 합성

- 이온성 액체 에서 합반응을 행하면 MwMn비가

작게 되는 것으로 보고 되었다 이온성 액체를 이용하

여 합개시제로서 과산화벤조일이나 아조비스이소부

틸로니트릴을 사용한 스티 메틸메타크릴 이트의

호모(homo) 합에서 생성물은 이온성 액체로부터 여

과하는 것만으로 분리가 가능하고 회수한 이온성 액체

를 합용 용매로서 재이용이 가능하고 생성된 고분자

체의 분자량도 증가한다

lt그림 3-10gt 이온성 액체[bmim][PF6] 의 스티 의 합반응

중합용매

개시제 중합용매 수율() 분자량

중합용매

개시제 중합용매 수율() 분자량

- 벤젠 에서와 비교하여 이온성 액체 에서 합도

(重合度) 더욱이 생성물의 수율이 향상하는 것은 이

온성 액체의 도가 벤젠에 비하여 높아 연쇄 이동을

일으키기가 어렵고 생성한 폴리머 라디칼이 용매계로

부터 계외(系外)로 배출되기 쉽기 때문이라 생각된다

- 더욱이 이온성 액체 에서 AIBN(22-Azobis (isobuthy-

제3장 국내외 기술개발 동향 25

ronitril)) 내지는 BPO(benzoylperoxide)를 합개시제

로 한 스티 과 메틸메타크릴 이트의 라디칼 공 합

에 하여도 검토되고 있다

- 공 합 반응은 스티 의 첨가 몰비를 MMA에 비해

증 시켜도 코폴리머 분자량 모노머의 변화율이

하하는 경향이 있다 이 결과는 벤젠을 용매로 한 공

합계와 반 의 경향이고 이온성 액체의 극성이 높아

스티 에 비하여 극성 용매 에서 MMA의 합성이

높아지기 때문이라고 생각된다(29)

lt그림 3-11gt 이온성액체[bmim][PF6] 의 공 합 반응

3 촉매반응에서의 이온성 용액

매반응에서 이온성 용액은 자체 매성 보조 매 매활

성자 매 심의 새로운 리간드의 원 반응을 한 용매

등으로써 용된다(30)

26 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

유기 매로서의 이온성 용액

- 이온성 용액을 매반응에 사용하는 가장 좋은 방법은

용매와 매를 조합해서 사용하는 것이다 용매를 바

꿀 때마다 반응이 빨라지면 새로운 용매는 매 역할

을 한 것으로 본다

lt그림 3-12gt methyl acrylate와 [C4C1im]+ 양이온 사이의 수소결합

- 염화알루미늄염(III)(AlCl3) 이온성 용액에서 자치

환 산성 이온성 용액에서 아 (arenes)의 좋은 용해

성과 결합한 산성의 염화알루미늄염 이온성 용액의

높은 농도 [Al2Cl7]-는 친 자성 방향족 치환을 한

이상 인 용매로 만들 수 있다 산성인 [C2C1im]

Cl-AlCl3에서 1-염화 로 과의 벤젠 알킬반응에서 알

킬 고분자화가 측되었다 이이온성 용액시스템은 높

은 활동성과 선택성을 보 다(31)

- 유기용매로서 이온성 용액 이온성 용액은 지난 수년

간 유기 매 반응에 새로운 흥미를 갖기 시작하 으며

이 분야에 향을 수 있는 가능성을 가지고 있다

유기 매 반응에 한 근방법은 흔히 디엘-알더

(Diels-Alder) 환형추가 그 유도체인 수소결합의

상호작용 반응을 통해서이다(32)

제3장 국내외 기술개발 동향 27

보조 매로의 이온성 용액은 올 핀의 이합체화 (Olefin

dimerization)에서 니 매로 산성염화알루미늄염의 이

온성 용액이 로펜을 헥센에 이합체화를 한 반응에서

용매와 보조 매의 조합으로 사용한 첫 번째 경우이

다(33)

리간드 원으로서의 이온성 용액

- 수소화와 수소포르 화 반응 수소화 반응 수소포

르 화 반응을 해 용매로서 [Et4N][SnCl3]의 PtCl2용

액은 속에 매의 확실한 분해도 없이 올 핀의 수

소화에 효과 으로 매반응을 일으켰다 공기와의

을 피하도록 하는 가운데 활성화의 손실이 없이

매용액을 계속 으로 사용함으로써 반응이 이루어진

다(34)

- 팔라듐 NHC착물의 형성 이온성 용액은 팔라둠 매

반응의 넓은범 의 용매로 사용되어 왔다 이 연구과

정에서 재미있는 화학 상은 HHC착물과 나노 입

자의 형성이었다 이는 아직 논쟁의 상이 되고 있다

NHC착물은 이미다졸리움 이온성 용액에서 형성되며

기 하지 않는 반응성 는 선택성이 감지될 때 이를

항상 고려해야한다(35)

28 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-13gt NHC 매의 lactide 합에서의 ring opening

- 이온성 용액에서 나노입자의 형성 최근에 매로서

나노입자의 사용이 증가되는 심분야이다 1996년

Kaufmann이 이온성 용액에서처음으로 팔라듐의 매

반응을 보고하 다 일련의 아릴 롬이[C16PbBu3]Br

는 [Bu4N]Br에서 노말-알킬 이트와 결합하여 수율

90이상의 trans-시안염을 생성하는 반응이었다(36)

반응 용매로서의 이온성 용액

- 알 수소화 반응 [SbF6]- 와 [PF4]-의 두 이온성

용액에서 수소화 반응의 속도는 알 용액에서보다 훨

씬 높았다 왜 이 이온성 용액이 개선되었는지에 해

서는 아직 연구된 바가 없다 실제 매의 실체조차확

인이 안 되었다 반응용액으로부터 생성된 알 은 분

리가 쉬웠고 매를 함유한 용액은 순환되었다(37)

lt그림 3-14gt [C4C1im][PF6]의 수소포르 화 매의 두형태의 평형

제3장 국내외 기술개발 동향 29

- 산화 비록 재 사용되는 부분의 이온성 용액은 산

화에 안정 이고 산화과정에 이상 인 용매를 제공하

고 있지만 이것은 불과 지난몇 년 사이의 일이었다

Ni(acac)2는 [C4C1im][PF6]에서 해당되는 산의 라-

치환 benzaldehydes를 보통의 수율로 공기 에서 산

화반응의 매로 사용되어 왔다(38)

기화학 매용매로써의 이온성 용액

- 자화학을 이끄는 이온성 용액은 기화학 합성용

용매로서 가능성을 보이고 있다 최근에는 Ni이 알킬

벤질 아릴 할로겐화합물의 기 도성 동종결합

(electro conductive homo-coupling) 반응에 매로 보

고 된 바 있다 니 (II)착물은 니 (0)의 종에 하여

환원되고 방향성 할로겐화물에 첨가되어 할로겐 화합

물이 된다는 제안이 있었다(39)

이온성 용액의 고정화

- 반응시스템이 액체일 때 많은 장 이 있지만 때로는

그것을 고정화(immobilize) 시킬 필요가 있다 이온성

용액을 고정화 시키는데 심이 모아지고 있으며 첫

번째의 시도가 이온성 용액- 합체 겔을 만들기 하

여 고분자 vinylidenefluoride- hexachloropropylene의

공 합체를 사용한 것이다(40)

30 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

4 근대의 동향

할로겐 리이온액체

- 근년 이온성 액체에 한 연구가 많이 수행되고 있지

만 합성하고 있는 이온성 액체의 구조는 의외로 한정

되어 있으며 양이온은 테트라알킬암모늄(tetraalkyla-

mmonium) 피롤리디니움(pyrolidinium) 이미다졸리움

(imidazolium) 피리디니움(pyridinium) 등과 같이 비

교 다양성이 풍부한 반면에 음이온 종류는 BF4

PF6 CF3SO3 (CF3SO2)2N 등 할로겐 원소를 구조

에 함유한 것은 일반 으로 종류가 많지 않다(41)

- 할로겐을 포함하지 않는 음이온도 보고 되어 있는데

많은 양이온과 조합하여 액체화를 달성함이 쉽지 않고

한정된 양이온과 질산음이온이나 산 음이온 등을 결

합시킨 것이 보고 되어 있다(42)

- 최근 H Ohno(43)등은 할로겐 원소를 함유하지 않은

음이온으로 이온액체를 구축하기 하여 헤테로방향환

화합물을 착안하여 이미다졸이나 피라졸 등의 아졸

(azol)류 에서 산성을 띠는 124-triazolate 1234-

tetrazolate 등과 이미다졸리움 양이온을 조합시키는 것

에 의해 이온성 액체를 합성하 다

- 이 이온성 액체는 분자량과 비교해서 하의 비국재화

(非局在化)가 크다 한 할로겐 원소를 함유하지 않

고 C H N의 3종류원소만으로 구성되어 있다

제3장 국내외 기술개발 동향 31

lt그림 3-15gt 할로겐 리이온액체의 구조

쯔 츠 이온성 액체 (Zwitter ionic liquids)

- 한편 M Yoshizawa(44) 등은 이온 도재료로서 이온액

체를 사용하는 경우는 구배에 한 이온액체의 구

성이온종의 이동이 큰 문제로 된다

- 따라서 리튬 2차 지나 연료 지 등 목 이온종의 수

율과 계의 출력과의 계를 디바이스에 응용할 때는

이온 도재료로서 이온성 액체를 사용하는 것으로 양

이온과 음이온을 스페이서(spacer)로 결합하는 것에

의해 실온에서 액체상태인 성 이온 액체(zwitter

ionic liquid)를 제안하고 있다

- 양이온과 음이온을 스페이서로 결합하면 하는 체

로서 성이 되어 하이동이 없는 염으로 되는데 스

페이서가 짧아서 충분한 염해리가 힘드나 어느 정도의

자유도가 얻어지면 zwitterion으로 된다

32 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-16gt zwitter ionic liquids의 모식도

특정이온을 포함하는 이온액체

- 이온성 액체를 이온 도체로 사용하는 과제는 목 이

온의 도입이다 이는 리튬염 등 목 이온을 포함하는

염 등을 이온액체에 용해시켜 도입한다

- 그런데 염의 첨가는 계의 성의 증가 이온 도도의

하를 가져온다 한 이온액체와 상용하는 분자무

기염은 많지 않고 첨가염의 종류도 한정되어있는 것이

문제이다

- 이의 해결이 자의 zwitter ion이고 두 번째가 목 이

온을 실온에서 액체화가 가능하면 문제가 해결된다

이러한 방법으로 각종의 알칼리 속 이온성 액체

(alkali metal ionic liquid)를 개발하 다(45)

- lt그림 3-17gt은 알칼리 속이온성 액체는 2가의 응

음이온과 1가의 오니움(onium) 양이온 1가의 목 이

온으로 구성된다

lt그림 3-17gt 알칼리 속이온액체의 개념도

제3장 국내외 기술개발 동향 33

- 이온액체는 구성하는 이온 간의 정 기 상호작용은

없을수록 좋으므로 강한 상호작용을 일으키는 다가이

온의 사용은 물이다 당 리튬 양이온의 이온액체

가 목 이나 여러 가지의 알칼리 속이온도 액체로

되는데 이를 응용하면 로톤을 포함하는 이온액체도

얻어지게 된다

이온액체의 합

- 이온성 액체는 분자 디자인이 용이하기 때문에 고분자

구조를 도입하는 것도 가능하며 이온성 액체의 고분

자화로는 각종의 고분자와 혼합한 겔화가 알려져 있지

만 이온성 액체 에 합기를 직 도입하여 고분자

화 하는 것에 의해 이온 도성뿐 아니라 디바이스의

다운사이징(down-sizing)에 기여할 것으로 망하고

있다(41)

- lt그림 3-18gt은 고분자화 이온액체를 나타내는데 종래

의 polyethyl-eneoxide유도체에 의존하지 않는 새로운

이온 도재료로서 검토된다

- lt그림 3-18gt에서 양이온과 음이온의 한쪽이 고분자의

주쇄에 고정되어 있어서 도 이온종을 선택하는 이

유용하다 한 구성이온종의 양방이 고분자 주쇄에

고정된 구조는 이온 도성을 나타내지 않으나 목 이

온의 첨가로 선택 도가 일어난다(46)

34 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-18gt 이온액체폴리머의 변화

자기조직화 이온액체

- 이온액체는 등방성의 액체로서 3차원 인 이온을 운반

하는 것이 가능하다 이로서 차원제어를 행하고 특정

방향으로 이온을 수송하는 시도가 있다 이를 해 자

기 집합력을 이온액체에 부여할 필요가 있다

- 이온액체의 자기조직화에는 양친매성화합물(兩親媒性

化合物)의 성질을 이용한다 극성성분이 있는 이온액

체에 비극성기(탄화수소쇄 탄화불소쇄)를 도입한 양

친매성 이온액체는 벌크로 써모트로픽 액정성을 발

하여 극성 비극성기가 분자 벨에서 상분리된 구조

를 형성한다

- 이 액체 도메인 에는 이온성 액체자신은 용융되어

높은 운동성을 갖는 알킬기의 집합층에 고정된 상태일

것으로 생각된다 여기에 리튬염을 첨가하면 비극성염

을 갖지 않는 리튬이온의 우선 인 수송이 기 된

다(lt그림 3-19gt 참조)

제3장 국내외 기술개발 동향 35

lt그림 3-19gt 이온성 액체 도메인 의 목 이온수송의 모식도

새로운 용매

- Alabama 학의 Rogers 등은 셀룰로오스를 용해시키는

이온성 액체로서 bmim Cl(1-butyl-3-methylimidazolium

chloride)을 개발하 다(47)

lt그림 3-20gt bmimCl의 구조

- Bmin Cl은 실온에서는 고체로서 75에서 용해되지만

100 정도로 가열한 bmim Cl에 종이(셀룰로오스)를

침지하면 순식간에 용해된다 이 용액을 시린지

(syringe)에 의해 물 에서 용출(溶出)시키면 셀룰로

오스 화이버가 생성된다 풍부한 목재자원을 셀룰로스

로 추출하는 시도가 이루어지고 있다

36 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

- 한 핵산류를 용해시킨 이온액체를 개발하고 있는데

DNA나 RNA는 물에 쉽게 용해되지 않는데 이를 용

해시키는 이온액체가 얻어졌다 일정량의 핵산을 용해

시키는 온도는 사용하는 이온액체의 구조에 크게 의존

한다(48)

- 특히 분자내 는 분자간의 수소결합을 단하는 능

력이 요구되는데 여기에는 염소음이온의 효과가 큰 것

으로 알려져 있다 염소를 포함하는 염은 일반 으로

융 이 높고 실온에서 액상으로 존재하기가 어려운

이 있다

- 이는 음이온의 부 하가 비국재화하고 있지 않기 때문

에 정 인 상호작용이 강하게 작용하고 있는 결과이

다 이를 피하기 해 양이온구조를 개선하여 상온에

서 액체의 염화물 염을 합성한다(49)

- 이 방법으로 양이온 구조를 개선하여 실온에서 액체상

태 염화물염인 aaim Cl(13-diallylimidazolium chloride)

를 개발하 다 aaim Cl은 융 이 21 부근이지만 한번

용융하면 과냉각 상태에서도 안정하여 실온에서 사용

가능하다 단지 도가 높은 것이 난 이다

단백질의 기화학반응용 해질용액

- 단백질의 기화학 인 성질로서 단백질을 이온액체에

용해시키는 것은 통상의 고분자를 용해시키는 것과는

차원이 다데 단백질의 기능은 펩사이드쇄의 3차 구조

에 크게 의존하기 때문에 3차구조가변하면 변성에 의

해서 목 달성이 되지 않는다 따라서 무리한 용해작

업은 변성을 래한다

제3장 국내외 기술개발 동향 37

- 이에 하여 PEO(polyethylene oxide)의 에테르산소가

이온과 강하게 상호작용하고 있다 이는 가용성을 의

미하며 PEO가 단백질과 이온액체를 용해하여 단백질

의 안정성을 향상시킨다 종래 바이오디바이스의 작성

이 곤란했든 것은 수 에서 단백질의 불안정성에 기인

하 는데 사용 온도에 따라 이온액체 의 단백질의

기화학이 새로운 가능성의 개척을 시사한다(50)

5 국내동향

이온액체의 매반응분야(51)

- 한국과학기술연구원 송충의 박사는 이온성 액체를 키

랄 화합물 제조를 한 매반응에 도입하여 고가인

매와 용매의 반복 사용을 가능하게 함에 따라 결

국 매와 용매의 소비를 최소화시킬 수 있는 소 청

정 비 칭 매반응을 개발하 다

- 즉 Jacobsons chiral (salen)MnIII

매 존재 하에서

22-dimethylchro-mene의 비 칭 에폭시화 반응시

[bmim]PF6와 CH2Cl2 (14 vv) 혼합물 용매를 사용

함으로써 96-94의 학순도로 chromene oxides를

합성하는데 성공하 다 이온성 액체를 첨단유기합성

기술인 학활성화합물 제조기술개발에 용함으로써

용매와 매의 소비를 최소화하는 반응과정을 개발하

고 있다

- 이와 같은 기술은 화학 산업에서의 공해 요인을 감소

38 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

시킬 것이며 특히 노벨화학상 수상분야인 비 칭

매반응 분야의 최 문제 으로 지 되었던 키랄 매

의 분리 재회수가 가능하게 되었다는 에서 기술

으로도 우수한 성과라 할 수 있다

- 한 이온성 액체 내에서 일부 매반응이 가속화될

수도 있고 선택성 매의 안정성 역시 향상될 수

있음을 밝혔으며 더욱 놀라운 결과로는 기존의 유기

용매 내에서는 진행되지 않던 일부 반응이 이온

성 액체 내에서는 정량 으로 진행될 수 있다는 것이

- 한 많은 요한 유기반응에서 이온성 액체가 용매로

서뿐 아니라 자신이 재사용 가능 한 매로도 작용할

수 있음을 밝힌 바 있다 이러한 일련의 결과들은 이

온성 액체가 21세기에 매분야뿐 아니라 체 유기화

학분야의 새로운 장을 열고 있다는 에서 요한 의

미를 지닌다고 할 수 있다

합성 응용분야(52)

- 한국과학기술연구원 김훈식 박사 연구 은 KSeO2

(OCH3)를1-alkyl-3-methylimidazolium chloride와 반

응시켜 새로운 이미다졸륨 알킬셀 나이트 ([Rmim]

[SeO2(OCH3)]) 화합물을 합성하 다

- 아민화합물의 산화성 카르보닐화 반응을 통한 치환된

우 아 제조 반응에서 기존의 KSeO2(OCH3)을 매로

사용하 을 경우에 비해 이 화합물은 보다 온화한 반

응조건을 제공할 뿐 아니라 이소시아네이트의 구체

인 치환된 우 아와 카바메이트를 고수율로 합성할 수

제3장 국내외 기술개발 동향 39

있었다

- 재 이온성 액체를 이용한 분리 유기 속화합물을

함유한 고활성 매로서의 이온성 액체의 합성 응

용에 한 연구를 수행하고 있다

- 포항공과 학교의 김만주 교수 연구 은 Lipase를

[PPMIM]PF6 (PPMIM = 1-(3-phenylpropyl)-3-

methylimidazolium)와 혼합시켜Ionic liquid-Coated

Enzyme (ILCE)을 합성하 다 이 새로운 타입의

immobilized biocatalyst는 2차 알코올의 transest-

erification 반응을 통한 acetylated 화합물합성에 높은

활성과 재사용성을 보여 주었으며 이러한 연구결과를

다양한 생화학분야에 용하기 한 연구를 수행하고

있다

- 인하 학교의 지 윤 교수연구 은 alkyl mesylate로부

터 fluoro-alkane을 합성하는 반응에서 이온성 액체를

용매로 사용함으로써 기존방법에 비해 부반응이 거의

없고 생산성이 히 증가된 결과를 얻었으며 이러한

결과를 실용화시키기 한 연구를 지속하고 있다

- 신약개발 바이오벤처 기업 씨트리(C-TRI)는 이온성

액체를 이용한 학활성 화합물제조 기술개발회사로

서 지난 상반기에 31억원의 매출을 올렸으며 최근 이

온성 액체를 이용한 신약개발과 정 화학사업에 필요

한 연구 인력을 거 보강하여 이온성 액체 련사업

을 추진하고 있다

41

제4장

결론 및 제언

향후의 방향

- 이온성 액체에 한 앞으로의 망은 이온성 액체를

주 테마로 하는 국제회의가 증가하고 있다 미국화학

회는 작년 9월 New York에서 이온성 액체에 한 세

션이 개최되어 열띤 토론이 진행 되었다

- 2004년 3~4월에 Anaheim에서 개최된 세션은 ldquo이온성

액체와 고분자rdquo 다 유럽과 미국에서는 이온성 액체

를 반응용매로 보는 것이 주류를 이루고 있었다

- 2004년 10월 Hawaii에서 기화학의 미일합동 회가

열린다 주제는 이온성 액체(용융염)에 한 연구이었

- 앞으로도 이온성 액체에 한 연구는 증가할 것이고

여러 가지 배경을 갖고 있는 연구자들이 서로 다른 목

표를 가지고 연구에 노력할 것이라 생각된다

국내사정

- 우리나라의 황을 보면 재석유화학 의학 산업에

서만 약7억불에 달하는 유기용매가 사용되고 있으며

이들을 모두 체할 수 있다면 최 7억불시장을 형성

할 수 있으므로 이온성 액체의 시장잠재력은 매우 크

42 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

다 하겠다

- 이온성 액체는 휘발성유기화합물을 체할 수 있을 뿐

만 아니라 고가의 귀 속 매를 이온성 액체 층에 고

정화 시킬수 있어 매의 회수 재사용을 용이하게

하며 매의 활성도 안정도 선택도까지도 획기

으로 증가시킬 수 있으므로 환경 측면은 물론 경제

인 에서도 바람직한 청정용매라 할 수 있다

- 상기한바 와같이 이온성 액체의 잠재 인 응용가능성

은 앞으로 무한할 것으로 사료되므로 국내에서도 이에

한 연구자들의 심과 더불어 정부 기업체에 의

한 연구지원이 지속 으로 이루어져야 할 것이다

후의 과제

- 통상의 용매로 이온성 액체를 이용하는 경우에는 내구

성 제조가격 등의 인자가 요하지만 목 이 한정된

이온성 액체의 이용에 있어서는 목 하는 기능을 요

시할 필요가 있다

- 많은 이온성 액체가 합성되고 있으나 원하는 높은 물

성을 갖는 이온성 액체를 설계하는 데 기본이 되는 이

론이 아직은 없는 편이다 이를 해서는 특히 이온성

액체의 구조-물성의 상 계가 밝 져야 하는데 많

은 연구가 진행되고 있음에도 불구하고 그 계가 밝

지지 않고 있다 따라서 상태로서는 원하는 이온

성 액체를 직 만들어서 평가하는 방법밖에 없는 게

실이다

- 그러나 도화와 열안정성 등과 같이 상반 계에 있

는 특성은 하나의 라미터를 변화시키는 것에 의해

제4장 결론 및 제언 43

한 쪽의 특성은 양호하게 되지만 다른 한 쪽의 특성이

악화되는 것을 피할 수 없는 성질로서 아직 양쪽을 동

시에 만족하는 이온성 액체는 실 하지 못하고 있다

- 향후 이온성 액체는 청정용매의 개발과 더불어 새로

운 청정 공정기술의 개발을 통하여 신소재 신물질 생

산 공정을 환경친화 이면서 경제성 있는 공정개발에

기여할 것으로 기 된다

- 특히 비닐기 같은 합성 기능기를 이온성 액체의 단

구조로 도입하여 단독 합이나 공 합을 통해 고분

자화한 이온성 액체를 만들 수 있어 이를 잘 활용하여

이온 지라든가 연료 지 등의 해액으로 응용의 길

이 열린다면 학문 으로나 공업 으로 큰 의의가 있으

리라 생각되며 이 분야의 연구가 활성화되길 기 한

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저자소개

손 목

공학박사

한국에 지기술연구소 원장

한국과학기술정보연구원 문연구 원

서 수소 연료 지 개스 센서기술 등

강 종 석

공학박사

한국과학기술정보연구원 선임연구원

서 BT분야 국가연구개발 심층분석

리튬이차 지 등

BB088 손 목강종석

이온성 액체의 반응성 및 전기화학적

특성 연구동향

2005년 12월 19일 인쇄

2005년 12월 23일 발행

발행처

서울특별시 동 문구 청량리동 206-9

ꂕ 130-742

화 3299-6114

등록 1991년 2월 12일 제5-258호

발행인

조 화

인쇄처

신기획

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ltFEFF4f7f75288fd94e9b8bbe7f6e521b5efa76840020005000440046002065876863ff0c5c065305542b66f49ad8768456fe50cf52068fa87387ff0c4ee575284e8e9ad88d2891cf76845370524d6253537030028be5002000500044004600206587686353ef4ee54f7f752800200020004100630072006f00620061007400204e0e002000520065006100640065007200200035002e00300020548c66f49ad87248672c62535f0030028fd94e9b8bbe7f6e89816c425d4c51655b574f533002gt CHT ltFEFF4f7f752890194e9b8a2d5b9a5efa7acb76840020005000440046002065874ef65305542b8f039ad876845f7150cf89e367905ea6ff0c9069752865bc9ad854c18cea76845370524d521753703002005000440046002065874ef653ef4ee54f7f75280020004100630072006f0062006100740020548c002000520065006100640065007200200035002e0030002053ca66f465b07248672c4f86958b555f300290194e9b8a2d5b9a89816c425d4c51655b57578b3002gt gtgtgtgt setdistillerparamsltlt HWResolution [2400 2400] PageSize [612000 792000]gtgt setpagedevice

Page 14: 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향gift.kisti.re.kr/data/IAC/files/KISTI-200512-SYM-ion_fluid.pdf · ※ 이온성 액체는 사용되는 음이온의

10 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

이미다죨륨 양이온으로 구성된 염은 낮은 융 을 나타

낸다

lt그림 2-5gt 이온성 액체의 합성법

- 이온성 액체는 할로겐화 알킬을 아민의 제4 화 반응

에 의해 염을 얻고 이것을 한 음이온으로 교환하

여 얻는다 이 방법은 음이온교환반응에서 생기는 부

산물을 완 히 제거하기 어려워서 원하는 염을 높은

순도 높은 수율로 얻기는 쉽지 않고 사용하는 음이온

종류도 한정된다(12)

- 3 아민과 로톤산의 화반응으로 이온성 액체를

합성하는 방법이 새로 개발되었는데 이 방법은 부산

물의 혼입에 의한 순도의 하도 억제할 수 있으며 합

성이 가능한 이온성 액체의 종류도 풍부하다

- 이온성 액체의 모델 설계 혹은 구성하는 이온 구조

최 화를 의도한 스크리닝(screening)을 활용하여 많

은 종류의 이온성 액체가 합성되고 있으나 원하는 우

수한 물성을 갖는 이온성 액체의 설계지침은 아직까지

불완 하다 구조-물성의 상 계를 찾고자 많은 연

구가 진행되고 있으나 아직까지 일반 인 계를 찾

제2장 기술의 개요 11

지 못하고 있는 실정이다 즉 신규 이온성 액체를 찾

아낼 가능성이 아직 많다고 하겠다(13)

4 이온성 액체의 응용분야

이온성 액체의 특이한 성질을 이용하여 여러 응용이 제

안되고 있다 크게 환경부하가 은 그린(green) 용매로

서의 응용과 새로운 이온 도성 재료로서 응용으로 2분

야로 크게 나 수 있다 그린 용매로서의 연구는 주로

유럽과 미국에서 이온 도성 재료의 연구는 상 으

로 일본에서 연구가 많이 진행되고 있다

그린 용매(기능성 용매)

- 화학공정의 반응계에서 사용되는 용매 특히 유기용매

가 기나 하천 등으로 확산되는 것은 환경문제이다

더욱이 유기용매의 인화성이나 폭발성 작업종사자의

피독 등 안 에 한 문제가 요하다

- 이온성 액체를 그린 용매로서 응용하는 것은 일반 인

휘발성 용매를 체하는 반응용매(반응장)로서 응용으

로 에서 설명한 문제 을 한꺼번에 해결할 수 있는

가능성이 있다

- 이온성 액체를 용매로 사용할 수 있는 반응 로서 유

기합성 반응계 분리 추출 등 여러 분야가 있으며 생

체유래분자의 반응에도 검토되고 있다

- 최근에 이 분야의 연구의 방향은 이온성 액체의 분자

12 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

설계 장 을 이용하여 기능을 갖는 구조를 도입할 수

있다 실제 매활성이나 귀 속 회수 등의 기능

부여가 연구되고 있다 Davis등이 제창하는 Task-

Specific Ionic Liquid(14)라 불리는 차세 이온성 액체

가 그 좋은 이다

이온 도체

- 이온성 액체는 불휘발 불연성 특성이 있어 기존에

해액으로 사용되어온 유기용매가 갖고 있는 휘발성

인화성이라는 문제를 해결 할수 있다 따라서 이온

도성 재료로서의 연구는 리튬이온 지 연료 지 색소

증감 태양 지 작동장치(actuator) 커패시터(capacitor)

등의 이온성 소자용 해액 응용을 들 수 있다(3)

- 실제로 이온성 액체를 해액으로 사용하기 해서는

재 개발 된이온성 액체의 모든 물성을 개선하는데

범 한 분자설계로부터 물성과 구조의 계를 연구

하고 이를 통해 이온 특성을 최 화할 필요가 있다

- 보다 실제 인 응용을 해 이온성 액체 그 자체를

해액으로 사용하기보다는 고분자화에 의해 고체 해

질로서 하는 쪽이 더 좋은 경우가 있다 고분자화 된

이온성 액체의 특성은 이온성 소자의 소형경량화나 박

막화 안 성의 향상도 기 된다

- 재까지 얻어진 고분자 구조를 보면 고분자의 가지사

슬에 양이온음이온의 양쪽을 고정시킨 공 합 고분자

형 극성 이온형 등은 목 하는 이온만의 이동이

요구되는 응용에 당하다(15)

제2장 기술의 개요 13

다른 분야 응용

- 다른 분야의 응용 실례로는 자 도성 액체 윤활유

임계유체와의 혼합계 표면 개질제 등이 있다 휘발

하지 않는 액체 실온에서 액체상 염이라는 특징을 살

려 앞으로 다른 분야의 연구자와 교류를 통하여 이온

성 액체의 새로운 가능성을 열어갈 수 있다

15

제3장

국내외 연구개발 동향

1 연구의 방향

이온성 액체의 연구는 술한바 반응용매로의 이용과

해질 용액으로서의 이용으로 크게 분류된다

- Grignard 시약을 사용하는 반응 이외에는 부분이 이

온성 액체 에서 반응하는 것이 가능한 것으로 일반

의 유기합성 반응에서부터 고분자 합성까지 다양한 반

응이 검토되고 있다

- 소수성이 강한 불소함유 이온성 액체는 액액(液液)

의 2층으로 분리가 되어 물층의 에 무거운(비 15

정도) 이온성 액체층이 생성되는데 이를 이용하여 공

장 배수로부터 유기물을 추출하는 등 배수처리에 응용

할 수 있으며 반응물의 회수도 가능하다

해질 용액으로의 이용은 이온성 액체가 높은 이온

도성을 가진 것과 폭넓은 온도 역에서 액상을 유지하

면서 불연성인 것 창(電位窓)도 넓고 기화학 으

로 안정한 것 등의 특징을 가지고 있어 각종 기화학

디바이스에의 이용이 검토된다

- 이온성 액체가 해질 용액으로서 이용될 때 특히 특

16 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

정 이온의 이동(移動)이 기능발휘에 요한 역할을 하

는 경우에는 다음과 같은 두 가지의 을 고려해야

한다

용매로서 사용하는 이온성 액체를 구성하는 이온이

구배(potential gradient) 하에서 이동하도록 제어하

여 목 이온만을 도시킬 필요가 있다

목 이온을 성분으로 하는 이온성 액체가 거의 알려

져 있지 않기 때문에 목 이온을 함유한 염을 용해시

켜서 이용하는 것이지만 첨가한 염은 이온성 액체에

한 용해도가 일반 으로 높지 않다 용해성을 개선

하기 해서는 이온성 액체의 성분과 같은 이온을

응 이온으로 하는 염을 이용해야 한다

- 이온성 액체는 높은 이온 도성과 용질의 가용성(可

溶性) 등을 이용하여 해합성(電解合成)이나 해

합에도 응용되고 있다

2 반응장으로서 이온성 액체의 활용

농약 간체로서 요한 학활성체와 고분자 물질 생산

에 있어 용매 역할로 이온성 액체를 사용하여 그 가능성

특성에 하여 소개한다

제3장 국내외 기술개발 동향 17

학활성인 불소계 물질의 제조

불소계 물질은 의농약의 합성 간체로서 요하나 비

칭 불소화 반응에는 가 다

lt그림 3-1gt 비 칭 불소화 반응

- 이온성 액체 에서는 온에서도 사용 가능한 헥실=

메틸=이미다졸리움헥사후루오로포스페이트

[hmim][PF6]을 사용하여 구핵반응에 의해 비 칭 불

소화 반응이 일어나 높은 학순도의 불소화체를 합성

하고 있다(16)

- 이 반응의 과제는 학순도의 향상과 용 가능한 물

질을 넓히는 일이다 학활성 에폭시알코올의 불소화

로 학활성 불소화에폭시 화합물을 합성하는 것이 가

능하다고 알려져 있다(17)

18 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-2gt 학활성인 불소화 에폭시

비 칭 알돌(aldol) 반응

- 효소 알돌라아제(aldolase)에 의한 비 칭 합성을 모방

한 화학 매에의한 탄소-탄소 결합 형성 반응은 합성

화학의 요한 과제 이다(18) 용제로서 「재사용 가능

한」 이온성 액체를 이용하고 매로서 L- 로린

(proline)을 사용한 반응장에 한 몇 가지 보고가 나

와 있다(19)

lt그림 3-3gt L-proline을 매로 하는 알돌형 반응

제3장 국내외 기술개발 동향 19

- 아세톤과 L- 로린으로 형성된 에나민(enamine)을 반

응 기질(基質)로 하여 방향족 알데히드류와 알돌형 반

응에서도 지방족 알데히드 사이에서의 크로스 알돌형

반응에서도 꽤 높은 학순도의 생성물이 얻어지고 있

다(20)

- 기질로서 에틸=메틸= 톤을 사용할 때에도 높은

학순도로 입체제어를 행할 수 있고 반복 반응장으로

서 사용해도 재 성 좋게 생성물이 얻어지는 것을 확

인하 다

- 클로로아세톤으로부터 생성한 할로히드린을 간체로

서 학활성의에폭시 화합물로 변환할 수 있는 것도

알려져 있으나 학순도는70~80 정도이고 물질 제

조로서는 만족할 만한 학순도는 아니다(21)

- 기질인 알데히드류와 로린으로부터 형성된 반응

간체는 Michael addition(마이클 부가반응)을 용이하게

진행시킬 수 있다 이 반응에서는 수용체(受容體)의

LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital) 에

지가 하하고 구핵제(求核劑)의 공격을 받기 쉽게 되

는 것이 필요하여 불소계 물질이 합하다

- 로린 이외의 유기분자에서는 디에틸아미노트리메틸

실란을 매로서 이용한 불소계 물질의 선택 인 올

핀류 합성이 발표 되었다이 반응계에서는 알데히드류

와 매로부터 생성한 반응 간체가 불소계 헤미아세

탈류로 되고 간체로부터 입체 선택 으로 편일방(片

一方)의 올 핀류를 생성하고 있다(22)

20 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

학활성인 이온성 액체

- 학활성인 이온성 액체는 학활성인 아민계 물질을

출발원료로 해서 합성되고 있는 경우로 니코틴을 출발

물질로 학활성인 이온성 액체를 만들 수 있다(23) 할

로겐 교환법을 사용하는 합성법의 첫 단계에서 얻어지

는 니코틴의 롬염은 고체이지만 LiNTf2로 음이온

교환을 하면 도가 높은 이온성 액체가 얻어진다

lt그림 3-4gt 수종의 학활성인 이온성 액체

합성된 이온성 액체 [Et(S)-nicotine]NTf2를 Diels-

Alder 반응의 반응 용매로서 사용한 결과 기 한 바와

같이 양호한 수율로 생성물이 얻어 졌지만 3 아미노

기가 염기성 매로서 작용을 하여 비 칭 반응장으로

서의 기능은 나타나지 않았다

제3장 국내외 기술개발 동향 21

lt그림 3-5gt 학활성 이온성 액체의 염기성 매로서의 기능발

를 들면 디엔 체의 3-히드록시 -2피론을 사용하여

Diels-Alder 반응을 하면 루이스산이 기질에 결합하여

기질의 HOMO(the highest occupied molecular orbital)

에 지 가 하되고 반응이 진행하지 않는 것이

확인되었다

dienophile(2 결합을 한개 가진 화합물)로서 아크

릴산메틸을 사용하면 높은 수율로 endoexo = 31의

목 하는 화합물을 얻을 수 있으나 이 반응을 보통

이온성 액체[emim][NTf2] 에서 행하면 진행하지 않

는다(24)

에폭시화 반응

- 합성 간체로서 주목되는 에폭시 화합물도 이온성 액

체 에서 합성되고 있다 효소의 산화반응을 이용하

여 과산화수소를 사용해서 계 에서 과 산을 생성시

켜 효소반응과 화학반응을 연속 으로 조합시켜 에폭

22 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

시 반응이 일어나고 이온성 액체를 반응장으로 사용

한 시스템이다(25)

lt그림 3-6gt 효소반응을 활용한 에폭시화 반응

- 기질류(基質類)에서의 비 칭 에폭시화 반응에서 얻어

진에폭시 화합물의 학순도는 높기 때문에 실용 인

합성방법이며 이 시스템에서는 이온성 액체를 5회 반

복 사용하여도 수율이나 학순도의 변화가 없음이 보

고 되고 있다(26)

lt그림 3-7gt 비 칭 에폭시화 반응

제3장 국내외 기술개발 동향 23

비 칭시아노화 반응 비 칭 사이클로 로 화 반응

- 알데히드류의 비 칭시아노화 반응에서도 비 칭 매

를 활용함으로서 학순도가 98정도로 원하는 생성

물이 얻어지고 있으며 이온성 액체의 반응장으로서 유

용성을 보여주고 있다(27)

lt그림 3-8gt 비 칭 시아노화 반응

- 디아조화합물을 사용하는 사이클로 로 화 반응에서

생성하는 시스체와 트란스체의 기하이성체 비는 높지

않으나 각각 학순도는 상당히 높은 것이 얻어진

다(28)

lt그림 3-9gt 비 칭 사이클로 로 화 반응

24 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

이온성 액체 에서의 고분자 합성

- 이온성 액체 에서 합반응을 행하면 MwMn비가

작게 되는 것으로 보고 되었다 이온성 액체를 이용하

여 합개시제로서 과산화벤조일이나 아조비스이소부

틸로니트릴을 사용한 스티 메틸메타크릴 이트의

호모(homo) 합에서 생성물은 이온성 액체로부터 여

과하는 것만으로 분리가 가능하고 회수한 이온성 액체

를 합용 용매로서 재이용이 가능하고 생성된 고분자

체의 분자량도 증가한다

lt그림 3-10gt 이온성 액체[bmim][PF6] 의 스티 의 합반응

중합용매

개시제 중합용매 수율() 분자량

중합용매

개시제 중합용매 수율() 분자량

- 벤젠 에서와 비교하여 이온성 액체 에서 합도

(重合度) 더욱이 생성물의 수율이 향상하는 것은 이

온성 액체의 도가 벤젠에 비하여 높아 연쇄 이동을

일으키기가 어렵고 생성한 폴리머 라디칼이 용매계로

부터 계외(系外)로 배출되기 쉽기 때문이라 생각된다

- 더욱이 이온성 액체 에서 AIBN(22-Azobis (isobuthy-

제3장 국내외 기술개발 동향 25

ronitril)) 내지는 BPO(benzoylperoxide)를 합개시제

로 한 스티 과 메틸메타크릴 이트의 라디칼 공 합

에 하여도 검토되고 있다

- 공 합 반응은 스티 의 첨가 몰비를 MMA에 비해

증 시켜도 코폴리머 분자량 모노머의 변화율이

하하는 경향이 있다 이 결과는 벤젠을 용매로 한 공

합계와 반 의 경향이고 이온성 액체의 극성이 높아

스티 에 비하여 극성 용매 에서 MMA의 합성이

높아지기 때문이라고 생각된다(29)

lt그림 3-11gt 이온성액체[bmim][PF6] 의 공 합 반응

3 촉매반응에서의 이온성 용액

매반응에서 이온성 용액은 자체 매성 보조 매 매활

성자 매 심의 새로운 리간드의 원 반응을 한 용매

등으로써 용된다(30)

26 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

유기 매로서의 이온성 용액

- 이온성 용액을 매반응에 사용하는 가장 좋은 방법은

용매와 매를 조합해서 사용하는 것이다 용매를 바

꿀 때마다 반응이 빨라지면 새로운 용매는 매 역할

을 한 것으로 본다

lt그림 3-12gt methyl acrylate와 [C4C1im]+ 양이온 사이의 수소결합

- 염화알루미늄염(III)(AlCl3) 이온성 용액에서 자치

환 산성 이온성 용액에서 아 (arenes)의 좋은 용해

성과 결합한 산성의 염화알루미늄염 이온성 용액의

높은 농도 [Al2Cl7]-는 친 자성 방향족 치환을 한

이상 인 용매로 만들 수 있다 산성인 [C2C1im]

Cl-AlCl3에서 1-염화 로 과의 벤젠 알킬반응에서 알

킬 고분자화가 측되었다 이이온성 용액시스템은 높

은 활동성과 선택성을 보 다(31)

- 유기용매로서 이온성 용액 이온성 용액은 지난 수년

간 유기 매 반응에 새로운 흥미를 갖기 시작하 으며

이 분야에 향을 수 있는 가능성을 가지고 있다

유기 매 반응에 한 근방법은 흔히 디엘-알더

(Diels-Alder) 환형추가 그 유도체인 수소결합의

상호작용 반응을 통해서이다(32)

제3장 국내외 기술개발 동향 27

보조 매로의 이온성 용액은 올 핀의 이합체화 (Olefin

dimerization)에서 니 매로 산성염화알루미늄염의 이

온성 용액이 로펜을 헥센에 이합체화를 한 반응에서

용매와 보조 매의 조합으로 사용한 첫 번째 경우이

다(33)

리간드 원으로서의 이온성 용액

- 수소화와 수소포르 화 반응 수소화 반응 수소포

르 화 반응을 해 용매로서 [Et4N][SnCl3]의 PtCl2용

액은 속에 매의 확실한 분해도 없이 올 핀의 수

소화에 효과 으로 매반응을 일으켰다 공기와의

을 피하도록 하는 가운데 활성화의 손실이 없이

매용액을 계속 으로 사용함으로써 반응이 이루어진

다(34)

- 팔라듐 NHC착물의 형성 이온성 용액은 팔라둠 매

반응의 넓은범 의 용매로 사용되어 왔다 이 연구과

정에서 재미있는 화학 상은 HHC착물과 나노 입

자의 형성이었다 이는 아직 논쟁의 상이 되고 있다

NHC착물은 이미다졸리움 이온성 용액에서 형성되며

기 하지 않는 반응성 는 선택성이 감지될 때 이를

항상 고려해야한다(35)

28 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-13gt NHC 매의 lactide 합에서의 ring opening

- 이온성 용액에서 나노입자의 형성 최근에 매로서

나노입자의 사용이 증가되는 심분야이다 1996년

Kaufmann이 이온성 용액에서처음으로 팔라듐의 매

반응을 보고하 다 일련의 아릴 롬이[C16PbBu3]Br

는 [Bu4N]Br에서 노말-알킬 이트와 결합하여 수율

90이상의 trans-시안염을 생성하는 반응이었다(36)

반응 용매로서의 이온성 용액

- 알 수소화 반응 [SbF6]- 와 [PF4]-의 두 이온성

용액에서 수소화 반응의 속도는 알 용액에서보다 훨

씬 높았다 왜 이 이온성 용액이 개선되었는지에 해

서는 아직 연구된 바가 없다 실제 매의 실체조차확

인이 안 되었다 반응용액으로부터 생성된 알 은 분

리가 쉬웠고 매를 함유한 용액은 순환되었다(37)

lt그림 3-14gt [C4C1im][PF6]의 수소포르 화 매의 두형태의 평형

제3장 국내외 기술개발 동향 29

- 산화 비록 재 사용되는 부분의 이온성 용액은 산

화에 안정 이고 산화과정에 이상 인 용매를 제공하

고 있지만 이것은 불과 지난몇 년 사이의 일이었다

Ni(acac)2는 [C4C1im][PF6]에서 해당되는 산의 라-

치환 benzaldehydes를 보통의 수율로 공기 에서 산

화반응의 매로 사용되어 왔다(38)

기화학 매용매로써의 이온성 용액

- 자화학을 이끄는 이온성 용액은 기화학 합성용

용매로서 가능성을 보이고 있다 최근에는 Ni이 알킬

벤질 아릴 할로겐화합물의 기 도성 동종결합

(electro conductive homo-coupling) 반응에 매로 보

고 된 바 있다 니 (II)착물은 니 (0)의 종에 하여

환원되고 방향성 할로겐화물에 첨가되어 할로겐 화합

물이 된다는 제안이 있었다(39)

이온성 용액의 고정화

- 반응시스템이 액체일 때 많은 장 이 있지만 때로는

그것을 고정화(immobilize) 시킬 필요가 있다 이온성

용액을 고정화 시키는데 심이 모아지고 있으며 첫

번째의 시도가 이온성 용액- 합체 겔을 만들기 하

여 고분자 vinylidenefluoride- hexachloropropylene의

공 합체를 사용한 것이다(40)

30 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

4 근대의 동향

할로겐 리이온액체

- 근년 이온성 액체에 한 연구가 많이 수행되고 있지

만 합성하고 있는 이온성 액체의 구조는 의외로 한정

되어 있으며 양이온은 테트라알킬암모늄(tetraalkyla-

mmonium) 피롤리디니움(pyrolidinium) 이미다졸리움

(imidazolium) 피리디니움(pyridinium) 등과 같이 비

교 다양성이 풍부한 반면에 음이온 종류는 BF4

PF6 CF3SO3 (CF3SO2)2N 등 할로겐 원소를 구조

에 함유한 것은 일반 으로 종류가 많지 않다(41)

- 할로겐을 포함하지 않는 음이온도 보고 되어 있는데

많은 양이온과 조합하여 액체화를 달성함이 쉽지 않고

한정된 양이온과 질산음이온이나 산 음이온 등을 결

합시킨 것이 보고 되어 있다(42)

- 최근 H Ohno(43)등은 할로겐 원소를 함유하지 않은

음이온으로 이온액체를 구축하기 하여 헤테로방향환

화합물을 착안하여 이미다졸이나 피라졸 등의 아졸

(azol)류 에서 산성을 띠는 124-triazolate 1234-

tetrazolate 등과 이미다졸리움 양이온을 조합시키는 것

에 의해 이온성 액체를 합성하 다

- 이 이온성 액체는 분자량과 비교해서 하의 비국재화

(非局在化)가 크다 한 할로겐 원소를 함유하지 않

고 C H N의 3종류원소만으로 구성되어 있다

제3장 국내외 기술개발 동향 31

lt그림 3-15gt 할로겐 리이온액체의 구조

쯔 츠 이온성 액체 (Zwitter ionic liquids)

- 한편 M Yoshizawa(44) 등은 이온 도재료로서 이온액

체를 사용하는 경우는 구배에 한 이온액체의 구

성이온종의 이동이 큰 문제로 된다

- 따라서 리튬 2차 지나 연료 지 등 목 이온종의 수

율과 계의 출력과의 계를 디바이스에 응용할 때는

이온 도재료로서 이온성 액체를 사용하는 것으로 양

이온과 음이온을 스페이서(spacer)로 결합하는 것에

의해 실온에서 액체상태인 성 이온 액체(zwitter

ionic liquid)를 제안하고 있다

- 양이온과 음이온을 스페이서로 결합하면 하는 체

로서 성이 되어 하이동이 없는 염으로 되는데 스

페이서가 짧아서 충분한 염해리가 힘드나 어느 정도의

자유도가 얻어지면 zwitterion으로 된다

32 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-16gt zwitter ionic liquids의 모식도

특정이온을 포함하는 이온액체

- 이온성 액체를 이온 도체로 사용하는 과제는 목 이

온의 도입이다 이는 리튬염 등 목 이온을 포함하는

염 등을 이온액체에 용해시켜 도입한다

- 그런데 염의 첨가는 계의 성의 증가 이온 도도의

하를 가져온다 한 이온액체와 상용하는 분자무

기염은 많지 않고 첨가염의 종류도 한정되어있는 것이

문제이다

- 이의 해결이 자의 zwitter ion이고 두 번째가 목 이

온을 실온에서 액체화가 가능하면 문제가 해결된다

이러한 방법으로 각종의 알칼리 속 이온성 액체

(alkali metal ionic liquid)를 개발하 다(45)

- lt그림 3-17gt은 알칼리 속이온성 액체는 2가의 응

음이온과 1가의 오니움(onium) 양이온 1가의 목 이

온으로 구성된다

lt그림 3-17gt 알칼리 속이온액체의 개념도

제3장 국내외 기술개발 동향 33

- 이온액체는 구성하는 이온 간의 정 기 상호작용은

없을수록 좋으므로 강한 상호작용을 일으키는 다가이

온의 사용은 물이다 당 리튬 양이온의 이온액체

가 목 이나 여러 가지의 알칼리 속이온도 액체로

되는데 이를 응용하면 로톤을 포함하는 이온액체도

얻어지게 된다

이온액체의 합

- 이온성 액체는 분자 디자인이 용이하기 때문에 고분자

구조를 도입하는 것도 가능하며 이온성 액체의 고분

자화로는 각종의 고분자와 혼합한 겔화가 알려져 있지

만 이온성 액체 에 합기를 직 도입하여 고분자

화 하는 것에 의해 이온 도성뿐 아니라 디바이스의

다운사이징(down-sizing)에 기여할 것으로 망하고

있다(41)

- lt그림 3-18gt은 고분자화 이온액체를 나타내는데 종래

의 polyethyl-eneoxide유도체에 의존하지 않는 새로운

이온 도재료로서 검토된다

- lt그림 3-18gt에서 양이온과 음이온의 한쪽이 고분자의

주쇄에 고정되어 있어서 도 이온종을 선택하는 이

유용하다 한 구성이온종의 양방이 고분자 주쇄에

고정된 구조는 이온 도성을 나타내지 않으나 목 이

온의 첨가로 선택 도가 일어난다(46)

34 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-18gt 이온액체폴리머의 변화

자기조직화 이온액체

- 이온액체는 등방성의 액체로서 3차원 인 이온을 운반

하는 것이 가능하다 이로서 차원제어를 행하고 특정

방향으로 이온을 수송하는 시도가 있다 이를 해 자

기 집합력을 이온액체에 부여할 필요가 있다

- 이온액체의 자기조직화에는 양친매성화합물(兩親媒性

化合物)의 성질을 이용한다 극성성분이 있는 이온액

체에 비극성기(탄화수소쇄 탄화불소쇄)를 도입한 양

친매성 이온액체는 벌크로 써모트로픽 액정성을 발

하여 극성 비극성기가 분자 벨에서 상분리된 구조

를 형성한다

- 이 액체 도메인 에는 이온성 액체자신은 용융되어

높은 운동성을 갖는 알킬기의 집합층에 고정된 상태일

것으로 생각된다 여기에 리튬염을 첨가하면 비극성염

을 갖지 않는 리튬이온의 우선 인 수송이 기 된

다(lt그림 3-19gt 참조)

제3장 국내외 기술개발 동향 35

lt그림 3-19gt 이온성 액체 도메인 의 목 이온수송의 모식도

새로운 용매

- Alabama 학의 Rogers 등은 셀룰로오스를 용해시키는

이온성 액체로서 bmim Cl(1-butyl-3-methylimidazolium

chloride)을 개발하 다(47)

lt그림 3-20gt bmimCl의 구조

- Bmin Cl은 실온에서는 고체로서 75에서 용해되지만

100 정도로 가열한 bmim Cl에 종이(셀룰로오스)를

침지하면 순식간에 용해된다 이 용액을 시린지

(syringe)에 의해 물 에서 용출(溶出)시키면 셀룰로

오스 화이버가 생성된다 풍부한 목재자원을 셀룰로스

로 추출하는 시도가 이루어지고 있다

36 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

- 한 핵산류를 용해시킨 이온액체를 개발하고 있는데

DNA나 RNA는 물에 쉽게 용해되지 않는데 이를 용

해시키는 이온액체가 얻어졌다 일정량의 핵산을 용해

시키는 온도는 사용하는 이온액체의 구조에 크게 의존

한다(48)

- 특히 분자내 는 분자간의 수소결합을 단하는 능

력이 요구되는데 여기에는 염소음이온의 효과가 큰 것

으로 알려져 있다 염소를 포함하는 염은 일반 으로

융 이 높고 실온에서 액상으로 존재하기가 어려운

이 있다

- 이는 음이온의 부 하가 비국재화하고 있지 않기 때문

에 정 인 상호작용이 강하게 작용하고 있는 결과이

다 이를 피하기 해 양이온구조를 개선하여 상온에

서 액체의 염화물 염을 합성한다(49)

- 이 방법으로 양이온 구조를 개선하여 실온에서 액체상

태 염화물염인 aaim Cl(13-diallylimidazolium chloride)

를 개발하 다 aaim Cl은 융 이 21 부근이지만 한번

용융하면 과냉각 상태에서도 안정하여 실온에서 사용

가능하다 단지 도가 높은 것이 난 이다

단백질의 기화학반응용 해질용액

- 단백질의 기화학 인 성질로서 단백질을 이온액체에

용해시키는 것은 통상의 고분자를 용해시키는 것과는

차원이 다데 단백질의 기능은 펩사이드쇄의 3차 구조

에 크게 의존하기 때문에 3차구조가변하면 변성에 의

해서 목 달성이 되지 않는다 따라서 무리한 용해작

업은 변성을 래한다

제3장 국내외 기술개발 동향 37

- 이에 하여 PEO(polyethylene oxide)의 에테르산소가

이온과 강하게 상호작용하고 있다 이는 가용성을 의

미하며 PEO가 단백질과 이온액체를 용해하여 단백질

의 안정성을 향상시킨다 종래 바이오디바이스의 작성

이 곤란했든 것은 수 에서 단백질의 불안정성에 기인

하 는데 사용 온도에 따라 이온액체 의 단백질의

기화학이 새로운 가능성의 개척을 시사한다(50)

5 국내동향

이온액체의 매반응분야(51)

- 한국과학기술연구원 송충의 박사는 이온성 액체를 키

랄 화합물 제조를 한 매반응에 도입하여 고가인

매와 용매의 반복 사용을 가능하게 함에 따라 결

국 매와 용매의 소비를 최소화시킬 수 있는 소 청

정 비 칭 매반응을 개발하 다

- 즉 Jacobsons chiral (salen)MnIII

매 존재 하에서

22-dimethylchro-mene의 비 칭 에폭시화 반응시

[bmim]PF6와 CH2Cl2 (14 vv) 혼합물 용매를 사용

함으로써 96-94의 학순도로 chromene oxides를

합성하는데 성공하 다 이온성 액체를 첨단유기합성

기술인 학활성화합물 제조기술개발에 용함으로써

용매와 매의 소비를 최소화하는 반응과정을 개발하

고 있다

- 이와 같은 기술은 화학 산업에서의 공해 요인을 감소

38 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

시킬 것이며 특히 노벨화학상 수상분야인 비 칭

매반응 분야의 최 문제 으로 지 되었던 키랄 매

의 분리 재회수가 가능하게 되었다는 에서 기술

으로도 우수한 성과라 할 수 있다

- 한 이온성 액체 내에서 일부 매반응이 가속화될

수도 있고 선택성 매의 안정성 역시 향상될 수

있음을 밝혔으며 더욱 놀라운 결과로는 기존의 유기

용매 내에서는 진행되지 않던 일부 반응이 이온

성 액체 내에서는 정량 으로 진행될 수 있다는 것이

- 한 많은 요한 유기반응에서 이온성 액체가 용매로

서뿐 아니라 자신이 재사용 가능 한 매로도 작용할

수 있음을 밝힌 바 있다 이러한 일련의 결과들은 이

온성 액체가 21세기에 매분야뿐 아니라 체 유기화

학분야의 새로운 장을 열고 있다는 에서 요한 의

미를 지닌다고 할 수 있다

합성 응용분야(52)

- 한국과학기술연구원 김훈식 박사 연구 은 KSeO2

(OCH3)를1-alkyl-3-methylimidazolium chloride와 반

응시켜 새로운 이미다졸륨 알킬셀 나이트 ([Rmim]

[SeO2(OCH3)]) 화합물을 합성하 다

- 아민화합물의 산화성 카르보닐화 반응을 통한 치환된

우 아 제조 반응에서 기존의 KSeO2(OCH3)을 매로

사용하 을 경우에 비해 이 화합물은 보다 온화한 반

응조건을 제공할 뿐 아니라 이소시아네이트의 구체

인 치환된 우 아와 카바메이트를 고수율로 합성할 수

제3장 국내외 기술개발 동향 39

있었다

- 재 이온성 액체를 이용한 분리 유기 속화합물을

함유한 고활성 매로서의 이온성 액체의 합성 응

용에 한 연구를 수행하고 있다

- 포항공과 학교의 김만주 교수 연구 은 Lipase를

[PPMIM]PF6 (PPMIM = 1-(3-phenylpropyl)-3-

methylimidazolium)와 혼합시켜Ionic liquid-Coated

Enzyme (ILCE)을 합성하 다 이 새로운 타입의

immobilized biocatalyst는 2차 알코올의 transest-

erification 반응을 통한 acetylated 화합물합성에 높은

활성과 재사용성을 보여 주었으며 이러한 연구결과를

다양한 생화학분야에 용하기 한 연구를 수행하고

있다

- 인하 학교의 지 윤 교수연구 은 alkyl mesylate로부

터 fluoro-alkane을 합성하는 반응에서 이온성 액체를

용매로 사용함으로써 기존방법에 비해 부반응이 거의

없고 생산성이 히 증가된 결과를 얻었으며 이러한

결과를 실용화시키기 한 연구를 지속하고 있다

- 신약개발 바이오벤처 기업 씨트리(C-TRI)는 이온성

액체를 이용한 학활성 화합물제조 기술개발회사로

서 지난 상반기에 31억원의 매출을 올렸으며 최근 이

온성 액체를 이용한 신약개발과 정 화학사업에 필요

한 연구 인력을 거 보강하여 이온성 액체 련사업

을 추진하고 있다

41

제4장

결론 및 제언

향후의 방향

- 이온성 액체에 한 앞으로의 망은 이온성 액체를

주 테마로 하는 국제회의가 증가하고 있다 미국화학

회는 작년 9월 New York에서 이온성 액체에 한 세

션이 개최되어 열띤 토론이 진행 되었다

- 2004년 3~4월에 Anaheim에서 개최된 세션은 ldquo이온성

액체와 고분자rdquo 다 유럽과 미국에서는 이온성 액체

를 반응용매로 보는 것이 주류를 이루고 있었다

- 2004년 10월 Hawaii에서 기화학의 미일합동 회가

열린다 주제는 이온성 액체(용융염)에 한 연구이었

- 앞으로도 이온성 액체에 한 연구는 증가할 것이고

여러 가지 배경을 갖고 있는 연구자들이 서로 다른 목

표를 가지고 연구에 노력할 것이라 생각된다

국내사정

- 우리나라의 황을 보면 재석유화학 의학 산업에

서만 약7억불에 달하는 유기용매가 사용되고 있으며

이들을 모두 체할 수 있다면 최 7억불시장을 형성

할 수 있으므로 이온성 액체의 시장잠재력은 매우 크

42 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

다 하겠다

- 이온성 액체는 휘발성유기화합물을 체할 수 있을 뿐

만 아니라 고가의 귀 속 매를 이온성 액체 층에 고

정화 시킬수 있어 매의 회수 재사용을 용이하게

하며 매의 활성도 안정도 선택도까지도 획기

으로 증가시킬 수 있으므로 환경 측면은 물론 경제

인 에서도 바람직한 청정용매라 할 수 있다

- 상기한바 와같이 이온성 액체의 잠재 인 응용가능성

은 앞으로 무한할 것으로 사료되므로 국내에서도 이에

한 연구자들의 심과 더불어 정부 기업체에 의

한 연구지원이 지속 으로 이루어져야 할 것이다

후의 과제

- 통상의 용매로 이온성 액체를 이용하는 경우에는 내구

성 제조가격 등의 인자가 요하지만 목 이 한정된

이온성 액체의 이용에 있어서는 목 하는 기능을 요

시할 필요가 있다

- 많은 이온성 액체가 합성되고 있으나 원하는 높은 물

성을 갖는 이온성 액체를 설계하는 데 기본이 되는 이

론이 아직은 없는 편이다 이를 해서는 특히 이온성

액체의 구조-물성의 상 계가 밝 져야 하는데 많

은 연구가 진행되고 있음에도 불구하고 그 계가 밝

지지 않고 있다 따라서 상태로서는 원하는 이온

성 액체를 직 만들어서 평가하는 방법밖에 없는 게

실이다

- 그러나 도화와 열안정성 등과 같이 상반 계에 있

는 특성은 하나의 라미터를 변화시키는 것에 의해

제4장 결론 및 제언 43

한 쪽의 특성은 양호하게 되지만 다른 한 쪽의 특성이

악화되는 것을 피할 수 없는 성질로서 아직 양쪽을 동

시에 만족하는 이온성 액체는 실 하지 못하고 있다

- 향후 이온성 액체는 청정용매의 개발과 더불어 새로

운 청정 공정기술의 개발을 통하여 신소재 신물질 생

산 공정을 환경친화 이면서 경제성 있는 공정개발에

기여할 것으로 기 된다

- 특히 비닐기 같은 합성 기능기를 이온성 액체의 단

구조로 도입하여 단독 합이나 공 합을 통해 고분

자화한 이온성 액체를 만들 수 있어 이를 잘 활용하여

이온 지라든가 연료 지 등의 해액으로 응용의 길

이 열린다면 학문 으로나 공업 으로 큰 의의가 있으

리라 생각되며 이 분야의 연구가 활성화되길 기 한

45

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저자소개

손 목

공학박사

한국에 지기술연구소 원장

한국과학기술정보연구원 문연구 원

서 수소 연료 지 개스 센서기술 등

강 종 석

공학박사

한국과학기술정보연구원 선임연구원

서 BT분야 국가연구개발 심층분석

리튬이차 지 등

BB088 손 목강종석

이온성 액체의 반응성 및 전기화학적

특성 연구동향

2005년 12월 19일 인쇄

2005년 12월 23일 발행

발행처

서울특별시 동 문구 청량리동 206-9

ꂕ 130-742

화 3299-6114

등록 1991년 2월 12일 제5-258호

발행인

조 화

인쇄처

신기획

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Page 15: 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향gift.kisti.re.kr/data/IAC/files/KISTI-200512-SYM-ion_fluid.pdf · ※ 이온성 액체는 사용되는 음이온의

제2장 기술의 개요 11

지 못하고 있는 실정이다 즉 신규 이온성 액체를 찾

아낼 가능성이 아직 많다고 하겠다(13)

4 이온성 액체의 응용분야

이온성 액체의 특이한 성질을 이용하여 여러 응용이 제

안되고 있다 크게 환경부하가 은 그린(green) 용매로

서의 응용과 새로운 이온 도성 재료로서 응용으로 2분

야로 크게 나 수 있다 그린 용매로서의 연구는 주로

유럽과 미국에서 이온 도성 재료의 연구는 상 으

로 일본에서 연구가 많이 진행되고 있다

그린 용매(기능성 용매)

- 화학공정의 반응계에서 사용되는 용매 특히 유기용매

가 기나 하천 등으로 확산되는 것은 환경문제이다

더욱이 유기용매의 인화성이나 폭발성 작업종사자의

피독 등 안 에 한 문제가 요하다

- 이온성 액체를 그린 용매로서 응용하는 것은 일반 인

휘발성 용매를 체하는 반응용매(반응장)로서 응용으

로 에서 설명한 문제 을 한꺼번에 해결할 수 있는

가능성이 있다

- 이온성 액체를 용매로 사용할 수 있는 반응 로서 유

기합성 반응계 분리 추출 등 여러 분야가 있으며 생

체유래분자의 반응에도 검토되고 있다

- 최근에 이 분야의 연구의 방향은 이온성 액체의 분자

12 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

설계 장 을 이용하여 기능을 갖는 구조를 도입할 수

있다 실제 매활성이나 귀 속 회수 등의 기능

부여가 연구되고 있다 Davis등이 제창하는 Task-

Specific Ionic Liquid(14)라 불리는 차세 이온성 액체

가 그 좋은 이다

이온 도체

- 이온성 액체는 불휘발 불연성 특성이 있어 기존에

해액으로 사용되어온 유기용매가 갖고 있는 휘발성

인화성이라는 문제를 해결 할수 있다 따라서 이온

도성 재료로서의 연구는 리튬이온 지 연료 지 색소

증감 태양 지 작동장치(actuator) 커패시터(capacitor)

등의 이온성 소자용 해액 응용을 들 수 있다(3)

- 실제로 이온성 액체를 해액으로 사용하기 해서는

재 개발 된이온성 액체의 모든 물성을 개선하는데

범 한 분자설계로부터 물성과 구조의 계를 연구

하고 이를 통해 이온 특성을 최 화할 필요가 있다

- 보다 실제 인 응용을 해 이온성 액체 그 자체를

해액으로 사용하기보다는 고분자화에 의해 고체 해

질로서 하는 쪽이 더 좋은 경우가 있다 고분자화 된

이온성 액체의 특성은 이온성 소자의 소형경량화나 박

막화 안 성의 향상도 기 된다

- 재까지 얻어진 고분자 구조를 보면 고분자의 가지사

슬에 양이온음이온의 양쪽을 고정시킨 공 합 고분자

형 극성 이온형 등은 목 하는 이온만의 이동이

요구되는 응용에 당하다(15)

제2장 기술의 개요 13

다른 분야 응용

- 다른 분야의 응용 실례로는 자 도성 액체 윤활유

임계유체와의 혼합계 표면 개질제 등이 있다 휘발

하지 않는 액체 실온에서 액체상 염이라는 특징을 살

려 앞으로 다른 분야의 연구자와 교류를 통하여 이온

성 액체의 새로운 가능성을 열어갈 수 있다

15

제3장

국내외 연구개발 동향

1 연구의 방향

이온성 액체의 연구는 술한바 반응용매로의 이용과

해질 용액으로서의 이용으로 크게 분류된다

- Grignard 시약을 사용하는 반응 이외에는 부분이 이

온성 액체 에서 반응하는 것이 가능한 것으로 일반

의 유기합성 반응에서부터 고분자 합성까지 다양한 반

응이 검토되고 있다

- 소수성이 강한 불소함유 이온성 액체는 액액(液液)

의 2층으로 분리가 되어 물층의 에 무거운(비 15

정도) 이온성 액체층이 생성되는데 이를 이용하여 공

장 배수로부터 유기물을 추출하는 등 배수처리에 응용

할 수 있으며 반응물의 회수도 가능하다

해질 용액으로의 이용은 이온성 액체가 높은 이온

도성을 가진 것과 폭넓은 온도 역에서 액상을 유지하

면서 불연성인 것 창(電位窓)도 넓고 기화학 으

로 안정한 것 등의 특징을 가지고 있어 각종 기화학

디바이스에의 이용이 검토된다

- 이온성 액체가 해질 용액으로서 이용될 때 특히 특

16 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

정 이온의 이동(移動)이 기능발휘에 요한 역할을 하

는 경우에는 다음과 같은 두 가지의 을 고려해야

한다

용매로서 사용하는 이온성 액체를 구성하는 이온이

구배(potential gradient) 하에서 이동하도록 제어하

여 목 이온만을 도시킬 필요가 있다

목 이온을 성분으로 하는 이온성 액체가 거의 알려

져 있지 않기 때문에 목 이온을 함유한 염을 용해시

켜서 이용하는 것이지만 첨가한 염은 이온성 액체에

한 용해도가 일반 으로 높지 않다 용해성을 개선

하기 해서는 이온성 액체의 성분과 같은 이온을

응 이온으로 하는 염을 이용해야 한다

- 이온성 액체는 높은 이온 도성과 용질의 가용성(可

溶性) 등을 이용하여 해합성(電解合成)이나 해

합에도 응용되고 있다

2 반응장으로서 이온성 액체의 활용

농약 간체로서 요한 학활성체와 고분자 물질 생산

에 있어 용매 역할로 이온성 액체를 사용하여 그 가능성

특성에 하여 소개한다

제3장 국내외 기술개발 동향 17

학활성인 불소계 물질의 제조

불소계 물질은 의농약의 합성 간체로서 요하나 비

칭 불소화 반응에는 가 다

lt그림 3-1gt 비 칭 불소화 반응

- 이온성 액체 에서는 온에서도 사용 가능한 헥실=

메틸=이미다졸리움헥사후루오로포스페이트

[hmim][PF6]을 사용하여 구핵반응에 의해 비 칭 불

소화 반응이 일어나 높은 학순도의 불소화체를 합성

하고 있다(16)

- 이 반응의 과제는 학순도의 향상과 용 가능한 물

질을 넓히는 일이다 학활성 에폭시알코올의 불소화

로 학활성 불소화에폭시 화합물을 합성하는 것이 가

능하다고 알려져 있다(17)

18 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-2gt 학활성인 불소화 에폭시

비 칭 알돌(aldol) 반응

- 효소 알돌라아제(aldolase)에 의한 비 칭 합성을 모방

한 화학 매에의한 탄소-탄소 결합 형성 반응은 합성

화학의 요한 과제 이다(18) 용제로서 「재사용 가능

한」 이온성 액체를 이용하고 매로서 L- 로린

(proline)을 사용한 반응장에 한 몇 가지 보고가 나

와 있다(19)

lt그림 3-3gt L-proline을 매로 하는 알돌형 반응

제3장 국내외 기술개발 동향 19

- 아세톤과 L- 로린으로 형성된 에나민(enamine)을 반

응 기질(基質)로 하여 방향족 알데히드류와 알돌형 반

응에서도 지방족 알데히드 사이에서의 크로스 알돌형

반응에서도 꽤 높은 학순도의 생성물이 얻어지고 있

다(20)

- 기질로서 에틸=메틸= 톤을 사용할 때에도 높은

학순도로 입체제어를 행할 수 있고 반복 반응장으로

서 사용해도 재 성 좋게 생성물이 얻어지는 것을 확

인하 다

- 클로로아세톤으로부터 생성한 할로히드린을 간체로

서 학활성의에폭시 화합물로 변환할 수 있는 것도

알려져 있으나 학순도는70~80 정도이고 물질 제

조로서는 만족할 만한 학순도는 아니다(21)

- 기질인 알데히드류와 로린으로부터 형성된 반응

간체는 Michael addition(마이클 부가반응)을 용이하게

진행시킬 수 있다 이 반응에서는 수용체(受容體)의

LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital) 에

지가 하하고 구핵제(求核劑)의 공격을 받기 쉽게 되

는 것이 필요하여 불소계 물질이 합하다

- 로린 이외의 유기분자에서는 디에틸아미노트리메틸

실란을 매로서 이용한 불소계 물질의 선택 인 올

핀류 합성이 발표 되었다이 반응계에서는 알데히드류

와 매로부터 생성한 반응 간체가 불소계 헤미아세

탈류로 되고 간체로부터 입체 선택 으로 편일방(片

一方)의 올 핀류를 생성하고 있다(22)

20 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

학활성인 이온성 액체

- 학활성인 이온성 액체는 학활성인 아민계 물질을

출발원료로 해서 합성되고 있는 경우로 니코틴을 출발

물질로 학활성인 이온성 액체를 만들 수 있다(23) 할

로겐 교환법을 사용하는 합성법의 첫 단계에서 얻어지

는 니코틴의 롬염은 고체이지만 LiNTf2로 음이온

교환을 하면 도가 높은 이온성 액체가 얻어진다

lt그림 3-4gt 수종의 학활성인 이온성 액체

합성된 이온성 액체 [Et(S)-nicotine]NTf2를 Diels-

Alder 반응의 반응 용매로서 사용한 결과 기 한 바와

같이 양호한 수율로 생성물이 얻어 졌지만 3 아미노

기가 염기성 매로서 작용을 하여 비 칭 반응장으로

서의 기능은 나타나지 않았다

제3장 국내외 기술개발 동향 21

lt그림 3-5gt 학활성 이온성 액체의 염기성 매로서의 기능발

를 들면 디엔 체의 3-히드록시 -2피론을 사용하여

Diels-Alder 반응을 하면 루이스산이 기질에 결합하여

기질의 HOMO(the highest occupied molecular orbital)

에 지 가 하되고 반응이 진행하지 않는 것이

확인되었다

dienophile(2 결합을 한개 가진 화합물)로서 아크

릴산메틸을 사용하면 높은 수율로 endoexo = 31의

목 하는 화합물을 얻을 수 있으나 이 반응을 보통

이온성 액체[emim][NTf2] 에서 행하면 진행하지 않

는다(24)

에폭시화 반응

- 합성 간체로서 주목되는 에폭시 화합물도 이온성 액

체 에서 합성되고 있다 효소의 산화반응을 이용하

여 과산화수소를 사용해서 계 에서 과 산을 생성시

켜 효소반응과 화학반응을 연속 으로 조합시켜 에폭

22 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

시 반응이 일어나고 이온성 액체를 반응장으로 사용

한 시스템이다(25)

lt그림 3-6gt 효소반응을 활용한 에폭시화 반응

- 기질류(基質類)에서의 비 칭 에폭시화 반응에서 얻어

진에폭시 화합물의 학순도는 높기 때문에 실용 인

합성방법이며 이 시스템에서는 이온성 액체를 5회 반

복 사용하여도 수율이나 학순도의 변화가 없음이 보

고 되고 있다(26)

lt그림 3-7gt 비 칭 에폭시화 반응

제3장 국내외 기술개발 동향 23

비 칭시아노화 반응 비 칭 사이클로 로 화 반응

- 알데히드류의 비 칭시아노화 반응에서도 비 칭 매

를 활용함으로서 학순도가 98정도로 원하는 생성

물이 얻어지고 있으며 이온성 액체의 반응장으로서 유

용성을 보여주고 있다(27)

lt그림 3-8gt 비 칭 시아노화 반응

- 디아조화합물을 사용하는 사이클로 로 화 반응에서

생성하는 시스체와 트란스체의 기하이성체 비는 높지

않으나 각각 학순도는 상당히 높은 것이 얻어진

다(28)

lt그림 3-9gt 비 칭 사이클로 로 화 반응

24 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

이온성 액체 에서의 고분자 합성

- 이온성 액체 에서 합반응을 행하면 MwMn비가

작게 되는 것으로 보고 되었다 이온성 액체를 이용하

여 합개시제로서 과산화벤조일이나 아조비스이소부

틸로니트릴을 사용한 스티 메틸메타크릴 이트의

호모(homo) 합에서 생성물은 이온성 액체로부터 여

과하는 것만으로 분리가 가능하고 회수한 이온성 액체

를 합용 용매로서 재이용이 가능하고 생성된 고분자

체의 분자량도 증가한다

lt그림 3-10gt 이온성 액체[bmim][PF6] 의 스티 의 합반응

중합용매

개시제 중합용매 수율() 분자량

중합용매

개시제 중합용매 수율() 분자량

- 벤젠 에서와 비교하여 이온성 액체 에서 합도

(重合度) 더욱이 생성물의 수율이 향상하는 것은 이

온성 액체의 도가 벤젠에 비하여 높아 연쇄 이동을

일으키기가 어렵고 생성한 폴리머 라디칼이 용매계로

부터 계외(系外)로 배출되기 쉽기 때문이라 생각된다

- 더욱이 이온성 액체 에서 AIBN(22-Azobis (isobuthy-

제3장 국내외 기술개발 동향 25

ronitril)) 내지는 BPO(benzoylperoxide)를 합개시제

로 한 스티 과 메틸메타크릴 이트의 라디칼 공 합

에 하여도 검토되고 있다

- 공 합 반응은 스티 의 첨가 몰비를 MMA에 비해

증 시켜도 코폴리머 분자량 모노머의 변화율이

하하는 경향이 있다 이 결과는 벤젠을 용매로 한 공

합계와 반 의 경향이고 이온성 액체의 극성이 높아

스티 에 비하여 극성 용매 에서 MMA의 합성이

높아지기 때문이라고 생각된다(29)

lt그림 3-11gt 이온성액체[bmim][PF6] 의 공 합 반응

3 촉매반응에서의 이온성 용액

매반응에서 이온성 용액은 자체 매성 보조 매 매활

성자 매 심의 새로운 리간드의 원 반응을 한 용매

등으로써 용된다(30)

26 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

유기 매로서의 이온성 용액

- 이온성 용액을 매반응에 사용하는 가장 좋은 방법은

용매와 매를 조합해서 사용하는 것이다 용매를 바

꿀 때마다 반응이 빨라지면 새로운 용매는 매 역할

을 한 것으로 본다

lt그림 3-12gt methyl acrylate와 [C4C1im]+ 양이온 사이의 수소결합

- 염화알루미늄염(III)(AlCl3) 이온성 용액에서 자치

환 산성 이온성 용액에서 아 (arenes)의 좋은 용해

성과 결합한 산성의 염화알루미늄염 이온성 용액의

높은 농도 [Al2Cl7]-는 친 자성 방향족 치환을 한

이상 인 용매로 만들 수 있다 산성인 [C2C1im]

Cl-AlCl3에서 1-염화 로 과의 벤젠 알킬반응에서 알

킬 고분자화가 측되었다 이이온성 용액시스템은 높

은 활동성과 선택성을 보 다(31)

- 유기용매로서 이온성 용액 이온성 용액은 지난 수년

간 유기 매 반응에 새로운 흥미를 갖기 시작하 으며

이 분야에 향을 수 있는 가능성을 가지고 있다

유기 매 반응에 한 근방법은 흔히 디엘-알더

(Diels-Alder) 환형추가 그 유도체인 수소결합의

상호작용 반응을 통해서이다(32)

제3장 국내외 기술개발 동향 27

보조 매로의 이온성 용액은 올 핀의 이합체화 (Olefin

dimerization)에서 니 매로 산성염화알루미늄염의 이

온성 용액이 로펜을 헥센에 이합체화를 한 반응에서

용매와 보조 매의 조합으로 사용한 첫 번째 경우이

다(33)

리간드 원으로서의 이온성 용액

- 수소화와 수소포르 화 반응 수소화 반응 수소포

르 화 반응을 해 용매로서 [Et4N][SnCl3]의 PtCl2용

액은 속에 매의 확실한 분해도 없이 올 핀의 수

소화에 효과 으로 매반응을 일으켰다 공기와의

을 피하도록 하는 가운데 활성화의 손실이 없이

매용액을 계속 으로 사용함으로써 반응이 이루어진

다(34)

- 팔라듐 NHC착물의 형성 이온성 용액은 팔라둠 매

반응의 넓은범 의 용매로 사용되어 왔다 이 연구과

정에서 재미있는 화학 상은 HHC착물과 나노 입

자의 형성이었다 이는 아직 논쟁의 상이 되고 있다

NHC착물은 이미다졸리움 이온성 용액에서 형성되며

기 하지 않는 반응성 는 선택성이 감지될 때 이를

항상 고려해야한다(35)

28 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-13gt NHC 매의 lactide 합에서의 ring opening

- 이온성 용액에서 나노입자의 형성 최근에 매로서

나노입자의 사용이 증가되는 심분야이다 1996년

Kaufmann이 이온성 용액에서처음으로 팔라듐의 매

반응을 보고하 다 일련의 아릴 롬이[C16PbBu3]Br

는 [Bu4N]Br에서 노말-알킬 이트와 결합하여 수율

90이상의 trans-시안염을 생성하는 반응이었다(36)

반응 용매로서의 이온성 용액

- 알 수소화 반응 [SbF6]- 와 [PF4]-의 두 이온성

용액에서 수소화 반응의 속도는 알 용액에서보다 훨

씬 높았다 왜 이 이온성 용액이 개선되었는지에 해

서는 아직 연구된 바가 없다 실제 매의 실체조차확

인이 안 되었다 반응용액으로부터 생성된 알 은 분

리가 쉬웠고 매를 함유한 용액은 순환되었다(37)

lt그림 3-14gt [C4C1im][PF6]의 수소포르 화 매의 두형태의 평형

제3장 국내외 기술개발 동향 29

- 산화 비록 재 사용되는 부분의 이온성 용액은 산

화에 안정 이고 산화과정에 이상 인 용매를 제공하

고 있지만 이것은 불과 지난몇 년 사이의 일이었다

Ni(acac)2는 [C4C1im][PF6]에서 해당되는 산의 라-

치환 benzaldehydes를 보통의 수율로 공기 에서 산

화반응의 매로 사용되어 왔다(38)

기화학 매용매로써의 이온성 용액

- 자화학을 이끄는 이온성 용액은 기화학 합성용

용매로서 가능성을 보이고 있다 최근에는 Ni이 알킬

벤질 아릴 할로겐화합물의 기 도성 동종결합

(electro conductive homo-coupling) 반응에 매로 보

고 된 바 있다 니 (II)착물은 니 (0)의 종에 하여

환원되고 방향성 할로겐화물에 첨가되어 할로겐 화합

물이 된다는 제안이 있었다(39)

이온성 용액의 고정화

- 반응시스템이 액체일 때 많은 장 이 있지만 때로는

그것을 고정화(immobilize) 시킬 필요가 있다 이온성

용액을 고정화 시키는데 심이 모아지고 있으며 첫

번째의 시도가 이온성 용액- 합체 겔을 만들기 하

여 고분자 vinylidenefluoride- hexachloropropylene의

공 합체를 사용한 것이다(40)

30 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

4 근대의 동향

할로겐 리이온액체

- 근년 이온성 액체에 한 연구가 많이 수행되고 있지

만 합성하고 있는 이온성 액체의 구조는 의외로 한정

되어 있으며 양이온은 테트라알킬암모늄(tetraalkyla-

mmonium) 피롤리디니움(pyrolidinium) 이미다졸리움

(imidazolium) 피리디니움(pyridinium) 등과 같이 비

교 다양성이 풍부한 반면에 음이온 종류는 BF4

PF6 CF3SO3 (CF3SO2)2N 등 할로겐 원소를 구조

에 함유한 것은 일반 으로 종류가 많지 않다(41)

- 할로겐을 포함하지 않는 음이온도 보고 되어 있는데

많은 양이온과 조합하여 액체화를 달성함이 쉽지 않고

한정된 양이온과 질산음이온이나 산 음이온 등을 결

합시킨 것이 보고 되어 있다(42)

- 최근 H Ohno(43)등은 할로겐 원소를 함유하지 않은

음이온으로 이온액체를 구축하기 하여 헤테로방향환

화합물을 착안하여 이미다졸이나 피라졸 등의 아졸

(azol)류 에서 산성을 띠는 124-triazolate 1234-

tetrazolate 등과 이미다졸리움 양이온을 조합시키는 것

에 의해 이온성 액체를 합성하 다

- 이 이온성 액체는 분자량과 비교해서 하의 비국재화

(非局在化)가 크다 한 할로겐 원소를 함유하지 않

고 C H N의 3종류원소만으로 구성되어 있다

제3장 국내외 기술개발 동향 31

lt그림 3-15gt 할로겐 리이온액체의 구조

쯔 츠 이온성 액체 (Zwitter ionic liquids)

- 한편 M Yoshizawa(44) 등은 이온 도재료로서 이온액

체를 사용하는 경우는 구배에 한 이온액체의 구

성이온종의 이동이 큰 문제로 된다

- 따라서 리튬 2차 지나 연료 지 등 목 이온종의 수

율과 계의 출력과의 계를 디바이스에 응용할 때는

이온 도재료로서 이온성 액체를 사용하는 것으로 양

이온과 음이온을 스페이서(spacer)로 결합하는 것에

의해 실온에서 액체상태인 성 이온 액체(zwitter

ionic liquid)를 제안하고 있다

- 양이온과 음이온을 스페이서로 결합하면 하는 체

로서 성이 되어 하이동이 없는 염으로 되는데 스

페이서가 짧아서 충분한 염해리가 힘드나 어느 정도의

자유도가 얻어지면 zwitterion으로 된다

32 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-16gt zwitter ionic liquids의 모식도

특정이온을 포함하는 이온액체

- 이온성 액체를 이온 도체로 사용하는 과제는 목 이

온의 도입이다 이는 리튬염 등 목 이온을 포함하는

염 등을 이온액체에 용해시켜 도입한다

- 그런데 염의 첨가는 계의 성의 증가 이온 도도의

하를 가져온다 한 이온액체와 상용하는 분자무

기염은 많지 않고 첨가염의 종류도 한정되어있는 것이

문제이다

- 이의 해결이 자의 zwitter ion이고 두 번째가 목 이

온을 실온에서 액체화가 가능하면 문제가 해결된다

이러한 방법으로 각종의 알칼리 속 이온성 액체

(alkali metal ionic liquid)를 개발하 다(45)

- lt그림 3-17gt은 알칼리 속이온성 액체는 2가의 응

음이온과 1가의 오니움(onium) 양이온 1가의 목 이

온으로 구성된다

lt그림 3-17gt 알칼리 속이온액체의 개념도

제3장 국내외 기술개발 동향 33

- 이온액체는 구성하는 이온 간의 정 기 상호작용은

없을수록 좋으므로 강한 상호작용을 일으키는 다가이

온의 사용은 물이다 당 리튬 양이온의 이온액체

가 목 이나 여러 가지의 알칼리 속이온도 액체로

되는데 이를 응용하면 로톤을 포함하는 이온액체도

얻어지게 된다

이온액체의 합

- 이온성 액체는 분자 디자인이 용이하기 때문에 고분자

구조를 도입하는 것도 가능하며 이온성 액체의 고분

자화로는 각종의 고분자와 혼합한 겔화가 알려져 있지

만 이온성 액체 에 합기를 직 도입하여 고분자

화 하는 것에 의해 이온 도성뿐 아니라 디바이스의

다운사이징(down-sizing)에 기여할 것으로 망하고

있다(41)

- lt그림 3-18gt은 고분자화 이온액체를 나타내는데 종래

의 polyethyl-eneoxide유도체에 의존하지 않는 새로운

이온 도재료로서 검토된다

- lt그림 3-18gt에서 양이온과 음이온의 한쪽이 고분자의

주쇄에 고정되어 있어서 도 이온종을 선택하는 이

유용하다 한 구성이온종의 양방이 고분자 주쇄에

고정된 구조는 이온 도성을 나타내지 않으나 목 이

온의 첨가로 선택 도가 일어난다(46)

34 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-18gt 이온액체폴리머의 변화

자기조직화 이온액체

- 이온액체는 등방성의 액체로서 3차원 인 이온을 운반

하는 것이 가능하다 이로서 차원제어를 행하고 특정

방향으로 이온을 수송하는 시도가 있다 이를 해 자

기 집합력을 이온액체에 부여할 필요가 있다

- 이온액체의 자기조직화에는 양친매성화합물(兩親媒性

化合物)의 성질을 이용한다 극성성분이 있는 이온액

체에 비극성기(탄화수소쇄 탄화불소쇄)를 도입한 양

친매성 이온액체는 벌크로 써모트로픽 액정성을 발

하여 극성 비극성기가 분자 벨에서 상분리된 구조

를 형성한다

- 이 액체 도메인 에는 이온성 액체자신은 용융되어

높은 운동성을 갖는 알킬기의 집합층에 고정된 상태일

것으로 생각된다 여기에 리튬염을 첨가하면 비극성염

을 갖지 않는 리튬이온의 우선 인 수송이 기 된

다(lt그림 3-19gt 참조)

제3장 국내외 기술개발 동향 35

lt그림 3-19gt 이온성 액체 도메인 의 목 이온수송의 모식도

새로운 용매

- Alabama 학의 Rogers 등은 셀룰로오스를 용해시키는

이온성 액체로서 bmim Cl(1-butyl-3-methylimidazolium

chloride)을 개발하 다(47)

lt그림 3-20gt bmimCl의 구조

- Bmin Cl은 실온에서는 고체로서 75에서 용해되지만

100 정도로 가열한 bmim Cl에 종이(셀룰로오스)를

침지하면 순식간에 용해된다 이 용액을 시린지

(syringe)에 의해 물 에서 용출(溶出)시키면 셀룰로

오스 화이버가 생성된다 풍부한 목재자원을 셀룰로스

로 추출하는 시도가 이루어지고 있다

36 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

- 한 핵산류를 용해시킨 이온액체를 개발하고 있는데

DNA나 RNA는 물에 쉽게 용해되지 않는데 이를 용

해시키는 이온액체가 얻어졌다 일정량의 핵산을 용해

시키는 온도는 사용하는 이온액체의 구조에 크게 의존

한다(48)

- 특히 분자내 는 분자간의 수소결합을 단하는 능

력이 요구되는데 여기에는 염소음이온의 효과가 큰 것

으로 알려져 있다 염소를 포함하는 염은 일반 으로

융 이 높고 실온에서 액상으로 존재하기가 어려운

이 있다

- 이는 음이온의 부 하가 비국재화하고 있지 않기 때문

에 정 인 상호작용이 강하게 작용하고 있는 결과이

다 이를 피하기 해 양이온구조를 개선하여 상온에

서 액체의 염화물 염을 합성한다(49)

- 이 방법으로 양이온 구조를 개선하여 실온에서 액체상

태 염화물염인 aaim Cl(13-diallylimidazolium chloride)

를 개발하 다 aaim Cl은 융 이 21 부근이지만 한번

용융하면 과냉각 상태에서도 안정하여 실온에서 사용

가능하다 단지 도가 높은 것이 난 이다

단백질의 기화학반응용 해질용액

- 단백질의 기화학 인 성질로서 단백질을 이온액체에

용해시키는 것은 통상의 고분자를 용해시키는 것과는

차원이 다데 단백질의 기능은 펩사이드쇄의 3차 구조

에 크게 의존하기 때문에 3차구조가변하면 변성에 의

해서 목 달성이 되지 않는다 따라서 무리한 용해작

업은 변성을 래한다

제3장 국내외 기술개발 동향 37

- 이에 하여 PEO(polyethylene oxide)의 에테르산소가

이온과 강하게 상호작용하고 있다 이는 가용성을 의

미하며 PEO가 단백질과 이온액체를 용해하여 단백질

의 안정성을 향상시킨다 종래 바이오디바이스의 작성

이 곤란했든 것은 수 에서 단백질의 불안정성에 기인

하 는데 사용 온도에 따라 이온액체 의 단백질의

기화학이 새로운 가능성의 개척을 시사한다(50)

5 국내동향

이온액체의 매반응분야(51)

- 한국과학기술연구원 송충의 박사는 이온성 액체를 키

랄 화합물 제조를 한 매반응에 도입하여 고가인

매와 용매의 반복 사용을 가능하게 함에 따라 결

국 매와 용매의 소비를 최소화시킬 수 있는 소 청

정 비 칭 매반응을 개발하 다

- 즉 Jacobsons chiral (salen)MnIII

매 존재 하에서

22-dimethylchro-mene의 비 칭 에폭시화 반응시

[bmim]PF6와 CH2Cl2 (14 vv) 혼합물 용매를 사용

함으로써 96-94의 학순도로 chromene oxides를

합성하는데 성공하 다 이온성 액체를 첨단유기합성

기술인 학활성화합물 제조기술개발에 용함으로써

용매와 매의 소비를 최소화하는 반응과정을 개발하

고 있다

- 이와 같은 기술은 화학 산업에서의 공해 요인을 감소

38 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

시킬 것이며 특히 노벨화학상 수상분야인 비 칭

매반응 분야의 최 문제 으로 지 되었던 키랄 매

의 분리 재회수가 가능하게 되었다는 에서 기술

으로도 우수한 성과라 할 수 있다

- 한 이온성 액체 내에서 일부 매반응이 가속화될

수도 있고 선택성 매의 안정성 역시 향상될 수

있음을 밝혔으며 더욱 놀라운 결과로는 기존의 유기

용매 내에서는 진행되지 않던 일부 반응이 이온

성 액체 내에서는 정량 으로 진행될 수 있다는 것이

- 한 많은 요한 유기반응에서 이온성 액체가 용매로

서뿐 아니라 자신이 재사용 가능 한 매로도 작용할

수 있음을 밝힌 바 있다 이러한 일련의 결과들은 이

온성 액체가 21세기에 매분야뿐 아니라 체 유기화

학분야의 새로운 장을 열고 있다는 에서 요한 의

미를 지닌다고 할 수 있다

합성 응용분야(52)

- 한국과학기술연구원 김훈식 박사 연구 은 KSeO2

(OCH3)를1-alkyl-3-methylimidazolium chloride와 반

응시켜 새로운 이미다졸륨 알킬셀 나이트 ([Rmim]

[SeO2(OCH3)]) 화합물을 합성하 다

- 아민화합물의 산화성 카르보닐화 반응을 통한 치환된

우 아 제조 반응에서 기존의 KSeO2(OCH3)을 매로

사용하 을 경우에 비해 이 화합물은 보다 온화한 반

응조건을 제공할 뿐 아니라 이소시아네이트의 구체

인 치환된 우 아와 카바메이트를 고수율로 합성할 수

제3장 국내외 기술개발 동향 39

있었다

- 재 이온성 액체를 이용한 분리 유기 속화합물을

함유한 고활성 매로서의 이온성 액체의 합성 응

용에 한 연구를 수행하고 있다

- 포항공과 학교의 김만주 교수 연구 은 Lipase를

[PPMIM]PF6 (PPMIM = 1-(3-phenylpropyl)-3-

methylimidazolium)와 혼합시켜Ionic liquid-Coated

Enzyme (ILCE)을 합성하 다 이 새로운 타입의

immobilized biocatalyst는 2차 알코올의 transest-

erification 반응을 통한 acetylated 화합물합성에 높은

활성과 재사용성을 보여 주었으며 이러한 연구결과를

다양한 생화학분야에 용하기 한 연구를 수행하고

있다

- 인하 학교의 지 윤 교수연구 은 alkyl mesylate로부

터 fluoro-alkane을 합성하는 반응에서 이온성 액체를

용매로 사용함으로써 기존방법에 비해 부반응이 거의

없고 생산성이 히 증가된 결과를 얻었으며 이러한

결과를 실용화시키기 한 연구를 지속하고 있다

- 신약개발 바이오벤처 기업 씨트리(C-TRI)는 이온성

액체를 이용한 학활성 화합물제조 기술개발회사로

서 지난 상반기에 31억원의 매출을 올렸으며 최근 이

온성 액체를 이용한 신약개발과 정 화학사업에 필요

한 연구 인력을 거 보강하여 이온성 액체 련사업

을 추진하고 있다

41

제4장

결론 및 제언

향후의 방향

- 이온성 액체에 한 앞으로의 망은 이온성 액체를

주 테마로 하는 국제회의가 증가하고 있다 미국화학

회는 작년 9월 New York에서 이온성 액체에 한 세

션이 개최되어 열띤 토론이 진행 되었다

- 2004년 3~4월에 Anaheim에서 개최된 세션은 ldquo이온성

액체와 고분자rdquo 다 유럽과 미국에서는 이온성 액체

를 반응용매로 보는 것이 주류를 이루고 있었다

- 2004년 10월 Hawaii에서 기화학의 미일합동 회가

열린다 주제는 이온성 액체(용융염)에 한 연구이었

- 앞으로도 이온성 액체에 한 연구는 증가할 것이고

여러 가지 배경을 갖고 있는 연구자들이 서로 다른 목

표를 가지고 연구에 노력할 것이라 생각된다

국내사정

- 우리나라의 황을 보면 재석유화학 의학 산업에

서만 약7억불에 달하는 유기용매가 사용되고 있으며

이들을 모두 체할 수 있다면 최 7억불시장을 형성

할 수 있으므로 이온성 액체의 시장잠재력은 매우 크

42 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

다 하겠다

- 이온성 액체는 휘발성유기화합물을 체할 수 있을 뿐

만 아니라 고가의 귀 속 매를 이온성 액체 층에 고

정화 시킬수 있어 매의 회수 재사용을 용이하게

하며 매의 활성도 안정도 선택도까지도 획기

으로 증가시킬 수 있으므로 환경 측면은 물론 경제

인 에서도 바람직한 청정용매라 할 수 있다

- 상기한바 와같이 이온성 액체의 잠재 인 응용가능성

은 앞으로 무한할 것으로 사료되므로 국내에서도 이에

한 연구자들의 심과 더불어 정부 기업체에 의

한 연구지원이 지속 으로 이루어져야 할 것이다

후의 과제

- 통상의 용매로 이온성 액체를 이용하는 경우에는 내구

성 제조가격 등의 인자가 요하지만 목 이 한정된

이온성 액체의 이용에 있어서는 목 하는 기능을 요

시할 필요가 있다

- 많은 이온성 액체가 합성되고 있으나 원하는 높은 물

성을 갖는 이온성 액체를 설계하는 데 기본이 되는 이

론이 아직은 없는 편이다 이를 해서는 특히 이온성

액체의 구조-물성의 상 계가 밝 져야 하는데 많

은 연구가 진행되고 있음에도 불구하고 그 계가 밝

지지 않고 있다 따라서 상태로서는 원하는 이온

성 액체를 직 만들어서 평가하는 방법밖에 없는 게

실이다

- 그러나 도화와 열안정성 등과 같이 상반 계에 있

는 특성은 하나의 라미터를 변화시키는 것에 의해

제4장 결론 및 제언 43

한 쪽의 특성은 양호하게 되지만 다른 한 쪽의 특성이

악화되는 것을 피할 수 없는 성질로서 아직 양쪽을 동

시에 만족하는 이온성 액체는 실 하지 못하고 있다

- 향후 이온성 액체는 청정용매의 개발과 더불어 새로

운 청정 공정기술의 개발을 통하여 신소재 신물질 생

산 공정을 환경친화 이면서 경제성 있는 공정개발에

기여할 것으로 기 된다

- 특히 비닐기 같은 합성 기능기를 이온성 액체의 단

구조로 도입하여 단독 합이나 공 합을 통해 고분

자화한 이온성 액체를 만들 수 있어 이를 잘 활용하여

이온 지라든가 연료 지 등의 해액으로 응용의 길

이 열린다면 학문 으로나 공업 으로 큰 의의가 있으

리라 생각되며 이 분야의 연구가 활성화되길 기 한

45

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저자소개

손 목

공학박사

한국에 지기술연구소 원장

한국과학기술정보연구원 문연구 원

서 수소 연료 지 개스 센서기술 등

강 종 석

공학박사

한국과학기술정보연구원 선임연구원

서 BT분야 국가연구개발 심층분석

리튬이차 지 등

BB088 손 목강종석

이온성 액체의 반응성 및 전기화학적

특성 연구동향

2005년 12월 19일 인쇄

2005년 12월 23일 발행

발행처

서울특별시 동 문구 청량리동 206-9

ꂕ 130-742

화 3299-6114

등록 1991년 2월 12일 제5-258호

발행인

조 화

인쇄처

신기획

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Page 16: 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향gift.kisti.re.kr/data/IAC/files/KISTI-200512-SYM-ion_fluid.pdf · ※ 이온성 액체는 사용되는 음이온의

12 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

설계 장 을 이용하여 기능을 갖는 구조를 도입할 수

있다 실제 매활성이나 귀 속 회수 등의 기능

부여가 연구되고 있다 Davis등이 제창하는 Task-

Specific Ionic Liquid(14)라 불리는 차세 이온성 액체

가 그 좋은 이다

이온 도체

- 이온성 액체는 불휘발 불연성 특성이 있어 기존에

해액으로 사용되어온 유기용매가 갖고 있는 휘발성

인화성이라는 문제를 해결 할수 있다 따라서 이온

도성 재료로서의 연구는 리튬이온 지 연료 지 색소

증감 태양 지 작동장치(actuator) 커패시터(capacitor)

등의 이온성 소자용 해액 응용을 들 수 있다(3)

- 실제로 이온성 액체를 해액으로 사용하기 해서는

재 개발 된이온성 액체의 모든 물성을 개선하는데

범 한 분자설계로부터 물성과 구조의 계를 연구

하고 이를 통해 이온 특성을 최 화할 필요가 있다

- 보다 실제 인 응용을 해 이온성 액체 그 자체를

해액으로 사용하기보다는 고분자화에 의해 고체 해

질로서 하는 쪽이 더 좋은 경우가 있다 고분자화 된

이온성 액체의 특성은 이온성 소자의 소형경량화나 박

막화 안 성의 향상도 기 된다

- 재까지 얻어진 고분자 구조를 보면 고분자의 가지사

슬에 양이온음이온의 양쪽을 고정시킨 공 합 고분자

형 극성 이온형 등은 목 하는 이온만의 이동이

요구되는 응용에 당하다(15)

제2장 기술의 개요 13

다른 분야 응용

- 다른 분야의 응용 실례로는 자 도성 액체 윤활유

임계유체와의 혼합계 표면 개질제 등이 있다 휘발

하지 않는 액체 실온에서 액체상 염이라는 특징을 살

려 앞으로 다른 분야의 연구자와 교류를 통하여 이온

성 액체의 새로운 가능성을 열어갈 수 있다

15

제3장

국내외 연구개발 동향

1 연구의 방향

이온성 액체의 연구는 술한바 반응용매로의 이용과

해질 용액으로서의 이용으로 크게 분류된다

- Grignard 시약을 사용하는 반응 이외에는 부분이 이

온성 액체 에서 반응하는 것이 가능한 것으로 일반

의 유기합성 반응에서부터 고분자 합성까지 다양한 반

응이 검토되고 있다

- 소수성이 강한 불소함유 이온성 액체는 액액(液液)

의 2층으로 분리가 되어 물층의 에 무거운(비 15

정도) 이온성 액체층이 생성되는데 이를 이용하여 공

장 배수로부터 유기물을 추출하는 등 배수처리에 응용

할 수 있으며 반응물의 회수도 가능하다

해질 용액으로의 이용은 이온성 액체가 높은 이온

도성을 가진 것과 폭넓은 온도 역에서 액상을 유지하

면서 불연성인 것 창(電位窓)도 넓고 기화학 으

로 안정한 것 등의 특징을 가지고 있어 각종 기화학

디바이스에의 이용이 검토된다

- 이온성 액체가 해질 용액으로서 이용될 때 특히 특

16 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

정 이온의 이동(移動)이 기능발휘에 요한 역할을 하

는 경우에는 다음과 같은 두 가지의 을 고려해야

한다

용매로서 사용하는 이온성 액체를 구성하는 이온이

구배(potential gradient) 하에서 이동하도록 제어하

여 목 이온만을 도시킬 필요가 있다

목 이온을 성분으로 하는 이온성 액체가 거의 알려

져 있지 않기 때문에 목 이온을 함유한 염을 용해시

켜서 이용하는 것이지만 첨가한 염은 이온성 액체에

한 용해도가 일반 으로 높지 않다 용해성을 개선

하기 해서는 이온성 액체의 성분과 같은 이온을

응 이온으로 하는 염을 이용해야 한다

- 이온성 액체는 높은 이온 도성과 용질의 가용성(可

溶性) 등을 이용하여 해합성(電解合成)이나 해

합에도 응용되고 있다

2 반응장으로서 이온성 액체의 활용

농약 간체로서 요한 학활성체와 고분자 물질 생산

에 있어 용매 역할로 이온성 액체를 사용하여 그 가능성

특성에 하여 소개한다

제3장 국내외 기술개발 동향 17

학활성인 불소계 물질의 제조

불소계 물질은 의농약의 합성 간체로서 요하나 비

칭 불소화 반응에는 가 다

lt그림 3-1gt 비 칭 불소화 반응

- 이온성 액체 에서는 온에서도 사용 가능한 헥실=

메틸=이미다졸리움헥사후루오로포스페이트

[hmim][PF6]을 사용하여 구핵반응에 의해 비 칭 불

소화 반응이 일어나 높은 학순도의 불소화체를 합성

하고 있다(16)

- 이 반응의 과제는 학순도의 향상과 용 가능한 물

질을 넓히는 일이다 학활성 에폭시알코올의 불소화

로 학활성 불소화에폭시 화합물을 합성하는 것이 가

능하다고 알려져 있다(17)

18 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-2gt 학활성인 불소화 에폭시

비 칭 알돌(aldol) 반응

- 효소 알돌라아제(aldolase)에 의한 비 칭 합성을 모방

한 화학 매에의한 탄소-탄소 결합 형성 반응은 합성

화학의 요한 과제 이다(18) 용제로서 「재사용 가능

한」 이온성 액체를 이용하고 매로서 L- 로린

(proline)을 사용한 반응장에 한 몇 가지 보고가 나

와 있다(19)

lt그림 3-3gt L-proline을 매로 하는 알돌형 반응

제3장 국내외 기술개발 동향 19

- 아세톤과 L- 로린으로 형성된 에나민(enamine)을 반

응 기질(基質)로 하여 방향족 알데히드류와 알돌형 반

응에서도 지방족 알데히드 사이에서의 크로스 알돌형

반응에서도 꽤 높은 학순도의 생성물이 얻어지고 있

다(20)

- 기질로서 에틸=메틸= 톤을 사용할 때에도 높은

학순도로 입체제어를 행할 수 있고 반복 반응장으로

서 사용해도 재 성 좋게 생성물이 얻어지는 것을 확

인하 다

- 클로로아세톤으로부터 생성한 할로히드린을 간체로

서 학활성의에폭시 화합물로 변환할 수 있는 것도

알려져 있으나 학순도는70~80 정도이고 물질 제

조로서는 만족할 만한 학순도는 아니다(21)

- 기질인 알데히드류와 로린으로부터 형성된 반응

간체는 Michael addition(마이클 부가반응)을 용이하게

진행시킬 수 있다 이 반응에서는 수용체(受容體)의

LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital) 에

지가 하하고 구핵제(求核劑)의 공격을 받기 쉽게 되

는 것이 필요하여 불소계 물질이 합하다

- 로린 이외의 유기분자에서는 디에틸아미노트리메틸

실란을 매로서 이용한 불소계 물질의 선택 인 올

핀류 합성이 발표 되었다이 반응계에서는 알데히드류

와 매로부터 생성한 반응 간체가 불소계 헤미아세

탈류로 되고 간체로부터 입체 선택 으로 편일방(片

一方)의 올 핀류를 생성하고 있다(22)

20 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

학활성인 이온성 액체

- 학활성인 이온성 액체는 학활성인 아민계 물질을

출발원료로 해서 합성되고 있는 경우로 니코틴을 출발

물질로 학활성인 이온성 액체를 만들 수 있다(23) 할

로겐 교환법을 사용하는 합성법의 첫 단계에서 얻어지

는 니코틴의 롬염은 고체이지만 LiNTf2로 음이온

교환을 하면 도가 높은 이온성 액체가 얻어진다

lt그림 3-4gt 수종의 학활성인 이온성 액체

합성된 이온성 액체 [Et(S)-nicotine]NTf2를 Diels-

Alder 반응의 반응 용매로서 사용한 결과 기 한 바와

같이 양호한 수율로 생성물이 얻어 졌지만 3 아미노

기가 염기성 매로서 작용을 하여 비 칭 반응장으로

서의 기능은 나타나지 않았다

제3장 국내외 기술개발 동향 21

lt그림 3-5gt 학활성 이온성 액체의 염기성 매로서의 기능발

를 들면 디엔 체의 3-히드록시 -2피론을 사용하여

Diels-Alder 반응을 하면 루이스산이 기질에 결합하여

기질의 HOMO(the highest occupied molecular orbital)

에 지 가 하되고 반응이 진행하지 않는 것이

확인되었다

dienophile(2 결합을 한개 가진 화합물)로서 아크

릴산메틸을 사용하면 높은 수율로 endoexo = 31의

목 하는 화합물을 얻을 수 있으나 이 반응을 보통

이온성 액체[emim][NTf2] 에서 행하면 진행하지 않

는다(24)

에폭시화 반응

- 합성 간체로서 주목되는 에폭시 화합물도 이온성 액

체 에서 합성되고 있다 효소의 산화반응을 이용하

여 과산화수소를 사용해서 계 에서 과 산을 생성시

켜 효소반응과 화학반응을 연속 으로 조합시켜 에폭

22 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

시 반응이 일어나고 이온성 액체를 반응장으로 사용

한 시스템이다(25)

lt그림 3-6gt 효소반응을 활용한 에폭시화 반응

- 기질류(基質類)에서의 비 칭 에폭시화 반응에서 얻어

진에폭시 화합물의 학순도는 높기 때문에 실용 인

합성방법이며 이 시스템에서는 이온성 액체를 5회 반

복 사용하여도 수율이나 학순도의 변화가 없음이 보

고 되고 있다(26)

lt그림 3-7gt 비 칭 에폭시화 반응

제3장 국내외 기술개발 동향 23

비 칭시아노화 반응 비 칭 사이클로 로 화 반응

- 알데히드류의 비 칭시아노화 반응에서도 비 칭 매

를 활용함으로서 학순도가 98정도로 원하는 생성

물이 얻어지고 있으며 이온성 액체의 반응장으로서 유

용성을 보여주고 있다(27)

lt그림 3-8gt 비 칭 시아노화 반응

- 디아조화합물을 사용하는 사이클로 로 화 반응에서

생성하는 시스체와 트란스체의 기하이성체 비는 높지

않으나 각각 학순도는 상당히 높은 것이 얻어진

다(28)

lt그림 3-9gt 비 칭 사이클로 로 화 반응

24 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

이온성 액체 에서의 고분자 합성

- 이온성 액체 에서 합반응을 행하면 MwMn비가

작게 되는 것으로 보고 되었다 이온성 액체를 이용하

여 합개시제로서 과산화벤조일이나 아조비스이소부

틸로니트릴을 사용한 스티 메틸메타크릴 이트의

호모(homo) 합에서 생성물은 이온성 액체로부터 여

과하는 것만으로 분리가 가능하고 회수한 이온성 액체

를 합용 용매로서 재이용이 가능하고 생성된 고분자

체의 분자량도 증가한다

lt그림 3-10gt 이온성 액체[bmim][PF6] 의 스티 의 합반응

중합용매

개시제 중합용매 수율() 분자량

중합용매

개시제 중합용매 수율() 분자량

- 벤젠 에서와 비교하여 이온성 액체 에서 합도

(重合度) 더욱이 생성물의 수율이 향상하는 것은 이

온성 액체의 도가 벤젠에 비하여 높아 연쇄 이동을

일으키기가 어렵고 생성한 폴리머 라디칼이 용매계로

부터 계외(系外)로 배출되기 쉽기 때문이라 생각된다

- 더욱이 이온성 액체 에서 AIBN(22-Azobis (isobuthy-

제3장 국내외 기술개발 동향 25

ronitril)) 내지는 BPO(benzoylperoxide)를 합개시제

로 한 스티 과 메틸메타크릴 이트의 라디칼 공 합

에 하여도 검토되고 있다

- 공 합 반응은 스티 의 첨가 몰비를 MMA에 비해

증 시켜도 코폴리머 분자량 모노머의 변화율이

하하는 경향이 있다 이 결과는 벤젠을 용매로 한 공

합계와 반 의 경향이고 이온성 액체의 극성이 높아

스티 에 비하여 극성 용매 에서 MMA의 합성이

높아지기 때문이라고 생각된다(29)

lt그림 3-11gt 이온성액체[bmim][PF6] 의 공 합 반응

3 촉매반응에서의 이온성 용액

매반응에서 이온성 용액은 자체 매성 보조 매 매활

성자 매 심의 새로운 리간드의 원 반응을 한 용매

등으로써 용된다(30)

26 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

유기 매로서의 이온성 용액

- 이온성 용액을 매반응에 사용하는 가장 좋은 방법은

용매와 매를 조합해서 사용하는 것이다 용매를 바

꿀 때마다 반응이 빨라지면 새로운 용매는 매 역할

을 한 것으로 본다

lt그림 3-12gt methyl acrylate와 [C4C1im]+ 양이온 사이의 수소결합

- 염화알루미늄염(III)(AlCl3) 이온성 용액에서 자치

환 산성 이온성 용액에서 아 (arenes)의 좋은 용해

성과 결합한 산성의 염화알루미늄염 이온성 용액의

높은 농도 [Al2Cl7]-는 친 자성 방향족 치환을 한

이상 인 용매로 만들 수 있다 산성인 [C2C1im]

Cl-AlCl3에서 1-염화 로 과의 벤젠 알킬반응에서 알

킬 고분자화가 측되었다 이이온성 용액시스템은 높

은 활동성과 선택성을 보 다(31)

- 유기용매로서 이온성 용액 이온성 용액은 지난 수년

간 유기 매 반응에 새로운 흥미를 갖기 시작하 으며

이 분야에 향을 수 있는 가능성을 가지고 있다

유기 매 반응에 한 근방법은 흔히 디엘-알더

(Diels-Alder) 환형추가 그 유도체인 수소결합의

상호작용 반응을 통해서이다(32)

제3장 국내외 기술개발 동향 27

보조 매로의 이온성 용액은 올 핀의 이합체화 (Olefin

dimerization)에서 니 매로 산성염화알루미늄염의 이

온성 용액이 로펜을 헥센에 이합체화를 한 반응에서

용매와 보조 매의 조합으로 사용한 첫 번째 경우이

다(33)

리간드 원으로서의 이온성 용액

- 수소화와 수소포르 화 반응 수소화 반응 수소포

르 화 반응을 해 용매로서 [Et4N][SnCl3]의 PtCl2용

액은 속에 매의 확실한 분해도 없이 올 핀의 수

소화에 효과 으로 매반응을 일으켰다 공기와의

을 피하도록 하는 가운데 활성화의 손실이 없이

매용액을 계속 으로 사용함으로써 반응이 이루어진

다(34)

- 팔라듐 NHC착물의 형성 이온성 용액은 팔라둠 매

반응의 넓은범 의 용매로 사용되어 왔다 이 연구과

정에서 재미있는 화학 상은 HHC착물과 나노 입

자의 형성이었다 이는 아직 논쟁의 상이 되고 있다

NHC착물은 이미다졸리움 이온성 용액에서 형성되며

기 하지 않는 반응성 는 선택성이 감지될 때 이를

항상 고려해야한다(35)

28 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-13gt NHC 매의 lactide 합에서의 ring opening

- 이온성 용액에서 나노입자의 형성 최근에 매로서

나노입자의 사용이 증가되는 심분야이다 1996년

Kaufmann이 이온성 용액에서처음으로 팔라듐의 매

반응을 보고하 다 일련의 아릴 롬이[C16PbBu3]Br

는 [Bu4N]Br에서 노말-알킬 이트와 결합하여 수율

90이상의 trans-시안염을 생성하는 반응이었다(36)

반응 용매로서의 이온성 용액

- 알 수소화 반응 [SbF6]- 와 [PF4]-의 두 이온성

용액에서 수소화 반응의 속도는 알 용액에서보다 훨

씬 높았다 왜 이 이온성 용액이 개선되었는지에 해

서는 아직 연구된 바가 없다 실제 매의 실체조차확

인이 안 되었다 반응용액으로부터 생성된 알 은 분

리가 쉬웠고 매를 함유한 용액은 순환되었다(37)

lt그림 3-14gt [C4C1im][PF6]의 수소포르 화 매의 두형태의 평형

제3장 국내외 기술개발 동향 29

- 산화 비록 재 사용되는 부분의 이온성 용액은 산

화에 안정 이고 산화과정에 이상 인 용매를 제공하

고 있지만 이것은 불과 지난몇 년 사이의 일이었다

Ni(acac)2는 [C4C1im][PF6]에서 해당되는 산의 라-

치환 benzaldehydes를 보통의 수율로 공기 에서 산

화반응의 매로 사용되어 왔다(38)

기화학 매용매로써의 이온성 용액

- 자화학을 이끄는 이온성 용액은 기화학 합성용

용매로서 가능성을 보이고 있다 최근에는 Ni이 알킬

벤질 아릴 할로겐화합물의 기 도성 동종결합

(electro conductive homo-coupling) 반응에 매로 보

고 된 바 있다 니 (II)착물은 니 (0)의 종에 하여

환원되고 방향성 할로겐화물에 첨가되어 할로겐 화합

물이 된다는 제안이 있었다(39)

이온성 용액의 고정화

- 반응시스템이 액체일 때 많은 장 이 있지만 때로는

그것을 고정화(immobilize) 시킬 필요가 있다 이온성

용액을 고정화 시키는데 심이 모아지고 있으며 첫

번째의 시도가 이온성 용액- 합체 겔을 만들기 하

여 고분자 vinylidenefluoride- hexachloropropylene의

공 합체를 사용한 것이다(40)

30 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

4 근대의 동향

할로겐 리이온액체

- 근년 이온성 액체에 한 연구가 많이 수행되고 있지

만 합성하고 있는 이온성 액체의 구조는 의외로 한정

되어 있으며 양이온은 테트라알킬암모늄(tetraalkyla-

mmonium) 피롤리디니움(pyrolidinium) 이미다졸리움

(imidazolium) 피리디니움(pyridinium) 등과 같이 비

교 다양성이 풍부한 반면에 음이온 종류는 BF4

PF6 CF3SO3 (CF3SO2)2N 등 할로겐 원소를 구조

에 함유한 것은 일반 으로 종류가 많지 않다(41)

- 할로겐을 포함하지 않는 음이온도 보고 되어 있는데

많은 양이온과 조합하여 액체화를 달성함이 쉽지 않고

한정된 양이온과 질산음이온이나 산 음이온 등을 결

합시킨 것이 보고 되어 있다(42)

- 최근 H Ohno(43)등은 할로겐 원소를 함유하지 않은

음이온으로 이온액체를 구축하기 하여 헤테로방향환

화합물을 착안하여 이미다졸이나 피라졸 등의 아졸

(azol)류 에서 산성을 띠는 124-triazolate 1234-

tetrazolate 등과 이미다졸리움 양이온을 조합시키는 것

에 의해 이온성 액체를 합성하 다

- 이 이온성 액체는 분자량과 비교해서 하의 비국재화

(非局在化)가 크다 한 할로겐 원소를 함유하지 않

고 C H N의 3종류원소만으로 구성되어 있다

제3장 국내외 기술개발 동향 31

lt그림 3-15gt 할로겐 리이온액체의 구조

쯔 츠 이온성 액체 (Zwitter ionic liquids)

- 한편 M Yoshizawa(44) 등은 이온 도재료로서 이온액

체를 사용하는 경우는 구배에 한 이온액체의 구

성이온종의 이동이 큰 문제로 된다

- 따라서 리튬 2차 지나 연료 지 등 목 이온종의 수

율과 계의 출력과의 계를 디바이스에 응용할 때는

이온 도재료로서 이온성 액체를 사용하는 것으로 양

이온과 음이온을 스페이서(spacer)로 결합하는 것에

의해 실온에서 액체상태인 성 이온 액체(zwitter

ionic liquid)를 제안하고 있다

- 양이온과 음이온을 스페이서로 결합하면 하는 체

로서 성이 되어 하이동이 없는 염으로 되는데 스

페이서가 짧아서 충분한 염해리가 힘드나 어느 정도의

자유도가 얻어지면 zwitterion으로 된다

32 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-16gt zwitter ionic liquids의 모식도

특정이온을 포함하는 이온액체

- 이온성 액체를 이온 도체로 사용하는 과제는 목 이

온의 도입이다 이는 리튬염 등 목 이온을 포함하는

염 등을 이온액체에 용해시켜 도입한다

- 그런데 염의 첨가는 계의 성의 증가 이온 도도의

하를 가져온다 한 이온액체와 상용하는 분자무

기염은 많지 않고 첨가염의 종류도 한정되어있는 것이

문제이다

- 이의 해결이 자의 zwitter ion이고 두 번째가 목 이

온을 실온에서 액체화가 가능하면 문제가 해결된다

이러한 방법으로 각종의 알칼리 속 이온성 액체

(alkali metal ionic liquid)를 개발하 다(45)

- lt그림 3-17gt은 알칼리 속이온성 액체는 2가의 응

음이온과 1가의 오니움(onium) 양이온 1가의 목 이

온으로 구성된다

lt그림 3-17gt 알칼리 속이온액체의 개념도

제3장 국내외 기술개발 동향 33

- 이온액체는 구성하는 이온 간의 정 기 상호작용은

없을수록 좋으므로 강한 상호작용을 일으키는 다가이

온의 사용은 물이다 당 리튬 양이온의 이온액체

가 목 이나 여러 가지의 알칼리 속이온도 액체로

되는데 이를 응용하면 로톤을 포함하는 이온액체도

얻어지게 된다

이온액체의 합

- 이온성 액체는 분자 디자인이 용이하기 때문에 고분자

구조를 도입하는 것도 가능하며 이온성 액체의 고분

자화로는 각종의 고분자와 혼합한 겔화가 알려져 있지

만 이온성 액체 에 합기를 직 도입하여 고분자

화 하는 것에 의해 이온 도성뿐 아니라 디바이스의

다운사이징(down-sizing)에 기여할 것으로 망하고

있다(41)

- lt그림 3-18gt은 고분자화 이온액체를 나타내는데 종래

의 polyethyl-eneoxide유도체에 의존하지 않는 새로운

이온 도재료로서 검토된다

- lt그림 3-18gt에서 양이온과 음이온의 한쪽이 고분자의

주쇄에 고정되어 있어서 도 이온종을 선택하는 이

유용하다 한 구성이온종의 양방이 고분자 주쇄에

고정된 구조는 이온 도성을 나타내지 않으나 목 이

온의 첨가로 선택 도가 일어난다(46)

34 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-18gt 이온액체폴리머의 변화

자기조직화 이온액체

- 이온액체는 등방성의 액체로서 3차원 인 이온을 운반

하는 것이 가능하다 이로서 차원제어를 행하고 특정

방향으로 이온을 수송하는 시도가 있다 이를 해 자

기 집합력을 이온액체에 부여할 필요가 있다

- 이온액체의 자기조직화에는 양친매성화합물(兩親媒性

化合物)의 성질을 이용한다 극성성분이 있는 이온액

체에 비극성기(탄화수소쇄 탄화불소쇄)를 도입한 양

친매성 이온액체는 벌크로 써모트로픽 액정성을 발

하여 극성 비극성기가 분자 벨에서 상분리된 구조

를 형성한다

- 이 액체 도메인 에는 이온성 액체자신은 용융되어

높은 운동성을 갖는 알킬기의 집합층에 고정된 상태일

것으로 생각된다 여기에 리튬염을 첨가하면 비극성염

을 갖지 않는 리튬이온의 우선 인 수송이 기 된

다(lt그림 3-19gt 참조)

제3장 국내외 기술개발 동향 35

lt그림 3-19gt 이온성 액체 도메인 의 목 이온수송의 모식도

새로운 용매

- Alabama 학의 Rogers 등은 셀룰로오스를 용해시키는

이온성 액체로서 bmim Cl(1-butyl-3-methylimidazolium

chloride)을 개발하 다(47)

lt그림 3-20gt bmimCl의 구조

- Bmin Cl은 실온에서는 고체로서 75에서 용해되지만

100 정도로 가열한 bmim Cl에 종이(셀룰로오스)를

침지하면 순식간에 용해된다 이 용액을 시린지

(syringe)에 의해 물 에서 용출(溶出)시키면 셀룰로

오스 화이버가 생성된다 풍부한 목재자원을 셀룰로스

로 추출하는 시도가 이루어지고 있다

36 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

- 한 핵산류를 용해시킨 이온액체를 개발하고 있는데

DNA나 RNA는 물에 쉽게 용해되지 않는데 이를 용

해시키는 이온액체가 얻어졌다 일정량의 핵산을 용해

시키는 온도는 사용하는 이온액체의 구조에 크게 의존

한다(48)

- 특히 분자내 는 분자간의 수소결합을 단하는 능

력이 요구되는데 여기에는 염소음이온의 효과가 큰 것

으로 알려져 있다 염소를 포함하는 염은 일반 으로

융 이 높고 실온에서 액상으로 존재하기가 어려운

이 있다

- 이는 음이온의 부 하가 비국재화하고 있지 않기 때문

에 정 인 상호작용이 강하게 작용하고 있는 결과이

다 이를 피하기 해 양이온구조를 개선하여 상온에

서 액체의 염화물 염을 합성한다(49)

- 이 방법으로 양이온 구조를 개선하여 실온에서 액체상

태 염화물염인 aaim Cl(13-diallylimidazolium chloride)

를 개발하 다 aaim Cl은 융 이 21 부근이지만 한번

용융하면 과냉각 상태에서도 안정하여 실온에서 사용

가능하다 단지 도가 높은 것이 난 이다

단백질의 기화학반응용 해질용액

- 단백질의 기화학 인 성질로서 단백질을 이온액체에

용해시키는 것은 통상의 고분자를 용해시키는 것과는

차원이 다데 단백질의 기능은 펩사이드쇄의 3차 구조

에 크게 의존하기 때문에 3차구조가변하면 변성에 의

해서 목 달성이 되지 않는다 따라서 무리한 용해작

업은 변성을 래한다

제3장 국내외 기술개발 동향 37

- 이에 하여 PEO(polyethylene oxide)의 에테르산소가

이온과 강하게 상호작용하고 있다 이는 가용성을 의

미하며 PEO가 단백질과 이온액체를 용해하여 단백질

의 안정성을 향상시킨다 종래 바이오디바이스의 작성

이 곤란했든 것은 수 에서 단백질의 불안정성에 기인

하 는데 사용 온도에 따라 이온액체 의 단백질의

기화학이 새로운 가능성의 개척을 시사한다(50)

5 국내동향

이온액체의 매반응분야(51)

- 한국과학기술연구원 송충의 박사는 이온성 액체를 키

랄 화합물 제조를 한 매반응에 도입하여 고가인

매와 용매의 반복 사용을 가능하게 함에 따라 결

국 매와 용매의 소비를 최소화시킬 수 있는 소 청

정 비 칭 매반응을 개발하 다

- 즉 Jacobsons chiral (salen)MnIII

매 존재 하에서

22-dimethylchro-mene의 비 칭 에폭시화 반응시

[bmim]PF6와 CH2Cl2 (14 vv) 혼합물 용매를 사용

함으로써 96-94의 학순도로 chromene oxides를

합성하는데 성공하 다 이온성 액체를 첨단유기합성

기술인 학활성화합물 제조기술개발에 용함으로써

용매와 매의 소비를 최소화하는 반응과정을 개발하

고 있다

- 이와 같은 기술은 화학 산업에서의 공해 요인을 감소

38 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

시킬 것이며 특히 노벨화학상 수상분야인 비 칭

매반응 분야의 최 문제 으로 지 되었던 키랄 매

의 분리 재회수가 가능하게 되었다는 에서 기술

으로도 우수한 성과라 할 수 있다

- 한 이온성 액체 내에서 일부 매반응이 가속화될

수도 있고 선택성 매의 안정성 역시 향상될 수

있음을 밝혔으며 더욱 놀라운 결과로는 기존의 유기

용매 내에서는 진행되지 않던 일부 반응이 이온

성 액체 내에서는 정량 으로 진행될 수 있다는 것이

- 한 많은 요한 유기반응에서 이온성 액체가 용매로

서뿐 아니라 자신이 재사용 가능 한 매로도 작용할

수 있음을 밝힌 바 있다 이러한 일련의 결과들은 이

온성 액체가 21세기에 매분야뿐 아니라 체 유기화

학분야의 새로운 장을 열고 있다는 에서 요한 의

미를 지닌다고 할 수 있다

합성 응용분야(52)

- 한국과학기술연구원 김훈식 박사 연구 은 KSeO2

(OCH3)를1-alkyl-3-methylimidazolium chloride와 반

응시켜 새로운 이미다졸륨 알킬셀 나이트 ([Rmim]

[SeO2(OCH3)]) 화합물을 합성하 다

- 아민화합물의 산화성 카르보닐화 반응을 통한 치환된

우 아 제조 반응에서 기존의 KSeO2(OCH3)을 매로

사용하 을 경우에 비해 이 화합물은 보다 온화한 반

응조건을 제공할 뿐 아니라 이소시아네이트의 구체

인 치환된 우 아와 카바메이트를 고수율로 합성할 수

제3장 국내외 기술개발 동향 39

있었다

- 재 이온성 액체를 이용한 분리 유기 속화합물을

함유한 고활성 매로서의 이온성 액체의 합성 응

용에 한 연구를 수행하고 있다

- 포항공과 학교의 김만주 교수 연구 은 Lipase를

[PPMIM]PF6 (PPMIM = 1-(3-phenylpropyl)-3-

methylimidazolium)와 혼합시켜Ionic liquid-Coated

Enzyme (ILCE)을 합성하 다 이 새로운 타입의

immobilized biocatalyst는 2차 알코올의 transest-

erification 반응을 통한 acetylated 화합물합성에 높은

활성과 재사용성을 보여 주었으며 이러한 연구결과를

다양한 생화학분야에 용하기 한 연구를 수행하고

있다

- 인하 학교의 지 윤 교수연구 은 alkyl mesylate로부

터 fluoro-alkane을 합성하는 반응에서 이온성 액체를

용매로 사용함으로써 기존방법에 비해 부반응이 거의

없고 생산성이 히 증가된 결과를 얻었으며 이러한

결과를 실용화시키기 한 연구를 지속하고 있다

- 신약개발 바이오벤처 기업 씨트리(C-TRI)는 이온성

액체를 이용한 학활성 화합물제조 기술개발회사로

서 지난 상반기에 31억원의 매출을 올렸으며 최근 이

온성 액체를 이용한 신약개발과 정 화학사업에 필요

한 연구 인력을 거 보강하여 이온성 액체 련사업

을 추진하고 있다

41

제4장

결론 및 제언

향후의 방향

- 이온성 액체에 한 앞으로의 망은 이온성 액체를

주 테마로 하는 국제회의가 증가하고 있다 미국화학

회는 작년 9월 New York에서 이온성 액체에 한 세

션이 개최되어 열띤 토론이 진행 되었다

- 2004년 3~4월에 Anaheim에서 개최된 세션은 ldquo이온성

액체와 고분자rdquo 다 유럽과 미국에서는 이온성 액체

를 반응용매로 보는 것이 주류를 이루고 있었다

- 2004년 10월 Hawaii에서 기화학의 미일합동 회가

열린다 주제는 이온성 액체(용융염)에 한 연구이었

- 앞으로도 이온성 액체에 한 연구는 증가할 것이고

여러 가지 배경을 갖고 있는 연구자들이 서로 다른 목

표를 가지고 연구에 노력할 것이라 생각된다

국내사정

- 우리나라의 황을 보면 재석유화학 의학 산업에

서만 약7억불에 달하는 유기용매가 사용되고 있으며

이들을 모두 체할 수 있다면 최 7억불시장을 형성

할 수 있으므로 이온성 액체의 시장잠재력은 매우 크

42 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

다 하겠다

- 이온성 액체는 휘발성유기화합물을 체할 수 있을 뿐

만 아니라 고가의 귀 속 매를 이온성 액체 층에 고

정화 시킬수 있어 매의 회수 재사용을 용이하게

하며 매의 활성도 안정도 선택도까지도 획기

으로 증가시킬 수 있으므로 환경 측면은 물론 경제

인 에서도 바람직한 청정용매라 할 수 있다

- 상기한바 와같이 이온성 액체의 잠재 인 응용가능성

은 앞으로 무한할 것으로 사료되므로 국내에서도 이에

한 연구자들의 심과 더불어 정부 기업체에 의

한 연구지원이 지속 으로 이루어져야 할 것이다

후의 과제

- 통상의 용매로 이온성 액체를 이용하는 경우에는 내구

성 제조가격 등의 인자가 요하지만 목 이 한정된

이온성 액체의 이용에 있어서는 목 하는 기능을 요

시할 필요가 있다

- 많은 이온성 액체가 합성되고 있으나 원하는 높은 물

성을 갖는 이온성 액체를 설계하는 데 기본이 되는 이

론이 아직은 없는 편이다 이를 해서는 특히 이온성

액체의 구조-물성의 상 계가 밝 져야 하는데 많

은 연구가 진행되고 있음에도 불구하고 그 계가 밝

지지 않고 있다 따라서 상태로서는 원하는 이온

성 액체를 직 만들어서 평가하는 방법밖에 없는 게

실이다

- 그러나 도화와 열안정성 등과 같이 상반 계에 있

는 특성은 하나의 라미터를 변화시키는 것에 의해

제4장 결론 및 제언 43

한 쪽의 특성은 양호하게 되지만 다른 한 쪽의 특성이

악화되는 것을 피할 수 없는 성질로서 아직 양쪽을 동

시에 만족하는 이온성 액체는 실 하지 못하고 있다

- 향후 이온성 액체는 청정용매의 개발과 더불어 새로

운 청정 공정기술의 개발을 통하여 신소재 신물질 생

산 공정을 환경친화 이면서 경제성 있는 공정개발에

기여할 것으로 기 된다

- 특히 비닐기 같은 합성 기능기를 이온성 액체의 단

구조로 도입하여 단독 합이나 공 합을 통해 고분

자화한 이온성 액체를 만들 수 있어 이를 잘 활용하여

이온 지라든가 연료 지 등의 해액으로 응용의 길

이 열린다면 학문 으로나 공업 으로 큰 의의가 있으

리라 생각되며 이 분야의 연구가 활성화되길 기 한

45

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저자소개

손 목

공학박사

한국에 지기술연구소 원장

한국과학기술정보연구원 문연구 원

서 수소 연료 지 개스 센서기술 등

강 종 석

공학박사

한국과학기술정보연구원 선임연구원

서 BT분야 국가연구개발 심층분석

리튬이차 지 등

BB088 손 목강종석

이온성 액체의 반응성 및 전기화학적

특성 연구동향

2005년 12월 19일 인쇄

2005년 12월 23일 발행

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화 3299-6114

등록 1991년 2월 12일 제5-258호

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SUO 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 ITA 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ltFEFF4f7f75288fd94e9b8bbe7f6e521b5efa76840020005000440046002065876863ff0c5c065305542b66f49ad8768456fe50cf52068fa87387ff0c4ee575284e8e9ad88d2891cf76845370524d6253537030028be5002000500044004600206587686353ef4ee54f7f752800200020004100630072006f00620061007400204e0e002000520065006100640065007200200035002e00300020548c66f49ad87248672c62535f0030028fd94e9b8bbe7f6e89816c425d4c51655b574f533002gt CHT ltFEFF4f7f752890194e9b8a2d5b9a5efa7acb76840020005000440046002065874ef65305542b8f039ad876845f7150cf89e367905ea6ff0c9069752865bc9ad854c18cea76845370524d521753703002005000440046002065874ef653ef4ee54f7f75280020004100630072006f0062006100740020548c002000520065006100640065007200200035002e0030002053ca66f465b07248672c4f86958b555f300290194e9b8a2d5b9a89816c425d4c51655b57578b3002gt gtgtgtgt setdistillerparamsltlt HWResolution [2400 2400] PageSize [612000 792000]gtgt setpagedevice

Page 17: 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향gift.kisti.re.kr/data/IAC/files/KISTI-200512-SYM-ion_fluid.pdf · ※ 이온성 액체는 사용되는 음이온의

제2장 기술의 개요 13

다른 분야 응용

- 다른 분야의 응용 실례로는 자 도성 액체 윤활유

임계유체와의 혼합계 표면 개질제 등이 있다 휘발

하지 않는 액체 실온에서 액체상 염이라는 특징을 살

려 앞으로 다른 분야의 연구자와 교류를 통하여 이온

성 액체의 새로운 가능성을 열어갈 수 있다

15

제3장

국내외 연구개발 동향

1 연구의 방향

이온성 액체의 연구는 술한바 반응용매로의 이용과

해질 용액으로서의 이용으로 크게 분류된다

- Grignard 시약을 사용하는 반응 이외에는 부분이 이

온성 액체 에서 반응하는 것이 가능한 것으로 일반

의 유기합성 반응에서부터 고분자 합성까지 다양한 반

응이 검토되고 있다

- 소수성이 강한 불소함유 이온성 액체는 액액(液液)

의 2층으로 분리가 되어 물층의 에 무거운(비 15

정도) 이온성 액체층이 생성되는데 이를 이용하여 공

장 배수로부터 유기물을 추출하는 등 배수처리에 응용

할 수 있으며 반응물의 회수도 가능하다

해질 용액으로의 이용은 이온성 액체가 높은 이온

도성을 가진 것과 폭넓은 온도 역에서 액상을 유지하

면서 불연성인 것 창(電位窓)도 넓고 기화학 으

로 안정한 것 등의 특징을 가지고 있어 각종 기화학

디바이스에의 이용이 검토된다

- 이온성 액체가 해질 용액으로서 이용될 때 특히 특

16 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

정 이온의 이동(移動)이 기능발휘에 요한 역할을 하

는 경우에는 다음과 같은 두 가지의 을 고려해야

한다

용매로서 사용하는 이온성 액체를 구성하는 이온이

구배(potential gradient) 하에서 이동하도록 제어하

여 목 이온만을 도시킬 필요가 있다

목 이온을 성분으로 하는 이온성 액체가 거의 알려

져 있지 않기 때문에 목 이온을 함유한 염을 용해시

켜서 이용하는 것이지만 첨가한 염은 이온성 액체에

한 용해도가 일반 으로 높지 않다 용해성을 개선

하기 해서는 이온성 액체의 성분과 같은 이온을

응 이온으로 하는 염을 이용해야 한다

- 이온성 액체는 높은 이온 도성과 용질의 가용성(可

溶性) 등을 이용하여 해합성(電解合成)이나 해

합에도 응용되고 있다

2 반응장으로서 이온성 액체의 활용

농약 간체로서 요한 학활성체와 고분자 물질 생산

에 있어 용매 역할로 이온성 액체를 사용하여 그 가능성

특성에 하여 소개한다

제3장 국내외 기술개발 동향 17

학활성인 불소계 물질의 제조

불소계 물질은 의농약의 합성 간체로서 요하나 비

칭 불소화 반응에는 가 다

lt그림 3-1gt 비 칭 불소화 반응

- 이온성 액체 에서는 온에서도 사용 가능한 헥실=

메틸=이미다졸리움헥사후루오로포스페이트

[hmim][PF6]을 사용하여 구핵반응에 의해 비 칭 불

소화 반응이 일어나 높은 학순도의 불소화체를 합성

하고 있다(16)

- 이 반응의 과제는 학순도의 향상과 용 가능한 물

질을 넓히는 일이다 학활성 에폭시알코올의 불소화

로 학활성 불소화에폭시 화합물을 합성하는 것이 가

능하다고 알려져 있다(17)

18 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-2gt 학활성인 불소화 에폭시

비 칭 알돌(aldol) 반응

- 효소 알돌라아제(aldolase)에 의한 비 칭 합성을 모방

한 화학 매에의한 탄소-탄소 결합 형성 반응은 합성

화학의 요한 과제 이다(18) 용제로서 「재사용 가능

한」 이온성 액체를 이용하고 매로서 L- 로린

(proline)을 사용한 반응장에 한 몇 가지 보고가 나

와 있다(19)

lt그림 3-3gt L-proline을 매로 하는 알돌형 반응

제3장 국내외 기술개발 동향 19

- 아세톤과 L- 로린으로 형성된 에나민(enamine)을 반

응 기질(基質)로 하여 방향족 알데히드류와 알돌형 반

응에서도 지방족 알데히드 사이에서의 크로스 알돌형

반응에서도 꽤 높은 학순도의 생성물이 얻어지고 있

다(20)

- 기질로서 에틸=메틸= 톤을 사용할 때에도 높은

학순도로 입체제어를 행할 수 있고 반복 반응장으로

서 사용해도 재 성 좋게 생성물이 얻어지는 것을 확

인하 다

- 클로로아세톤으로부터 생성한 할로히드린을 간체로

서 학활성의에폭시 화합물로 변환할 수 있는 것도

알려져 있으나 학순도는70~80 정도이고 물질 제

조로서는 만족할 만한 학순도는 아니다(21)

- 기질인 알데히드류와 로린으로부터 형성된 반응

간체는 Michael addition(마이클 부가반응)을 용이하게

진행시킬 수 있다 이 반응에서는 수용체(受容體)의

LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital) 에

지가 하하고 구핵제(求核劑)의 공격을 받기 쉽게 되

는 것이 필요하여 불소계 물질이 합하다

- 로린 이외의 유기분자에서는 디에틸아미노트리메틸

실란을 매로서 이용한 불소계 물질의 선택 인 올

핀류 합성이 발표 되었다이 반응계에서는 알데히드류

와 매로부터 생성한 반응 간체가 불소계 헤미아세

탈류로 되고 간체로부터 입체 선택 으로 편일방(片

一方)의 올 핀류를 생성하고 있다(22)

20 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

학활성인 이온성 액체

- 학활성인 이온성 액체는 학활성인 아민계 물질을

출발원료로 해서 합성되고 있는 경우로 니코틴을 출발

물질로 학활성인 이온성 액체를 만들 수 있다(23) 할

로겐 교환법을 사용하는 합성법의 첫 단계에서 얻어지

는 니코틴의 롬염은 고체이지만 LiNTf2로 음이온

교환을 하면 도가 높은 이온성 액체가 얻어진다

lt그림 3-4gt 수종의 학활성인 이온성 액체

합성된 이온성 액체 [Et(S)-nicotine]NTf2를 Diels-

Alder 반응의 반응 용매로서 사용한 결과 기 한 바와

같이 양호한 수율로 생성물이 얻어 졌지만 3 아미노

기가 염기성 매로서 작용을 하여 비 칭 반응장으로

서의 기능은 나타나지 않았다

제3장 국내외 기술개발 동향 21

lt그림 3-5gt 학활성 이온성 액체의 염기성 매로서의 기능발

를 들면 디엔 체의 3-히드록시 -2피론을 사용하여

Diels-Alder 반응을 하면 루이스산이 기질에 결합하여

기질의 HOMO(the highest occupied molecular orbital)

에 지 가 하되고 반응이 진행하지 않는 것이

확인되었다

dienophile(2 결합을 한개 가진 화합물)로서 아크

릴산메틸을 사용하면 높은 수율로 endoexo = 31의

목 하는 화합물을 얻을 수 있으나 이 반응을 보통

이온성 액체[emim][NTf2] 에서 행하면 진행하지 않

는다(24)

에폭시화 반응

- 합성 간체로서 주목되는 에폭시 화합물도 이온성 액

체 에서 합성되고 있다 효소의 산화반응을 이용하

여 과산화수소를 사용해서 계 에서 과 산을 생성시

켜 효소반응과 화학반응을 연속 으로 조합시켜 에폭

22 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

시 반응이 일어나고 이온성 액체를 반응장으로 사용

한 시스템이다(25)

lt그림 3-6gt 효소반응을 활용한 에폭시화 반응

- 기질류(基質類)에서의 비 칭 에폭시화 반응에서 얻어

진에폭시 화합물의 학순도는 높기 때문에 실용 인

합성방법이며 이 시스템에서는 이온성 액체를 5회 반

복 사용하여도 수율이나 학순도의 변화가 없음이 보

고 되고 있다(26)

lt그림 3-7gt 비 칭 에폭시화 반응

제3장 국내외 기술개발 동향 23

비 칭시아노화 반응 비 칭 사이클로 로 화 반응

- 알데히드류의 비 칭시아노화 반응에서도 비 칭 매

를 활용함으로서 학순도가 98정도로 원하는 생성

물이 얻어지고 있으며 이온성 액체의 반응장으로서 유

용성을 보여주고 있다(27)

lt그림 3-8gt 비 칭 시아노화 반응

- 디아조화합물을 사용하는 사이클로 로 화 반응에서

생성하는 시스체와 트란스체의 기하이성체 비는 높지

않으나 각각 학순도는 상당히 높은 것이 얻어진

다(28)

lt그림 3-9gt 비 칭 사이클로 로 화 반응

24 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

이온성 액체 에서의 고분자 합성

- 이온성 액체 에서 합반응을 행하면 MwMn비가

작게 되는 것으로 보고 되었다 이온성 액체를 이용하

여 합개시제로서 과산화벤조일이나 아조비스이소부

틸로니트릴을 사용한 스티 메틸메타크릴 이트의

호모(homo) 합에서 생성물은 이온성 액체로부터 여

과하는 것만으로 분리가 가능하고 회수한 이온성 액체

를 합용 용매로서 재이용이 가능하고 생성된 고분자

체의 분자량도 증가한다

lt그림 3-10gt 이온성 액체[bmim][PF6] 의 스티 의 합반응

중합용매

개시제 중합용매 수율() 분자량

중합용매

개시제 중합용매 수율() 분자량

- 벤젠 에서와 비교하여 이온성 액체 에서 합도

(重合度) 더욱이 생성물의 수율이 향상하는 것은 이

온성 액체의 도가 벤젠에 비하여 높아 연쇄 이동을

일으키기가 어렵고 생성한 폴리머 라디칼이 용매계로

부터 계외(系外)로 배출되기 쉽기 때문이라 생각된다

- 더욱이 이온성 액체 에서 AIBN(22-Azobis (isobuthy-

제3장 국내외 기술개발 동향 25

ronitril)) 내지는 BPO(benzoylperoxide)를 합개시제

로 한 스티 과 메틸메타크릴 이트의 라디칼 공 합

에 하여도 검토되고 있다

- 공 합 반응은 스티 의 첨가 몰비를 MMA에 비해

증 시켜도 코폴리머 분자량 모노머의 변화율이

하하는 경향이 있다 이 결과는 벤젠을 용매로 한 공

합계와 반 의 경향이고 이온성 액체의 극성이 높아

스티 에 비하여 극성 용매 에서 MMA의 합성이

높아지기 때문이라고 생각된다(29)

lt그림 3-11gt 이온성액체[bmim][PF6] 의 공 합 반응

3 촉매반응에서의 이온성 용액

매반응에서 이온성 용액은 자체 매성 보조 매 매활

성자 매 심의 새로운 리간드의 원 반응을 한 용매

등으로써 용된다(30)

26 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

유기 매로서의 이온성 용액

- 이온성 용액을 매반응에 사용하는 가장 좋은 방법은

용매와 매를 조합해서 사용하는 것이다 용매를 바

꿀 때마다 반응이 빨라지면 새로운 용매는 매 역할

을 한 것으로 본다

lt그림 3-12gt methyl acrylate와 [C4C1im]+ 양이온 사이의 수소결합

- 염화알루미늄염(III)(AlCl3) 이온성 용액에서 자치

환 산성 이온성 용액에서 아 (arenes)의 좋은 용해

성과 결합한 산성의 염화알루미늄염 이온성 용액의

높은 농도 [Al2Cl7]-는 친 자성 방향족 치환을 한

이상 인 용매로 만들 수 있다 산성인 [C2C1im]

Cl-AlCl3에서 1-염화 로 과의 벤젠 알킬반응에서 알

킬 고분자화가 측되었다 이이온성 용액시스템은 높

은 활동성과 선택성을 보 다(31)

- 유기용매로서 이온성 용액 이온성 용액은 지난 수년

간 유기 매 반응에 새로운 흥미를 갖기 시작하 으며

이 분야에 향을 수 있는 가능성을 가지고 있다

유기 매 반응에 한 근방법은 흔히 디엘-알더

(Diels-Alder) 환형추가 그 유도체인 수소결합의

상호작용 반응을 통해서이다(32)

제3장 국내외 기술개발 동향 27

보조 매로의 이온성 용액은 올 핀의 이합체화 (Olefin

dimerization)에서 니 매로 산성염화알루미늄염의 이

온성 용액이 로펜을 헥센에 이합체화를 한 반응에서

용매와 보조 매의 조합으로 사용한 첫 번째 경우이

다(33)

리간드 원으로서의 이온성 용액

- 수소화와 수소포르 화 반응 수소화 반응 수소포

르 화 반응을 해 용매로서 [Et4N][SnCl3]의 PtCl2용

액은 속에 매의 확실한 분해도 없이 올 핀의 수

소화에 효과 으로 매반응을 일으켰다 공기와의

을 피하도록 하는 가운데 활성화의 손실이 없이

매용액을 계속 으로 사용함으로써 반응이 이루어진

다(34)

- 팔라듐 NHC착물의 형성 이온성 용액은 팔라둠 매

반응의 넓은범 의 용매로 사용되어 왔다 이 연구과

정에서 재미있는 화학 상은 HHC착물과 나노 입

자의 형성이었다 이는 아직 논쟁의 상이 되고 있다

NHC착물은 이미다졸리움 이온성 용액에서 형성되며

기 하지 않는 반응성 는 선택성이 감지될 때 이를

항상 고려해야한다(35)

28 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-13gt NHC 매의 lactide 합에서의 ring opening

- 이온성 용액에서 나노입자의 형성 최근에 매로서

나노입자의 사용이 증가되는 심분야이다 1996년

Kaufmann이 이온성 용액에서처음으로 팔라듐의 매

반응을 보고하 다 일련의 아릴 롬이[C16PbBu3]Br

는 [Bu4N]Br에서 노말-알킬 이트와 결합하여 수율

90이상의 trans-시안염을 생성하는 반응이었다(36)

반응 용매로서의 이온성 용액

- 알 수소화 반응 [SbF6]- 와 [PF4]-의 두 이온성

용액에서 수소화 반응의 속도는 알 용액에서보다 훨

씬 높았다 왜 이 이온성 용액이 개선되었는지에 해

서는 아직 연구된 바가 없다 실제 매의 실체조차확

인이 안 되었다 반응용액으로부터 생성된 알 은 분

리가 쉬웠고 매를 함유한 용액은 순환되었다(37)

lt그림 3-14gt [C4C1im][PF6]의 수소포르 화 매의 두형태의 평형

제3장 국내외 기술개발 동향 29

- 산화 비록 재 사용되는 부분의 이온성 용액은 산

화에 안정 이고 산화과정에 이상 인 용매를 제공하

고 있지만 이것은 불과 지난몇 년 사이의 일이었다

Ni(acac)2는 [C4C1im][PF6]에서 해당되는 산의 라-

치환 benzaldehydes를 보통의 수율로 공기 에서 산

화반응의 매로 사용되어 왔다(38)

기화학 매용매로써의 이온성 용액

- 자화학을 이끄는 이온성 용액은 기화학 합성용

용매로서 가능성을 보이고 있다 최근에는 Ni이 알킬

벤질 아릴 할로겐화합물의 기 도성 동종결합

(electro conductive homo-coupling) 반응에 매로 보

고 된 바 있다 니 (II)착물은 니 (0)의 종에 하여

환원되고 방향성 할로겐화물에 첨가되어 할로겐 화합

물이 된다는 제안이 있었다(39)

이온성 용액의 고정화

- 반응시스템이 액체일 때 많은 장 이 있지만 때로는

그것을 고정화(immobilize) 시킬 필요가 있다 이온성

용액을 고정화 시키는데 심이 모아지고 있으며 첫

번째의 시도가 이온성 용액- 합체 겔을 만들기 하

여 고분자 vinylidenefluoride- hexachloropropylene의

공 합체를 사용한 것이다(40)

30 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

4 근대의 동향

할로겐 리이온액체

- 근년 이온성 액체에 한 연구가 많이 수행되고 있지

만 합성하고 있는 이온성 액체의 구조는 의외로 한정

되어 있으며 양이온은 테트라알킬암모늄(tetraalkyla-

mmonium) 피롤리디니움(pyrolidinium) 이미다졸리움

(imidazolium) 피리디니움(pyridinium) 등과 같이 비

교 다양성이 풍부한 반면에 음이온 종류는 BF4

PF6 CF3SO3 (CF3SO2)2N 등 할로겐 원소를 구조

에 함유한 것은 일반 으로 종류가 많지 않다(41)

- 할로겐을 포함하지 않는 음이온도 보고 되어 있는데

많은 양이온과 조합하여 액체화를 달성함이 쉽지 않고

한정된 양이온과 질산음이온이나 산 음이온 등을 결

합시킨 것이 보고 되어 있다(42)

- 최근 H Ohno(43)등은 할로겐 원소를 함유하지 않은

음이온으로 이온액체를 구축하기 하여 헤테로방향환

화합물을 착안하여 이미다졸이나 피라졸 등의 아졸

(azol)류 에서 산성을 띠는 124-triazolate 1234-

tetrazolate 등과 이미다졸리움 양이온을 조합시키는 것

에 의해 이온성 액체를 합성하 다

- 이 이온성 액체는 분자량과 비교해서 하의 비국재화

(非局在化)가 크다 한 할로겐 원소를 함유하지 않

고 C H N의 3종류원소만으로 구성되어 있다

제3장 국내외 기술개발 동향 31

lt그림 3-15gt 할로겐 리이온액체의 구조

쯔 츠 이온성 액체 (Zwitter ionic liquids)

- 한편 M Yoshizawa(44) 등은 이온 도재료로서 이온액

체를 사용하는 경우는 구배에 한 이온액체의 구

성이온종의 이동이 큰 문제로 된다

- 따라서 리튬 2차 지나 연료 지 등 목 이온종의 수

율과 계의 출력과의 계를 디바이스에 응용할 때는

이온 도재료로서 이온성 액체를 사용하는 것으로 양

이온과 음이온을 스페이서(spacer)로 결합하는 것에

의해 실온에서 액체상태인 성 이온 액체(zwitter

ionic liquid)를 제안하고 있다

- 양이온과 음이온을 스페이서로 결합하면 하는 체

로서 성이 되어 하이동이 없는 염으로 되는데 스

페이서가 짧아서 충분한 염해리가 힘드나 어느 정도의

자유도가 얻어지면 zwitterion으로 된다

32 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-16gt zwitter ionic liquids의 모식도

특정이온을 포함하는 이온액체

- 이온성 액체를 이온 도체로 사용하는 과제는 목 이

온의 도입이다 이는 리튬염 등 목 이온을 포함하는

염 등을 이온액체에 용해시켜 도입한다

- 그런데 염의 첨가는 계의 성의 증가 이온 도도의

하를 가져온다 한 이온액체와 상용하는 분자무

기염은 많지 않고 첨가염의 종류도 한정되어있는 것이

문제이다

- 이의 해결이 자의 zwitter ion이고 두 번째가 목 이

온을 실온에서 액체화가 가능하면 문제가 해결된다

이러한 방법으로 각종의 알칼리 속 이온성 액체

(alkali metal ionic liquid)를 개발하 다(45)

- lt그림 3-17gt은 알칼리 속이온성 액체는 2가의 응

음이온과 1가의 오니움(onium) 양이온 1가의 목 이

온으로 구성된다

lt그림 3-17gt 알칼리 속이온액체의 개념도

제3장 국내외 기술개발 동향 33

- 이온액체는 구성하는 이온 간의 정 기 상호작용은

없을수록 좋으므로 강한 상호작용을 일으키는 다가이

온의 사용은 물이다 당 리튬 양이온의 이온액체

가 목 이나 여러 가지의 알칼리 속이온도 액체로

되는데 이를 응용하면 로톤을 포함하는 이온액체도

얻어지게 된다

이온액체의 합

- 이온성 액체는 분자 디자인이 용이하기 때문에 고분자

구조를 도입하는 것도 가능하며 이온성 액체의 고분

자화로는 각종의 고분자와 혼합한 겔화가 알려져 있지

만 이온성 액체 에 합기를 직 도입하여 고분자

화 하는 것에 의해 이온 도성뿐 아니라 디바이스의

다운사이징(down-sizing)에 기여할 것으로 망하고

있다(41)

- lt그림 3-18gt은 고분자화 이온액체를 나타내는데 종래

의 polyethyl-eneoxide유도체에 의존하지 않는 새로운

이온 도재료로서 검토된다

- lt그림 3-18gt에서 양이온과 음이온의 한쪽이 고분자의

주쇄에 고정되어 있어서 도 이온종을 선택하는 이

유용하다 한 구성이온종의 양방이 고분자 주쇄에

고정된 구조는 이온 도성을 나타내지 않으나 목 이

온의 첨가로 선택 도가 일어난다(46)

34 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-18gt 이온액체폴리머의 변화

자기조직화 이온액체

- 이온액체는 등방성의 액체로서 3차원 인 이온을 운반

하는 것이 가능하다 이로서 차원제어를 행하고 특정

방향으로 이온을 수송하는 시도가 있다 이를 해 자

기 집합력을 이온액체에 부여할 필요가 있다

- 이온액체의 자기조직화에는 양친매성화합물(兩親媒性

化合物)의 성질을 이용한다 극성성분이 있는 이온액

체에 비극성기(탄화수소쇄 탄화불소쇄)를 도입한 양

친매성 이온액체는 벌크로 써모트로픽 액정성을 발

하여 극성 비극성기가 분자 벨에서 상분리된 구조

를 형성한다

- 이 액체 도메인 에는 이온성 액체자신은 용융되어

높은 운동성을 갖는 알킬기의 집합층에 고정된 상태일

것으로 생각된다 여기에 리튬염을 첨가하면 비극성염

을 갖지 않는 리튬이온의 우선 인 수송이 기 된

다(lt그림 3-19gt 참조)

제3장 국내외 기술개발 동향 35

lt그림 3-19gt 이온성 액체 도메인 의 목 이온수송의 모식도

새로운 용매

- Alabama 학의 Rogers 등은 셀룰로오스를 용해시키는

이온성 액체로서 bmim Cl(1-butyl-3-methylimidazolium

chloride)을 개발하 다(47)

lt그림 3-20gt bmimCl의 구조

- Bmin Cl은 실온에서는 고체로서 75에서 용해되지만

100 정도로 가열한 bmim Cl에 종이(셀룰로오스)를

침지하면 순식간에 용해된다 이 용액을 시린지

(syringe)에 의해 물 에서 용출(溶出)시키면 셀룰로

오스 화이버가 생성된다 풍부한 목재자원을 셀룰로스

로 추출하는 시도가 이루어지고 있다

36 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

- 한 핵산류를 용해시킨 이온액체를 개발하고 있는데

DNA나 RNA는 물에 쉽게 용해되지 않는데 이를 용

해시키는 이온액체가 얻어졌다 일정량의 핵산을 용해

시키는 온도는 사용하는 이온액체의 구조에 크게 의존

한다(48)

- 특히 분자내 는 분자간의 수소결합을 단하는 능

력이 요구되는데 여기에는 염소음이온의 효과가 큰 것

으로 알려져 있다 염소를 포함하는 염은 일반 으로

융 이 높고 실온에서 액상으로 존재하기가 어려운

이 있다

- 이는 음이온의 부 하가 비국재화하고 있지 않기 때문

에 정 인 상호작용이 강하게 작용하고 있는 결과이

다 이를 피하기 해 양이온구조를 개선하여 상온에

서 액체의 염화물 염을 합성한다(49)

- 이 방법으로 양이온 구조를 개선하여 실온에서 액체상

태 염화물염인 aaim Cl(13-diallylimidazolium chloride)

를 개발하 다 aaim Cl은 융 이 21 부근이지만 한번

용융하면 과냉각 상태에서도 안정하여 실온에서 사용

가능하다 단지 도가 높은 것이 난 이다

단백질의 기화학반응용 해질용액

- 단백질의 기화학 인 성질로서 단백질을 이온액체에

용해시키는 것은 통상의 고분자를 용해시키는 것과는

차원이 다데 단백질의 기능은 펩사이드쇄의 3차 구조

에 크게 의존하기 때문에 3차구조가변하면 변성에 의

해서 목 달성이 되지 않는다 따라서 무리한 용해작

업은 변성을 래한다

제3장 국내외 기술개발 동향 37

- 이에 하여 PEO(polyethylene oxide)의 에테르산소가

이온과 강하게 상호작용하고 있다 이는 가용성을 의

미하며 PEO가 단백질과 이온액체를 용해하여 단백질

의 안정성을 향상시킨다 종래 바이오디바이스의 작성

이 곤란했든 것은 수 에서 단백질의 불안정성에 기인

하 는데 사용 온도에 따라 이온액체 의 단백질의

기화학이 새로운 가능성의 개척을 시사한다(50)

5 국내동향

이온액체의 매반응분야(51)

- 한국과학기술연구원 송충의 박사는 이온성 액체를 키

랄 화합물 제조를 한 매반응에 도입하여 고가인

매와 용매의 반복 사용을 가능하게 함에 따라 결

국 매와 용매의 소비를 최소화시킬 수 있는 소 청

정 비 칭 매반응을 개발하 다

- 즉 Jacobsons chiral (salen)MnIII

매 존재 하에서

22-dimethylchro-mene의 비 칭 에폭시화 반응시

[bmim]PF6와 CH2Cl2 (14 vv) 혼합물 용매를 사용

함으로써 96-94의 학순도로 chromene oxides를

합성하는데 성공하 다 이온성 액체를 첨단유기합성

기술인 학활성화합물 제조기술개발에 용함으로써

용매와 매의 소비를 최소화하는 반응과정을 개발하

고 있다

- 이와 같은 기술은 화학 산업에서의 공해 요인을 감소

38 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

시킬 것이며 특히 노벨화학상 수상분야인 비 칭

매반응 분야의 최 문제 으로 지 되었던 키랄 매

의 분리 재회수가 가능하게 되었다는 에서 기술

으로도 우수한 성과라 할 수 있다

- 한 이온성 액체 내에서 일부 매반응이 가속화될

수도 있고 선택성 매의 안정성 역시 향상될 수

있음을 밝혔으며 더욱 놀라운 결과로는 기존의 유기

용매 내에서는 진행되지 않던 일부 반응이 이온

성 액체 내에서는 정량 으로 진행될 수 있다는 것이

- 한 많은 요한 유기반응에서 이온성 액체가 용매로

서뿐 아니라 자신이 재사용 가능 한 매로도 작용할

수 있음을 밝힌 바 있다 이러한 일련의 결과들은 이

온성 액체가 21세기에 매분야뿐 아니라 체 유기화

학분야의 새로운 장을 열고 있다는 에서 요한 의

미를 지닌다고 할 수 있다

합성 응용분야(52)

- 한국과학기술연구원 김훈식 박사 연구 은 KSeO2

(OCH3)를1-alkyl-3-methylimidazolium chloride와 반

응시켜 새로운 이미다졸륨 알킬셀 나이트 ([Rmim]

[SeO2(OCH3)]) 화합물을 합성하 다

- 아민화합물의 산화성 카르보닐화 반응을 통한 치환된

우 아 제조 반응에서 기존의 KSeO2(OCH3)을 매로

사용하 을 경우에 비해 이 화합물은 보다 온화한 반

응조건을 제공할 뿐 아니라 이소시아네이트의 구체

인 치환된 우 아와 카바메이트를 고수율로 합성할 수

제3장 국내외 기술개발 동향 39

있었다

- 재 이온성 액체를 이용한 분리 유기 속화합물을

함유한 고활성 매로서의 이온성 액체의 합성 응

용에 한 연구를 수행하고 있다

- 포항공과 학교의 김만주 교수 연구 은 Lipase를

[PPMIM]PF6 (PPMIM = 1-(3-phenylpropyl)-3-

methylimidazolium)와 혼합시켜Ionic liquid-Coated

Enzyme (ILCE)을 합성하 다 이 새로운 타입의

immobilized biocatalyst는 2차 알코올의 transest-

erification 반응을 통한 acetylated 화합물합성에 높은

활성과 재사용성을 보여 주었으며 이러한 연구결과를

다양한 생화학분야에 용하기 한 연구를 수행하고

있다

- 인하 학교의 지 윤 교수연구 은 alkyl mesylate로부

터 fluoro-alkane을 합성하는 반응에서 이온성 액체를

용매로 사용함으로써 기존방법에 비해 부반응이 거의

없고 생산성이 히 증가된 결과를 얻었으며 이러한

결과를 실용화시키기 한 연구를 지속하고 있다

- 신약개발 바이오벤처 기업 씨트리(C-TRI)는 이온성

액체를 이용한 학활성 화합물제조 기술개발회사로

서 지난 상반기에 31억원의 매출을 올렸으며 최근 이

온성 액체를 이용한 신약개발과 정 화학사업에 필요

한 연구 인력을 거 보강하여 이온성 액체 련사업

을 추진하고 있다

41

제4장

결론 및 제언

향후의 방향

- 이온성 액체에 한 앞으로의 망은 이온성 액체를

주 테마로 하는 국제회의가 증가하고 있다 미국화학

회는 작년 9월 New York에서 이온성 액체에 한 세

션이 개최되어 열띤 토론이 진행 되었다

- 2004년 3~4월에 Anaheim에서 개최된 세션은 ldquo이온성

액체와 고분자rdquo 다 유럽과 미국에서는 이온성 액체

를 반응용매로 보는 것이 주류를 이루고 있었다

- 2004년 10월 Hawaii에서 기화학의 미일합동 회가

열린다 주제는 이온성 액체(용융염)에 한 연구이었

- 앞으로도 이온성 액체에 한 연구는 증가할 것이고

여러 가지 배경을 갖고 있는 연구자들이 서로 다른 목

표를 가지고 연구에 노력할 것이라 생각된다

국내사정

- 우리나라의 황을 보면 재석유화학 의학 산업에

서만 약7억불에 달하는 유기용매가 사용되고 있으며

이들을 모두 체할 수 있다면 최 7억불시장을 형성

할 수 있으므로 이온성 액체의 시장잠재력은 매우 크

42 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

다 하겠다

- 이온성 액체는 휘발성유기화합물을 체할 수 있을 뿐

만 아니라 고가의 귀 속 매를 이온성 액체 층에 고

정화 시킬수 있어 매의 회수 재사용을 용이하게

하며 매의 활성도 안정도 선택도까지도 획기

으로 증가시킬 수 있으므로 환경 측면은 물론 경제

인 에서도 바람직한 청정용매라 할 수 있다

- 상기한바 와같이 이온성 액체의 잠재 인 응용가능성

은 앞으로 무한할 것으로 사료되므로 국내에서도 이에

한 연구자들의 심과 더불어 정부 기업체에 의

한 연구지원이 지속 으로 이루어져야 할 것이다

후의 과제

- 통상의 용매로 이온성 액체를 이용하는 경우에는 내구

성 제조가격 등의 인자가 요하지만 목 이 한정된

이온성 액체의 이용에 있어서는 목 하는 기능을 요

시할 필요가 있다

- 많은 이온성 액체가 합성되고 있으나 원하는 높은 물

성을 갖는 이온성 액체를 설계하는 데 기본이 되는 이

론이 아직은 없는 편이다 이를 해서는 특히 이온성

액체의 구조-물성의 상 계가 밝 져야 하는데 많

은 연구가 진행되고 있음에도 불구하고 그 계가 밝

지지 않고 있다 따라서 상태로서는 원하는 이온

성 액체를 직 만들어서 평가하는 방법밖에 없는 게

실이다

- 그러나 도화와 열안정성 등과 같이 상반 계에 있

는 특성은 하나의 라미터를 변화시키는 것에 의해

제4장 결론 및 제언 43

한 쪽의 특성은 양호하게 되지만 다른 한 쪽의 특성이

악화되는 것을 피할 수 없는 성질로서 아직 양쪽을 동

시에 만족하는 이온성 액체는 실 하지 못하고 있다

- 향후 이온성 액체는 청정용매의 개발과 더불어 새로

운 청정 공정기술의 개발을 통하여 신소재 신물질 생

산 공정을 환경친화 이면서 경제성 있는 공정개발에

기여할 것으로 기 된다

- 특히 비닐기 같은 합성 기능기를 이온성 액체의 단

구조로 도입하여 단독 합이나 공 합을 통해 고분

자화한 이온성 액체를 만들 수 있어 이를 잘 활용하여

이온 지라든가 연료 지 등의 해액으로 응용의 길

이 열린다면 학문 으로나 공업 으로 큰 의의가 있으

리라 생각되며 이 분야의 연구가 활성화되길 기 한

45

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저자소개

손 목

공학박사

한국에 지기술연구소 원장

한국과학기술정보연구원 문연구 원

서 수소 연료 지 개스 센서기술 등

강 종 석

공학박사

한국과학기술정보연구원 선임연구원

서 BT분야 국가연구개발 심층분석

리튬이차 지 등

BB088 손 목강종석

이온성 액체의 반응성 및 전기화학적

특성 연구동향

2005년 12월 19일 인쇄

2005년 12월 23일 발행

발행처

서울특별시 동 문구 청량리동 206-9

ꂕ 130-742

화 3299-6114

등록 1991년 2월 12일 제5-258호

발행인

조 화

인쇄처

신기획

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ITA 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NOR 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 SVE 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ltFEFF4f7f75288fd94e9b8bbe7f6e521b5efa76840020005000440046002065876863ff0c5c065305542b66f49ad8768456fe50cf52068fa87387ff0c4ee575284e8e9ad88d2891cf76845370524d6253537030028be5002000500044004600206587686353ef4ee54f7f752800200020004100630072006f00620061007400204e0e002000520065006100640065007200200035002e00300020548c66f49ad87248672c62535f0030028fd94e9b8bbe7f6e89816c425d4c51655b574f533002gt CHT ltFEFF4f7f752890194e9b8a2d5b9a5efa7acb76840020005000440046002065874ef65305542b8f039ad876845f7150cf89e367905ea6ff0c9069752865bc9ad854c18cea76845370524d521753703002005000440046002065874ef653ef4ee54f7f75280020004100630072006f0062006100740020548c002000520065006100640065007200200035002e0030002053ca66f465b07248672c4f86958b555f300290194e9b8a2d5b9a89816c425d4c51655b57578b3002gt gtgtgtgt setdistillerparamsltlt HWResolution [2400 2400] PageSize [612000 792000]gtgt setpagedevice

Page 18: 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향gift.kisti.re.kr/data/IAC/files/KISTI-200512-SYM-ion_fluid.pdf · ※ 이온성 액체는 사용되는 음이온의

15

제3장

국내외 연구개발 동향

1 연구의 방향

이온성 액체의 연구는 술한바 반응용매로의 이용과

해질 용액으로서의 이용으로 크게 분류된다

- Grignard 시약을 사용하는 반응 이외에는 부분이 이

온성 액체 에서 반응하는 것이 가능한 것으로 일반

의 유기합성 반응에서부터 고분자 합성까지 다양한 반

응이 검토되고 있다

- 소수성이 강한 불소함유 이온성 액체는 액액(液液)

의 2층으로 분리가 되어 물층의 에 무거운(비 15

정도) 이온성 액체층이 생성되는데 이를 이용하여 공

장 배수로부터 유기물을 추출하는 등 배수처리에 응용

할 수 있으며 반응물의 회수도 가능하다

해질 용액으로의 이용은 이온성 액체가 높은 이온

도성을 가진 것과 폭넓은 온도 역에서 액상을 유지하

면서 불연성인 것 창(電位窓)도 넓고 기화학 으

로 안정한 것 등의 특징을 가지고 있어 각종 기화학

디바이스에의 이용이 검토된다

- 이온성 액체가 해질 용액으로서 이용될 때 특히 특

16 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

정 이온의 이동(移動)이 기능발휘에 요한 역할을 하

는 경우에는 다음과 같은 두 가지의 을 고려해야

한다

용매로서 사용하는 이온성 액체를 구성하는 이온이

구배(potential gradient) 하에서 이동하도록 제어하

여 목 이온만을 도시킬 필요가 있다

목 이온을 성분으로 하는 이온성 액체가 거의 알려

져 있지 않기 때문에 목 이온을 함유한 염을 용해시

켜서 이용하는 것이지만 첨가한 염은 이온성 액체에

한 용해도가 일반 으로 높지 않다 용해성을 개선

하기 해서는 이온성 액체의 성분과 같은 이온을

응 이온으로 하는 염을 이용해야 한다

- 이온성 액체는 높은 이온 도성과 용질의 가용성(可

溶性) 등을 이용하여 해합성(電解合成)이나 해

합에도 응용되고 있다

2 반응장으로서 이온성 액체의 활용

농약 간체로서 요한 학활성체와 고분자 물질 생산

에 있어 용매 역할로 이온성 액체를 사용하여 그 가능성

특성에 하여 소개한다

제3장 국내외 기술개발 동향 17

학활성인 불소계 물질의 제조

불소계 물질은 의농약의 합성 간체로서 요하나 비

칭 불소화 반응에는 가 다

lt그림 3-1gt 비 칭 불소화 반응

- 이온성 액체 에서는 온에서도 사용 가능한 헥실=

메틸=이미다졸리움헥사후루오로포스페이트

[hmim][PF6]을 사용하여 구핵반응에 의해 비 칭 불

소화 반응이 일어나 높은 학순도의 불소화체를 합성

하고 있다(16)

- 이 반응의 과제는 학순도의 향상과 용 가능한 물

질을 넓히는 일이다 학활성 에폭시알코올의 불소화

로 학활성 불소화에폭시 화합물을 합성하는 것이 가

능하다고 알려져 있다(17)

18 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-2gt 학활성인 불소화 에폭시

비 칭 알돌(aldol) 반응

- 효소 알돌라아제(aldolase)에 의한 비 칭 합성을 모방

한 화학 매에의한 탄소-탄소 결합 형성 반응은 합성

화학의 요한 과제 이다(18) 용제로서 「재사용 가능

한」 이온성 액체를 이용하고 매로서 L- 로린

(proline)을 사용한 반응장에 한 몇 가지 보고가 나

와 있다(19)

lt그림 3-3gt L-proline을 매로 하는 알돌형 반응

제3장 국내외 기술개발 동향 19

- 아세톤과 L- 로린으로 형성된 에나민(enamine)을 반

응 기질(基質)로 하여 방향족 알데히드류와 알돌형 반

응에서도 지방족 알데히드 사이에서의 크로스 알돌형

반응에서도 꽤 높은 학순도의 생성물이 얻어지고 있

다(20)

- 기질로서 에틸=메틸= 톤을 사용할 때에도 높은

학순도로 입체제어를 행할 수 있고 반복 반응장으로

서 사용해도 재 성 좋게 생성물이 얻어지는 것을 확

인하 다

- 클로로아세톤으로부터 생성한 할로히드린을 간체로

서 학활성의에폭시 화합물로 변환할 수 있는 것도

알려져 있으나 학순도는70~80 정도이고 물질 제

조로서는 만족할 만한 학순도는 아니다(21)

- 기질인 알데히드류와 로린으로부터 형성된 반응

간체는 Michael addition(마이클 부가반응)을 용이하게

진행시킬 수 있다 이 반응에서는 수용체(受容體)의

LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital) 에

지가 하하고 구핵제(求核劑)의 공격을 받기 쉽게 되

는 것이 필요하여 불소계 물질이 합하다

- 로린 이외의 유기분자에서는 디에틸아미노트리메틸

실란을 매로서 이용한 불소계 물질의 선택 인 올

핀류 합성이 발표 되었다이 반응계에서는 알데히드류

와 매로부터 생성한 반응 간체가 불소계 헤미아세

탈류로 되고 간체로부터 입체 선택 으로 편일방(片

一方)의 올 핀류를 생성하고 있다(22)

20 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

학활성인 이온성 액체

- 학활성인 이온성 액체는 학활성인 아민계 물질을

출발원료로 해서 합성되고 있는 경우로 니코틴을 출발

물질로 학활성인 이온성 액체를 만들 수 있다(23) 할

로겐 교환법을 사용하는 합성법의 첫 단계에서 얻어지

는 니코틴의 롬염은 고체이지만 LiNTf2로 음이온

교환을 하면 도가 높은 이온성 액체가 얻어진다

lt그림 3-4gt 수종의 학활성인 이온성 액체

합성된 이온성 액체 [Et(S)-nicotine]NTf2를 Diels-

Alder 반응의 반응 용매로서 사용한 결과 기 한 바와

같이 양호한 수율로 생성물이 얻어 졌지만 3 아미노

기가 염기성 매로서 작용을 하여 비 칭 반응장으로

서의 기능은 나타나지 않았다

제3장 국내외 기술개발 동향 21

lt그림 3-5gt 학활성 이온성 액체의 염기성 매로서의 기능발

를 들면 디엔 체의 3-히드록시 -2피론을 사용하여

Diels-Alder 반응을 하면 루이스산이 기질에 결합하여

기질의 HOMO(the highest occupied molecular orbital)

에 지 가 하되고 반응이 진행하지 않는 것이

확인되었다

dienophile(2 결합을 한개 가진 화합물)로서 아크

릴산메틸을 사용하면 높은 수율로 endoexo = 31의

목 하는 화합물을 얻을 수 있으나 이 반응을 보통

이온성 액체[emim][NTf2] 에서 행하면 진행하지 않

는다(24)

에폭시화 반응

- 합성 간체로서 주목되는 에폭시 화합물도 이온성 액

체 에서 합성되고 있다 효소의 산화반응을 이용하

여 과산화수소를 사용해서 계 에서 과 산을 생성시

켜 효소반응과 화학반응을 연속 으로 조합시켜 에폭

22 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

시 반응이 일어나고 이온성 액체를 반응장으로 사용

한 시스템이다(25)

lt그림 3-6gt 효소반응을 활용한 에폭시화 반응

- 기질류(基質類)에서의 비 칭 에폭시화 반응에서 얻어

진에폭시 화합물의 학순도는 높기 때문에 실용 인

합성방법이며 이 시스템에서는 이온성 액체를 5회 반

복 사용하여도 수율이나 학순도의 변화가 없음이 보

고 되고 있다(26)

lt그림 3-7gt 비 칭 에폭시화 반응

제3장 국내외 기술개발 동향 23

비 칭시아노화 반응 비 칭 사이클로 로 화 반응

- 알데히드류의 비 칭시아노화 반응에서도 비 칭 매

를 활용함으로서 학순도가 98정도로 원하는 생성

물이 얻어지고 있으며 이온성 액체의 반응장으로서 유

용성을 보여주고 있다(27)

lt그림 3-8gt 비 칭 시아노화 반응

- 디아조화합물을 사용하는 사이클로 로 화 반응에서

생성하는 시스체와 트란스체의 기하이성체 비는 높지

않으나 각각 학순도는 상당히 높은 것이 얻어진

다(28)

lt그림 3-9gt 비 칭 사이클로 로 화 반응

24 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

이온성 액체 에서의 고분자 합성

- 이온성 액체 에서 합반응을 행하면 MwMn비가

작게 되는 것으로 보고 되었다 이온성 액체를 이용하

여 합개시제로서 과산화벤조일이나 아조비스이소부

틸로니트릴을 사용한 스티 메틸메타크릴 이트의

호모(homo) 합에서 생성물은 이온성 액체로부터 여

과하는 것만으로 분리가 가능하고 회수한 이온성 액체

를 합용 용매로서 재이용이 가능하고 생성된 고분자

체의 분자량도 증가한다

lt그림 3-10gt 이온성 액체[bmim][PF6] 의 스티 의 합반응

중합용매

개시제 중합용매 수율() 분자량

중합용매

개시제 중합용매 수율() 분자량

- 벤젠 에서와 비교하여 이온성 액체 에서 합도

(重合度) 더욱이 생성물의 수율이 향상하는 것은 이

온성 액체의 도가 벤젠에 비하여 높아 연쇄 이동을

일으키기가 어렵고 생성한 폴리머 라디칼이 용매계로

부터 계외(系外)로 배출되기 쉽기 때문이라 생각된다

- 더욱이 이온성 액체 에서 AIBN(22-Azobis (isobuthy-

제3장 국내외 기술개발 동향 25

ronitril)) 내지는 BPO(benzoylperoxide)를 합개시제

로 한 스티 과 메틸메타크릴 이트의 라디칼 공 합

에 하여도 검토되고 있다

- 공 합 반응은 스티 의 첨가 몰비를 MMA에 비해

증 시켜도 코폴리머 분자량 모노머의 변화율이

하하는 경향이 있다 이 결과는 벤젠을 용매로 한 공

합계와 반 의 경향이고 이온성 액체의 극성이 높아

스티 에 비하여 극성 용매 에서 MMA의 합성이

높아지기 때문이라고 생각된다(29)

lt그림 3-11gt 이온성액체[bmim][PF6] 의 공 합 반응

3 촉매반응에서의 이온성 용액

매반응에서 이온성 용액은 자체 매성 보조 매 매활

성자 매 심의 새로운 리간드의 원 반응을 한 용매

등으로써 용된다(30)

26 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

유기 매로서의 이온성 용액

- 이온성 용액을 매반응에 사용하는 가장 좋은 방법은

용매와 매를 조합해서 사용하는 것이다 용매를 바

꿀 때마다 반응이 빨라지면 새로운 용매는 매 역할

을 한 것으로 본다

lt그림 3-12gt methyl acrylate와 [C4C1im]+ 양이온 사이의 수소결합

- 염화알루미늄염(III)(AlCl3) 이온성 용액에서 자치

환 산성 이온성 용액에서 아 (arenes)의 좋은 용해

성과 결합한 산성의 염화알루미늄염 이온성 용액의

높은 농도 [Al2Cl7]-는 친 자성 방향족 치환을 한

이상 인 용매로 만들 수 있다 산성인 [C2C1im]

Cl-AlCl3에서 1-염화 로 과의 벤젠 알킬반응에서 알

킬 고분자화가 측되었다 이이온성 용액시스템은 높

은 활동성과 선택성을 보 다(31)

- 유기용매로서 이온성 용액 이온성 용액은 지난 수년

간 유기 매 반응에 새로운 흥미를 갖기 시작하 으며

이 분야에 향을 수 있는 가능성을 가지고 있다

유기 매 반응에 한 근방법은 흔히 디엘-알더

(Diels-Alder) 환형추가 그 유도체인 수소결합의

상호작용 반응을 통해서이다(32)

제3장 국내외 기술개발 동향 27

보조 매로의 이온성 용액은 올 핀의 이합체화 (Olefin

dimerization)에서 니 매로 산성염화알루미늄염의 이

온성 용액이 로펜을 헥센에 이합체화를 한 반응에서

용매와 보조 매의 조합으로 사용한 첫 번째 경우이

다(33)

리간드 원으로서의 이온성 용액

- 수소화와 수소포르 화 반응 수소화 반응 수소포

르 화 반응을 해 용매로서 [Et4N][SnCl3]의 PtCl2용

액은 속에 매의 확실한 분해도 없이 올 핀의 수

소화에 효과 으로 매반응을 일으켰다 공기와의

을 피하도록 하는 가운데 활성화의 손실이 없이

매용액을 계속 으로 사용함으로써 반응이 이루어진

다(34)

- 팔라듐 NHC착물의 형성 이온성 용액은 팔라둠 매

반응의 넓은범 의 용매로 사용되어 왔다 이 연구과

정에서 재미있는 화학 상은 HHC착물과 나노 입

자의 형성이었다 이는 아직 논쟁의 상이 되고 있다

NHC착물은 이미다졸리움 이온성 용액에서 형성되며

기 하지 않는 반응성 는 선택성이 감지될 때 이를

항상 고려해야한다(35)

28 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-13gt NHC 매의 lactide 합에서의 ring opening

- 이온성 용액에서 나노입자의 형성 최근에 매로서

나노입자의 사용이 증가되는 심분야이다 1996년

Kaufmann이 이온성 용액에서처음으로 팔라듐의 매

반응을 보고하 다 일련의 아릴 롬이[C16PbBu3]Br

는 [Bu4N]Br에서 노말-알킬 이트와 결합하여 수율

90이상의 trans-시안염을 생성하는 반응이었다(36)

반응 용매로서의 이온성 용액

- 알 수소화 반응 [SbF6]- 와 [PF4]-의 두 이온성

용액에서 수소화 반응의 속도는 알 용액에서보다 훨

씬 높았다 왜 이 이온성 용액이 개선되었는지에 해

서는 아직 연구된 바가 없다 실제 매의 실체조차확

인이 안 되었다 반응용액으로부터 생성된 알 은 분

리가 쉬웠고 매를 함유한 용액은 순환되었다(37)

lt그림 3-14gt [C4C1im][PF6]의 수소포르 화 매의 두형태의 평형

제3장 국내외 기술개발 동향 29

- 산화 비록 재 사용되는 부분의 이온성 용액은 산

화에 안정 이고 산화과정에 이상 인 용매를 제공하

고 있지만 이것은 불과 지난몇 년 사이의 일이었다

Ni(acac)2는 [C4C1im][PF6]에서 해당되는 산의 라-

치환 benzaldehydes를 보통의 수율로 공기 에서 산

화반응의 매로 사용되어 왔다(38)

기화학 매용매로써의 이온성 용액

- 자화학을 이끄는 이온성 용액은 기화학 합성용

용매로서 가능성을 보이고 있다 최근에는 Ni이 알킬

벤질 아릴 할로겐화합물의 기 도성 동종결합

(electro conductive homo-coupling) 반응에 매로 보

고 된 바 있다 니 (II)착물은 니 (0)의 종에 하여

환원되고 방향성 할로겐화물에 첨가되어 할로겐 화합

물이 된다는 제안이 있었다(39)

이온성 용액의 고정화

- 반응시스템이 액체일 때 많은 장 이 있지만 때로는

그것을 고정화(immobilize) 시킬 필요가 있다 이온성

용액을 고정화 시키는데 심이 모아지고 있으며 첫

번째의 시도가 이온성 용액- 합체 겔을 만들기 하

여 고분자 vinylidenefluoride- hexachloropropylene의

공 합체를 사용한 것이다(40)

30 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

4 근대의 동향

할로겐 리이온액체

- 근년 이온성 액체에 한 연구가 많이 수행되고 있지

만 합성하고 있는 이온성 액체의 구조는 의외로 한정

되어 있으며 양이온은 테트라알킬암모늄(tetraalkyla-

mmonium) 피롤리디니움(pyrolidinium) 이미다졸리움

(imidazolium) 피리디니움(pyridinium) 등과 같이 비

교 다양성이 풍부한 반면에 음이온 종류는 BF4

PF6 CF3SO3 (CF3SO2)2N 등 할로겐 원소를 구조

에 함유한 것은 일반 으로 종류가 많지 않다(41)

- 할로겐을 포함하지 않는 음이온도 보고 되어 있는데

많은 양이온과 조합하여 액체화를 달성함이 쉽지 않고

한정된 양이온과 질산음이온이나 산 음이온 등을 결

합시킨 것이 보고 되어 있다(42)

- 최근 H Ohno(43)등은 할로겐 원소를 함유하지 않은

음이온으로 이온액체를 구축하기 하여 헤테로방향환

화합물을 착안하여 이미다졸이나 피라졸 등의 아졸

(azol)류 에서 산성을 띠는 124-triazolate 1234-

tetrazolate 등과 이미다졸리움 양이온을 조합시키는 것

에 의해 이온성 액체를 합성하 다

- 이 이온성 액체는 분자량과 비교해서 하의 비국재화

(非局在化)가 크다 한 할로겐 원소를 함유하지 않

고 C H N의 3종류원소만으로 구성되어 있다

제3장 국내외 기술개발 동향 31

lt그림 3-15gt 할로겐 리이온액체의 구조

쯔 츠 이온성 액체 (Zwitter ionic liquids)

- 한편 M Yoshizawa(44) 등은 이온 도재료로서 이온액

체를 사용하는 경우는 구배에 한 이온액체의 구

성이온종의 이동이 큰 문제로 된다

- 따라서 리튬 2차 지나 연료 지 등 목 이온종의 수

율과 계의 출력과의 계를 디바이스에 응용할 때는

이온 도재료로서 이온성 액체를 사용하는 것으로 양

이온과 음이온을 스페이서(spacer)로 결합하는 것에

의해 실온에서 액체상태인 성 이온 액체(zwitter

ionic liquid)를 제안하고 있다

- 양이온과 음이온을 스페이서로 결합하면 하는 체

로서 성이 되어 하이동이 없는 염으로 되는데 스

페이서가 짧아서 충분한 염해리가 힘드나 어느 정도의

자유도가 얻어지면 zwitterion으로 된다

32 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-16gt zwitter ionic liquids의 모식도

특정이온을 포함하는 이온액체

- 이온성 액체를 이온 도체로 사용하는 과제는 목 이

온의 도입이다 이는 리튬염 등 목 이온을 포함하는

염 등을 이온액체에 용해시켜 도입한다

- 그런데 염의 첨가는 계의 성의 증가 이온 도도의

하를 가져온다 한 이온액체와 상용하는 분자무

기염은 많지 않고 첨가염의 종류도 한정되어있는 것이

문제이다

- 이의 해결이 자의 zwitter ion이고 두 번째가 목 이

온을 실온에서 액체화가 가능하면 문제가 해결된다

이러한 방법으로 각종의 알칼리 속 이온성 액체

(alkali metal ionic liquid)를 개발하 다(45)

- lt그림 3-17gt은 알칼리 속이온성 액체는 2가의 응

음이온과 1가의 오니움(onium) 양이온 1가의 목 이

온으로 구성된다

lt그림 3-17gt 알칼리 속이온액체의 개념도

제3장 국내외 기술개발 동향 33

- 이온액체는 구성하는 이온 간의 정 기 상호작용은

없을수록 좋으므로 강한 상호작용을 일으키는 다가이

온의 사용은 물이다 당 리튬 양이온의 이온액체

가 목 이나 여러 가지의 알칼리 속이온도 액체로

되는데 이를 응용하면 로톤을 포함하는 이온액체도

얻어지게 된다

이온액체의 합

- 이온성 액체는 분자 디자인이 용이하기 때문에 고분자

구조를 도입하는 것도 가능하며 이온성 액체의 고분

자화로는 각종의 고분자와 혼합한 겔화가 알려져 있지

만 이온성 액체 에 합기를 직 도입하여 고분자

화 하는 것에 의해 이온 도성뿐 아니라 디바이스의

다운사이징(down-sizing)에 기여할 것으로 망하고

있다(41)

- lt그림 3-18gt은 고분자화 이온액체를 나타내는데 종래

의 polyethyl-eneoxide유도체에 의존하지 않는 새로운

이온 도재료로서 검토된다

- lt그림 3-18gt에서 양이온과 음이온의 한쪽이 고분자의

주쇄에 고정되어 있어서 도 이온종을 선택하는 이

유용하다 한 구성이온종의 양방이 고분자 주쇄에

고정된 구조는 이온 도성을 나타내지 않으나 목 이

온의 첨가로 선택 도가 일어난다(46)

34 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-18gt 이온액체폴리머의 변화

자기조직화 이온액체

- 이온액체는 등방성의 액체로서 3차원 인 이온을 운반

하는 것이 가능하다 이로서 차원제어를 행하고 특정

방향으로 이온을 수송하는 시도가 있다 이를 해 자

기 집합력을 이온액체에 부여할 필요가 있다

- 이온액체의 자기조직화에는 양친매성화합물(兩親媒性

化合物)의 성질을 이용한다 극성성분이 있는 이온액

체에 비극성기(탄화수소쇄 탄화불소쇄)를 도입한 양

친매성 이온액체는 벌크로 써모트로픽 액정성을 발

하여 극성 비극성기가 분자 벨에서 상분리된 구조

를 형성한다

- 이 액체 도메인 에는 이온성 액체자신은 용융되어

높은 운동성을 갖는 알킬기의 집합층에 고정된 상태일

것으로 생각된다 여기에 리튬염을 첨가하면 비극성염

을 갖지 않는 리튬이온의 우선 인 수송이 기 된

다(lt그림 3-19gt 참조)

제3장 국내외 기술개발 동향 35

lt그림 3-19gt 이온성 액체 도메인 의 목 이온수송의 모식도

새로운 용매

- Alabama 학의 Rogers 등은 셀룰로오스를 용해시키는

이온성 액체로서 bmim Cl(1-butyl-3-methylimidazolium

chloride)을 개발하 다(47)

lt그림 3-20gt bmimCl의 구조

- Bmin Cl은 실온에서는 고체로서 75에서 용해되지만

100 정도로 가열한 bmim Cl에 종이(셀룰로오스)를

침지하면 순식간에 용해된다 이 용액을 시린지

(syringe)에 의해 물 에서 용출(溶出)시키면 셀룰로

오스 화이버가 생성된다 풍부한 목재자원을 셀룰로스

로 추출하는 시도가 이루어지고 있다

36 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

- 한 핵산류를 용해시킨 이온액체를 개발하고 있는데

DNA나 RNA는 물에 쉽게 용해되지 않는데 이를 용

해시키는 이온액체가 얻어졌다 일정량의 핵산을 용해

시키는 온도는 사용하는 이온액체의 구조에 크게 의존

한다(48)

- 특히 분자내 는 분자간의 수소결합을 단하는 능

력이 요구되는데 여기에는 염소음이온의 효과가 큰 것

으로 알려져 있다 염소를 포함하는 염은 일반 으로

융 이 높고 실온에서 액상으로 존재하기가 어려운

이 있다

- 이는 음이온의 부 하가 비국재화하고 있지 않기 때문

에 정 인 상호작용이 강하게 작용하고 있는 결과이

다 이를 피하기 해 양이온구조를 개선하여 상온에

서 액체의 염화물 염을 합성한다(49)

- 이 방법으로 양이온 구조를 개선하여 실온에서 액체상

태 염화물염인 aaim Cl(13-diallylimidazolium chloride)

를 개발하 다 aaim Cl은 융 이 21 부근이지만 한번

용융하면 과냉각 상태에서도 안정하여 실온에서 사용

가능하다 단지 도가 높은 것이 난 이다

단백질의 기화학반응용 해질용액

- 단백질의 기화학 인 성질로서 단백질을 이온액체에

용해시키는 것은 통상의 고분자를 용해시키는 것과는

차원이 다데 단백질의 기능은 펩사이드쇄의 3차 구조

에 크게 의존하기 때문에 3차구조가변하면 변성에 의

해서 목 달성이 되지 않는다 따라서 무리한 용해작

업은 변성을 래한다

제3장 국내외 기술개발 동향 37

- 이에 하여 PEO(polyethylene oxide)의 에테르산소가

이온과 강하게 상호작용하고 있다 이는 가용성을 의

미하며 PEO가 단백질과 이온액체를 용해하여 단백질

의 안정성을 향상시킨다 종래 바이오디바이스의 작성

이 곤란했든 것은 수 에서 단백질의 불안정성에 기인

하 는데 사용 온도에 따라 이온액체 의 단백질의

기화학이 새로운 가능성의 개척을 시사한다(50)

5 국내동향

이온액체의 매반응분야(51)

- 한국과학기술연구원 송충의 박사는 이온성 액체를 키

랄 화합물 제조를 한 매반응에 도입하여 고가인

매와 용매의 반복 사용을 가능하게 함에 따라 결

국 매와 용매의 소비를 최소화시킬 수 있는 소 청

정 비 칭 매반응을 개발하 다

- 즉 Jacobsons chiral (salen)MnIII

매 존재 하에서

22-dimethylchro-mene의 비 칭 에폭시화 반응시

[bmim]PF6와 CH2Cl2 (14 vv) 혼합물 용매를 사용

함으로써 96-94의 학순도로 chromene oxides를

합성하는데 성공하 다 이온성 액체를 첨단유기합성

기술인 학활성화합물 제조기술개발에 용함으로써

용매와 매의 소비를 최소화하는 반응과정을 개발하

고 있다

- 이와 같은 기술은 화학 산업에서의 공해 요인을 감소

38 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

시킬 것이며 특히 노벨화학상 수상분야인 비 칭

매반응 분야의 최 문제 으로 지 되었던 키랄 매

의 분리 재회수가 가능하게 되었다는 에서 기술

으로도 우수한 성과라 할 수 있다

- 한 이온성 액체 내에서 일부 매반응이 가속화될

수도 있고 선택성 매의 안정성 역시 향상될 수

있음을 밝혔으며 더욱 놀라운 결과로는 기존의 유기

용매 내에서는 진행되지 않던 일부 반응이 이온

성 액체 내에서는 정량 으로 진행될 수 있다는 것이

- 한 많은 요한 유기반응에서 이온성 액체가 용매로

서뿐 아니라 자신이 재사용 가능 한 매로도 작용할

수 있음을 밝힌 바 있다 이러한 일련의 결과들은 이

온성 액체가 21세기에 매분야뿐 아니라 체 유기화

학분야의 새로운 장을 열고 있다는 에서 요한 의

미를 지닌다고 할 수 있다

합성 응용분야(52)

- 한국과학기술연구원 김훈식 박사 연구 은 KSeO2

(OCH3)를1-alkyl-3-methylimidazolium chloride와 반

응시켜 새로운 이미다졸륨 알킬셀 나이트 ([Rmim]

[SeO2(OCH3)]) 화합물을 합성하 다

- 아민화합물의 산화성 카르보닐화 반응을 통한 치환된

우 아 제조 반응에서 기존의 KSeO2(OCH3)을 매로

사용하 을 경우에 비해 이 화합물은 보다 온화한 반

응조건을 제공할 뿐 아니라 이소시아네이트의 구체

인 치환된 우 아와 카바메이트를 고수율로 합성할 수

제3장 국내외 기술개발 동향 39

있었다

- 재 이온성 액체를 이용한 분리 유기 속화합물을

함유한 고활성 매로서의 이온성 액체의 합성 응

용에 한 연구를 수행하고 있다

- 포항공과 학교의 김만주 교수 연구 은 Lipase를

[PPMIM]PF6 (PPMIM = 1-(3-phenylpropyl)-3-

methylimidazolium)와 혼합시켜Ionic liquid-Coated

Enzyme (ILCE)을 합성하 다 이 새로운 타입의

immobilized biocatalyst는 2차 알코올의 transest-

erification 반응을 통한 acetylated 화합물합성에 높은

활성과 재사용성을 보여 주었으며 이러한 연구결과를

다양한 생화학분야에 용하기 한 연구를 수행하고

있다

- 인하 학교의 지 윤 교수연구 은 alkyl mesylate로부

터 fluoro-alkane을 합성하는 반응에서 이온성 액체를

용매로 사용함으로써 기존방법에 비해 부반응이 거의

없고 생산성이 히 증가된 결과를 얻었으며 이러한

결과를 실용화시키기 한 연구를 지속하고 있다

- 신약개발 바이오벤처 기업 씨트리(C-TRI)는 이온성

액체를 이용한 학활성 화합물제조 기술개발회사로

서 지난 상반기에 31억원의 매출을 올렸으며 최근 이

온성 액체를 이용한 신약개발과 정 화학사업에 필요

한 연구 인력을 거 보강하여 이온성 액체 련사업

을 추진하고 있다

41

제4장

결론 및 제언

향후의 방향

- 이온성 액체에 한 앞으로의 망은 이온성 액체를

주 테마로 하는 국제회의가 증가하고 있다 미국화학

회는 작년 9월 New York에서 이온성 액체에 한 세

션이 개최되어 열띤 토론이 진행 되었다

- 2004년 3~4월에 Anaheim에서 개최된 세션은 ldquo이온성

액체와 고분자rdquo 다 유럽과 미국에서는 이온성 액체

를 반응용매로 보는 것이 주류를 이루고 있었다

- 2004년 10월 Hawaii에서 기화학의 미일합동 회가

열린다 주제는 이온성 액체(용융염)에 한 연구이었

- 앞으로도 이온성 액체에 한 연구는 증가할 것이고

여러 가지 배경을 갖고 있는 연구자들이 서로 다른 목

표를 가지고 연구에 노력할 것이라 생각된다

국내사정

- 우리나라의 황을 보면 재석유화학 의학 산업에

서만 약7억불에 달하는 유기용매가 사용되고 있으며

이들을 모두 체할 수 있다면 최 7억불시장을 형성

할 수 있으므로 이온성 액체의 시장잠재력은 매우 크

42 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

다 하겠다

- 이온성 액체는 휘발성유기화합물을 체할 수 있을 뿐

만 아니라 고가의 귀 속 매를 이온성 액체 층에 고

정화 시킬수 있어 매의 회수 재사용을 용이하게

하며 매의 활성도 안정도 선택도까지도 획기

으로 증가시킬 수 있으므로 환경 측면은 물론 경제

인 에서도 바람직한 청정용매라 할 수 있다

- 상기한바 와같이 이온성 액체의 잠재 인 응용가능성

은 앞으로 무한할 것으로 사료되므로 국내에서도 이에

한 연구자들의 심과 더불어 정부 기업체에 의

한 연구지원이 지속 으로 이루어져야 할 것이다

후의 과제

- 통상의 용매로 이온성 액체를 이용하는 경우에는 내구

성 제조가격 등의 인자가 요하지만 목 이 한정된

이온성 액체의 이용에 있어서는 목 하는 기능을 요

시할 필요가 있다

- 많은 이온성 액체가 합성되고 있으나 원하는 높은 물

성을 갖는 이온성 액체를 설계하는 데 기본이 되는 이

론이 아직은 없는 편이다 이를 해서는 특히 이온성

액체의 구조-물성의 상 계가 밝 져야 하는데 많

은 연구가 진행되고 있음에도 불구하고 그 계가 밝

지지 않고 있다 따라서 상태로서는 원하는 이온

성 액체를 직 만들어서 평가하는 방법밖에 없는 게

실이다

- 그러나 도화와 열안정성 등과 같이 상반 계에 있

는 특성은 하나의 라미터를 변화시키는 것에 의해

제4장 결론 및 제언 43

한 쪽의 특성은 양호하게 되지만 다른 한 쪽의 특성이

악화되는 것을 피할 수 없는 성질로서 아직 양쪽을 동

시에 만족하는 이온성 액체는 실 하지 못하고 있다

- 향후 이온성 액체는 청정용매의 개발과 더불어 새로

운 청정 공정기술의 개발을 통하여 신소재 신물질 생

산 공정을 환경친화 이면서 경제성 있는 공정개발에

기여할 것으로 기 된다

- 특히 비닐기 같은 합성 기능기를 이온성 액체의 단

구조로 도입하여 단독 합이나 공 합을 통해 고분

자화한 이온성 액체를 만들 수 있어 이를 잘 활용하여

이온 지라든가 연료 지 등의 해액으로 응용의 길

이 열린다면 학문 으로나 공업 으로 큰 의의가 있으

리라 생각되며 이 분야의 연구가 활성화되길 기 한

45

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저자소개

손 목

공학박사

한국에 지기술연구소 원장

한국과학기술정보연구원 문연구 원

서 수소 연료 지 개스 센서기술 등

강 종 석

공학박사

한국과학기술정보연구원 선임연구원

서 BT분야 국가연구개발 심층분석

리튬이차 지 등

BB088 손 목강종석

이온성 액체의 반응성 및 전기화학적

특성 연구동향

2005년 12월 19일 인쇄

2005년 12월 23일 발행

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화 3299-6114

등록 1991년 2월 12일 제5-258호

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SUO 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 ITA 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NOR 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 SVE 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ltFEFF4f7f75288fd94e9b8bbe7f6e521b5efa76840020005000440046002065876863ff0c5c065305542b66f49ad8768456fe50cf52068fa87387ff0c4ee575284e8e9ad88d2891cf76845370524d6253537030028be5002000500044004600206587686353ef4ee54f7f752800200020004100630072006f00620061007400204e0e002000520065006100640065007200200035002e00300020548c66f49ad87248672c62535f0030028fd94e9b8bbe7f6e89816c425d4c51655b574f533002gt CHT ltFEFF4f7f752890194e9b8a2d5b9a5efa7acb76840020005000440046002065874ef65305542b8f039ad876845f7150cf89e367905ea6ff0c9069752865bc9ad854c18cea76845370524d521753703002005000440046002065874ef653ef4ee54f7f75280020004100630072006f0062006100740020548c002000520065006100640065007200200035002e0030002053ca66f465b07248672c4f86958b555f300290194e9b8a2d5b9a89816c425d4c51655b57578b3002gt gtgtgtgt setdistillerparamsltlt HWResolution [2400 2400] PageSize [612000 792000]gtgt setpagedevice

Page 19: 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향gift.kisti.re.kr/data/IAC/files/KISTI-200512-SYM-ion_fluid.pdf · ※ 이온성 액체는 사용되는 음이온의

16 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

정 이온의 이동(移動)이 기능발휘에 요한 역할을 하

는 경우에는 다음과 같은 두 가지의 을 고려해야

한다

용매로서 사용하는 이온성 액체를 구성하는 이온이

구배(potential gradient) 하에서 이동하도록 제어하

여 목 이온만을 도시킬 필요가 있다

목 이온을 성분으로 하는 이온성 액체가 거의 알려

져 있지 않기 때문에 목 이온을 함유한 염을 용해시

켜서 이용하는 것이지만 첨가한 염은 이온성 액체에

한 용해도가 일반 으로 높지 않다 용해성을 개선

하기 해서는 이온성 액체의 성분과 같은 이온을

응 이온으로 하는 염을 이용해야 한다

- 이온성 액체는 높은 이온 도성과 용질의 가용성(可

溶性) 등을 이용하여 해합성(電解合成)이나 해

합에도 응용되고 있다

2 반응장으로서 이온성 액체의 활용

농약 간체로서 요한 학활성체와 고분자 물질 생산

에 있어 용매 역할로 이온성 액체를 사용하여 그 가능성

특성에 하여 소개한다

제3장 국내외 기술개발 동향 17

학활성인 불소계 물질의 제조

불소계 물질은 의농약의 합성 간체로서 요하나 비

칭 불소화 반응에는 가 다

lt그림 3-1gt 비 칭 불소화 반응

- 이온성 액체 에서는 온에서도 사용 가능한 헥실=

메틸=이미다졸리움헥사후루오로포스페이트

[hmim][PF6]을 사용하여 구핵반응에 의해 비 칭 불

소화 반응이 일어나 높은 학순도의 불소화체를 합성

하고 있다(16)

- 이 반응의 과제는 학순도의 향상과 용 가능한 물

질을 넓히는 일이다 학활성 에폭시알코올의 불소화

로 학활성 불소화에폭시 화합물을 합성하는 것이 가

능하다고 알려져 있다(17)

18 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-2gt 학활성인 불소화 에폭시

비 칭 알돌(aldol) 반응

- 효소 알돌라아제(aldolase)에 의한 비 칭 합성을 모방

한 화학 매에의한 탄소-탄소 결합 형성 반응은 합성

화학의 요한 과제 이다(18) 용제로서 「재사용 가능

한」 이온성 액체를 이용하고 매로서 L- 로린

(proline)을 사용한 반응장에 한 몇 가지 보고가 나

와 있다(19)

lt그림 3-3gt L-proline을 매로 하는 알돌형 반응

제3장 국내외 기술개발 동향 19

- 아세톤과 L- 로린으로 형성된 에나민(enamine)을 반

응 기질(基質)로 하여 방향족 알데히드류와 알돌형 반

응에서도 지방족 알데히드 사이에서의 크로스 알돌형

반응에서도 꽤 높은 학순도의 생성물이 얻어지고 있

다(20)

- 기질로서 에틸=메틸= 톤을 사용할 때에도 높은

학순도로 입체제어를 행할 수 있고 반복 반응장으로

서 사용해도 재 성 좋게 생성물이 얻어지는 것을 확

인하 다

- 클로로아세톤으로부터 생성한 할로히드린을 간체로

서 학활성의에폭시 화합물로 변환할 수 있는 것도

알려져 있으나 학순도는70~80 정도이고 물질 제

조로서는 만족할 만한 학순도는 아니다(21)

- 기질인 알데히드류와 로린으로부터 형성된 반응

간체는 Michael addition(마이클 부가반응)을 용이하게

진행시킬 수 있다 이 반응에서는 수용체(受容體)의

LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital) 에

지가 하하고 구핵제(求核劑)의 공격을 받기 쉽게 되

는 것이 필요하여 불소계 물질이 합하다

- 로린 이외의 유기분자에서는 디에틸아미노트리메틸

실란을 매로서 이용한 불소계 물질의 선택 인 올

핀류 합성이 발표 되었다이 반응계에서는 알데히드류

와 매로부터 생성한 반응 간체가 불소계 헤미아세

탈류로 되고 간체로부터 입체 선택 으로 편일방(片

一方)의 올 핀류를 생성하고 있다(22)

20 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

학활성인 이온성 액체

- 학활성인 이온성 액체는 학활성인 아민계 물질을

출발원료로 해서 합성되고 있는 경우로 니코틴을 출발

물질로 학활성인 이온성 액체를 만들 수 있다(23) 할

로겐 교환법을 사용하는 합성법의 첫 단계에서 얻어지

는 니코틴의 롬염은 고체이지만 LiNTf2로 음이온

교환을 하면 도가 높은 이온성 액체가 얻어진다

lt그림 3-4gt 수종의 학활성인 이온성 액체

합성된 이온성 액체 [Et(S)-nicotine]NTf2를 Diels-

Alder 반응의 반응 용매로서 사용한 결과 기 한 바와

같이 양호한 수율로 생성물이 얻어 졌지만 3 아미노

기가 염기성 매로서 작용을 하여 비 칭 반응장으로

서의 기능은 나타나지 않았다

제3장 국내외 기술개발 동향 21

lt그림 3-5gt 학활성 이온성 액체의 염기성 매로서의 기능발

를 들면 디엔 체의 3-히드록시 -2피론을 사용하여

Diels-Alder 반응을 하면 루이스산이 기질에 결합하여

기질의 HOMO(the highest occupied molecular orbital)

에 지 가 하되고 반응이 진행하지 않는 것이

확인되었다

dienophile(2 결합을 한개 가진 화합물)로서 아크

릴산메틸을 사용하면 높은 수율로 endoexo = 31의

목 하는 화합물을 얻을 수 있으나 이 반응을 보통

이온성 액체[emim][NTf2] 에서 행하면 진행하지 않

는다(24)

에폭시화 반응

- 합성 간체로서 주목되는 에폭시 화합물도 이온성 액

체 에서 합성되고 있다 효소의 산화반응을 이용하

여 과산화수소를 사용해서 계 에서 과 산을 생성시

켜 효소반응과 화학반응을 연속 으로 조합시켜 에폭

22 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

시 반응이 일어나고 이온성 액체를 반응장으로 사용

한 시스템이다(25)

lt그림 3-6gt 효소반응을 활용한 에폭시화 반응

- 기질류(基質類)에서의 비 칭 에폭시화 반응에서 얻어

진에폭시 화합물의 학순도는 높기 때문에 실용 인

합성방법이며 이 시스템에서는 이온성 액체를 5회 반

복 사용하여도 수율이나 학순도의 변화가 없음이 보

고 되고 있다(26)

lt그림 3-7gt 비 칭 에폭시화 반응

제3장 국내외 기술개발 동향 23

비 칭시아노화 반응 비 칭 사이클로 로 화 반응

- 알데히드류의 비 칭시아노화 반응에서도 비 칭 매

를 활용함으로서 학순도가 98정도로 원하는 생성

물이 얻어지고 있으며 이온성 액체의 반응장으로서 유

용성을 보여주고 있다(27)

lt그림 3-8gt 비 칭 시아노화 반응

- 디아조화합물을 사용하는 사이클로 로 화 반응에서

생성하는 시스체와 트란스체의 기하이성체 비는 높지

않으나 각각 학순도는 상당히 높은 것이 얻어진

다(28)

lt그림 3-9gt 비 칭 사이클로 로 화 반응

24 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

이온성 액체 에서의 고분자 합성

- 이온성 액체 에서 합반응을 행하면 MwMn비가

작게 되는 것으로 보고 되었다 이온성 액체를 이용하

여 합개시제로서 과산화벤조일이나 아조비스이소부

틸로니트릴을 사용한 스티 메틸메타크릴 이트의

호모(homo) 합에서 생성물은 이온성 액체로부터 여

과하는 것만으로 분리가 가능하고 회수한 이온성 액체

를 합용 용매로서 재이용이 가능하고 생성된 고분자

체의 분자량도 증가한다

lt그림 3-10gt 이온성 액체[bmim][PF6] 의 스티 의 합반응

중합용매

개시제 중합용매 수율() 분자량

중합용매

개시제 중합용매 수율() 분자량

- 벤젠 에서와 비교하여 이온성 액체 에서 합도

(重合度) 더욱이 생성물의 수율이 향상하는 것은 이

온성 액체의 도가 벤젠에 비하여 높아 연쇄 이동을

일으키기가 어렵고 생성한 폴리머 라디칼이 용매계로

부터 계외(系外)로 배출되기 쉽기 때문이라 생각된다

- 더욱이 이온성 액체 에서 AIBN(22-Azobis (isobuthy-

제3장 국내외 기술개발 동향 25

ronitril)) 내지는 BPO(benzoylperoxide)를 합개시제

로 한 스티 과 메틸메타크릴 이트의 라디칼 공 합

에 하여도 검토되고 있다

- 공 합 반응은 스티 의 첨가 몰비를 MMA에 비해

증 시켜도 코폴리머 분자량 모노머의 변화율이

하하는 경향이 있다 이 결과는 벤젠을 용매로 한 공

합계와 반 의 경향이고 이온성 액체의 극성이 높아

스티 에 비하여 극성 용매 에서 MMA의 합성이

높아지기 때문이라고 생각된다(29)

lt그림 3-11gt 이온성액체[bmim][PF6] 의 공 합 반응

3 촉매반응에서의 이온성 용액

매반응에서 이온성 용액은 자체 매성 보조 매 매활

성자 매 심의 새로운 리간드의 원 반응을 한 용매

등으로써 용된다(30)

26 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

유기 매로서의 이온성 용액

- 이온성 용액을 매반응에 사용하는 가장 좋은 방법은

용매와 매를 조합해서 사용하는 것이다 용매를 바

꿀 때마다 반응이 빨라지면 새로운 용매는 매 역할

을 한 것으로 본다

lt그림 3-12gt methyl acrylate와 [C4C1im]+ 양이온 사이의 수소결합

- 염화알루미늄염(III)(AlCl3) 이온성 용액에서 자치

환 산성 이온성 용액에서 아 (arenes)의 좋은 용해

성과 결합한 산성의 염화알루미늄염 이온성 용액의

높은 농도 [Al2Cl7]-는 친 자성 방향족 치환을 한

이상 인 용매로 만들 수 있다 산성인 [C2C1im]

Cl-AlCl3에서 1-염화 로 과의 벤젠 알킬반응에서 알

킬 고분자화가 측되었다 이이온성 용액시스템은 높

은 활동성과 선택성을 보 다(31)

- 유기용매로서 이온성 용액 이온성 용액은 지난 수년

간 유기 매 반응에 새로운 흥미를 갖기 시작하 으며

이 분야에 향을 수 있는 가능성을 가지고 있다

유기 매 반응에 한 근방법은 흔히 디엘-알더

(Diels-Alder) 환형추가 그 유도체인 수소결합의

상호작용 반응을 통해서이다(32)

제3장 국내외 기술개발 동향 27

보조 매로의 이온성 용액은 올 핀의 이합체화 (Olefin

dimerization)에서 니 매로 산성염화알루미늄염의 이

온성 용액이 로펜을 헥센에 이합체화를 한 반응에서

용매와 보조 매의 조합으로 사용한 첫 번째 경우이

다(33)

리간드 원으로서의 이온성 용액

- 수소화와 수소포르 화 반응 수소화 반응 수소포

르 화 반응을 해 용매로서 [Et4N][SnCl3]의 PtCl2용

액은 속에 매의 확실한 분해도 없이 올 핀의 수

소화에 효과 으로 매반응을 일으켰다 공기와의

을 피하도록 하는 가운데 활성화의 손실이 없이

매용액을 계속 으로 사용함으로써 반응이 이루어진

다(34)

- 팔라듐 NHC착물의 형성 이온성 용액은 팔라둠 매

반응의 넓은범 의 용매로 사용되어 왔다 이 연구과

정에서 재미있는 화학 상은 HHC착물과 나노 입

자의 형성이었다 이는 아직 논쟁의 상이 되고 있다

NHC착물은 이미다졸리움 이온성 용액에서 형성되며

기 하지 않는 반응성 는 선택성이 감지될 때 이를

항상 고려해야한다(35)

28 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-13gt NHC 매의 lactide 합에서의 ring opening

- 이온성 용액에서 나노입자의 형성 최근에 매로서

나노입자의 사용이 증가되는 심분야이다 1996년

Kaufmann이 이온성 용액에서처음으로 팔라듐의 매

반응을 보고하 다 일련의 아릴 롬이[C16PbBu3]Br

는 [Bu4N]Br에서 노말-알킬 이트와 결합하여 수율

90이상의 trans-시안염을 생성하는 반응이었다(36)

반응 용매로서의 이온성 용액

- 알 수소화 반응 [SbF6]- 와 [PF4]-의 두 이온성

용액에서 수소화 반응의 속도는 알 용액에서보다 훨

씬 높았다 왜 이 이온성 용액이 개선되었는지에 해

서는 아직 연구된 바가 없다 실제 매의 실체조차확

인이 안 되었다 반응용액으로부터 생성된 알 은 분

리가 쉬웠고 매를 함유한 용액은 순환되었다(37)

lt그림 3-14gt [C4C1im][PF6]의 수소포르 화 매의 두형태의 평형

제3장 국내외 기술개발 동향 29

- 산화 비록 재 사용되는 부분의 이온성 용액은 산

화에 안정 이고 산화과정에 이상 인 용매를 제공하

고 있지만 이것은 불과 지난몇 년 사이의 일이었다

Ni(acac)2는 [C4C1im][PF6]에서 해당되는 산의 라-

치환 benzaldehydes를 보통의 수율로 공기 에서 산

화반응의 매로 사용되어 왔다(38)

기화학 매용매로써의 이온성 용액

- 자화학을 이끄는 이온성 용액은 기화학 합성용

용매로서 가능성을 보이고 있다 최근에는 Ni이 알킬

벤질 아릴 할로겐화합물의 기 도성 동종결합

(electro conductive homo-coupling) 반응에 매로 보

고 된 바 있다 니 (II)착물은 니 (0)의 종에 하여

환원되고 방향성 할로겐화물에 첨가되어 할로겐 화합

물이 된다는 제안이 있었다(39)

이온성 용액의 고정화

- 반응시스템이 액체일 때 많은 장 이 있지만 때로는

그것을 고정화(immobilize) 시킬 필요가 있다 이온성

용액을 고정화 시키는데 심이 모아지고 있으며 첫

번째의 시도가 이온성 용액- 합체 겔을 만들기 하

여 고분자 vinylidenefluoride- hexachloropropylene의

공 합체를 사용한 것이다(40)

30 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

4 근대의 동향

할로겐 리이온액체

- 근년 이온성 액체에 한 연구가 많이 수행되고 있지

만 합성하고 있는 이온성 액체의 구조는 의외로 한정

되어 있으며 양이온은 테트라알킬암모늄(tetraalkyla-

mmonium) 피롤리디니움(pyrolidinium) 이미다졸리움

(imidazolium) 피리디니움(pyridinium) 등과 같이 비

교 다양성이 풍부한 반면에 음이온 종류는 BF4

PF6 CF3SO3 (CF3SO2)2N 등 할로겐 원소를 구조

에 함유한 것은 일반 으로 종류가 많지 않다(41)

- 할로겐을 포함하지 않는 음이온도 보고 되어 있는데

많은 양이온과 조합하여 액체화를 달성함이 쉽지 않고

한정된 양이온과 질산음이온이나 산 음이온 등을 결

합시킨 것이 보고 되어 있다(42)

- 최근 H Ohno(43)등은 할로겐 원소를 함유하지 않은

음이온으로 이온액체를 구축하기 하여 헤테로방향환

화합물을 착안하여 이미다졸이나 피라졸 등의 아졸

(azol)류 에서 산성을 띠는 124-triazolate 1234-

tetrazolate 등과 이미다졸리움 양이온을 조합시키는 것

에 의해 이온성 액체를 합성하 다

- 이 이온성 액체는 분자량과 비교해서 하의 비국재화

(非局在化)가 크다 한 할로겐 원소를 함유하지 않

고 C H N의 3종류원소만으로 구성되어 있다

제3장 국내외 기술개발 동향 31

lt그림 3-15gt 할로겐 리이온액체의 구조

쯔 츠 이온성 액체 (Zwitter ionic liquids)

- 한편 M Yoshizawa(44) 등은 이온 도재료로서 이온액

체를 사용하는 경우는 구배에 한 이온액체의 구

성이온종의 이동이 큰 문제로 된다

- 따라서 리튬 2차 지나 연료 지 등 목 이온종의 수

율과 계의 출력과의 계를 디바이스에 응용할 때는

이온 도재료로서 이온성 액체를 사용하는 것으로 양

이온과 음이온을 스페이서(spacer)로 결합하는 것에

의해 실온에서 액체상태인 성 이온 액체(zwitter

ionic liquid)를 제안하고 있다

- 양이온과 음이온을 스페이서로 결합하면 하는 체

로서 성이 되어 하이동이 없는 염으로 되는데 스

페이서가 짧아서 충분한 염해리가 힘드나 어느 정도의

자유도가 얻어지면 zwitterion으로 된다

32 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-16gt zwitter ionic liquids의 모식도

특정이온을 포함하는 이온액체

- 이온성 액체를 이온 도체로 사용하는 과제는 목 이

온의 도입이다 이는 리튬염 등 목 이온을 포함하는

염 등을 이온액체에 용해시켜 도입한다

- 그런데 염의 첨가는 계의 성의 증가 이온 도도의

하를 가져온다 한 이온액체와 상용하는 분자무

기염은 많지 않고 첨가염의 종류도 한정되어있는 것이

문제이다

- 이의 해결이 자의 zwitter ion이고 두 번째가 목 이

온을 실온에서 액체화가 가능하면 문제가 해결된다

이러한 방법으로 각종의 알칼리 속 이온성 액체

(alkali metal ionic liquid)를 개발하 다(45)

- lt그림 3-17gt은 알칼리 속이온성 액체는 2가의 응

음이온과 1가의 오니움(onium) 양이온 1가의 목 이

온으로 구성된다

lt그림 3-17gt 알칼리 속이온액체의 개념도

제3장 국내외 기술개발 동향 33

- 이온액체는 구성하는 이온 간의 정 기 상호작용은

없을수록 좋으므로 강한 상호작용을 일으키는 다가이

온의 사용은 물이다 당 리튬 양이온의 이온액체

가 목 이나 여러 가지의 알칼리 속이온도 액체로

되는데 이를 응용하면 로톤을 포함하는 이온액체도

얻어지게 된다

이온액체의 합

- 이온성 액체는 분자 디자인이 용이하기 때문에 고분자

구조를 도입하는 것도 가능하며 이온성 액체의 고분

자화로는 각종의 고분자와 혼합한 겔화가 알려져 있지

만 이온성 액체 에 합기를 직 도입하여 고분자

화 하는 것에 의해 이온 도성뿐 아니라 디바이스의

다운사이징(down-sizing)에 기여할 것으로 망하고

있다(41)

- lt그림 3-18gt은 고분자화 이온액체를 나타내는데 종래

의 polyethyl-eneoxide유도체에 의존하지 않는 새로운

이온 도재료로서 검토된다

- lt그림 3-18gt에서 양이온과 음이온의 한쪽이 고분자의

주쇄에 고정되어 있어서 도 이온종을 선택하는 이

유용하다 한 구성이온종의 양방이 고분자 주쇄에

고정된 구조는 이온 도성을 나타내지 않으나 목 이

온의 첨가로 선택 도가 일어난다(46)

34 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-18gt 이온액체폴리머의 변화

자기조직화 이온액체

- 이온액체는 등방성의 액체로서 3차원 인 이온을 운반

하는 것이 가능하다 이로서 차원제어를 행하고 특정

방향으로 이온을 수송하는 시도가 있다 이를 해 자

기 집합력을 이온액체에 부여할 필요가 있다

- 이온액체의 자기조직화에는 양친매성화합물(兩親媒性

化合物)의 성질을 이용한다 극성성분이 있는 이온액

체에 비극성기(탄화수소쇄 탄화불소쇄)를 도입한 양

친매성 이온액체는 벌크로 써모트로픽 액정성을 발

하여 극성 비극성기가 분자 벨에서 상분리된 구조

를 형성한다

- 이 액체 도메인 에는 이온성 액체자신은 용융되어

높은 운동성을 갖는 알킬기의 집합층에 고정된 상태일

것으로 생각된다 여기에 리튬염을 첨가하면 비극성염

을 갖지 않는 리튬이온의 우선 인 수송이 기 된

다(lt그림 3-19gt 참조)

제3장 국내외 기술개발 동향 35

lt그림 3-19gt 이온성 액체 도메인 의 목 이온수송의 모식도

새로운 용매

- Alabama 학의 Rogers 등은 셀룰로오스를 용해시키는

이온성 액체로서 bmim Cl(1-butyl-3-methylimidazolium

chloride)을 개발하 다(47)

lt그림 3-20gt bmimCl의 구조

- Bmin Cl은 실온에서는 고체로서 75에서 용해되지만

100 정도로 가열한 bmim Cl에 종이(셀룰로오스)를

침지하면 순식간에 용해된다 이 용액을 시린지

(syringe)에 의해 물 에서 용출(溶出)시키면 셀룰로

오스 화이버가 생성된다 풍부한 목재자원을 셀룰로스

로 추출하는 시도가 이루어지고 있다

36 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

- 한 핵산류를 용해시킨 이온액체를 개발하고 있는데

DNA나 RNA는 물에 쉽게 용해되지 않는데 이를 용

해시키는 이온액체가 얻어졌다 일정량의 핵산을 용해

시키는 온도는 사용하는 이온액체의 구조에 크게 의존

한다(48)

- 특히 분자내 는 분자간의 수소결합을 단하는 능

력이 요구되는데 여기에는 염소음이온의 효과가 큰 것

으로 알려져 있다 염소를 포함하는 염은 일반 으로

융 이 높고 실온에서 액상으로 존재하기가 어려운

이 있다

- 이는 음이온의 부 하가 비국재화하고 있지 않기 때문

에 정 인 상호작용이 강하게 작용하고 있는 결과이

다 이를 피하기 해 양이온구조를 개선하여 상온에

서 액체의 염화물 염을 합성한다(49)

- 이 방법으로 양이온 구조를 개선하여 실온에서 액체상

태 염화물염인 aaim Cl(13-diallylimidazolium chloride)

를 개발하 다 aaim Cl은 융 이 21 부근이지만 한번

용융하면 과냉각 상태에서도 안정하여 실온에서 사용

가능하다 단지 도가 높은 것이 난 이다

단백질의 기화학반응용 해질용액

- 단백질의 기화학 인 성질로서 단백질을 이온액체에

용해시키는 것은 통상의 고분자를 용해시키는 것과는

차원이 다데 단백질의 기능은 펩사이드쇄의 3차 구조

에 크게 의존하기 때문에 3차구조가변하면 변성에 의

해서 목 달성이 되지 않는다 따라서 무리한 용해작

업은 변성을 래한다

제3장 국내외 기술개발 동향 37

- 이에 하여 PEO(polyethylene oxide)의 에테르산소가

이온과 강하게 상호작용하고 있다 이는 가용성을 의

미하며 PEO가 단백질과 이온액체를 용해하여 단백질

의 안정성을 향상시킨다 종래 바이오디바이스의 작성

이 곤란했든 것은 수 에서 단백질의 불안정성에 기인

하 는데 사용 온도에 따라 이온액체 의 단백질의

기화학이 새로운 가능성의 개척을 시사한다(50)

5 국내동향

이온액체의 매반응분야(51)

- 한국과학기술연구원 송충의 박사는 이온성 액체를 키

랄 화합물 제조를 한 매반응에 도입하여 고가인

매와 용매의 반복 사용을 가능하게 함에 따라 결

국 매와 용매의 소비를 최소화시킬 수 있는 소 청

정 비 칭 매반응을 개발하 다

- 즉 Jacobsons chiral (salen)MnIII

매 존재 하에서

22-dimethylchro-mene의 비 칭 에폭시화 반응시

[bmim]PF6와 CH2Cl2 (14 vv) 혼합물 용매를 사용

함으로써 96-94의 학순도로 chromene oxides를

합성하는데 성공하 다 이온성 액체를 첨단유기합성

기술인 학활성화합물 제조기술개발에 용함으로써

용매와 매의 소비를 최소화하는 반응과정을 개발하

고 있다

- 이와 같은 기술은 화학 산업에서의 공해 요인을 감소

38 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

시킬 것이며 특히 노벨화학상 수상분야인 비 칭

매반응 분야의 최 문제 으로 지 되었던 키랄 매

의 분리 재회수가 가능하게 되었다는 에서 기술

으로도 우수한 성과라 할 수 있다

- 한 이온성 액체 내에서 일부 매반응이 가속화될

수도 있고 선택성 매의 안정성 역시 향상될 수

있음을 밝혔으며 더욱 놀라운 결과로는 기존의 유기

용매 내에서는 진행되지 않던 일부 반응이 이온

성 액체 내에서는 정량 으로 진행될 수 있다는 것이

- 한 많은 요한 유기반응에서 이온성 액체가 용매로

서뿐 아니라 자신이 재사용 가능 한 매로도 작용할

수 있음을 밝힌 바 있다 이러한 일련의 결과들은 이

온성 액체가 21세기에 매분야뿐 아니라 체 유기화

학분야의 새로운 장을 열고 있다는 에서 요한 의

미를 지닌다고 할 수 있다

합성 응용분야(52)

- 한국과학기술연구원 김훈식 박사 연구 은 KSeO2

(OCH3)를1-alkyl-3-methylimidazolium chloride와 반

응시켜 새로운 이미다졸륨 알킬셀 나이트 ([Rmim]

[SeO2(OCH3)]) 화합물을 합성하 다

- 아민화합물의 산화성 카르보닐화 반응을 통한 치환된

우 아 제조 반응에서 기존의 KSeO2(OCH3)을 매로

사용하 을 경우에 비해 이 화합물은 보다 온화한 반

응조건을 제공할 뿐 아니라 이소시아네이트의 구체

인 치환된 우 아와 카바메이트를 고수율로 합성할 수

제3장 국내외 기술개발 동향 39

있었다

- 재 이온성 액체를 이용한 분리 유기 속화합물을

함유한 고활성 매로서의 이온성 액체의 합성 응

용에 한 연구를 수행하고 있다

- 포항공과 학교의 김만주 교수 연구 은 Lipase를

[PPMIM]PF6 (PPMIM = 1-(3-phenylpropyl)-3-

methylimidazolium)와 혼합시켜Ionic liquid-Coated

Enzyme (ILCE)을 합성하 다 이 새로운 타입의

immobilized biocatalyst는 2차 알코올의 transest-

erification 반응을 통한 acetylated 화합물합성에 높은

활성과 재사용성을 보여 주었으며 이러한 연구결과를

다양한 생화학분야에 용하기 한 연구를 수행하고

있다

- 인하 학교의 지 윤 교수연구 은 alkyl mesylate로부

터 fluoro-alkane을 합성하는 반응에서 이온성 액체를

용매로 사용함으로써 기존방법에 비해 부반응이 거의

없고 생산성이 히 증가된 결과를 얻었으며 이러한

결과를 실용화시키기 한 연구를 지속하고 있다

- 신약개발 바이오벤처 기업 씨트리(C-TRI)는 이온성

액체를 이용한 학활성 화합물제조 기술개발회사로

서 지난 상반기에 31억원의 매출을 올렸으며 최근 이

온성 액체를 이용한 신약개발과 정 화학사업에 필요

한 연구 인력을 거 보강하여 이온성 액체 련사업

을 추진하고 있다

41

제4장

결론 및 제언

향후의 방향

- 이온성 액체에 한 앞으로의 망은 이온성 액체를

주 테마로 하는 국제회의가 증가하고 있다 미국화학

회는 작년 9월 New York에서 이온성 액체에 한 세

션이 개최되어 열띤 토론이 진행 되었다

- 2004년 3~4월에 Anaheim에서 개최된 세션은 ldquo이온성

액체와 고분자rdquo 다 유럽과 미국에서는 이온성 액체

를 반응용매로 보는 것이 주류를 이루고 있었다

- 2004년 10월 Hawaii에서 기화학의 미일합동 회가

열린다 주제는 이온성 액체(용융염)에 한 연구이었

- 앞으로도 이온성 액체에 한 연구는 증가할 것이고

여러 가지 배경을 갖고 있는 연구자들이 서로 다른 목

표를 가지고 연구에 노력할 것이라 생각된다

국내사정

- 우리나라의 황을 보면 재석유화학 의학 산업에

서만 약7억불에 달하는 유기용매가 사용되고 있으며

이들을 모두 체할 수 있다면 최 7억불시장을 형성

할 수 있으므로 이온성 액체의 시장잠재력은 매우 크

42 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

다 하겠다

- 이온성 액체는 휘발성유기화합물을 체할 수 있을 뿐

만 아니라 고가의 귀 속 매를 이온성 액체 층에 고

정화 시킬수 있어 매의 회수 재사용을 용이하게

하며 매의 활성도 안정도 선택도까지도 획기

으로 증가시킬 수 있으므로 환경 측면은 물론 경제

인 에서도 바람직한 청정용매라 할 수 있다

- 상기한바 와같이 이온성 액체의 잠재 인 응용가능성

은 앞으로 무한할 것으로 사료되므로 국내에서도 이에

한 연구자들의 심과 더불어 정부 기업체에 의

한 연구지원이 지속 으로 이루어져야 할 것이다

후의 과제

- 통상의 용매로 이온성 액체를 이용하는 경우에는 내구

성 제조가격 등의 인자가 요하지만 목 이 한정된

이온성 액체의 이용에 있어서는 목 하는 기능을 요

시할 필요가 있다

- 많은 이온성 액체가 합성되고 있으나 원하는 높은 물

성을 갖는 이온성 액체를 설계하는 데 기본이 되는 이

론이 아직은 없는 편이다 이를 해서는 특히 이온성

액체의 구조-물성의 상 계가 밝 져야 하는데 많

은 연구가 진행되고 있음에도 불구하고 그 계가 밝

지지 않고 있다 따라서 상태로서는 원하는 이온

성 액체를 직 만들어서 평가하는 방법밖에 없는 게

실이다

- 그러나 도화와 열안정성 등과 같이 상반 계에 있

는 특성은 하나의 라미터를 변화시키는 것에 의해

제4장 결론 및 제언 43

한 쪽의 특성은 양호하게 되지만 다른 한 쪽의 특성이

악화되는 것을 피할 수 없는 성질로서 아직 양쪽을 동

시에 만족하는 이온성 액체는 실 하지 못하고 있다

- 향후 이온성 액체는 청정용매의 개발과 더불어 새로

운 청정 공정기술의 개발을 통하여 신소재 신물질 생

산 공정을 환경친화 이면서 경제성 있는 공정개발에

기여할 것으로 기 된다

- 특히 비닐기 같은 합성 기능기를 이온성 액체의 단

구조로 도입하여 단독 합이나 공 합을 통해 고분

자화한 이온성 액체를 만들 수 있어 이를 잘 활용하여

이온 지라든가 연료 지 등의 해액으로 응용의 길

이 열린다면 학문 으로나 공업 으로 큰 의의가 있으

리라 생각되며 이 분야의 연구가 활성화되길 기 한

45

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저자소개

손 목

공학박사

한국에 지기술연구소 원장

한국과학기술정보연구원 문연구 원

서 수소 연료 지 개스 센서기술 등

강 종 석

공학박사

한국과학기술정보연구원 선임연구원

서 BT분야 국가연구개발 심층분석

리튬이차 지 등

BB088 손 목강종석

이온성 액체의 반응성 및 전기화학적

특성 연구동향

2005년 12월 19일 인쇄

2005년 12월 23일 발행

발행처

서울특별시 동 문구 청량리동 206-9

ꂕ 130-742

화 3299-6114

등록 1991년 2월 12일 제5-258호

발행인

조 화

인쇄처

신기획

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 KOR 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ltFEFF4f7f75288fd94e9b8bbe7f6e521b5efa76840020005000440046002065876863ff0c5c065305542b66f49ad8768456fe50cf52068fa87387ff0c4ee575284e8e9ad88d2891cf76845370524d6253537030028be5002000500044004600206587686353ef4ee54f7f752800200020004100630072006f00620061007400204e0e002000520065006100640065007200200035002e00300020548c66f49ad87248672c62535f0030028fd94e9b8bbe7f6e89816c425d4c51655b574f533002gt CHT ltFEFF4f7f752890194e9b8a2d5b9a5efa7acb76840020005000440046002065874ef65305542b8f039ad876845f7150cf89e367905ea6ff0c9069752865bc9ad854c18cea76845370524d521753703002005000440046002065874ef653ef4ee54f7f75280020004100630072006f0062006100740020548c002000520065006100640065007200200035002e0030002053ca66f465b07248672c4f86958b555f300290194e9b8a2d5b9a89816c425d4c51655b57578b3002gt gtgtgtgt setdistillerparamsltlt HWResolution [2400 2400] PageSize [612000 792000]gtgt setpagedevice

Page 20: 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향gift.kisti.re.kr/data/IAC/files/KISTI-200512-SYM-ion_fluid.pdf · ※ 이온성 액체는 사용되는 음이온의

제3장 국내외 기술개발 동향 17

학활성인 불소계 물질의 제조

불소계 물질은 의농약의 합성 간체로서 요하나 비

칭 불소화 반응에는 가 다

lt그림 3-1gt 비 칭 불소화 반응

- 이온성 액체 에서는 온에서도 사용 가능한 헥실=

메틸=이미다졸리움헥사후루오로포스페이트

[hmim][PF6]을 사용하여 구핵반응에 의해 비 칭 불

소화 반응이 일어나 높은 학순도의 불소화체를 합성

하고 있다(16)

- 이 반응의 과제는 학순도의 향상과 용 가능한 물

질을 넓히는 일이다 학활성 에폭시알코올의 불소화

로 학활성 불소화에폭시 화합물을 합성하는 것이 가

능하다고 알려져 있다(17)

18 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-2gt 학활성인 불소화 에폭시

비 칭 알돌(aldol) 반응

- 효소 알돌라아제(aldolase)에 의한 비 칭 합성을 모방

한 화학 매에의한 탄소-탄소 결합 형성 반응은 합성

화학의 요한 과제 이다(18) 용제로서 「재사용 가능

한」 이온성 액체를 이용하고 매로서 L- 로린

(proline)을 사용한 반응장에 한 몇 가지 보고가 나

와 있다(19)

lt그림 3-3gt L-proline을 매로 하는 알돌형 반응

제3장 국내외 기술개발 동향 19

- 아세톤과 L- 로린으로 형성된 에나민(enamine)을 반

응 기질(基質)로 하여 방향족 알데히드류와 알돌형 반

응에서도 지방족 알데히드 사이에서의 크로스 알돌형

반응에서도 꽤 높은 학순도의 생성물이 얻어지고 있

다(20)

- 기질로서 에틸=메틸= 톤을 사용할 때에도 높은

학순도로 입체제어를 행할 수 있고 반복 반응장으로

서 사용해도 재 성 좋게 생성물이 얻어지는 것을 확

인하 다

- 클로로아세톤으로부터 생성한 할로히드린을 간체로

서 학활성의에폭시 화합물로 변환할 수 있는 것도

알려져 있으나 학순도는70~80 정도이고 물질 제

조로서는 만족할 만한 학순도는 아니다(21)

- 기질인 알데히드류와 로린으로부터 형성된 반응

간체는 Michael addition(마이클 부가반응)을 용이하게

진행시킬 수 있다 이 반응에서는 수용체(受容體)의

LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital) 에

지가 하하고 구핵제(求核劑)의 공격을 받기 쉽게 되

는 것이 필요하여 불소계 물질이 합하다

- 로린 이외의 유기분자에서는 디에틸아미노트리메틸

실란을 매로서 이용한 불소계 물질의 선택 인 올

핀류 합성이 발표 되었다이 반응계에서는 알데히드류

와 매로부터 생성한 반응 간체가 불소계 헤미아세

탈류로 되고 간체로부터 입체 선택 으로 편일방(片

一方)의 올 핀류를 생성하고 있다(22)

20 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

학활성인 이온성 액체

- 학활성인 이온성 액체는 학활성인 아민계 물질을

출발원료로 해서 합성되고 있는 경우로 니코틴을 출발

물질로 학활성인 이온성 액체를 만들 수 있다(23) 할

로겐 교환법을 사용하는 합성법의 첫 단계에서 얻어지

는 니코틴의 롬염은 고체이지만 LiNTf2로 음이온

교환을 하면 도가 높은 이온성 액체가 얻어진다

lt그림 3-4gt 수종의 학활성인 이온성 액체

합성된 이온성 액체 [Et(S)-nicotine]NTf2를 Diels-

Alder 반응의 반응 용매로서 사용한 결과 기 한 바와

같이 양호한 수율로 생성물이 얻어 졌지만 3 아미노

기가 염기성 매로서 작용을 하여 비 칭 반응장으로

서의 기능은 나타나지 않았다

제3장 국내외 기술개발 동향 21

lt그림 3-5gt 학활성 이온성 액체의 염기성 매로서의 기능발

를 들면 디엔 체의 3-히드록시 -2피론을 사용하여

Diels-Alder 반응을 하면 루이스산이 기질에 결합하여

기질의 HOMO(the highest occupied molecular orbital)

에 지 가 하되고 반응이 진행하지 않는 것이

확인되었다

dienophile(2 결합을 한개 가진 화합물)로서 아크

릴산메틸을 사용하면 높은 수율로 endoexo = 31의

목 하는 화합물을 얻을 수 있으나 이 반응을 보통

이온성 액체[emim][NTf2] 에서 행하면 진행하지 않

는다(24)

에폭시화 반응

- 합성 간체로서 주목되는 에폭시 화합물도 이온성 액

체 에서 합성되고 있다 효소의 산화반응을 이용하

여 과산화수소를 사용해서 계 에서 과 산을 생성시

켜 효소반응과 화학반응을 연속 으로 조합시켜 에폭

22 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

시 반응이 일어나고 이온성 액체를 반응장으로 사용

한 시스템이다(25)

lt그림 3-6gt 효소반응을 활용한 에폭시화 반응

- 기질류(基質類)에서의 비 칭 에폭시화 반응에서 얻어

진에폭시 화합물의 학순도는 높기 때문에 실용 인

합성방법이며 이 시스템에서는 이온성 액체를 5회 반

복 사용하여도 수율이나 학순도의 변화가 없음이 보

고 되고 있다(26)

lt그림 3-7gt 비 칭 에폭시화 반응

제3장 국내외 기술개발 동향 23

비 칭시아노화 반응 비 칭 사이클로 로 화 반응

- 알데히드류의 비 칭시아노화 반응에서도 비 칭 매

를 활용함으로서 학순도가 98정도로 원하는 생성

물이 얻어지고 있으며 이온성 액체의 반응장으로서 유

용성을 보여주고 있다(27)

lt그림 3-8gt 비 칭 시아노화 반응

- 디아조화합물을 사용하는 사이클로 로 화 반응에서

생성하는 시스체와 트란스체의 기하이성체 비는 높지

않으나 각각 학순도는 상당히 높은 것이 얻어진

다(28)

lt그림 3-9gt 비 칭 사이클로 로 화 반응

24 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

이온성 액체 에서의 고분자 합성

- 이온성 액체 에서 합반응을 행하면 MwMn비가

작게 되는 것으로 보고 되었다 이온성 액체를 이용하

여 합개시제로서 과산화벤조일이나 아조비스이소부

틸로니트릴을 사용한 스티 메틸메타크릴 이트의

호모(homo) 합에서 생성물은 이온성 액체로부터 여

과하는 것만으로 분리가 가능하고 회수한 이온성 액체

를 합용 용매로서 재이용이 가능하고 생성된 고분자

체의 분자량도 증가한다

lt그림 3-10gt 이온성 액체[bmim][PF6] 의 스티 의 합반응

중합용매

개시제 중합용매 수율() 분자량

중합용매

개시제 중합용매 수율() 분자량

- 벤젠 에서와 비교하여 이온성 액체 에서 합도

(重合度) 더욱이 생성물의 수율이 향상하는 것은 이

온성 액체의 도가 벤젠에 비하여 높아 연쇄 이동을

일으키기가 어렵고 생성한 폴리머 라디칼이 용매계로

부터 계외(系外)로 배출되기 쉽기 때문이라 생각된다

- 더욱이 이온성 액체 에서 AIBN(22-Azobis (isobuthy-

제3장 국내외 기술개발 동향 25

ronitril)) 내지는 BPO(benzoylperoxide)를 합개시제

로 한 스티 과 메틸메타크릴 이트의 라디칼 공 합

에 하여도 검토되고 있다

- 공 합 반응은 스티 의 첨가 몰비를 MMA에 비해

증 시켜도 코폴리머 분자량 모노머의 변화율이

하하는 경향이 있다 이 결과는 벤젠을 용매로 한 공

합계와 반 의 경향이고 이온성 액체의 극성이 높아

스티 에 비하여 극성 용매 에서 MMA의 합성이

높아지기 때문이라고 생각된다(29)

lt그림 3-11gt 이온성액체[bmim][PF6] 의 공 합 반응

3 촉매반응에서의 이온성 용액

매반응에서 이온성 용액은 자체 매성 보조 매 매활

성자 매 심의 새로운 리간드의 원 반응을 한 용매

등으로써 용된다(30)

26 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

유기 매로서의 이온성 용액

- 이온성 용액을 매반응에 사용하는 가장 좋은 방법은

용매와 매를 조합해서 사용하는 것이다 용매를 바

꿀 때마다 반응이 빨라지면 새로운 용매는 매 역할

을 한 것으로 본다

lt그림 3-12gt methyl acrylate와 [C4C1im]+ 양이온 사이의 수소결합

- 염화알루미늄염(III)(AlCl3) 이온성 용액에서 자치

환 산성 이온성 용액에서 아 (arenes)의 좋은 용해

성과 결합한 산성의 염화알루미늄염 이온성 용액의

높은 농도 [Al2Cl7]-는 친 자성 방향족 치환을 한

이상 인 용매로 만들 수 있다 산성인 [C2C1im]

Cl-AlCl3에서 1-염화 로 과의 벤젠 알킬반응에서 알

킬 고분자화가 측되었다 이이온성 용액시스템은 높

은 활동성과 선택성을 보 다(31)

- 유기용매로서 이온성 용액 이온성 용액은 지난 수년

간 유기 매 반응에 새로운 흥미를 갖기 시작하 으며

이 분야에 향을 수 있는 가능성을 가지고 있다

유기 매 반응에 한 근방법은 흔히 디엘-알더

(Diels-Alder) 환형추가 그 유도체인 수소결합의

상호작용 반응을 통해서이다(32)

제3장 국내외 기술개발 동향 27

보조 매로의 이온성 용액은 올 핀의 이합체화 (Olefin

dimerization)에서 니 매로 산성염화알루미늄염의 이

온성 용액이 로펜을 헥센에 이합체화를 한 반응에서

용매와 보조 매의 조합으로 사용한 첫 번째 경우이

다(33)

리간드 원으로서의 이온성 용액

- 수소화와 수소포르 화 반응 수소화 반응 수소포

르 화 반응을 해 용매로서 [Et4N][SnCl3]의 PtCl2용

액은 속에 매의 확실한 분해도 없이 올 핀의 수

소화에 효과 으로 매반응을 일으켰다 공기와의

을 피하도록 하는 가운데 활성화의 손실이 없이

매용액을 계속 으로 사용함으로써 반응이 이루어진

다(34)

- 팔라듐 NHC착물의 형성 이온성 용액은 팔라둠 매

반응의 넓은범 의 용매로 사용되어 왔다 이 연구과

정에서 재미있는 화학 상은 HHC착물과 나노 입

자의 형성이었다 이는 아직 논쟁의 상이 되고 있다

NHC착물은 이미다졸리움 이온성 용액에서 형성되며

기 하지 않는 반응성 는 선택성이 감지될 때 이를

항상 고려해야한다(35)

28 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-13gt NHC 매의 lactide 합에서의 ring opening

- 이온성 용액에서 나노입자의 형성 최근에 매로서

나노입자의 사용이 증가되는 심분야이다 1996년

Kaufmann이 이온성 용액에서처음으로 팔라듐의 매

반응을 보고하 다 일련의 아릴 롬이[C16PbBu3]Br

는 [Bu4N]Br에서 노말-알킬 이트와 결합하여 수율

90이상의 trans-시안염을 생성하는 반응이었다(36)

반응 용매로서의 이온성 용액

- 알 수소화 반응 [SbF6]- 와 [PF4]-의 두 이온성

용액에서 수소화 반응의 속도는 알 용액에서보다 훨

씬 높았다 왜 이 이온성 용액이 개선되었는지에 해

서는 아직 연구된 바가 없다 실제 매의 실체조차확

인이 안 되었다 반응용액으로부터 생성된 알 은 분

리가 쉬웠고 매를 함유한 용액은 순환되었다(37)

lt그림 3-14gt [C4C1im][PF6]의 수소포르 화 매의 두형태의 평형

제3장 국내외 기술개발 동향 29

- 산화 비록 재 사용되는 부분의 이온성 용액은 산

화에 안정 이고 산화과정에 이상 인 용매를 제공하

고 있지만 이것은 불과 지난몇 년 사이의 일이었다

Ni(acac)2는 [C4C1im][PF6]에서 해당되는 산의 라-

치환 benzaldehydes를 보통의 수율로 공기 에서 산

화반응의 매로 사용되어 왔다(38)

기화학 매용매로써의 이온성 용액

- 자화학을 이끄는 이온성 용액은 기화학 합성용

용매로서 가능성을 보이고 있다 최근에는 Ni이 알킬

벤질 아릴 할로겐화합물의 기 도성 동종결합

(electro conductive homo-coupling) 반응에 매로 보

고 된 바 있다 니 (II)착물은 니 (0)의 종에 하여

환원되고 방향성 할로겐화물에 첨가되어 할로겐 화합

물이 된다는 제안이 있었다(39)

이온성 용액의 고정화

- 반응시스템이 액체일 때 많은 장 이 있지만 때로는

그것을 고정화(immobilize) 시킬 필요가 있다 이온성

용액을 고정화 시키는데 심이 모아지고 있으며 첫

번째의 시도가 이온성 용액- 합체 겔을 만들기 하

여 고분자 vinylidenefluoride- hexachloropropylene의

공 합체를 사용한 것이다(40)

30 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

4 근대의 동향

할로겐 리이온액체

- 근년 이온성 액체에 한 연구가 많이 수행되고 있지

만 합성하고 있는 이온성 액체의 구조는 의외로 한정

되어 있으며 양이온은 테트라알킬암모늄(tetraalkyla-

mmonium) 피롤리디니움(pyrolidinium) 이미다졸리움

(imidazolium) 피리디니움(pyridinium) 등과 같이 비

교 다양성이 풍부한 반면에 음이온 종류는 BF4

PF6 CF3SO3 (CF3SO2)2N 등 할로겐 원소를 구조

에 함유한 것은 일반 으로 종류가 많지 않다(41)

- 할로겐을 포함하지 않는 음이온도 보고 되어 있는데

많은 양이온과 조합하여 액체화를 달성함이 쉽지 않고

한정된 양이온과 질산음이온이나 산 음이온 등을 결

합시킨 것이 보고 되어 있다(42)

- 최근 H Ohno(43)등은 할로겐 원소를 함유하지 않은

음이온으로 이온액체를 구축하기 하여 헤테로방향환

화합물을 착안하여 이미다졸이나 피라졸 등의 아졸

(azol)류 에서 산성을 띠는 124-triazolate 1234-

tetrazolate 등과 이미다졸리움 양이온을 조합시키는 것

에 의해 이온성 액체를 합성하 다

- 이 이온성 액체는 분자량과 비교해서 하의 비국재화

(非局在化)가 크다 한 할로겐 원소를 함유하지 않

고 C H N의 3종류원소만으로 구성되어 있다

제3장 국내외 기술개발 동향 31

lt그림 3-15gt 할로겐 리이온액체의 구조

쯔 츠 이온성 액체 (Zwitter ionic liquids)

- 한편 M Yoshizawa(44) 등은 이온 도재료로서 이온액

체를 사용하는 경우는 구배에 한 이온액체의 구

성이온종의 이동이 큰 문제로 된다

- 따라서 리튬 2차 지나 연료 지 등 목 이온종의 수

율과 계의 출력과의 계를 디바이스에 응용할 때는

이온 도재료로서 이온성 액체를 사용하는 것으로 양

이온과 음이온을 스페이서(spacer)로 결합하는 것에

의해 실온에서 액체상태인 성 이온 액체(zwitter

ionic liquid)를 제안하고 있다

- 양이온과 음이온을 스페이서로 결합하면 하는 체

로서 성이 되어 하이동이 없는 염으로 되는데 스

페이서가 짧아서 충분한 염해리가 힘드나 어느 정도의

자유도가 얻어지면 zwitterion으로 된다

32 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-16gt zwitter ionic liquids의 모식도

특정이온을 포함하는 이온액체

- 이온성 액체를 이온 도체로 사용하는 과제는 목 이

온의 도입이다 이는 리튬염 등 목 이온을 포함하는

염 등을 이온액체에 용해시켜 도입한다

- 그런데 염의 첨가는 계의 성의 증가 이온 도도의

하를 가져온다 한 이온액체와 상용하는 분자무

기염은 많지 않고 첨가염의 종류도 한정되어있는 것이

문제이다

- 이의 해결이 자의 zwitter ion이고 두 번째가 목 이

온을 실온에서 액체화가 가능하면 문제가 해결된다

이러한 방법으로 각종의 알칼리 속 이온성 액체

(alkali metal ionic liquid)를 개발하 다(45)

- lt그림 3-17gt은 알칼리 속이온성 액체는 2가의 응

음이온과 1가의 오니움(onium) 양이온 1가의 목 이

온으로 구성된다

lt그림 3-17gt 알칼리 속이온액체의 개념도

제3장 국내외 기술개발 동향 33

- 이온액체는 구성하는 이온 간의 정 기 상호작용은

없을수록 좋으므로 강한 상호작용을 일으키는 다가이

온의 사용은 물이다 당 리튬 양이온의 이온액체

가 목 이나 여러 가지의 알칼리 속이온도 액체로

되는데 이를 응용하면 로톤을 포함하는 이온액체도

얻어지게 된다

이온액체의 합

- 이온성 액체는 분자 디자인이 용이하기 때문에 고분자

구조를 도입하는 것도 가능하며 이온성 액체의 고분

자화로는 각종의 고분자와 혼합한 겔화가 알려져 있지

만 이온성 액체 에 합기를 직 도입하여 고분자

화 하는 것에 의해 이온 도성뿐 아니라 디바이스의

다운사이징(down-sizing)에 기여할 것으로 망하고

있다(41)

- lt그림 3-18gt은 고분자화 이온액체를 나타내는데 종래

의 polyethyl-eneoxide유도체에 의존하지 않는 새로운

이온 도재료로서 검토된다

- lt그림 3-18gt에서 양이온과 음이온의 한쪽이 고분자의

주쇄에 고정되어 있어서 도 이온종을 선택하는 이

유용하다 한 구성이온종의 양방이 고분자 주쇄에

고정된 구조는 이온 도성을 나타내지 않으나 목 이

온의 첨가로 선택 도가 일어난다(46)

34 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-18gt 이온액체폴리머의 변화

자기조직화 이온액체

- 이온액체는 등방성의 액체로서 3차원 인 이온을 운반

하는 것이 가능하다 이로서 차원제어를 행하고 특정

방향으로 이온을 수송하는 시도가 있다 이를 해 자

기 집합력을 이온액체에 부여할 필요가 있다

- 이온액체의 자기조직화에는 양친매성화합물(兩親媒性

化合物)의 성질을 이용한다 극성성분이 있는 이온액

체에 비극성기(탄화수소쇄 탄화불소쇄)를 도입한 양

친매성 이온액체는 벌크로 써모트로픽 액정성을 발

하여 극성 비극성기가 분자 벨에서 상분리된 구조

를 형성한다

- 이 액체 도메인 에는 이온성 액체자신은 용융되어

높은 운동성을 갖는 알킬기의 집합층에 고정된 상태일

것으로 생각된다 여기에 리튬염을 첨가하면 비극성염

을 갖지 않는 리튬이온의 우선 인 수송이 기 된

다(lt그림 3-19gt 참조)

제3장 국내외 기술개발 동향 35

lt그림 3-19gt 이온성 액체 도메인 의 목 이온수송의 모식도

새로운 용매

- Alabama 학의 Rogers 등은 셀룰로오스를 용해시키는

이온성 액체로서 bmim Cl(1-butyl-3-methylimidazolium

chloride)을 개발하 다(47)

lt그림 3-20gt bmimCl의 구조

- Bmin Cl은 실온에서는 고체로서 75에서 용해되지만

100 정도로 가열한 bmim Cl에 종이(셀룰로오스)를

침지하면 순식간에 용해된다 이 용액을 시린지

(syringe)에 의해 물 에서 용출(溶出)시키면 셀룰로

오스 화이버가 생성된다 풍부한 목재자원을 셀룰로스

로 추출하는 시도가 이루어지고 있다

36 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

- 한 핵산류를 용해시킨 이온액체를 개발하고 있는데

DNA나 RNA는 물에 쉽게 용해되지 않는데 이를 용

해시키는 이온액체가 얻어졌다 일정량의 핵산을 용해

시키는 온도는 사용하는 이온액체의 구조에 크게 의존

한다(48)

- 특히 분자내 는 분자간의 수소결합을 단하는 능

력이 요구되는데 여기에는 염소음이온의 효과가 큰 것

으로 알려져 있다 염소를 포함하는 염은 일반 으로

융 이 높고 실온에서 액상으로 존재하기가 어려운

이 있다

- 이는 음이온의 부 하가 비국재화하고 있지 않기 때문

에 정 인 상호작용이 강하게 작용하고 있는 결과이

다 이를 피하기 해 양이온구조를 개선하여 상온에

서 액체의 염화물 염을 합성한다(49)

- 이 방법으로 양이온 구조를 개선하여 실온에서 액체상

태 염화물염인 aaim Cl(13-diallylimidazolium chloride)

를 개발하 다 aaim Cl은 융 이 21 부근이지만 한번

용융하면 과냉각 상태에서도 안정하여 실온에서 사용

가능하다 단지 도가 높은 것이 난 이다

단백질의 기화학반응용 해질용액

- 단백질의 기화학 인 성질로서 단백질을 이온액체에

용해시키는 것은 통상의 고분자를 용해시키는 것과는

차원이 다데 단백질의 기능은 펩사이드쇄의 3차 구조

에 크게 의존하기 때문에 3차구조가변하면 변성에 의

해서 목 달성이 되지 않는다 따라서 무리한 용해작

업은 변성을 래한다

제3장 국내외 기술개발 동향 37

- 이에 하여 PEO(polyethylene oxide)의 에테르산소가

이온과 강하게 상호작용하고 있다 이는 가용성을 의

미하며 PEO가 단백질과 이온액체를 용해하여 단백질

의 안정성을 향상시킨다 종래 바이오디바이스의 작성

이 곤란했든 것은 수 에서 단백질의 불안정성에 기인

하 는데 사용 온도에 따라 이온액체 의 단백질의

기화학이 새로운 가능성의 개척을 시사한다(50)

5 국내동향

이온액체의 매반응분야(51)

- 한국과학기술연구원 송충의 박사는 이온성 액체를 키

랄 화합물 제조를 한 매반응에 도입하여 고가인

매와 용매의 반복 사용을 가능하게 함에 따라 결

국 매와 용매의 소비를 최소화시킬 수 있는 소 청

정 비 칭 매반응을 개발하 다

- 즉 Jacobsons chiral (salen)MnIII

매 존재 하에서

22-dimethylchro-mene의 비 칭 에폭시화 반응시

[bmim]PF6와 CH2Cl2 (14 vv) 혼합물 용매를 사용

함으로써 96-94의 학순도로 chromene oxides를

합성하는데 성공하 다 이온성 액체를 첨단유기합성

기술인 학활성화합물 제조기술개발에 용함으로써

용매와 매의 소비를 최소화하는 반응과정을 개발하

고 있다

- 이와 같은 기술은 화학 산업에서의 공해 요인을 감소

38 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

시킬 것이며 특히 노벨화학상 수상분야인 비 칭

매반응 분야의 최 문제 으로 지 되었던 키랄 매

의 분리 재회수가 가능하게 되었다는 에서 기술

으로도 우수한 성과라 할 수 있다

- 한 이온성 액체 내에서 일부 매반응이 가속화될

수도 있고 선택성 매의 안정성 역시 향상될 수

있음을 밝혔으며 더욱 놀라운 결과로는 기존의 유기

용매 내에서는 진행되지 않던 일부 반응이 이온

성 액체 내에서는 정량 으로 진행될 수 있다는 것이

- 한 많은 요한 유기반응에서 이온성 액체가 용매로

서뿐 아니라 자신이 재사용 가능 한 매로도 작용할

수 있음을 밝힌 바 있다 이러한 일련의 결과들은 이

온성 액체가 21세기에 매분야뿐 아니라 체 유기화

학분야의 새로운 장을 열고 있다는 에서 요한 의

미를 지닌다고 할 수 있다

합성 응용분야(52)

- 한국과학기술연구원 김훈식 박사 연구 은 KSeO2

(OCH3)를1-alkyl-3-methylimidazolium chloride와 반

응시켜 새로운 이미다졸륨 알킬셀 나이트 ([Rmim]

[SeO2(OCH3)]) 화합물을 합성하 다

- 아민화합물의 산화성 카르보닐화 반응을 통한 치환된

우 아 제조 반응에서 기존의 KSeO2(OCH3)을 매로

사용하 을 경우에 비해 이 화합물은 보다 온화한 반

응조건을 제공할 뿐 아니라 이소시아네이트의 구체

인 치환된 우 아와 카바메이트를 고수율로 합성할 수

제3장 국내외 기술개발 동향 39

있었다

- 재 이온성 액체를 이용한 분리 유기 속화합물을

함유한 고활성 매로서의 이온성 액체의 합성 응

용에 한 연구를 수행하고 있다

- 포항공과 학교의 김만주 교수 연구 은 Lipase를

[PPMIM]PF6 (PPMIM = 1-(3-phenylpropyl)-3-

methylimidazolium)와 혼합시켜Ionic liquid-Coated

Enzyme (ILCE)을 합성하 다 이 새로운 타입의

immobilized biocatalyst는 2차 알코올의 transest-

erification 반응을 통한 acetylated 화합물합성에 높은

활성과 재사용성을 보여 주었으며 이러한 연구결과를

다양한 생화학분야에 용하기 한 연구를 수행하고

있다

- 인하 학교의 지 윤 교수연구 은 alkyl mesylate로부

터 fluoro-alkane을 합성하는 반응에서 이온성 액체를

용매로 사용함으로써 기존방법에 비해 부반응이 거의

없고 생산성이 히 증가된 결과를 얻었으며 이러한

결과를 실용화시키기 한 연구를 지속하고 있다

- 신약개발 바이오벤처 기업 씨트리(C-TRI)는 이온성

액체를 이용한 학활성 화합물제조 기술개발회사로

서 지난 상반기에 31억원의 매출을 올렸으며 최근 이

온성 액체를 이용한 신약개발과 정 화학사업에 필요

한 연구 인력을 거 보강하여 이온성 액체 련사업

을 추진하고 있다

41

제4장

결론 및 제언

향후의 방향

- 이온성 액체에 한 앞으로의 망은 이온성 액체를

주 테마로 하는 국제회의가 증가하고 있다 미국화학

회는 작년 9월 New York에서 이온성 액체에 한 세

션이 개최되어 열띤 토론이 진행 되었다

- 2004년 3~4월에 Anaheim에서 개최된 세션은 ldquo이온성

액체와 고분자rdquo 다 유럽과 미국에서는 이온성 액체

를 반응용매로 보는 것이 주류를 이루고 있었다

- 2004년 10월 Hawaii에서 기화학의 미일합동 회가

열린다 주제는 이온성 액체(용융염)에 한 연구이었

- 앞으로도 이온성 액체에 한 연구는 증가할 것이고

여러 가지 배경을 갖고 있는 연구자들이 서로 다른 목

표를 가지고 연구에 노력할 것이라 생각된다

국내사정

- 우리나라의 황을 보면 재석유화학 의학 산업에

서만 약7억불에 달하는 유기용매가 사용되고 있으며

이들을 모두 체할 수 있다면 최 7억불시장을 형성

할 수 있으므로 이온성 액체의 시장잠재력은 매우 크

42 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

다 하겠다

- 이온성 액체는 휘발성유기화합물을 체할 수 있을 뿐

만 아니라 고가의 귀 속 매를 이온성 액체 층에 고

정화 시킬수 있어 매의 회수 재사용을 용이하게

하며 매의 활성도 안정도 선택도까지도 획기

으로 증가시킬 수 있으므로 환경 측면은 물론 경제

인 에서도 바람직한 청정용매라 할 수 있다

- 상기한바 와같이 이온성 액체의 잠재 인 응용가능성

은 앞으로 무한할 것으로 사료되므로 국내에서도 이에

한 연구자들의 심과 더불어 정부 기업체에 의

한 연구지원이 지속 으로 이루어져야 할 것이다

후의 과제

- 통상의 용매로 이온성 액체를 이용하는 경우에는 내구

성 제조가격 등의 인자가 요하지만 목 이 한정된

이온성 액체의 이용에 있어서는 목 하는 기능을 요

시할 필요가 있다

- 많은 이온성 액체가 합성되고 있으나 원하는 높은 물

성을 갖는 이온성 액체를 설계하는 데 기본이 되는 이

론이 아직은 없는 편이다 이를 해서는 특히 이온성

액체의 구조-물성의 상 계가 밝 져야 하는데 많

은 연구가 진행되고 있음에도 불구하고 그 계가 밝

지지 않고 있다 따라서 상태로서는 원하는 이온

성 액체를 직 만들어서 평가하는 방법밖에 없는 게

실이다

- 그러나 도화와 열안정성 등과 같이 상반 계에 있

는 특성은 하나의 라미터를 변화시키는 것에 의해

제4장 결론 및 제언 43

한 쪽의 특성은 양호하게 되지만 다른 한 쪽의 특성이

악화되는 것을 피할 수 없는 성질로서 아직 양쪽을 동

시에 만족하는 이온성 액체는 실 하지 못하고 있다

- 향후 이온성 액체는 청정용매의 개발과 더불어 새로

운 청정 공정기술의 개발을 통하여 신소재 신물질 생

산 공정을 환경친화 이면서 경제성 있는 공정개발에

기여할 것으로 기 된다

- 특히 비닐기 같은 합성 기능기를 이온성 액체의 단

구조로 도입하여 단독 합이나 공 합을 통해 고분

자화한 이온성 액체를 만들 수 있어 이를 잘 활용하여

이온 지라든가 연료 지 등의 해액으로 응용의 길

이 열린다면 학문 으로나 공업 으로 큰 의의가 있으

리라 생각되며 이 분야의 연구가 활성화되길 기 한

45

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저자소개

손 목

공학박사

한국에 지기술연구소 원장

한국과학기술정보연구원 문연구 원

서 수소 연료 지 개스 센서기술 등

강 종 석

공학박사

한국과학기술정보연구원 선임연구원

서 BT분야 국가연구개발 심층분석

리튬이차 지 등

BB088 손 목강종석

이온성 액체의 반응성 및 전기화학적

특성 연구동향

2005년 12월 19일 인쇄

2005년 12월 23일 발행

발행처

서울특별시 동 문구 청량리동 206-9

ꂕ 130-742

화 3299-6114

등록 1991년 2월 12일 제5-258호

발행인

조 화

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신기획

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SUO ltFEFF004e00e4006900640065006e002000610073006500740075007300740065006e0020006100760075006c006c006100200076006f0069006400610061006e0020006c0075006f006400610020005000440046002d0061007300690061006b00690072006a006f006a0061002c0020006a006f006900640065006e002000740075006c006f0073007400750073006c00610061007400750020006f006e0020006b006f0072006b006500610020006a00610020006b007500760061006e0020007400610072006b006b007500750073002000730075007500720069002e0020005000440046002d0061007300690061006b00690072006a0061007400200076006f0069006400610061006e0020006100760061007400610020004100630072006f006200610074002d0020006a0061002000520065006100640065007200200035002e00300020002d006f0068006a0065006c006d0061006c006c0061002000740061006900200075007500640065006d006d0061006c006c0061002000760065007200730069006f006c006c0061002e0020004e00e4006d00e4002000610073006500740075006b0073006500740020006500640065006c006c00790074007400e4007600e4007400200066006f006e0074007400690065006e002000750070006f00740075007300740061002egt ITA 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NOR 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 SVE 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 KOR 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 CHS ltFEFF4f7f75288fd94e9b8bbe7f6e521b5efa76840020005000440046002065876863ff0c5c065305542b66f49ad8768456fe50cf52068fa87387ff0c4ee575284e8e9ad88d2891cf76845370524d6253537030028be5002000500044004600206587686353ef4ee54f7f752800200020004100630072006f00620061007400204e0e002000520065006100640065007200200035002e00300020548c66f49ad87248672c62535f0030028fd94e9b8bbe7f6e89816c425d4c51655b574f533002gt CHT ltFEFF4f7f752890194e9b8a2d5b9a5efa7acb76840020005000440046002065874ef65305542b8f039ad876845f7150cf89e367905ea6ff0c9069752865bc9ad854c18cea76845370524d521753703002005000440046002065874ef653ef4ee54f7f75280020004100630072006f0062006100740020548c002000520065006100640065007200200035002e0030002053ca66f465b07248672c4f86958b555f300290194e9b8a2d5b9a89816c425d4c51655b57578b3002gt gtgtgtgt setdistillerparamsltlt HWResolution [2400 2400] PageSize [612000 792000]gtgt setpagedevice

Page 21: 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향gift.kisti.re.kr/data/IAC/files/KISTI-200512-SYM-ion_fluid.pdf · ※ 이온성 액체는 사용되는 음이온의

18 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-2gt 학활성인 불소화 에폭시

비 칭 알돌(aldol) 반응

- 효소 알돌라아제(aldolase)에 의한 비 칭 합성을 모방

한 화학 매에의한 탄소-탄소 결합 형성 반응은 합성

화학의 요한 과제 이다(18) 용제로서 「재사용 가능

한」 이온성 액체를 이용하고 매로서 L- 로린

(proline)을 사용한 반응장에 한 몇 가지 보고가 나

와 있다(19)

lt그림 3-3gt L-proline을 매로 하는 알돌형 반응

제3장 국내외 기술개발 동향 19

- 아세톤과 L- 로린으로 형성된 에나민(enamine)을 반

응 기질(基質)로 하여 방향족 알데히드류와 알돌형 반

응에서도 지방족 알데히드 사이에서의 크로스 알돌형

반응에서도 꽤 높은 학순도의 생성물이 얻어지고 있

다(20)

- 기질로서 에틸=메틸= 톤을 사용할 때에도 높은

학순도로 입체제어를 행할 수 있고 반복 반응장으로

서 사용해도 재 성 좋게 생성물이 얻어지는 것을 확

인하 다

- 클로로아세톤으로부터 생성한 할로히드린을 간체로

서 학활성의에폭시 화합물로 변환할 수 있는 것도

알려져 있으나 학순도는70~80 정도이고 물질 제

조로서는 만족할 만한 학순도는 아니다(21)

- 기질인 알데히드류와 로린으로부터 형성된 반응

간체는 Michael addition(마이클 부가반응)을 용이하게

진행시킬 수 있다 이 반응에서는 수용체(受容體)의

LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital) 에

지가 하하고 구핵제(求核劑)의 공격을 받기 쉽게 되

는 것이 필요하여 불소계 물질이 합하다

- 로린 이외의 유기분자에서는 디에틸아미노트리메틸

실란을 매로서 이용한 불소계 물질의 선택 인 올

핀류 합성이 발표 되었다이 반응계에서는 알데히드류

와 매로부터 생성한 반응 간체가 불소계 헤미아세

탈류로 되고 간체로부터 입체 선택 으로 편일방(片

一方)의 올 핀류를 생성하고 있다(22)

20 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

학활성인 이온성 액체

- 학활성인 이온성 액체는 학활성인 아민계 물질을

출발원료로 해서 합성되고 있는 경우로 니코틴을 출발

물질로 학활성인 이온성 액체를 만들 수 있다(23) 할

로겐 교환법을 사용하는 합성법의 첫 단계에서 얻어지

는 니코틴의 롬염은 고체이지만 LiNTf2로 음이온

교환을 하면 도가 높은 이온성 액체가 얻어진다

lt그림 3-4gt 수종의 학활성인 이온성 액체

합성된 이온성 액체 [Et(S)-nicotine]NTf2를 Diels-

Alder 반응의 반응 용매로서 사용한 결과 기 한 바와

같이 양호한 수율로 생성물이 얻어 졌지만 3 아미노

기가 염기성 매로서 작용을 하여 비 칭 반응장으로

서의 기능은 나타나지 않았다

제3장 국내외 기술개발 동향 21

lt그림 3-5gt 학활성 이온성 액체의 염기성 매로서의 기능발

를 들면 디엔 체의 3-히드록시 -2피론을 사용하여

Diels-Alder 반응을 하면 루이스산이 기질에 결합하여

기질의 HOMO(the highest occupied molecular orbital)

에 지 가 하되고 반응이 진행하지 않는 것이

확인되었다

dienophile(2 결합을 한개 가진 화합물)로서 아크

릴산메틸을 사용하면 높은 수율로 endoexo = 31의

목 하는 화합물을 얻을 수 있으나 이 반응을 보통

이온성 액체[emim][NTf2] 에서 행하면 진행하지 않

는다(24)

에폭시화 반응

- 합성 간체로서 주목되는 에폭시 화합물도 이온성 액

체 에서 합성되고 있다 효소의 산화반응을 이용하

여 과산화수소를 사용해서 계 에서 과 산을 생성시

켜 효소반응과 화학반응을 연속 으로 조합시켜 에폭

22 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

시 반응이 일어나고 이온성 액체를 반응장으로 사용

한 시스템이다(25)

lt그림 3-6gt 효소반응을 활용한 에폭시화 반응

- 기질류(基質類)에서의 비 칭 에폭시화 반응에서 얻어

진에폭시 화합물의 학순도는 높기 때문에 실용 인

합성방법이며 이 시스템에서는 이온성 액체를 5회 반

복 사용하여도 수율이나 학순도의 변화가 없음이 보

고 되고 있다(26)

lt그림 3-7gt 비 칭 에폭시화 반응

제3장 국내외 기술개발 동향 23

비 칭시아노화 반응 비 칭 사이클로 로 화 반응

- 알데히드류의 비 칭시아노화 반응에서도 비 칭 매

를 활용함으로서 학순도가 98정도로 원하는 생성

물이 얻어지고 있으며 이온성 액체의 반응장으로서 유

용성을 보여주고 있다(27)

lt그림 3-8gt 비 칭 시아노화 반응

- 디아조화합물을 사용하는 사이클로 로 화 반응에서

생성하는 시스체와 트란스체의 기하이성체 비는 높지

않으나 각각 학순도는 상당히 높은 것이 얻어진

다(28)

lt그림 3-9gt 비 칭 사이클로 로 화 반응

24 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

이온성 액체 에서의 고분자 합성

- 이온성 액체 에서 합반응을 행하면 MwMn비가

작게 되는 것으로 보고 되었다 이온성 액체를 이용하

여 합개시제로서 과산화벤조일이나 아조비스이소부

틸로니트릴을 사용한 스티 메틸메타크릴 이트의

호모(homo) 합에서 생성물은 이온성 액체로부터 여

과하는 것만으로 분리가 가능하고 회수한 이온성 액체

를 합용 용매로서 재이용이 가능하고 생성된 고분자

체의 분자량도 증가한다

lt그림 3-10gt 이온성 액체[bmim][PF6] 의 스티 의 합반응

중합용매

개시제 중합용매 수율() 분자량

중합용매

개시제 중합용매 수율() 분자량

- 벤젠 에서와 비교하여 이온성 액체 에서 합도

(重合度) 더욱이 생성물의 수율이 향상하는 것은 이

온성 액체의 도가 벤젠에 비하여 높아 연쇄 이동을

일으키기가 어렵고 생성한 폴리머 라디칼이 용매계로

부터 계외(系外)로 배출되기 쉽기 때문이라 생각된다

- 더욱이 이온성 액체 에서 AIBN(22-Azobis (isobuthy-

제3장 국내외 기술개발 동향 25

ronitril)) 내지는 BPO(benzoylperoxide)를 합개시제

로 한 스티 과 메틸메타크릴 이트의 라디칼 공 합

에 하여도 검토되고 있다

- 공 합 반응은 스티 의 첨가 몰비를 MMA에 비해

증 시켜도 코폴리머 분자량 모노머의 변화율이

하하는 경향이 있다 이 결과는 벤젠을 용매로 한 공

합계와 반 의 경향이고 이온성 액체의 극성이 높아

스티 에 비하여 극성 용매 에서 MMA의 합성이

높아지기 때문이라고 생각된다(29)

lt그림 3-11gt 이온성액체[bmim][PF6] 의 공 합 반응

3 촉매반응에서의 이온성 용액

매반응에서 이온성 용액은 자체 매성 보조 매 매활

성자 매 심의 새로운 리간드의 원 반응을 한 용매

등으로써 용된다(30)

26 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

유기 매로서의 이온성 용액

- 이온성 용액을 매반응에 사용하는 가장 좋은 방법은

용매와 매를 조합해서 사용하는 것이다 용매를 바

꿀 때마다 반응이 빨라지면 새로운 용매는 매 역할

을 한 것으로 본다

lt그림 3-12gt methyl acrylate와 [C4C1im]+ 양이온 사이의 수소결합

- 염화알루미늄염(III)(AlCl3) 이온성 용액에서 자치

환 산성 이온성 용액에서 아 (arenes)의 좋은 용해

성과 결합한 산성의 염화알루미늄염 이온성 용액의

높은 농도 [Al2Cl7]-는 친 자성 방향족 치환을 한

이상 인 용매로 만들 수 있다 산성인 [C2C1im]

Cl-AlCl3에서 1-염화 로 과의 벤젠 알킬반응에서 알

킬 고분자화가 측되었다 이이온성 용액시스템은 높

은 활동성과 선택성을 보 다(31)

- 유기용매로서 이온성 용액 이온성 용액은 지난 수년

간 유기 매 반응에 새로운 흥미를 갖기 시작하 으며

이 분야에 향을 수 있는 가능성을 가지고 있다

유기 매 반응에 한 근방법은 흔히 디엘-알더

(Diels-Alder) 환형추가 그 유도체인 수소결합의

상호작용 반응을 통해서이다(32)

제3장 국내외 기술개발 동향 27

보조 매로의 이온성 용액은 올 핀의 이합체화 (Olefin

dimerization)에서 니 매로 산성염화알루미늄염의 이

온성 용액이 로펜을 헥센에 이합체화를 한 반응에서

용매와 보조 매의 조합으로 사용한 첫 번째 경우이

다(33)

리간드 원으로서의 이온성 용액

- 수소화와 수소포르 화 반응 수소화 반응 수소포

르 화 반응을 해 용매로서 [Et4N][SnCl3]의 PtCl2용

액은 속에 매의 확실한 분해도 없이 올 핀의 수

소화에 효과 으로 매반응을 일으켰다 공기와의

을 피하도록 하는 가운데 활성화의 손실이 없이

매용액을 계속 으로 사용함으로써 반응이 이루어진

다(34)

- 팔라듐 NHC착물의 형성 이온성 용액은 팔라둠 매

반응의 넓은범 의 용매로 사용되어 왔다 이 연구과

정에서 재미있는 화학 상은 HHC착물과 나노 입

자의 형성이었다 이는 아직 논쟁의 상이 되고 있다

NHC착물은 이미다졸리움 이온성 용액에서 형성되며

기 하지 않는 반응성 는 선택성이 감지될 때 이를

항상 고려해야한다(35)

28 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-13gt NHC 매의 lactide 합에서의 ring opening

- 이온성 용액에서 나노입자의 형성 최근에 매로서

나노입자의 사용이 증가되는 심분야이다 1996년

Kaufmann이 이온성 용액에서처음으로 팔라듐의 매

반응을 보고하 다 일련의 아릴 롬이[C16PbBu3]Br

는 [Bu4N]Br에서 노말-알킬 이트와 결합하여 수율

90이상의 trans-시안염을 생성하는 반응이었다(36)

반응 용매로서의 이온성 용액

- 알 수소화 반응 [SbF6]- 와 [PF4]-의 두 이온성

용액에서 수소화 반응의 속도는 알 용액에서보다 훨

씬 높았다 왜 이 이온성 용액이 개선되었는지에 해

서는 아직 연구된 바가 없다 실제 매의 실체조차확

인이 안 되었다 반응용액으로부터 생성된 알 은 분

리가 쉬웠고 매를 함유한 용액은 순환되었다(37)

lt그림 3-14gt [C4C1im][PF6]의 수소포르 화 매의 두형태의 평형

제3장 국내외 기술개발 동향 29

- 산화 비록 재 사용되는 부분의 이온성 용액은 산

화에 안정 이고 산화과정에 이상 인 용매를 제공하

고 있지만 이것은 불과 지난몇 년 사이의 일이었다

Ni(acac)2는 [C4C1im][PF6]에서 해당되는 산의 라-

치환 benzaldehydes를 보통의 수율로 공기 에서 산

화반응의 매로 사용되어 왔다(38)

기화학 매용매로써의 이온성 용액

- 자화학을 이끄는 이온성 용액은 기화학 합성용

용매로서 가능성을 보이고 있다 최근에는 Ni이 알킬

벤질 아릴 할로겐화합물의 기 도성 동종결합

(electro conductive homo-coupling) 반응에 매로 보

고 된 바 있다 니 (II)착물은 니 (0)의 종에 하여

환원되고 방향성 할로겐화물에 첨가되어 할로겐 화합

물이 된다는 제안이 있었다(39)

이온성 용액의 고정화

- 반응시스템이 액체일 때 많은 장 이 있지만 때로는

그것을 고정화(immobilize) 시킬 필요가 있다 이온성

용액을 고정화 시키는데 심이 모아지고 있으며 첫

번째의 시도가 이온성 용액- 합체 겔을 만들기 하

여 고분자 vinylidenefluoride- hexachloropropylene의

공 합체를 사용한 것이다(40)

30 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

4 근대의 동향

할로겐 리이온액체

- 근년 이온성 액체에 한 연구가 많이 수행되고 있지

만 합성하고 있는 이온성 액체의 구조는 의외로 한정

되어 있으며 양이온은 테트라알킬암모늄(tetraalkyla-

mmonium) 피롤리디니움(pyrolidinium) 이미다졸리움

(imidazolium) 피리디니움(pyridinium) 등과 같이 비

교 다양성이 풍부한 반면에 음이온 종류는 BF4

PF6 CF3SO3 (CF3SO2)2N 등 할로겐 원소를 구조

에 함유한 것은 일반 으로 종류가 많지 않다(41)

- 할로겐을 포함하지 않는 음이온도 보고 되어 있는데

많은 양이온과 조합하여 액체화를 달성함이 쉽지 않고

한정된 양이온과 질산음이온이나 산 음이온 등을 결

합시킨 것이 보고 되어 있다(42)

- 최근 H Ohno(43)등은 할로겐 원소를 함유하지 않은

음이온으로 이온액체를 구축하기 하여 헤테로방향환

화합물을 착안하여 이미다졸이나 피라졸 등의 아졸

(azol)류 에서 산성을 띠는 124-triazolate 1234-

tetrazolate 등과 이미다졸리움 양이온을 조합시키는 것

에 의해 이온성 액체를 합성하 다

- 이 이온성 액체는 분자량과 비교해서 하의 비국재화

(非局在化)가 크다 한 할로겐 원소를 함유하지 않

고 C H N의 3종류원소만으로 구성되어 있다

제3장 국내외 기술개발 동향 31

lt그림 3-15gt 할로겐 리이온액체의 구조

쯔 츠 이온성 액체 (Zwitter ionic liquids)

- 한편 M Yoshizawa(44) 등은 이온 도재료로서 이온액

체를 사용하는 경우는 구배에 한 이온액체의 구

성이온종의 이동이 큰 문제로 된다

- 따라서 리튬 2차 지나 연료 지 등 목 이온종의 수

율과 계의 출력과의 계를 디바이스에 응용할 때는

이온 도재료로서 이온성 액체를 사용하는 것으로 양

이온과 음이온을 스페이서(spacer)로 결합하는 것에

의해 실온에서 액체상태인 성 이온 액체(zwitter

ionic liquid)를 제안하고 있다

- 양이온과 음이온을 스페이서로 결합하면 하는 체

로서 성이 되어 하이동이 없는 염으로 되는데 스

페이서가 짧아서 충분한 염해리가 힘드나 어느 정도의

자유도가 얻어지면 zwitterion으로 된다

32 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-16gt zwitter ionic liquids의 모식도

특정이온을 포함하는 이온액체

- 이온성 액체를 이온 도체로 사용하는 과제는 목 이

온의 도입이다 이는 리튬염 등 목 이온을 포함하는

염 등을 이온액체에 용해시켜 도입한다

- 그런데 염의 첨가는 계의 성의 증가 이온 도도의

하를 가져온다 한 이온액체와 상용하는 분자무

기염은 많지 않고 첨가염의 종류도 한정되어있는 것이

문제이다

- 이의 해결이 자의 zwitter ion이고 두 번째가 목 이

온을 실온에서 액체화가 가능하면 문제가 해결된다

이러한 방법으로 각종의 알칼리 속 이온성 액체

(alkali metal ionic liquid)를 개발하 다(45)

- lt그림 3-17gt은 알칼리 속이온성 액체는 2가의 응

음이온과 1가의 오니움(onium) 양이온 1가의 목 이

온으로 구성된다

lt그림 3-17gt 알칼리 속이온액체의 개념도

제3장 국내외 기술개발 동향 33

- 이온액체는 구성하는 이온 간의 정 기 상호작용은

없을수록 좋으므로 강한 상호작용을 일으키는 다가이

온의 사용은 물이다 당 리튬 양이온의 이온액체

가 목 이나 여러 가지의 알칼리 속이온도 액체로

되는데 이를 응용하면 로톤을 포함하는 이온액체도

얻어지게 된다

이온액체의 합

- 이온성 액체는 분자 디자인이 용이하기 때문에 고분자

구조를 도입하는 것도 가능하며 이온성 액체의 고분

자화로는 각종의 고분자와 혼합한 겔화가 알려져 있지

만 이온성 액체 에 합기를 직 도입하여 고분자

화 하는 것에 의해 이온 도성뿐 아니라 디바이스의

다운사이징(down-sizing)에 기여할 것으로 망하고

있다(41)

- lt그림 3-18gt은 고분자화 이온액체를 나타내는데 종래

의 polyethyl-eneoxide유도체에 의존하지 않는 새로운

이온 도재료로서 검토된다

- lt그림 3-18gt에서 양이온과 음이온의 한쪽이 고분자의

주쇄에 고정되어 있어서 도 이온종을 선택하는 이

유용하다 한 구성이온종의 양방이 고분자 주쇄에

고정된 구조는 이온 도성을 나타내지 않으나 목 이

온의 첨가로 선택 도가 일어난다(46)

34 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-18gt 이온액체폴리머의 변화

자기조직화 이온액체

- 이온액체는 등방성의 액체로서 3차원 인 이온을 운반

하는 것이 가능하다 이로서 차원제어를 행하고 특정

방향으로 이온을 수송하는 시도가 있다 이를 해 자

기 집합력을 이온액체에 부여할 필요가 있다

- 이온액체의 자기조직화에는 양친매성화합물(兩親媒性

化合物)의 성질을 이용한다 극성성분이 있는 이온액

체에 비극성기(탄화수소쇄 탄화불소쇄)를 도입한 양

친매성 이온액체는 벌크로 써모트로픽 액정성을 발

하여 극성 비극성기가 분자 벨에서 상분리된 구조

를 형성한다

- 이 액체 도메인 에는 이온성 액체자신은 용융되어

높은 운동성을 갖는 알킬기의 집합층에 고정된 상태일

것으로 생각된다 여기에 리튬염을 첨가하면 비극성염

을 갖지 않는 리튬이온의 우선 인 수송이 기 된

다(lt그림 3-19gt 참조)

제3장 국내외 기술개발 동향 35

lt그림 3-19gt 이온성 액체 도메인 의 목 이온수송의 모식도

새로운 용매

- Alabama 학의 Rogers 등은 셀룰로오스를 용해시키는

이온성 액체로서 bmim Cl(1-butyl-3-methylimidazolium

chloride)을 개발하 다(47)

lt그림 3-20gt bmimCl의 구조

- Bmin Cl은 실온에서는 고체로서 75에서 용해되지만

100 정도로 가열한 bmim Cl에 종이(셀룰로오스)를

침지하면 순식간에 용해된다 이 용액을 시린지

(syringe)에 의해 물 에서 용출(溶出)시키면 셀룰로

오스 화이버가 생성된다 풍부한 목재자원을 셀룰로스

로 추출하는 시도가 이루어지고 있다

36 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

- 한 핵산류를 용해시킨 이온액체를 개발하고 있는데

DNA나 RNA는 물에 쉽게 용해되지 않는데 이를 용

해시키는 이온액체가 얻어졌다 일정량의 핵산을 용해

시키는 온도는 사용하는 이온액체의 구조에 크게 의존

한다(48)

- 특히 분자내 는 분자간의 수소결합을 단하는 능

력이 요구되는데 여기에는 염소음이온의 효과가 큰 것

으로 알려져 있다 염소를 포함하는 염은 일반 으로

융 이 높고 실온에서 액상으로 존재하기가 어려운

이 있다

- 이는 음이온의 부 하가 비국재화하고 있지 않기 때문

에 정 인 상호작용이 강하게 작용하고 있는 결과이

다 이를 피하기 해 양이온구조를 개선하여 상온에

서 액체의 염화물 염을 합성한다(49)

- 이 방법으로 양이온 구조를 개선하여 실온에서 액체상

태 염화물염인 aaim Cl(13-diallylimidazolium chloride)

를 개발하 다 aaim Cl은 융 이 21 부근이지만 한번

용융하면 과냉각 상태에서도 안정하여 실온에서 사용

가능하다 단지 도가 높은 것이 난 이다

단백질의 기화학반응용 해질용액

- 단백질의 기화학 인 성질로서 단백질을 이온액체에

용해시키는 것은 통상의 고분자를 용해시키는 것과는

차원이 다데 단백질의 기능은 펩사이드쇄의 3차 구조

에 크게 의존하기 때문에 3차구조가변하면 변성에 의

해서 목 달성이 되지 않는다 따라서 무리한 용해작

업은 변성을 래한다

제3장 국내외 기술개발 동향 37

- 이에 하여 PEO(polyethylene oxide)의 에테르산소가

이온과 강하게 상호작용하고 있다 이는 가용성을 의

미하며 PEO가 단백질과 이온액체를 용해하여 단백질

의 안정성을 향상시킨다 종래 바이오디바이스의 작성

이 곤란했든 것은 수 에서 단백질의 불안정성에 기인

하 는데 사용 온도에 따라 이온액체 의 단백질의

기화학이 새로운 가능성의 개척을 시사한다(50)

5 국내동향

이온액체의 매반응분야(51)

- 한국과학기술연구원 송충의 박사는 이온성 액체를 키

랄 화합물 제조를 한 매반응에 도입하여 고가인

매와 용매의 반복 사용을 가능하게 함에 따라 결

국 매와 용매의 소비를 최소화시킬 수 있는 소 청

정 비 칭 매반응을 개발하 다

- 즉 Jacobsons chiral (salen)MnIII

매 존재 하에서

22-dimethylchro-mene의 비 칭 에폭시화 반응시

[bmim]PF6와 CH2Cl2 (14 vv) 혼합물 용매를 사용

함으로써 96-94의 학순도로 chromene oxides를

합성하는데 성공하 다 이온성 액체를 첨단유기합성

기술인 학활성화합물 제조기술개발에 용함으로써

용매와 매의 소비를 최소화하는 반응과정을 개발하

고 있다

- 이와 같은 기술은 화학 산업에서의 공해 요인을 감소

38 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

시킬 것이며 특히 노벨화학상 수상분야인 비 칭

매반응 분야의 최 문제 으로 지 되었던 키랄 매

의 분리 재회수가 가능하게 되었다는 에서 기술

으로도 우수한 성과라 할 수 있다

- 한 이온성 액체 내에서 일부 매반응이 가속화될

수도 있고 선택성 매의 안정성 역시 향상될 수

있음을 밝혔으며 더욱 놀라운 결과로는 기존의 유기

용매 내에서는 진행되지 않던 일부 반응이 이온

성 액체 내에서는 정량 으로 진행될 수 있다는 것이

- 한 많은 요한 유기반응에서 이온성 액체가 용매로

서뿐 아니라 자신이 재사용 가능 한 매로도 작용할

수 있음을 밝힌 바 있다 이러한 일련의 결과들은 이

온성 액체가 21세기에 매분야뿐 아니라 체 유기화

학분야의 새로운 장을 열고 있다는 에서 요한 의

미를 지닌다고 할 수 있다

합성 응용분야(52)

- 한국과학기술연구원 김훈식 박사 연구 은 KSeO2

(OCH3)를1-alkyl-3-methylimidazolium chloride와 반

응시켜 새로운 이미다졸륨 알킬셀 나이트 ([Rmim]

[SeO2(OCH3)]) 화합물을 합성하 다

- 아민화합물의 산화성 카르보닐화 반응을 통한 치환된

우 아 제조 반응에서 기존의 KSeO2(OCH3)을 매로

사용하 을 경우에 비해 이 화합물은 보다 온화한 반

응조건을 제공할 뿐 아니라 이소시아네이트의 구체

인 치환된 우 아와 카바메이트를 고수율로 합성할 수

제3장 국내외 기술개발 동향 39

있었다

- 재 이온성 액체를 이용한 분리 유기 속화합물을

함유한 고활성 매로서의 이온성 액체의 합성 응

용에 한 연구를 수행하고 있다

- 포항공과 학교의 김만주 교수 연구 은 Lipase를

[PPMIM]PF6 (PPMIM = 1-(3-phenylpropyl)-3-

methylimidazolium)와 혼합시켜Ionic liquid-Coated

Enzyme (ILCE)을 합성하 다 이 새로운 타입의

immobilized biocatalyst는 2차 알코올의 transest-

erification 반응을 통한 acetylated 화합물합성에 높은

활성과 재사용성을 보여 주었으며 이러한 연구결과를

다양한 생화학분야에 용하기 한 연구를 수행하고

있다

- 인하 학교의 지 윤 교수연구 은 alkyl mesylate로부

터 fluoro-alkane을 합성하는 반응에서 이온성 액체를

용매로 사용함으로써 기존방법에 비해 부반응이 거의

없고 생산성이 히 증가된 결과를 얻었으며 이러한

결과를 실용화시키기 한 연구를 지속하고 있다

- 신약개발 바이오벤처 기업 씨트리(C-TRI)는 이온성

액체를 이용한 학활성 화합물제조 기술개발회사로

서 지난 상반기에 31억원의 매출을 올렸으며 최근 이

온성 액체를 이용한 신약개발과 정 화학사업에 필요

한 연구 인력을 거 보강하여 이온성 액체 련사업

을 추진하고 있다

41

제4장

결론 및 제언

향후의 방향

- 이온성 액체에 한 앞으로의 망은 이온성 액체를

주 테마로 하는 국제회의가 증가하고 있다 미국화학

회는 작년 9월 New York에서 이온성 액체에 한 세

션이 개최되어 열띤 토론이 진행 되었다

- 2004년 3~4월에 Anaheim에서 개최된 세션은 ldquo이온성

액체와 고분자rdquo 다 유럽과 미국에서는 이온성 액체

를 반응용매로 보는 것이 주류를 이루고 있었다

- 2004년 10월 Hawaii에서 기화학의 미일합동 회가

열린다 주제는 이온성 액체(용융염)에 한 연구이었

- 앞으로도 이온성 액체에 한 연구는 증가할 것이고

여러 가지 배경을 갖고 있는 연구자들이 서로 다른 목

표를 가지고 연구에 노력할 것이라 생각된다

국내사정

- 우리나라의 황을 보면 재석유화학 의학 산업에

서만 약7억불에 달하는 유기용매가 사용되고 있으며

이들을 모두 체할 수 있다면 최 7억불시장을 형성

할 수 있으므로 이온성 액체의 시장잠재력은 매우 크

42 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

다 하겠다

- 이온성 액체는 휘발성유기화합물을 체할 수 있을 뿐

만 아니라 고가의 귀 속 매를 이온성 액체 층에 고

정화 시킬수 있어 매의 회수 재사용을 용이하게

하며 매의 활성도 안정도 선택도까지도 획기

으로 증가시킬 수 있으므로 환경 측면은 물론 경제

인 에서도 바람직한 청정용매라 할 수 있다

- 상기한바 와같이 이온성 액체의 잠재 인 응용가능성

은 앞으로 무한할 것으로 사료되므로 국내에서도 이에

한 연구자들의 심과 더불어 정부 기업체에 의

한 연구지원이 지속 으로 이루어져야 할 것이다

후의 과제

- 통상의 용매로 이온성 액체를 이용하는 경우에는 내구

성 제조가격 등의 인자가 요하지만 목 이 한정된

이온성 액체의 이용에 있어서는 목 하는 기능을 요

시할 필요가 있다

- 많은 이온성 액체가 합성되고 있으나 원하는 높은 물

성을 갖는 이온성 액체를 설계하는 데 기본이 되는 이

론이 아직은 없는 편이다 이를 해서는 특히 이온성

액체의 구조-물성의 상 계가 밝 져야 하는데 많

은 연구가 진행되고 있음에도 불구하고 그 계가 밝

지지 않고 있다 따라서 상태로서는 원하는 이온

성 액체를 직 만들어서 평가하는 방법밖에 없는 게

실이다

- 그러나 도화와 열안정성 등과 같이 상반 계에 있

는 특성은 하나의 라미터를 변화시키는 것에 의해

제4장 결론 및 제언 43

한 쪽의 특성은 양호하게 되지만 다른 한 쪽의 특성이

악화되는 것을 피할 수 없는 성질로서 아직 양쪽을 동

시에 만족하는 이온성 액체는 실 하지 못하고 있다

- 향후 이온성 액체는 청정용매의 개발과 더불어 새로

운 청정 공정기술의 개발을 통하여 신소재 신물질 생

산 공정을 환경친화 이면서 경제성 있는 공정개발에

기여할 것으로 기 된다

- 특히 비닐기 같은 합성 기능기를 이온성 액체의 단

구조로 도입하여 단독 합이나 공 합을 통해 고분

자화한 이온성 액체를 만들 수 있어 이를 잘 활용하여

이온 지라든가 연료 지 등의 해액으로 응용의 길

이 열린다면 학문 으로나 공업 으로 큰 의의가 있으

리라 생각되며 이 분야의 연구가 활성화되길 기 한

45

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저자소개

손 목

공학박사

한국에 지기술연구소 원장

한국과학기술정보연구원 문연구 원

서 수소 연료 지 개스 센서기술 등

강 종 석

공학박사

한국과학기술정보연구원 선임연구원

서 BT분야 국가연구개발 심층분석

리튬이차 지 등

BB088 손 목강종석

이온성 액체의 반응성 및 전기화학적

특성 연구동향

2005년 12월 19일 인쇄

2005년 12월 23일 발행

발행처

서울특별시 동 문구 청량리동 206-9

ꂕ 130-742

화 3299-6114

등록 1991년 2월 12일 제5-258호

발행인

조 화

인쇄처

신기획

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ltFEFF0041006e007600e4006e00640020006400650020006800e4007200200069006e0073007400e4006c006c006e0069006e006700610072006e00610020006e00e40072002000640075002000760069006c006c00200073006b0061007000610020005000440046002d0064006f006b0075006d0065006e00740020006d006500640020006800f6006700720065002000620069006c0064007500700070006c00f60073006e0069006e00670020006600f60072002000700072006500700072006500730073007500740073006b0072006900660074006500720020006100760020006800f600670020006b00760061006c0069007400650074002e0020005000440046002d0064006f006b0075006d0065006e00740065006e0020006b0061006e002000f600700070006e006100730020006d006500640020004100630072006f0062006100740020006f00630068002000520065006100640065007200200035002e003000200065006c006c00650072002000730065006e006100720065002e00200044006500730073006100200069006e0073007400e4006c006c006e0069006e0067006100720020006b007200e400760065007200200069006e006b006c00750064006500720069006e00670020006100760020007400650063006b0065006e0073006e006900740074002egt KOR 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ltFEFF4f7f75288fd94e9b8bbe7f6e521b5efa76840020005000440046002065876863ff0c5c065305542b66f49ad8768456fe50cf52068fa87387ff0c4ee575284e8e9ad88d2891cf76845370524d6253537030028be5002000500044004600206587686353ef4ee54f7f752800200020004100630072006f00620061007400204e0e002000520065006100640065007200200035002e00300020548c66f49ad87248672c62535f0030028fd94e9b8bbe7f6e89816c425d4c51655b574f533002gt CHT ltFEFF4f7f752890194e9b8a2d5b9a5efa7acb76840020005000440046002065874ef65305542b8f039ad876845f7150cf89e367905ea6ff0c9069752865bc9ad854c18cea76845370524d521753703002005000440046002065874ef653ef4ee54f7f75280020004100630072006f0062006100740020548c002000520065006100640065007200200035002e0030002053ca66f465b07248672c4f86958b555f300290194e9b8a2d5b9a89816c425d4c51655b57578b3002gt gtgtgtgt setdistillerparamsltlt HWResolution [2400 2400] PageSize [612000 792000]gtgt setpagedevice

Page 22: 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향gift.kisti.re.kr/data/IAC/files/KISTI-200512-SYM-ion_fluid.pdf · ※ 이온성 액체는 사용되는 음이온의

제3장 국내외 기술개발 동향 19

- 아세톤과 L- 로린으로 형성된 에나민(enamine)을 반

응 기질(基質)로 하여 방향족 알데히드류와 알돌형 반

응에서도 지방족 알데히드 사이에서의 크로스 알돌형

반응에서도 꽤 높은 학순도의 생성물이 얻어지고 있

다(20)

- 기질로서 에틸=메틸= 톤을 사용할 때에도 높은

학순도로 입체제어를 행할 수 있고 반복 반응장으로

서 사용해도 재 성 좋게 생성물이 얻어지는 것을 확

인하 다

- 클로로아세톤으로부터 생성한 할로히드린을 간체로

서 학활성의에폭시 화합물로 변환할 수 있는 것도

알려져 있으나 학순도는70~80 정도이고 물질 제

조로서는 만족할 만한 학순도는 아니다(21)

- 기질인 알데히드류와 로린으로부터 형성된 반응

간체는 Michael addition(마이클 부가반응)을 용이하게

진행시킬 수 있다 이 반응에서는 수용체(受容體)의

LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital) 에

지가 하하고 구핵제(求核劑)의 공격을 받기 쉽게 되

는 것이 필요하여 불소계 물질이 합하다

- 로린 이외의 유기분자에서는 디에틸아미노트리메틸

실란을 매로서 이용한 불소계 물질의 선택 인 올

핀류 합성이 발표 되었다이 반응계에서는 알데히드류

와 매로부터 생성한 반응 간체가 불소계 헤미아세

탈류로 되고 간체로부터 입체 선택 으로 편일방(片

一方)의 올 핀류를 생성하고 있다(22)

20 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

학활성인 이온성 액체

- 학활성인 이온성 액체는 학활성인 아민계 물질을

출발원료로 해서 합성되고 있는 경우로 니코틴을 출발

물질로 학활성인 이온성 액체를 만들 수 있다(23) 할

로겐 교환법을 사용하는 합성법의 첫 단계에서 얻어지

는 니코틴의 롬염은 고체이지만 LiNTf2로 음이온

교환을 하면 도가 높은 이온성 액체가 얻어진다

lt그림 3-4gt 수종의 학활성인 이온성 액체

합성된 이온성 액체 [Et(S)-nicotine]NTf2를 Diels-

Alder 반응의 반응 용매로서 사용한 결과 기 한 바와

같이 양호한 수율로 생성물이 얻어 졌지만 3 아미노

기가 염기성 매로서 작용을 하여 비 칭 반응장으로

서의 기능은 나타나지 않았다

제3장 국내외 기술개발 동향 21

lt그림 3-5gt 학활성 이온성 액체의 염기성 매로서의 기능발

를 들면 디엔 체의 3-히드록시 -2피론을 사용하여

Diels-Alder 반응을 하면 루이스산이 기질에 결합하여

기질의 HOMO(the highest occupied molecular orbital)

에 지 가 하되고 반응이 진행하지 않는 것이

확인되었다

dienophile(2 결합을 한개 가진 화합물)로서 아크

릴산메틸을 사용하면 높은 수율로 endoexo = 31의

목 하는 화합물을 얻을 수 있으나 이 반응을 보통

이온성 액체[emim][NTf2] 에서 행하면 진행하지 않

는다(24)

에폭시화 반응

- 합성 간체로서 주목되는 에폭시 화합물도 이온성 액

체 에서 합성되고 있다 효소의 산화반응을 이용하

여 과산화수소를 사용해서 계 에서 과 산을 생성시

켜 효소반응과 화학반응을 연속 으로 조합시켜 에폭

22 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

시 반응이 일어나고 이온성 액체를 반응장으로 사용

한 시스템이다(25)

lt그림 3-6gt 효소반응을 활용한 에폭시화 반응

- 기질류(基質類)에서의 비 칭 에폭시화 반응에서 얻어

진에폭시 화합물의 학순도는 높기 때문에 실용 인

합성방법이며 이 시스템에서는 이온성 액체를 5회 반

복 사용하여도 수율이나 학순도의 변화가 없음이 보

고 되고 있다(26)

lt그림 3-7gt 비 칭 에폭시화 반응

제3장 국내외 기술개발 동향 23

비 칭시아노화 반응 비 칭 사이클로 로 화 반응

- 알데히드류의 비 칭시아노화 반응에서도 비 칭 매

를 활용함으로서 학순도가 98정도로 원하는 생성

물이 얻어지고 있으며 이온성 액체의 반응장으로서 유

용성을 보여주고 있다(27)

lt그림 3-8gt 비 칭 시아노화 반응

- 디아조화합물을 사용하는 사이클로 로 화 반응에서

생성하는 시스체와 트란스체의 기하이성체 비는 높지

않으나 각각 학순도는 상당히 높은 것이 얻어진

다(28)

lt그림 3-9gt 비 칭 사이클로 로 화 반응

24 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

이온성 액체 에서의 고분자 합성

- 이온성 액체 에서 합반응을 행하면 MwMn비가

작게 되는 것으로 보고 되었다 이온성 액체를 이용하

여 합개시제로서 과산화벤조일이나 아조비스이소부

틸로니트릴을 사용한 스티 메틸메타크릴 이트의

호모(homo) 합에서 생성물은 이온성 액체로부터 여

과하는 것만으로 분리가 가능하고 회수한 이온성 액체

를 합용 용매로서 재이용이 가능하고 생성된 고분자

체의 분자량도 증가한다

lt그림 3-10gt 이온성 액체[bmim][PF6] 의 스티 의 합반응

중합용매

개시제 중합용매 수율() 분자량

중합용매

개시제 중합용매 수율() 분자량

- 벤젠 에서와 비교하여 이온성 액체 에서 합도

(重合度) 더욱이 생성물의 수율이 향상하는 것은 이

온성 액체의 도가 벤젠에 비하여 높아 연쇄 이동을

일으키기가 어렵고 생성한 폴리머 라디칼이 용매계로

부터 계외(系外)로 배출되기 쉽기 때문이라 생각된다

- 더욱이 이온성 액체 에서 AIBN(22-Azobis (isobuthy-

제3장 국내외 기술개발 동향 25

ronitril)) 내지는 BPO(benzoylperoxide)를 합개시제

로 한 스티 과 메틸메타크릴 이트의 라디칼 공 합

에 하여도 검토되고 있다

- 공 합 반응은 스티 의 첨가 몰비를 MMA에 비해

증 시켜도 코폴리머 분자량 모노머의 변화율이

하하는 경향이 있다 이 결과는 벤젠을 용매로 한 공

합계와 반 의 경향이고 이온성 액체의 극성이 높아

스티 에 비하여 극성 용매 에서 MMA의 합성이

높아지기 때문이라고 생각된다(29)

lt그림 3-11gt 이온성액체[bmim][PF6] 의 공 합 반응

3 촉매반응에서의 이온성 용액

매반응에서 이온성 용액은 자체 매성 보조 매 매활

성자 매 심의 새로운 리간드의 원 반응을 한 용매

등으로써 용된다(30)

26 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

유기 매로서의 이온성 용액

- 이온성 용액을 매반응에 사용하는 가장 좋은 방법은

용매와 매를 조합해서 사용하는 것이다 용매를 바

꿀 때마다 반응이 빨라지면 새로운 용매는 매 역할

을 한 것으로 본다

lt그림 3-12gt methyl acrylate와 [C4C1im]+ 양이온 사이의 수소결합

- 염화알루미늄염(III)(AlCl3) 이온성 용액에서 자치

환 산성 이온성 용액에서 아 (arenes)의 좋은 용해

성과 결합한 산성의 염화알루미늄염 이온성 용액의

높은 농도 [Al2Cl7]-는 친 자성 방향족 치환을 한

이상 인 용매로 만들 수 있다 산성인 [C2C1im]

Cl-AlCl3에서 1-염화 로 과의 벤젠 알킬반응에서 알

킬 고분자화가 측되었다 이이온성 용액시스템은 높

은 활동성과 선택성을 보 다(31)

- 유기용매로서 이온성 용액 이온성 용액은 지난 수년

간 유기 매 반응에 새로운 흥미를 갖기 시작하 으며

이 분야에 향을 수 있는 가능성을 가지고 있다

유기 매 반응에 한 근방법은 흔히 디엘-알더

(Diels-Alder) 환형추가 그 유도체인 수소결합의

상호작용 반응을 통해서이다(32)

제3장 국내외 기술개발 동향 27

보조 매로의 이온성 용액은 올 핀의 이합체화 (Olefin

dimerization)에서 니 매로 산성염화알루미늄염의 이

온성 용액이 로펜을 헥센에 이합체화를 한 반응에서

용매와 보조 매의 조합으로 사용한 첫 번째 경우이

다(33)

리간드 원으로서의 이온성 용액

- 수소화와 수소포르 화 반응 수소화 반응 수소포

르 화 반응을 해 용매로서 [Et4N][SnCl3]의 PtCl2용

액은 속에 매의 확실한 분해도 없이 올 핀의 수

소화에 효과 으로 매반응을 일으켰다 공기와의

을 피하도록 하는 가운데 활성화의 손실이 없이

매용액을 계속 으로 사용함으로써 반응이 이루어진

다(34)

- 팔라듐 NHC착물의 형성 이온성 용액은 팔라둠 매

반응의 넓은범 의 용매로 사용되어 왔다 이 연구과

정에서 재미있는 화학 상은 HHC착물과 나노 입

자의 형성이었다 이는 아직 논쟁의 상이 되고 있다

NHC착물은 이미다졸리움 이온성 용액에서 형성되며

기 하지 않는 반응성 는 선택성이 감지될 때 이를

항상 고려해야한다(35)

28 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-13gt NHC 매의 lactide 합에서의 ring opening

- 이온성 용액에서 나노입자의 형성 최근에 매로서

나노입자의 사용이 증가되는 심분야이다 1996년

Kaufmann이 이온성 용액에서처음으로 팔라듐의 매

반응을 보고하 다 일련의 아릴 롬이[C16PbBu3]Br

는 [Bu4N]Br에서 노말-알킬 이트와 결합하여 수율

90이상의 trans-시안염을 생성하는 반응이었다(36)

반응 용매로서의 이온성 용액

- 알 수소화 반응 [SbF6]- 와 [PF4]-의 두 이온성

용액에서 수소화 반응의 속도는 알 용액에서보다 훨

씬 높았다 왜 이 이온성 용액이 개선되었는지에 해

서는 아직 연구된 바가 없다 실제 매의 실체조차확

인이 안 되었다 반응용액으로부터 생성된 알 은 분

리가 쉬웠고 매를 함유한 용액은 순환되었다(37)

lt그림 3-14gt [C4C1im][PF6]의 수소포르 화 매의 두형태의 평형

제3장 국내외 기술개발 동향 29

- 산화 비록 재 사용되는 부분의 이온성 용액은 산

화에 안정 이고 산화과정에 이상 인 용매를 제공하

고 있지만 이것은 불과 지난몇 년 사이의 일이었다

Ni(acac)2는 [C4C1im][PF6]에서 해당되는 산의 라-

치환 benzaldehydes를 보통의 수율로 공기 에서 산

화반응의 매로 사용되어 왔다(38)

기화학 매용매로써의 이온성 용액

- 자화학을 이끄는 이온성 용액은 기화학 합성용

용매로서 가능성을 보이고 있다 최근에는 Ni이 알킬

벤질 아릴 할로겐화합물의 기 도성 동종결합

(electro conductive homo-coupling) 반응에 매로 보

고 된 바 있다 니 (II)착물은 니 (0)의 종에 하여

환원되고 방향성 할로겐화물에 첨가되어 할로겐 화합

물이 된다는 제안이 있었다(39)

이온성 용액의 고정화

- 반응시스템이 액체일 때 많은 장 이 있지만 때로는

그것을 고정화(immobilize) 시킬 필요가 있다 이온성

용액을 고정화 시키는데 심이 모아지고 있으며 첫

번째의 시도가 이온성 용액- 합체 겔을 만들기 하

여 고분자 vinylidenefluoride- hexachloropropylene의

공 합체를 사용한 것이다(40)

30 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

4 근대의 동향

할로겐 리이온액체

- 근년 이온성 액체에 한 연구가 많이 수행되고 있지

만 합성하고 있는 이온성 액체의 구조는 의외로 한정

되어 있으며 양이온은 테트라알킬암모늄(tetraalkyla-

mmonium) 피롤리디니움(pyrolidinium) 이미다졸리움

(imidazolium) 피리디니움(pyridinium) 등과 같이 비

교 다양성이 풍부한 반면에 음이온 종류는 BF4

PF6 CF3SO3 (CF3SO2)2N 등 할로겐 원소를 구조

에 함유한 것은 일반 으로 종류가 많지 않다(41)

- 할로겐을 포함하지 않는 음이온도 보고 되어 있는데

많은 양이온과 조합하여 액체화를 달성함이 쉽지 않고

한정된 양이온과 질산음이온이나 산 음이온 등을 결

합시킨 것이 보고 되어 있다(42)

- 최근 H Ohno(43)등은 할로겐 원소를 함유하지 않은

음이온으로 이온액체를 구축하기 하여 헤테로방향환

화합물을 착안하여 이미다졸이나 피라졸 등의 아졸

(azol)류 에서 산성을 띠는 124-triazolate 1234-

tetrazolate 등과 이미다졸리움 양이온을 조합시키는 것

에 의해 이온성 액체를 합성하 다

- 이 이온성 액체는 분자량과 비교해서 하의 비국재화

(非局在化)가 크다 한 할로겐 원소를 함유하지 않

고 C H N의 3종류원소만으로 구성되어 있다

제3장 국내외 기술개발 동향 31

lt그림 3-15gt 할로겐 리이온액체의 구조

쯔 츠 이온성 액체 (Zwitter ionic liquids)

- 한편 M Yoshizawa(44) 등은 이온 도재료로서 이온액

체를 사용하는 경우는 구배에 한 이온액체의 구

성이온종의 이동이 큰 문제로 된다

- 따라서 리튬 2차 지나 연료 지 등 목 이온종의 수

율과 계의 출력과의 계를 디바이스에 응용할 때는

이온 도재료로서 이온성 액체를 사용하는 것으로 양

이온과 음이온을 스페이서(spacer)로 결합하는 것에

의해 실온에서 액체상태인 성 이온 액체(zwitter

ionic liquid)를 제안하고 있다

- 양이온과 음이온을 스페이서로 결합하면 하는 체

로서 성이 되어 하이동이 없는 염으로 되는데 스

페이서가 짧아서 충분한 염해리가 힘드나 어느 정도의

자유도가 얻어지면 zwitterion으로 된다

32 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-16gt zwitter ionic liquids의 모식도

특정이온을 포함하는 이온액체

- 이온성 액체를 이온 도체로 사용하는 과제는 목 이

온의 도입이다 이는 리튬염 등 목 이온을 포함하는

염 등을 이온액체에 용해시켜 도입한다

- 그런데 염의 첨가는 계의 성의 증가 이온 도도의

하를 가져온다 한 이온액체와 상용하는 분자무

기염은 많지 않고 첨가염의 종류도 한정되어있는 것이

문제이다

- 이의 해결이 자의 zwitter ion이고 두 번째가 목 이

온을 실온에서 액체화가 가능하면 문제가 해결된다

이러한 방법으로 각종의 알칼리 속 이온성 액체

(alkali metal ionic liquid)를 개발하 다(45)

- lt그림 3-17gt은 알칼리 속이온성 액체는 2가의 응

음이온과 1가의 오니움(onium) 양이온 1가의 목 이

온으로 구성된다

lt그림 3-17gt 알칼리 속이온액체의 개념도

제3장 국내외 기술개발 동향 33

- 이온액체는 구성하는 이온 간의 정 기 상호작용은

없을수록 좋으므로 강한 상호작용을 일으키는 다가이

온의 사용은 물이다 당 리튬 양이온의 이온액체

가 목 이나 여러 가지의 알칼리 속이온도 액체로

되는데 이를 응용하면 로톤을 포함하는 이온액체도

얻어지게 된다

이온액체의 합

- 이온성 액체는 분자 디자인이 용이하기 때문에 고분자

구조를 도입하는 것도 가능하며 이온성 액체의 고분

자화로는 각종의 고분자와 혼합한 겔화가 알려져 있지

만 이온성 액체 에 합기를 직 도입하여 고분자

화 하는 것에 의해 이온 도성뿐 아니라 디바이스의

다운사이징(down-sizing)에 기여할 것으로 망하고

있다(41)

- lt그림 3-18gt은 고분자화 이온액체를 나타내는데 종래

의 polyethyl-eneoxide유도체에 의존하지 않는 새로운

이온 도재료로서 검토된다

- lt그림 3-18gt에서 양이온과 음이온의 한쪽이 고분자의

주쇄에 고정되어 있어서 도 이온종을 선택하는 이

유용하다 한 구성이온종의 양방이 고분자 주쇄에

고정된 구조는 이온 도성을 나타내지 않으나 목 이

온의 첨가로 선택 도가 일어난다(46)

34 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-18gt 이온액체폴리머의 변화

자기조직화 이온액체

- 이온액체는 등방성의 액체로서 3차원 인 이온을 운반

하는 것이 가능하다 이로서 차원제어를 행하고 특정

방향으로 이온을 수송하는 시도가 있다 이를 해 자

기 집합력을 이온액체에 부여할 필요가 있다

- 이온액체의 자기조직화에는 양친매성화합물(兩親媒性

化合物)의 성질을 이용한다 극성성분이 있는 이온액

체에 비극성기(탄화수소쇄 탄화불소쇄)를 도입한 양

친매성 이온액체는 벌크로 써모트로픽 액정성을 발

하여 극성 비극성기가 분자 벨에서 상분리된 구조

를 형성한다

- 이 액체 도메인 에는 이온성 액체자신은 용융되어

높은 운동성을 갖는 알킬기의 집합층에 고정된 상태일

것으로 생각된다 여기에 리튬염을 첨가하면 비극성염

을 갖지 않는 리튬이온의 우선 인 수송이 기 된

다(lt그림 3-19gt 참조)

제3장 국내외 기술개발 동향 35

lt그림 3-19gt 이온성 액체 도메인 의 목 이온수송의 모식도

새로운 용매

- Alabama 학의 Rogers 등은 셀룰로오스를 용해시키는

이온성 액체로서 bmim Cl(1-butyl-3-methylimidazolium

chloride)을 개발하 다(47)

lt그림 3-20gt bmimCl의 구조

- Bmin Cl은 실온에서는 고체로서 75에서 용해되지만

100 정도로 가열한 bmim Cl에 종이(셀룰로오스)를

침지하면 순식간에 용해된다 이 용액을 시린지

(syringe)에 의해 물 에서 용출(溶出)시키면 셀룰로

오스 화이버가 생성된다 풍부한 목재자원을 셀룰로스

로 추출하는 시도가 이루어지고 있다

36 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

- 한 핵산류를 용해시킨 이온액체를 개발하고 있는데

DNA나 RNA는 물에 쉽게 용해되지 않는데 이를 용

해시키는 이온액체가 얻어졌다 일정량의 핵산을 용해

시키는 온도는 사용하는 이온액체의 구조에 크게 의존

한다(48)

- 특히 분자내 는 분자간의 수소결합을 단하는 능

력이 요구되는데 여기에는 염소음이온의 효과가 큰 것

으로 알려져 있다 염소를 포함하는 염은 일반 으로

융 이 높고 실온에서 액상으로 존재하기가 어려운

이 있다

- 이는 음이온의 부 하가 비국재화하고 있지 않기 때문

에 정 인 상호작용이 강하게 작용하고 있는 결과이

다 이를 피하기 해 양이온구조를 개선하여 상온에

서 액체의 염화물 염을 합성한다(49)

- 이 방법으로 양이온 구조를 개선하여 실온에서 액체상

태 염화물염인 aaim Cl(13-diallylimidazolium chloride)

를 개발하 다 aaim Cl은 융 이 21 부근이지만 한번

용융하면 과냉각 상태에서도 안정하여 실온에서 사용

가능하다 단지 도가 높은 것이 난 이다

단백질의 기화학반응용 해질용액

- 단백질의 기화학 인 성질로서 단백질을 이온액체에

용해시키는 것은 통상의 고분자를 용해시키는 것과는

차원이 다데 단백질의 기능은 펩사이드쇄의 3차 구조

에 크게 의존하기 때문에 3차구조가변하면 변성에 의

해서 목 달성이 되지 않는다 따라서 무리한 용해작

업은 변성을 래한다

제3장 국내외 기술개발 동향 37

- 이에 하여 PEO(polyethylene oxide)의 에테르산소가

이온과 강하게 상호작용하고 있다 이는 가용성을 의

미하며 PEO가 단백질과 이온액체를 용해하여 단백질

의 안정성을 향상시킨다 종래 바이오디바이스의 작성

이 곤란했든 것은 수 에서 단백질의 불안정성에 기인

하 는데 사용 온도에 따라 이온액체 의 단백질의

기화학이 새로운 가능성의 개척을 시사한다(50)

5 국내동향

이온액체의 매반응분야(51)

- 한국과학기술연구원 송충의 박사는 이온성 액체를 키

랄 화합물 제조를 한 매반응에 도입하여 고가인

매와 용매의 반복 사용을 가능하게 함에 따라 결

국 매와 용매의 소비를 최소화시킬 수 있는 소 청

정 비 칭 매반응을 개발하 다

- 즉 Jacobsons chiral (salen)MnIII

매 존재 하에서

22-dimethylchro-mene의 비 칭 에폭시화 반응시

[bmim]PF6와 CH2Cl2 (14 vv) 혼합물 용매를 사용

함으로써 96-94의 학순도로 chromene oxides를

합성하는데 성공하 다 이온성 액체를 첨단유기합성

기술인 학활성화합물 제조기술개발에 용함으로써

용매와 매의 소비를 최소화하는 반응과정을 개발하

고 있다

- 이와 같은 기술은 화학 산업에서의 공해 요인을 감소

38 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

시킬 것이며 특히 노벨화학상 수상분야인 비 칭

매반응 분야의 최 문제 으로 지 되었던 키랄 매

의 분리 재회수가 가능하게 되었다는 에서 기술

으로도 우수한 성과라 할 수 있다

- 한 이온성 액체 내에서 일부 매반응이 가속화될

수도 있고 선택성 매의 안정성 역시 향상될 수

있음을 밝혔으며 더욱 놀라운 결과로는 기존의 유기

용매 내에서는 진행되지 않던 일부 반응이 이온

성 액체 내에서는 정량 으로 진행될 수 있다는 것이

- 한 많은 요한 유기반응에서 이온성 액체가 용매로

서뿐 아니라 자신이 재사용 가능 한 매로도 작용할

수 있음을 밝힌 바 있다 이러한 일련의 결과들은 이

온성 액체가 21세기에 매분야뿐 아니라 체 유기화

학분야의 새로운 장을 열고 있다는 에서 요한 의

미를 지닌다고 할 수 있다

합성 응용분야(52)

- 한국과학기술연구원 김훈식 박사 연구 은 KSeO2

(OCH3)를1-alkyl-3-methylimidazolium chloride와 반

응시켜 새로운 이미다졸륨 알킬셀 나이트 ([Rmim]

[SeO2(OCH3)]) 화합물을 합성하 다

- 아민화합물의 산화성 카르보닐화 반응을 통한 치환된

우 아 제조 반응에서 기존의 KSeO2(OCH3)을 매로

사용하 을 경우에 비해 이 화합물은 보다 온화한 반

응조건을 제공할 뿐 아니라 이소시아네이트의 구체

인 치환된 우 아와 카바메이트를 고수율로 합성할 수

제3장 국내외 기술개발 동향 39

있었다

- 재 이온성 액체를 이용한 분리 유기 속화합물을

함유한 고활성 매로서의 이온성 액체의 합성 응

용에 한 연구를 수행하고 있다

- 포항공과 학교의 김만주 교수 연구 은 Lipase를

[PPMIM]PF6 (PPMIM = 1-(3-phenylpropyl)-3-

methylimidazolium)와 혼합시켜Ionic liquid-Coated

Enzyme (ILCE)을 합성하 다 이 새로운 타입의

immobilized biocatalyst는 2차 알코올의 transest-

erification 반응을 통한 acetylated 화합물합성에 높은

활성과 재사용성을 보여 주었으며 이러한 연구결과를

다양한 생화학분야에 용하기 한 연구를 수행하고

있다

- 인하 학교의 지 윤 교수연구 은 alkyl mesylate로부

터 fluoro-alkane을 합성하는 반응에서 이온성 액체를

용매로 사용함으로써 기존방법에 비해 부반응이 거의

없고 생산성이 히 증가된 결과를 얻었으며 이러한

결과를 실용화시키기 한 연구를 지속하고 있다

- 신약개발 바이오벤처 기업 씨트리(C-TRI)는 이온성

액체를 이용한 학활성 화합물제조 기술개발회사로

서 지난 상반기에 31억원의 매출을 올렸으며 최근 이

온성 액체를 이용한 신약개발과 정 화학사업에 필요

한 연구 인력을 거 보강하여 이온성 액체 련사업

을 추진하고 있다

41

제4장

결론 및 제언

향후의 방향

- 이온성 액체에 한 앞으로의 망은 이온성 액체를

주 테마로 하는 국제회의가 증가하고 있다 미국화학

회는 작년 9월 New York에서 이온성 액체에 한 세

션이 개최되어 열띤 토론이 진행 되었다

- 2004년 3~4월에 Anaheim에서 개최된 세션은 ldquo이온성

액체와 고분자rdquo 다 유럽과 미국에서는 이온성 액체

를 반응용매로 보는 것이 주류를 이루고 있었다

- 2004년 10월 Hawaii에서 기화학의 미일합동 회가

열린다 주제는 이온성 액체(용융염)에 한 연구이었

- 앞으로도 이온성 액체에 한 연구는 증가할 것이고

여러 가지 배경을 갖고 있는 연구자들이 서로 다른 목

표를 가지고 연구에 노력할 것이라 생각된다

국내사정

- 우리나라의 황을 보면 재석유화학 의학 산업에

서만 약7억불에 달하는 유기용매가 사용되고 있으며

이들을 모두 체할 수 있다면 최 7억불시장을 형성

할 수 있으므로 이온성 액체의 시장잠재력은 매우 크

42 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

다 하겠다

- 이온성 액체는 휘발성유기화합물을 체할 수 있을 뿐

만 아니라 고가의 귀 속 매를 이온성 액체 층에 고

정화 시킬수 있어 매의 회수 재사용을 용이하게

하며 매의 활성도 안정도 선택도까지도 획기

으로 증가시킬 수 있으므로 환경 측면은 물론 경제

인 에서도 바람직한 청정용매라 할 수 있다

- 상기한바 와같이 이온성 액체의 잠재 인 응용가능성

은 앞으로 무한할 것으로 사료되므로 국내에서도 이에

한 연구자들의 심과 더불어 정부 기업체에 의

한 연구지원이 지속 으로 이루어져야 할 것이다

후의 과제

- 통상의 용매로 이온성 액체를 이용하는 경우에는 내구

성 제조가격 등의 인자가 요하지만 목 이 한정된

이온성 액체의 이용에 있어서는 목 하는 기능을 요

시할 필요가 있다

- 많은 이온성 액체가 합성되고 있으나 원하는 높은 물

성을 갖는 이온성 액체를 설계하는 데 기본이 되는 이

론이 아직은 없는 편이다 이를 해서는 특히 이온성

액체의 구조-물성의 상 계가 밝 져야 하는데 많

은 연구가 진행되고 있음에도 불구하고 그 계가 밝

지지 않고 있다 따라서 상태로서는 원하는 이온

성 액체를 직 만들어서 평가하는 방법밖에 없는 게

실이다

- 그러나 도화와 열안정성 등과 같이 상반 계에 있

는 특성은 하나의 라미터를 변화시키는 것에 의해

제4장 결론 및 제언 43

한 쪽의 특성은 양호하게 되지만 다른 한 쪽의 특성이

악화되는 것을 피할 수 없는 성질로서 아직 양쪽을 동

시에 만족하는 이온성 액체는 실 하지 못하고 있다

- 향후 이온성 액체는 청정용매의 개발과 더불어 새로

운 청정 공정기술의 개발을 통하여 신소재 신물질 생

산 공정을 환경친화 이면서 경제성 있는 공정개발에

기여할 것으로 기 된다

- 특히 비닐기 같은 합성 기능기를 이온성 액체의 단

구조로 도입하여 단독 합이나 공 합을 통해 고분

자화한 이온성 액체를 만들 수 있어 이를 잘 활용하여

이온 지라든가 연료 지 등의 해액으로 응용의 길

이 열린다면 학문 으로나 공업 으로 큰 의의가 있으

리라 생각되며 이 분야의 연구가 활성화되길 기 한

45

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저자소개

손 목

공학박사

한국에 지기술연구소 원장

한국과학기술정보연구원 문연구 원

서 수소 연료 지 개스 센서기술 등

강 종 석

공학박사

한국과학기술정보연구원 선임연구원

서 BT분야 국가연구개발 심층분석

리튬이차 지 등

BB088 손 목강종석

이온성 액체의 반응성 및 전기화학적

특성 연구동향

2005년 12월 19일 인쇄

2005년 12월 23일 발행

발행처

서울특별시 동 문구 청량리동 206-9

ꂕ 130-742

화 3299-6114

등록 1991년 2월 12일 제5-258호

발행인

조 화

인쇄처

신기획

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SUO 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 ITA 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 NOR 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 SVE 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 KOR 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 CHS ltFEFF4f7f75288fd94e9b8bbe7f6e521b5efa76840020005000440046002065876863ff0c5c065305542b66f49ad8768456fe50cf52068fa87387ff0c4ee575284e8e9ad88d2891cf76845370524d6253537030028be5002000500044004600206587686353ef4ee54f7f752800200020004100630072006f00620061007400204e0e002000520065006100640065007200200035002e00300020548c66f49ad87248672c62535f0030028fd94e9b8bbe7f6e89816c425d4c51655b574f533002gt CHT ltFEFF4f7f752890194e9b8a2d5b9a5efa7acb76840020005000440046002065874ef65305542b8f039ad876845f7150cf89e367905ea6ff0c9069752865bc9ad854c18cea76845370524d521753703002005000440046002065874ef653ef4ee54f7f75280020004100630072006f0062006100740020548c002000520065006100640065007200200035002e0030002053ca66f465b07248672c4f86958b555f300290194e9b8a2d5b9a89816c425d4c51655b57578b3002gt gtgtgtgt setdistillerparamsltlt HWResolution [2400 2400] PageSize [612000 792000]gtgt setpagedevice

Page 23: 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향gift.kisti.re.kr/data/IAC/files/KISTI-200512-SYM-ion_fluid.pdf · ※ 이온성 액체는 사용되는 음이온의

20 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

학활성인 이온성 액체

- 학활성인 이온성 액체는 학활성인 아민계 물질을

출발원료로 해서 합성되고 있는 경우로 니코틴을 출발

물질로 학활성인 이온성 액체를 만들 수 있다(23) 할

로겐 교환법을 사용하는 합성법의 첫 단계에서 얻어지

는 니코틴의 롬염은 고체이지만 LiNTf2로 음이온

교환을 하면 도가 높은 이온성 액체가 얻어진다

lt그림 3-4gt 수종의 학활성인 이온성 액체

합성된 이온성 액체 [Et(S)-nicotine]NTf2를 Diels-

Alder 반응의 반응 용매로서 사용한 결과 기 한 바와

같이 양호한 수율로 생성물이 얻어 졌지만 3 아미노

기가 염기성 매로서 작용을 하여 비 칭 반응장으로

서의 기능은 나타나지 않았다

제3장 국내외 기술개발 동향 21

lt그림 3-5gt 학활성 이온성 액체의 염기성 매로서의 기능발

를 들면 디엔 체의 3-히드록시 -2피론을 사용하여

Diels-Alder 반응을 하면 루이스산이 기질에 결합하여

기질의 HOMO(the highest occupied molecular orbital)

에 지 가 하되고 반응이 진행하지 않는 것이

확인되었다

dienophile(2 결합을 한개 가진 화합물)로서 아크

릴산메틸을 사용하면 높은 수율로 endoexo = 31의

목 하는 화합물을 얻을 수 있으나 이 반응을 보통

이온성 액체[emim][NTf2] 에서 행하면 진행하지 않

는다(24)

에폭시화 반응

- 합성 간체로서 주목되는 에폭시 화합물도 이온성 액

체 에서 합성되고 있다 효소의 산화반응을 이용하

여 과산화수소를 사용해서 계 에서 과 산을 생성시

켜 효소반응과 화학반응을 연속 으로 조합시켜 에폭

22 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

시 반응이 일어나고 이온성 액체를 반응장으로 사용

한 시스템이다(25)

lt그림 3-6gt 효소반응을 활용한 에폭시화 반응

- 기질류(基質類)에서의 비 칭 에폭시화 반응에서 얻어

진에폭시 화합물의 학순도는 높기 때문에 실용 인

합성방법이며 이 시스템에서는 이온성 액체를 5회 반

복 사용하여도 수율이나 학순도의 변화가 없음이 보

고 되고 있다(26)

lt그림 3-7gt 비 칭 에폭시화 반응

제3장 국내외 기술개발 동향 23

비 칭시아노화 반응 비 칭 사이클로 로 화 반응

- 알데히드류의 비 칭시아노화 반응에서도 비 칭 매

를 활용함으로서 학순도가 98정도로 원하는 생성

물이 얻어지고 있으며 이온성 액체의 반응장으로서 유

용성을 보여주고 있다(27)

lt그림 3-8gt 비 칭 시아노화 반응

- 디아조화합물을 사용하는 사이클로 로 화 반응에서

생성하는 시스체와 트란스체의 기하이성체 비는 높지

않으나 각각 학순도는 상당히 높은 것이 얻어진

다(28)

lt그림 3-9gt 비 칭 사이클로 로 화 반응

24 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

이온성 액체 에서의 고분자 합성

- 이온성 액체 에서 합반응을 행하면 MwMn비가

작게 되는 것으로 보고 되었다 이온성 액체를 이용하

여 합개시제로서 과산화벤조일이나 아조비스이소부

틸로니트릴을 사용한 스티 메틸메타크릴 이트의

호모(homo) 합에서 생성물은 이온성 액체로부터 여

과하는 것만으로 분리가 가능하고 회수한 이온성 액체

를 합용 용매로서 재이용이 가능하고 생성된 고분자

체의 분자량도 증가한다

lt그림 3-10gt 이온성 액체[bmim][PF6] 의 스티 의 합반응

중합용매

개시제 중합용매 수율() 분자량

중합용매

개시제 중합용매 수율() 분자량

- 벤젠 에서와 비교하여 이온성 액체 에서 합도

(重合度) 더욱이 생성물의 수율이 향상하는 것은 이

온성 액체의 도가 벤젠에 비하여 높아 연쇄 이동을

일으키기가 어렵고 생성한 폴리머 라디칼이 용매계로

부터 계외(系外)로 배출되기 쉽기 때문이라 생각된다

- 더욱이 이온성 액체 에서 AIBN(22-Azobis (isobuthy-

제3장 국내외 기술개발 동향 25

ronitril)) 내지는 BPO(benzoylperoxide)를 합개시제

로 한 스티 과 메틸메타크릴 이트의 라디칼 공 합

에 하여도 검토되고 있다

- 공 합 반응은 스티 의 첨가 몰비를 MMA에 비해

증 시켜도 코폴리머 분자량 모노머의 변화율이

하하는 경향이 있다 이 결과는 벤젠을 용매로 한 공

합계와 반 의 경향이고 이온성 액체의 극성이 높아

스티 에 비하여 극성 용매 에서 MMA의 합성이

높아지기 때문이라고 생각된다(29)

lt그림 3-11gt 이온성액체[bmim][PF6] 의 공 합 반응

3 촉매반응에서의 이온성 용액

매반응에서 이온성 용액은 자체 매성 보조 매 매활

성자 매 심의 새로운 리간드의 원 반응을 한 용매

등으로써 용된다(30)

26 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

유기 매로서의 이온성 용액

- 이온성 용액을 매반응에 사용하는 가장 좋은 방법은

용매와 매를 조합해서 사용하는 것이다 용매를 바

꿀 때마다 반응이 빨라지면 새로운 용매는 매 역할

을 한 것으로 본다

lt그림 3-12gt methyl acrylate와 [C4C1im]+ 양이온 사이의 수소결합

- 염화알루미늄염(III)(AlCl3) 이온성 용액에서 자치

환 산성 이온성 용액에서 아 (arenes)의 좋은 용해

성과 결합한 산성의 염화알루미늄염 이온성 용액의

높은 농도 [Al2Cl7]-는 친 자성 방향족 치환을 한

이상 인 용매로 만들 수 있다 산성인 [C2C1im]

Cl-AlCl3에서 1-염화 로 과의 벤젠 알킬반응에서 알

킬 고분자화가 측되었다 이이온성 용액시스템은 높

은 활동성과 선택성을 보 다(31)

- 유기용매로서 이온성 용액 이온성 용액은 지난 수년

간 유기 매 반응에 새로운 흥미를 갖기 시작하 으며

이 분야에 향을 수 있는 가능성을 가지고 있다

유기 매 반응에 한 근방법은 흔히 디엘-알더

(Diels-Alder) 환형추가 그 유도체인 수소결합의

상호작용 반응을 통해서이다(32)

제3장 국내외 기술개발 동향 27

보조 매로의 이온성 용액은 올 핀의 이합체화 (Olefin

dimerization)에서 니 매로 산성염화알루미늄염의 이

온성 용액이 로펜을 헥센에 이합체화를 한 반응에서

용매와 보조 매의 조합으로 사용한 첫 번째 경우이

다(33)

리간드 원으로서의 이온성 용액

- 수소화와 수소포르 화 반응 수소화 반응 수소포

르 화 반응을 해 용매로서 [Et4N][SnCl3]의 PtCl2용

액은 속에 매의 확실한 분해도 없이 올 핀의 수

소화에 효과 으로 매반응을 일으켰다 공기와의

을 피하도록 하는 가운데 활성화의 손실이 없이

매용액을 계속 으로 사용함으로써 반응이 이루어진

다(34)

- 팔라듐 NHC착물의 형성 이온성 용액은 팔라둠 매

반응의 넓은범 의 용매로 사용되어 왔다 이 연구과

정에서 재미있는 화학 상은 HHC착물과 나노 입

자의 형성이었다 이는 아직 논쟁의 상이 되고 있다

NHC착물은 이미다졸리움 이온성 용액에서 형성되며

기 하지 않는 반응성 는 선택성이 감지될 때 이를

항상 고려해야한다(35)

28 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-13gt NHC 매의 lactide 합에서의 ring opening

- 이온성 용액에서 나노입자의 형성 최근에 매로서

나노입자의 사용이 증가되는 심분야이다 1996년

Kaufmann이 이온성 용액에서처음으로 팔라듐의 매

반응을 보고하 다 일련의 아릴 롬이[C16PbBu3]Br

는 [Bu4N]Br에서 노말-알킬 이트와 결합하여 수율

90이상의 trans-시안염을 생성하는 반응이었다(36)

반응 용매로서의 이온성 용액

- 알 수소화 반응 [SbF6]- 와 [PF4]-의 두 이온성

용액에서 수소화 반응의 속도는 알 용액에서보다 훨

씬 높았다 왜 이 이온성 용액이 개선되었는지에 해

서는 아직 연구된 바가 없다 실제 매의 실체조차확

인이 안 되었다 반응용액으로부터 생성된 알 은 분

리가 쉬웠고 매를 함유한 용액은 순환되었다(37)

lt그림 3-14gt [C4C1im][PF6]의 수소포르 화 매의 두형태의 평형

제3장 국내외 기술개발 동향 29

- 산화 비록 재 사용되는 부분의 이온성 용액은 산

화에 안정 이고 산화과정에 이상 인 용매를 제공하

고 있지만 이것은 불과 지난몇 년 사이의 일이었다

Ni(acac)2는 [C4C1im][PF6]에서 해당되는 산의 라-

치환 benzaldehydes를 보통의 수율로 공기 에서 산

화반응의 매로 사용되어 왔다(38)

기화학 매용매로써의 이온성 용액

- 자화학을 이끄는 이온성 용액은 기화학 합성용

용매로서 가능성을 보이고 있다 최근에는 Ni이 알킬

벤질 아릴 할로겐화합물의 기 도성 동종결합

(electro conductive homo-coupling) 반응에 매로 보

고 된 바 있다 니 (II)착물은 니 (0)의 종에 하여

환원되고 방향성 할로겐화물에 첨가되어 할로겐 화합

물이 된다는 제안이 있었다(39)

이온성 용액의 고정화

- 반응시스템이 액체일 때 많은 장 이 있지만 때로는

그것을 고정화(immobilize) 시킬 필요가 있다 이온성

용액을 고정화 시키는데 심이 모아지고 있으며 첫

번째의 시도가 이온성 용액- 합체 겔을 만들기 하

여 고분자 vinylidenefluoride- hexachloropropylene의

공 합체를 사용한 것이다(40)

30 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

4 근대의 동향

할로겐 리이온액체

- 근년 이온성 액체에 한 연구가 많이 수행되고 있지

만 합성하고 있는 이온성 액체의 구조는 의외로 한정

되어 있으며 양이온은 테트라알킬암모늄(tetraalkyla-

mmonium) 피롤리디니움(pyrolidinium) 이미다졸리움

(imidazolium) 피리디니움(pyridinium) 등과 같이 비

교 다양성이 풍부한 반면에 음이온 종류는 BF4

PF6 CF3SO3 (CF3SO2)2N 등 할로겐 원소를 구조

에 함유한 것은 일반 으로 종류가 많지 않다(41)

- 할로겐을 포함하지 않는 음이온도 보고 되어 있는데

많은 양이온과 조합하여 액체화를 달성함이 쉽지 않고

한정된 양이온과 질산음이온이나 산 음이온 등을 결

합시킨 것이 보고 되어 있다(42)

- 최근 H Ohno(43)등은 할로겐 원소를 함유하지 않은

음이온으로 이온액체를 구축하기 하여 헤테로방향환

화합물을 착안하여 이미다졸이나 피라졸 등의 아졸

(azol)류 에서 산성을 띠는 124-triazolate 1234-

tetrazolate 등과 이미다졸리움 양이온을 조합시키는 것

에 의해 이온성 액체를 합성하 다

- 이 이온성 액체는 분자량과 비교해서 하의 비국재화

(非局在化)가 크다 한 할로겐 원소를 함유하지 않

고 C H N의 3종류원소만으로 구성되어 있다

제3장 국내외 기술개발 동향 31

lt그림 3-15gt 할로겐 리이온액체의 구조

쯔 츠 이온성 액체 (Zwitter ionic liquids)

- 한편 M Yoshizawa(44) 등은 이온 도재료로서 이온액

체를 사용하는 경우는 구배에 한 이온액체의 구

성이온종의 이동이 큰 문제로 된다

- 따라서 리튬 2차 지나 연료 지 등 목 이온종의 수

율과 계의 출력과의 계를 디바이스에 응용할 때는

이온 도재료로서 이온성 액체를 사용하는 것으로 양

이온과 음이온을 스페이서(spacer)로 결합하는 것에

의해 실온에서 액체상태인 성 이온 액체(zwitter

ionic liquid)를 제안하고 있다

- 양이온과 음이온을 스페이서로 결합하면 하는 체

로서 성이 되어 하이동이 없는 염으로 되는데 스

페이서가 짧아서 충분한 염해리가 힘드나 어느 정도의

자유도가 얻어지면 zwitterion으로 된다

32 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-16gt zwitter ionic liquids의 모식도

특정이온을 포함하는 이온액체

- 이온성 액체를 이온 도체로 사용하는 과제는 목 이

온의 도입이다 이는 리튬염 등 목 이온을 포함하는

염 등을 이온액체에 용해시켜 도입한다

- 그런데 염의 첨가는 계의 성의 증가 이온 도도의

하를 가져온다 한 이온액체와 상용하는 분자무

기염은 많지 않고 첨가염의 종류도 한정되어있는 것이

문제이다

- 이의 해결이 자의 zwitter ion이고 두 번째가 목 이

온을 실온에서 액체화가 가능하면 문제가 해결된다

이러한 방법으로 각종의 알칼리 속 이온성 액체

(alkali metal ionic liquid)를 개발하 다(45)

- lt그림 3-17gt은 알칼리 속이온성 액체는 2가의 응

음이온과 1가의 오니움(onium) 양이온 1가의 목 이

온으로 구성된다

lt그림 3-17gt 알칼리 속이온액체의 개념도

제3장 국내외 기술개발 동향 33

- 이온액체는 구성하는 이온 간의 정 기 상호작용은

없을수록 좋으므로 강한 상호작용을 일으키는 다가이

온의 사용은 물이다 당 리튬 양이온의 이온액체

가 목 이나 여러 가지의 알칼리 속이온도 액체로

되는데 이를 응용하면 로톤을 포함하는 이온액체도

얻어지게 된다

이온액체의 합

- 이온성 액체는 분자 디자인이 용이하기 때문에 고분자

구조를 도입하는 것도 가능하며 이온성 액체의 고분

자화로는 각종의 고분자와 혼합한 겔화가 알려져 있지

만 이온성 액체 에 합기를 직 도입하여 고분자

화 하는 것에 의해 이온 도성뿐 아니라 디바이스의

다운사이징(down-sizing)에 기여할 것으로 망하고

있다(41)

- lt그림 3-18gt은 고분자화 이온액체를 나타내는데 종래

의 polyethyl-eneoxide유도체에 의존하지 않는 새로운

이온 도재료로서 검토된다

- lt그림 3-18gt에서 양이온과 음이온의 한쪽이 고분자의

주쇄에 고정되어 있어서 도 이온종을 선택하는 이

유용하다 한 구성이온종의 양방이 고분자 주쇄에

고정된 구조는 이온 도성을 나타내지 않으나 목 이

온의 첨가로 선택 도가 일어난다(46)

34 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-18gt 이온액체폴리머의 변화

자기조직화 이온액체

- 이온액체는 등방성의 액체로서 3차원 인 이온을 운반

하는 것이 가능하다 이로서 차원제어를 행하고 특정

방향으로 이온을 수송하는 시도가 있다 이를 해 자

기 집합력을 이온액체에 부여할 필요가 있다

- 이온액체의 자기조직화에는 양친매성화합물(兩親媒性

化合物)의 성질을 이용한다 극성성분이 있는 이온액

체에 비극성기(탄화수소쇄 탄화불소쇄)를 도입한 양

친매성 이온액체는 벌크로 써모트로픽 액정성을 발

하여 극성 비극성기가 분자 벨에서 상분리된 구조

를 형성한다

- 이 액체 도메인 에는 이온성 액체자신은 용융되어

높은 운동성을 갖는 알킬기의 집합층에 고정된 상태일

것으로 생각된다 여기에 리튬염을 첨가하면 비극성염

을 갖지 않는 리튬이온의 우선 인 수송이 기 된

다(lt그림 3-19gt 참조)

제3장 국내외 기술개발 동향 35

lt그림 3-19gt 이온성 액체 도메인 의 목 이온수송의 모식도

새로운 용매

- Alabama 학의 Rogers 등은 셀룰로오스를 용해시키는

이온성 액체로서 bmim Cl(1-butyl-3-methylimidazolium

chloride)을 개발하 다(47)

lt그림 3-20gt bmimCl의 구조

- Bmin Cl은 실온에서는 고체로서 75에서 용해되지만

100 정도로 가열한 bmim Cl에 종이(셀룰로오스)를

침지하면 순식간에 용해된다 이 용액을 시린지

(syringe)에 의해 물 에서 용출(溶出)시키면 셀룰로

오스 화이버가 생성된다 풍부한 목재자원을 셀룰로스

로 추출하는 시도가 이루어지고 있다

36 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

- 한 핵산류를 용해시킨 이온액체를 개발하고 있는데

DNA나 RNA는 물에 쉽게 용해되지 않는데 이를 용

해시키는 이온액체가 얻어졌다 일정량의 핵산을 용해

시키는 온도는 사용하는 이온액체의 구조에 크게 의존

한다(48)

- 특히 분자내 는 분자간의 수소결합을 단하는 능

력이 요구되는데 여기에는 염소음이온의 효과가 큰 것

으로 알려져 있다 염소를 포함하는 염은 일반 으로

융 이 높고 실온에서 액상으로 존재하기가 어려운

이 있다

- 이는 음이온의 부 하가 비국재화하고 있지 않기 때문

에 정 인 상호작용이 강하게 작용하고 있는 결과이

다 이를 피하기 해 양이온구조를 개선하여 상온에

서 액체의 염화물 염을 합성한다(49)

- 이 방법으로 양이온 구조를 개선하여 실온에서 액체상

태 염화물염인 aaim Cl(13-diallylimidazolium chloride)

를 개발하 다 aaim Cl은 융 이 21 부근이지만 한번

용융하면 과냉각 상태에서도 안정하여 실온에서 사용

가능하다 단지 도가 높은 것이 난 이다

단백질의 기화학반응용 해질용액

- 단백질의 기화학 인 성질로서 단백질을 이온액체에

용해시키는 것은 통상의 고분자를 용해시키는 것과는

차원이 다데 단백질의 기능은 펩사이드쇄의 3차 구조

에 크게 의존하기 때문에 3차구조가변하면 변성에 의

해서 목 달성이 되지 않는다 따라서 무리한 용해작

업은 변성을 래한다

제3장 국내외 기술개발 동향 37

- 이에 하여 PEO(polyethylene oxide)의 에테르산소가

이온과 강하게 상호작용하고 있다 이는 가용성을 의

미하며 PEO가 단백질과 이온액체를 용해하여 단백질

의 안정성을 향상시킨다 종래 바이오디바이스의 작성

이 곤란했든 것은 수 에서 단백질의 불안정성에 기인

하 는데 사용 온도에 따라 이온액체 의 단백질의

기화학이 새로운 가능성의 개척을 시사한다(50)

5 국내동향

이온액체의 매반응분야(51)

- 한국과학기술연구원 송충의 박사는 이온성 액체를 키

랄 화합물 제조를 한 매반응에 도입하여 고가인

매와 용매의 반복 사용을 가능하게 함에 따라 결

국 매와 용매의 소비를 최소화시킬 수 있는 소 청

정 비 칭 매반응을 개발하 다

- 즉 Jacobsons chiral (salen)MnIII

매 존재 하에서

22-dimethylchro-mene의 비 칭 에폭시화 반응시

[bmim]PF6와 CH2Cl2 (14 vv) 혼합물 용매를 사용

함으로써 96-94의 학순도로 chromene oxides를

합성하는데 성공하 다 이온성 액체를 첨단유기합성

기술인 학활성화합물 제조기술개발에 용함으로써

용매와 매의 소비를 최소화하는 반응과정을 개발하

고 있다

- 이와 같은 기술은 화학 산업에서의 공해 요인을 감소

38 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

시킬 것이며 특히 노벨화학상 수상분야인 비 칭

매반응 분야의 최 문제 으로 지 되었던 키랄 매

의 분리 재회수가 가능하게 되었다는 에서 기술

으로도 우수한 성과라 할 수 있다

- 한 이온성 액체 내에서 일부 매반응이 가속화될

수도 있고 선택성 매의 안정성 역시 향상될 수

있음을 밝혔으며 더욱 놀라운 결과로는 기존의 유기

용매 내에서는 진행되지 않던 일부 반응이 이온

성 액체 내에서는 정량 으로 진행될 수 있다는 것이

- 한 많은 요한 유기반응에서 이온성 액체가 용매로

서뿐 아니라 자신이 재사용 가능 한 매로도 작용할

수 있음을 밝힌 바 있다 이러한 일련의 결과들은 이

온성 액체가 21세기에 매분야뿐 아니라 체 유기화

학분야의 새로운 장을 열고 있다는 에서 요한 의

미를 지닌다고 할 수 있다

합성 응용분야(52)

- 한국과학기술연구원 김훈식 박사 연구 은 KSeO2

(OCH3)를1-alkyl-3-methylimidazolium chloride와 반

응시켜 새로운 이미다졸륨 알킬셀 나이트 ([Rmim]

[SeO2(OCH3)]) 화합물을 합성하 다

- 아민화합물의 산화성 카르보닐화 반응을 통한 치환된

우 아 제조 반응에서 기존의 KSeO2(OCH3)을 매로

사용하 을 경우에 비해 이 화합물은 보다 온화한 반

응조건을 제공할 뿐 아니라 이소시아네이트의 구체

인 치환된 우 아와 카바메이트를 고수율로 합성할 수

제3장 국내외 기술개발 동향 39

있었다

- 재 이온성 액체를 이용한 분리 유기 속화합물을

함유한 고활성 매로서의 이온성 액체의 합성 응

용에 한 연구를 수행하고 있다

- 포항공과 학교의 김만주 교수 연구 은 Lipase를

[PPMIM]PF6 (PPMIM = 1-(3-phenylpropyl)-3-

methylimidazolium)와 혼합시켜Ionic liquid-Coated

Enzyme (ILCE)을 합성하 다 이 새로운 타입의

immobilized biocatalyst는 2차 알코올의 transest-

erification 반응을 통한 acetylated 화합물합성에 높은

활성과 재사용성을 보여 주었으며 이러한 연구결과를

다양한 생화학분야에 용하기 한 연구를 수행하고

있다

- 인하 학교의 지 윤 교수연구 은 alkyl mesylate로부

터 fluoro-alkane을 합성하는 반응에서 이온성 액체를

용매로 사용함으로써 기존방법에 비해 부반응이 거의

없고 생산성이 히 증가된 결과를 얻었으며 이러한

결과를 실용화시키기 한 연구를 지속하고 있다

- 신약개발 바이오벤처 기업 씨트리(C-TRI)는 이온성

액체를 이용한 학활성 화합물제조 기술개발회사로

서 지난 상반기에 31억원의 매출을 올렸으며 최근 이

온성 액체를 이용한 신약개발과 정 화학사업에 필요

한 연구 인력을 거 보강하여 이온성 액체 련사업

을 추진하고 있다

41

제4장

결론 및 제언

향후의 방향

- 이온성 액체에 한 앞으로의 망은 이온성 액체를

주 테마로 하는 국제회의가 증가하고 있다 미국화학

회는 작년 9월 New York에서 이온성 액체에 한 세

션이 개최되어 열띤 토론이 진행 되었다

- 2004년 3~4월에 Anaheim에서 개최된 세션은 ldquo이온성

액체와 고분자rdquo 다 유럽과 미국에서는 이온성 액체

를 반응용매로 보는 것이 주류를 이루고 있었다

- 2004년 10월 Hawaii에서 기화학의 미일합동 회가

열린다 주제는 이온성 액체(용융염)에 한 연구이었

- 앞으로도 이온성 액체에 한 연구는 증가할 것이고

여러 가지 배경을 갖고 있는 연구자들이 서로 다른 목

표를 가지고 연구에 노력할 것이라 생각된다

국내사정

- 우리나라의 황을 보면 재석유화학 의학 산업에

서만 약7억불에 달하는 유기용매가 사용되고 있으며

이들을 모두 체할 수 있다면 최 7억불시장을 형성

할 수 있으므로 이온성 액체의 시장잠재력은 매우 크

42 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

다 하겠다

- 이온성 액체는 휘발성유기화합물을 체할 수 있을 뿐

만 아니라 고가의 귀 속 매를 이온성 액체 층에 고

정화 시킬수 있어 매의 회수 재사용을 용이하게

하며 매의 활성도 안정도 선택도까지도 획기

으로 증가시킬 수 있으므로 환경 측면은 물론 경제

인 에서도 바람직한 청정용매라 할 수 있다

- 상기한바 와같이 이온성 액체의 잠재 인 응용가능성

은 앞으로 무한할 것으로 사료되므로 국내에서도 이에

한 연구자들의 심과 더불어 정부 기업체에 의

한 연구지원이 지속 으로 이루어져야 할 것이다

후의 과제

- 통상의 용매로 이온성 액체를 이용하는 경우에는 내구

성 제조가격 등의 인자가 요하지만 목 이 한정된

이온성 액체의 이용에 있어서는 목 하는 기능을 요

시할 필요가 있다

- 많은 이온성 액체가 합성되고 있으나 원하는 높은 물

성을 갖는 이온성 액체를 설계하는 데 기본이 되는 이

론이 아직은 없는 편이다 이를 해서는 특히 이온성

액체의 구조-물성의 상 계가 밝 져야 하는데 많

은 연구가 진행되고 있음에도 불구하고 그 계가 밝

지지 않고 있다 따라서 상태로서는 원하는 이온

성 액체를 직 만들어서 평가하는 방법밖에 없는 게

실이다

- 그러나 도화와 열안정성 등과 같이 상반 계에 있

는 특성은 하나의 라미터를 변화시키는 것에 의해

제4장 결론 및 제언 43

한 쪽의 특성은 양호하게 되지만 다른 한 쪽의 특성이

악화되는 것을 피할 수 없는 성질로서 아직 양쪽을 동

시에 만족하는 이온성 액체는 실 하지 못하고 있다

- 향후 이온성 액체는 청정용매의 개발과 더불어 새로

운 청정 공정기술의 개발을 통하여 신소재 신물질 생

산 공정을 환경친화 이면서 경제성 있는 공정개발에

기여할 것으로 기 된다

- 특히 비닐기 같은 합성 기능기를 이온성 액체의 단

구조로 도입하여 단독 합이나 공 합을 통해 고분

자화한 이온성 액체를 만들 수 있어 이를 잘 활용하여

이온 지라든가 연료 지 등의 해액으로 응용의 길

이 열린다면 학문 으로나 공업 으로 큰 의의가 있으

리라 생각되며 이 분야의 연구가 활성화되길 기 한

45

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저자소개

손 목

공학박사

한국에 지기술연구소 원장

한국과학기술정보연구원 문연구 원

서 수소 연료 지 개스 센서기술 등

강 종 석

공학박사

한국과학기술정보연구원 선임연구원

서 BT분야 국가연구개발 심층분석

리튬이차 지 등

BB088 손 목강종석

이온성 액체의 반응성 및 전기화학적

특성 연구동향

2005년 12월 19일 인쇄

2005년 12월 23일 발행

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화 3299-6114

등록 1991년 2월 12일 제5-258호

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ESP 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SUO 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 ITA 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 NOR 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 SVE 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ltFEFF4f7f75288fd94e9b8bbe7f6e521b5efa76840020005000440046002065876863ff0c5c065305542b66f49ad8768456fe50cf52068fa87387ff0c4ee575284e8e9ad88d2891cf76845370524d6253537030028be5002000500044004600206587686353ef4ee54f7f752800200020004100630072006f00620061007400204e0e002000520065006100640065007200200035002e00300020548c66f49ad87248672c62535f0030028fd94e9b8bbe7f6e89816c425d4c51655b574f533002gt CHT ltFEFF4f7f752890194e9b8a2d5b9a5efa7acb76840020005000440046002065874ef65305542b8f039ad876845f7150cf89e367905ea6ff0c9069752865bc9ad854c18cea76845370524d521753703002005000440046002065874ef653ef4ee54f7f75280020004100630072006f0062006100740020548c002000520065006100640065007200200035002e0030002053ca66f465b07248672c4f86958b555f300290194e9b8a2d5b9a89816c425d4c51655b57578b3002gt gtgtgtgt setdistillerparamsltlt HWResolution [2400 2400] PageSize [612000 792000]gtgt setpagedevice

Page 24: 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향gift.kisti.re.kr/data/IAC/files/KISTI-200512-SYM-ion_fluid.pdf · ※ 이온성 액체는 사용되는 음이온의

제3장 국내외 기술개발 동향 21

lt그림 3-5gt 학활성 이온성 액체의 염기성 매로서의 기능발

를 들면 디엔 체의 3-히드록시 -2피론을 사용하여

Diels-Alder 반응을 하면 루이스산이 기질에 결합하여

기질의 HOMO(the highest occupied molecular orbital)

에 지 가 하되고 반응이 진행하지 않는 것이

확인되었다

dienophile(2 결합을 한개 가진 화합물)로서 아크

릴산메틸을 사용하면 높은 수율로 endoexo = 31의

목 하는 화합물을 얻을 수 있으나 이 반응을 보통

이온성 액체[emim][NTf2] 에서 행하면 진행하지 않

는다(24)

에폭시화 반응

- 합성 간체로서 주목되는 에폭시 화합물도 이온성 액

체 에서 합성되고 있다 효소의 산화반응을 이용하

여 과산화수소를 사용해서 계 에서 과 산을 생성시

켜 효소반응과 화학반응을 연속 으로 조합시켜 에폭

22 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

시 반응이 일어나고 이온성 액체를 반응장으로 사용

한 시스템이다(25)

lt그림 3-6gt 효소반응을 활용한 에폭시화 반응

- 기질류(基質類)에서의 비 칭 에폭시화 반응에서 얻어

진에폭시 화합물의 학순도는 높기 때문에 실용 인

합성방법이며 이 시스템에서는 이온성 액체를 5회 반

복 사용하여도 수율이나 학순도의 변화가 없음이 보

고 되고 있다(26)

lt그림 3-7gt 비 칭 에폭시화 반응

제3장 국내외 기술개발 동향 23

비 칭시아노화 반응 비 칭 사이클로 로 화 반응

- 알데히드류의 비 칭시아노화 반응에서도 비 칭 매

를 활용함으로서 학순도가 98정도로 원하는 생성

물이 얻어지고 있으며 이온성 액체의 반응장으로서 유

용성을 보여주고 있다(27)

lt그림 3-8gt 비 칭 시아노화 반응

- 디아조화합물을 사용하는 사이클로 로 화 반응에서

생성하는 시스체와 트란스체의 기하이성체 비는 높지

않으나 각각 학순도는 상당히 높은 것이 얻어진

다(28)

lt그림 3-9gt 비 칭 사이클로 로 화 반응

24 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

이온성 액체 에서의 고분자 합성

- 이온성 액체 에서 합반응을 행하면 MwMn비가

작게 되는 것으로 보고 되었다 이온성 액체를 이용하

여 합개시제로서 과산화벤조일이나 아조비스이소부

틸로니트릴을 사용한 스티 메틸메타크릴 이트의

호모(homo) 합에서 생성물은 이온성 액체로부터 여

과하는 것만으로 분리가 가능하고 회수한 이온성 액체

를 합용 용매로서 재이용이 가능하고 생성된 고분자

체의 분자량도 증가한다

lt그림 3-10gt 이온성 액체[bmim][PF6] 의 스티 의 합반응

중합용매

개시제 중합용매 수율() 분자량

중합용매

개시제 중합용매 수율() 분자량

- 벤젠 에서와 비교하여 이온성 액체 에서 합도

(重合度) 더욱이 생성물의 수율이 향상하는 것은 이

온성 액체의 도가 벤젠에 비하여 높아 연쇄 이동을

일으키기가 어렵고 생성한 폴리머 라디칼이 용매계로

부터 계외(系外)로 배출되기 쉽기 때문이라 생각된다

- 더욱이 이온성 액체 에서 AIBN(22-Azobis (isobuthy-

제3장 국내외 기술개발 동향 25

ronitril)) 내지는 BPO(benzoylperoxide)를 합개시제

로 한 스티 과 메틸메타크릴 이트의 라디칼 공 합

에 하여도 검토되고 있다

- 공 합 반응은 스티 의 첨가 몰비를 MMA에 비해

증 시켜도 코폴리머 분자량 모노머의 변화율이

하하는 경향이 있다 이 결과는 벤젠을 용매로 한 공

합계와 반 의 경향이고 이온성 액체의 극성이 높아

스티 에 비하여 극성 용매 에서 MMA의 합성이

높아지기 때문이라고 생각된다(29)

lt그림 3-11gt 이온성액체[bmim][PF6] 의 공 합 반응

3 촉매반응에서의 이온성 용액

매반응에서 이온성 용액은 자체 매성 보조 매 매활

성자 매 심의 새로운 리간드의 원 반응을 한 용매

등으로써 용된다(30)

26 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

유기 매로서의 이온성 용액

- 이온성 용액을 매반응에 사용하는 가장 좋은 방법은

용매와 매를 조합해서 사용하는 것이다 용매를 바

꿀 때마다 반응이 빨라지면 새로운 용매는 매 역할

을 한 것으로 본다

lt그림 3-12gt methyl acrylate와 [C4C1im]+ 양이온 사이의 수소결합

- 염화알루미늄염(III)(AlCl3) 이온성 용액에서 자치

환 산성 이온성 용액에서 아 (arenes)의 좋은 용해

성과 결합한 산성의 염화알루미늄염 이온성 용액의

높은 농도 [Al2Cl7]-는 친 자성 방향족 치환을 한

이상 인 용매로 만들 수 있다 산성인 [C2C1im]

Cl-AlCl3에서 1-염화 로 과의 벤젠 알킬반응에서 알

킬 고분자화가 측되었다 이이온성 용액시스템은 높

은 활동성과 선택성을 보 다(31)

- 유기용매로서 이온성 용액 이온성 용액은 지난 수년

간 유기 매 반응에 새로운 흥미를 갖기 시작하 으며

이 분야에 향을 수 있는 가능성을 가지고 있다

유기 매 반응에 한 근방법은 흔히 디엘-알더

(Diels-Alder) 환형추가 그 유도체인 수소결합의

상호작용 반응을 통해서이다(32)

제3장 국내외 기술개발 동향 27

보조 매로의 이온성 용액은 올 핀의 이합체화 (Olefin

dimerization)에서 니 매로 산성염화알루미늄염의 이

온성 용액이 로펜을 헥센에 이합체화를 한 반응에서

용매와 보조 매의 조합으로 사용한 첫 번째 경우이

다(33)

리간드 원으로서의 이온성 용액

- 수소화와 수소포르 화 반응 수소화 반응 수소포

르 화 반응을 해 용매로서 [Et4N][SnCl3]의 PtCl2용

액은 속에 매의 확실한 분해도 없이 올 핀의 수

소화에 효과 으로 매반응을 일으켰다 공기와의

을 피하도록 하는 가운데 활성화의 손실이 없이

매용액을 계속 으로 사용함으로써 반응이 이루어진

다(34)

- 팔라듐 NHC착물의 형성 이온성 용액은 팔라둠 매

반응의 넓은범 의 용매로 사용되어 왔다 이 연구과

정에서 재미있는 화학 상은 HHC착물과 나노 입

자의 형성이었다 이는 아직 논쟁의 상이 되고 있다

NHC착물은 이미다졸리움 이온성 용액에서 형성되며

기 하지 않는 반응성 는 선택성이 감지될 때 이를

항상 고려해야한다(35)

28 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-13gt NHC 매의 lactide 합에서의 ring opening

- 이온성 용액에서 나노입자의 형성 최근에 매로서

나노입자의 사용이 증가되는 심분야이다 1996년

Kaufmann이 이온성 용액에서처음으로 팔라듐의 매

반응을 보고하 다 일련의 아릴 롬이[C16PbBu3]Br

는 [Bu4N]Br에서 노말-알킬 이트와 결합하여 수율

90이상의 trans-시안염을 생성하는 반응이었다(36)

반응 용매로서의 이온성 용액

- 알 수소화 반응 [SbF6]- 와 [PF4]-의 두 이온성

용액에서 수소화 반응의 속도는 알 용액에서보다 훨

씬 높았다 왜 이 이온성 용액이 개선되었는지에 해

서는 아직 연구된 바가 없다 실제 매의 실체조차확

인이 안 되었다 반응용액으로부터 생성된 알 은 분

리가 쉬웠고 매를 함유한 용액은 순환되었다(37)

lt그림 3-14gt [C4C1im][PF6]의 수소포르 화 매의 두형태의 평형

제3장 국내외 기술개발 동향 29

- 산화 비록 재 사용되는 부분의 이온성 용액은 산

화에 안정 이고 산화과정에 이상 인 용매를 제공하

고 있지만 이것은 불과 지난몇 년 사이의 일이었다

Ni(acac)2는 [C4C1im][PF6]에서 해당되는 산의 라-

치환 benzaldehydes를 보통의 수율로 공기 에서 산

화반응의 매로 사용되어 왔다(38)

기화학 매용매로써의 이온성 용액

- 자화학을 이끄는 이온성 용액은 기화학 합성용

용매로서 가능성을 보이고 있다 최근에는 Ni이 알킬

벤질 아릴 할로겐화합물의 기 도성 동종결합

(electro conductive homo-coupling) 반응에 매로 보

고 된 바 있다 니 (II)착물은 니 (0)의 종에 하여

환원되고 방향성 할로겐화물에 첨가되어 할로겐 화합

물이 된다는 제안이 있었다(39)

이온성 용액의 고정화

- 반응시스템이 액체일 때 많은 장 이 있지만 때로는

그것을 고정화(immobilize) 시킬 필요가 있다 이온성

용액을 고정화 시키는데 심이 모아지고 있으며 첫

번째의 시도가 이온성 용액- 합체 겔을 만들기 하

여 고분자 vinylidenefluoride- hexachloropropylene의

공 합체를 사용한 것이다(40)

30 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

4 근대의 동향

할로겐 리이온액체

- 근년 이온성 액체에 한 연구가 많이 수행되고 있지

만 합성하고 있는 이온성 액체의 구조는 의외로 한정

되어 있으며 양이온은 테트라알킬암모늄(tetraalkyla-

mmonium) 피롤리디니움(pyrolidinium) 이미다졸리움

(imidazolium) 피리디니움(pyridinium) 등과 같이 비

교 다양성이 풍부한 반면에 음이온 종류는 BF4

PF6 CF3SO3 (CF3SO2)2N 등 할로겐 원소를 구조

에 함유한 것은 일반 으로 종류가 많지 않다(41)

- 할로겐을 포함하지 않는 음이온도 보고 되어 있는데

많은 양이온과 조합하여 액체화를 달성함이 쉽지 않고

한정된 양이온과 질산음이온이나 산 음이온 등을 결

합시킨 것이 보고 되어 있다(42)

- 최근 H Ohno(43)등은 할로겐 원소를 함유하지 않은

음이온으로 이온액체를 구축하기 하여 헤테로방향환

화합물을 착안하여 이미다졸이나 피라졸 등의 아졸

(azol)류 에서 산성을 띠는 124-triazolate 1234-

tetrazolate 등과 이미다졸리움 양이온을 조합시키는 것

에 의해 이온성 액체를 합성하 다

- 이 이온성 액체는 분자량과 비교해서 하의 비국재화

(非局在化)가 크다 한 할로겐 원소를 함유하지 않

고 C H N의 3종류원소만으로 구성되어 있다

제3장 국내외 기술개발 동향 31

lt그림 3-15gt 할로겐 리이온액체의 구조

쯔 츠 이온성 액체 (Zwitter ionic liquids)

- 한편 M Yoshizawa(44) 등은 이온 도재료로서 이온액

체를 사용하는 경우는 구배에 한 이온액체의 구

성이온종의 이동이 큰 문제로 된다

- 따라서 리튬 2차 지나 연료 지 등 목 이온종의 수

율과 계의 출력과의 계를 디바이스에 응용할 때는

이온 도재료로서 이온성 액체를 사용하는 것으로 양

이온과 음이온을 스페이서(spacer)로 결합하는 것에

의해 실온에서 액체상태인 성 이온 액체(zwitter

ionic liquid)를 제안하고 있다

- 양이온과 음이온을 스페이서로 결합하면 하는 체

로서 성이 되어 하이동이 없는 염으로 되는데 스

페이서가 짧아서 충분한 염해리가 힘드나 어느 정도의

자유도가 얻어지면 zwitterion으로 된다

32 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-16gt zwitter ionic liquids의 모식도

특정이온을 포함하는 이온액체

- 이온성 액체를 이온 도체로 사용하는 과제는 목 이

온의 도입이다 이는 리튬염 등 목 이온을 포함하는

염 등을 이온액체에 용해시켜 도입한다

- 그런데 염의 첨가는 계의 성의 증가 이온 도도의

하를 가져온다 한 이온액체와 상용하는 분자무

기염은 많지 않고 첨가염의 종류도 한정되어있는 것이

문제이다

- 이의 해결이 자의 zwitter ion이고 두 번째가 목 이

온을 실온에서 액체화가 가능하면 문제가 해결된다

이러한 방법으로 각종의 알칼리 속 이온성 액체

(alkali metal ionic liquid)를 개발하 다(45)

- lt그림 3-17gt은 알칼리 속이온성 액체는 2가의 응

음이온과 1가의 오니움(onium) 양이온 1가의 목 이

온으로 구성된다

lt그림 3-17gt 알칼리 속이온액체의 개념도

제3장 국내외 기술개발 동향 33

- 이온액체는 구성하는 이온 간의 정 기 상호작용은

없을수록 좋으므로 강한 상호작용을 일으키는 다가이

온의 사용은 물이다 당 리튬 양이온의 이온액체

가 목 이나 여러 가지의 알칼리 속이온도 액체로

되는데 이를 응용하면 로톤을 포함하는 이온액체도

얻어지게 된다

이온액체의 합

- 이온성 액체는 분자 디자인이 용이하기 때문에 고분자

구조를 도입하는 것도 가능하며 이온성 액체의 고분

자화로는 각종의 고분자와 혼합한 겔화가 알려져 있지

만 이온성 액체 에 합기를 직 도입하여 고분자

화 하는 것에 의해 이온 도성뿐 아니라 디바이스의

다운사이징(down-sizing)에 기여할 것으로 망하고

있다(41)

- lt그림 3-18gt은 고분자화 이온액체를 나타내는데 종래

의 polyethyl-eneoxide유도체에 의존하지 않는 새로운

이온 도재료로서 검토된다

- lt그림 3-18gt에서 양이온과 음이온의 한쪽이 고분자의

주쇄에 고정되어 있어서 도 이온종을 선택하는 이

유용하다 한 구성이온종의 양방이 고분자 주쇄에

고정된 구조는 이온 도성을 나타내지 않으나 목 이

온의 첨가로 선택 도가 일어난다(46)

34 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-18gt 이온액체폴리머의 변화

자기조직화 이온액체

- 이온액체는 등방성의 액체로서 3차원 인 이온을 운반

하는 것이 가능하다 이로서 차원제어를 행하고 특정

방향으로 이온을 수송하는 시도가 있다 이를 해 자

기 집합력을 이온액체에 부여할 필요가 있다

- 이온액체의 자기조직화에는 양친매성화합물(兩親媒性

化合物)의 성질을 이용한다 극성성분이 있는 이온액

체에 비극성기(탄화수소쇄 탄화불소쇄)를 도입한 양

친매성 이온액체는 벌크로 써모트로픽 액정성을 발

하여 극성 비극성기가 분자 벨에서 상분리된 구조

를 형성한다

- 이 액체 도메인 에는 이온성 액체자신은 용융되어

높은 운동성을 갖는 알킬기의 집합층에 고정된 상태일

것으로 생각된다 여기에 리튬염을 첨가하면 비극성염

을 갖지 않는 리튬이온의 우선 인 수송이 기 된

다(lt그림 3-19gt 참조)

제3장 국내외 기술개발 동향 35

lt그림 3-19gt 이온성 액체 도메인 의 목 이온수송의 모식도

새로운 용매

- Alabama 학의 Rogers 등은 셀룰로오스를 용해시키는

이온성 액체로서 bmim Cl(1-butyl-3-methylimidazolium

chloride)을 개발하 다(47)

lt그림 3-20gt bmimCl의 구조

- Bmin Cl은 실온에서는 고체로서 75에서 용해되지만

100 정도로 가열한 bmim Cl에 종이(셀룰로오스)를

침지하면 순식간에 용해된다 이 용액을 시린지

(syringe)에 의해 물 에서 용출(溶出)시키면 셀룰로

오스 화이버가 생성된다 풍부한 목재자원을 셀룰로스

로 추출하는 시도가 이루어지고 있다

36 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

- 한 핵산류를 용해시킨 이온액체를 개발하고 있는데

DNA나 RNA는 물에 쉽게 용해되지 않는데 이를 용

해시키는 이온액체가 얻어졌다 일정량의 핵산을 용해

시키는 온도는 사용하는 이온액체의 구조에 크게 의존

한다(48)

- 특히 분자내 는 분자간의 수소결합을 단하는 능

력이 요구되는데 여기에는 염소음이온의 효과가 큰 것

으로 알려져 있다 염소를 포함하는 염은 일반 으로

융 이 높고 실온에서 액상으로 존재하기가 어려운

이 있다

- 이는 음이온의 부 하가 비국재화하고 있지 않기 때문

에 정 인 상호작용이 강하게 작용하고 있는 결과이

다 이를 피하기 해 양이온구조를 개선하여 상온에

서 액체의 염화물 염을 합성한다(49)

- 이 방법으로 양이온 구조를 개선하여 실온에서 액체상

태 염화물염인 aaim Cl(13-diallylimidazolium chloride)

를 개발하 다 aaim Cl은 융 이 21 부근이지만 한번

용융하면 과냉각 상태에서도 안정하여 실온에서 사용

가능하다 단지 도가 높은 것이 난 이다

단백질의 기화학반응용 해질용액

- 단백질의 기화학 인 성질로서 단백질을 이온액체에

용해시키는 것은 통상의 고분자를 용해시키는 것과는

차원이 다데 단백질의 기능은 펩사이드쇄의 3차 구조

에 크게 의존하기 때문에 3차구조가변하면 변성에 의

해서 목 달성이 되지 않는다 따라서 무리한 용해작

업은 변성을 래한다

제3장 국내외 기술개발 동향 37

- 이에 하여 PEO(polyethylene oxide)의 에테르산소가

이온과 강하게 상호작용하고 있다 이는 가용성을 의

미하며 PEO가 단백질과 이온액체를 용해하여 단백질

의 안정성을 향상시킨다 종래 바이오디바이스의 작성

이 곤란했든 것은 수 에서 단백질의 불안정성에 기인

하 는데 사용 온도에 따라 이온액체 의 단백질의

기화학이 새로운 가능성의 개척을 시사한다(50)

5 국내동향

이온액체의 매반응분야(51)

- 한국과학기술연구원 송충의 박사는 이온성 액체를 키

랄 화합물 제조를 한 매반응에 도입하여 고가인

매와 용매의 반복 사용을 가능하게 함에 따라 결

국 매와 용매의 소비를 최소화시킬 수 있는 소 청

정 비 칭 매반응을 개발하 다

- 즉 Jacobsons chiral (salen)MnIII

매 존재 하에서

22-dimethylchro-mene의 비 칭 에폭시화 반응시

[bmim]PF6와 CH2Cl2 (14 vv) 혼합물 용매를 사용

함으로써 96-94의 학순도로 chromene oxides를

합성하는데 성공하 다 이온성 액체를 첨단유기합성

기술인 학활성화합물 제조기술개발에 용함으로써

용매와 매의 소비를 최소화하는 반응과정을 개발하

고 있다

- 이와 같은 기술은 화학 산업에서의 공해 요인을 감소

38 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

시킬 것이며 특히 노벨화학상 수상분야인 비 칭

매반응 분야의 최 문제 으로 지 되었던 키랄 매

의 분리 재회수가 가능하게 되었다는 에서 기술

으로도 우수한 성과라 할 수 있다

- 한 이온성 액체 내에서 일부 매반응이 가속화될

수도 있고 선택성 매의 안정성 역시 향상될 수

있음을 밝혔으며 더욱 놀라운 결과로는 기존의 유기

용매 내에서는 진행되지 않던 일부 반응이 이온

성 액체 내에서는 정량 으로 진행될 수 있다는 것이

- 한 많은 요한 유기반응에서 이온성 액체가 용매로

서뿐 아니라 자신이 재사용 가능 한 매로도 작용할

수 있음을 밝힌 바 있다 이러한 일련의 결과들은 이

온성 액체가 21세기에 매분야뿐 아니라 체 유기화

학분야의 새로운 장을 열고 있다는 에서 요한 의

미를 지닌다고 할 수 있다

합성 응용분야(52)

- 한국과학기술연구원 김훈식 박사 연구 은 KSeO2

(OCH3)를1-alkyl-3-methylimidazolium chloride와 반

응시켜 새로운 이미다졸륨 알킬셀 나이트 ([Rmim]

[SeO2(OCH3)]) 화합물을 합성하 다

- 아민화합물의 산화성 카르보닐화 반응을 통한 치환된

우 아 제조 반응에서 기존의 KSeO2(OCH3)을 매로

사용하 을 경우에 비해 이 화합물은 보다 온화한 반

응조건을 제공할 뿐 아니라 이소시아네이트의 구체

인 치환된 우 아와 카바메이트를 고수율로 합성할 수

제3장 국내외 기술개발 동향 39

있었다

- 재 이온성 액체를 이용한 분리 유기 속화합물을

함유한 고활성 매로서의 이온성 액체의 합성 응

용에 한 연구를 수행하고 있다

- 포항공과 학교의 김만주 교수 연구 은 Lipase를

[PPMIM]PF6 (PPMIM = 1-(3-phenylpropyl)-3-

methylimidazolium)와 혼합시켜Ionic liquid-Coated

Enzyme (ILCE)을 합성하 다 이 새로운 타입의

immobilized biocatalyst는 2차 알코올의 transest-

erification 반응을 통한 acetylated 화합물합성에 높은

활성과 재사용성을 보여 주었으며 이러한 연구결과를

다양한 생화학분야에 용하기 한 연구를 수행하고

있다

- 인하 학교의 지 윤 교수연구 은 alkyl mesylate로부

터 fluoro-alkane을 합성하는 반응에서 이온성 액체를

용매로 사용함으로써 기존방법에 비해 부반응이 거의

없고 생산성이 히 증가된 결과를 얻었으며 이러한

결과를 실용화시키기 한 연구를 지속하고 있다

- 신약개발 바이오벤처 기업 씨트리(C-TRI)는 이온성

액체를 이용한 학활성 화합물제조 기술개발회사로

서 지난 상반기에 31억원의 매출을 올렸으며 최근 이

온성 액체를 이용한 신약개발과 정 화학사업에 필요

한 연구 인력을 거 보강하여 이온성 액체 련사업

을 추진하고 있다

41

제4장

결론 및 제언

향후의 방향

- 이온성 액체에 한 앞으로의 망은 이온성 액체를

주 테마로 하는 국제회의가 증가하고 있다 미국화학

회는 작년 9월 New York에서 이온성 액체에 한 세

션이 개최되어 열띤 토론이 진행 되었다

- 2004년 3~4월에 Anaheim에서 개최된 세션은 ldquo이온성

액체와 고분자rdquo 다 유럽과 미국에서는 이온성 액체

를 반응용매로 보는 것이 주류를 이루고 있었다

- 2004년 10월 Hawaii에서 기화학의 미일합동 회가

열린다 주제는 이온성 액체(용융염)에 한 연구이었

- 앞으로도 이온성 액체에 한 연구는 증가할 것이고

여러 가지 배경을 갖고 있는 연구자들이 서로 다른 목

표를 가지고 연구에 노력할 것이라 생각된다

국내사정

- 우리나라의 황을 보면 재석유화학 의학 산업에

서만 약7억불에 달하는 유기용매가 사용되고 있으며

이들을 모두 체할 수 있다면 최 7억불시장을 형성

할 수 있으므로 이온성 액체의 시장잠재력은 매우 크

42 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

다 하겠다

- 이온성 액체는 휘발성유기화합물을 체할 수 있을 뿐

만 아니라 고가의 귀 속 매를 이온성 액체 층에 고

정화 시킬수 있어 매의 회수 재사용을 용이하게

하며 매의 활성도 안정도 선택도까지도 획기

으로 증가시킬 수 있으므로 환경 측면은 물론 경제

인 에서도 바람직한 청정용매라 할 수 있다

- 상기한바 와같이 이온성 액체의 잠재 인 응용가능성

은 앞으로 무한할 것으로 사료되므로 국내에서도 이에

한 연구자들의 심과 더불어 정부 기업체에 의

한 연구지원이 지속 으로 이루어져야 할 것이다

후의 과제

- 통상의 용매로 이온성 액체를 이용하는 경우에는 내구

성 제조가격 등의 인자가 요하지만 목 이 한정된

이온성 액체의 이용에 있어서는 목 하는 기능을 요

시할 필요가 있다

- 많은 이온성 액체가 합성되고 있으나 원하는 높은 물

성을 갖는 이온성 액체를 설계하는 데 기본이 되는 이

론이 아직은 없는 편이다 이를 해서는 특히 이온성

액체의 구조-물성의 상 계가 밝 져야 하는데 많

은 연구가 진행되고 있음에도 불구하고 그 계가 밝

지지 않고 있다 따라서 상태로서는 원하는 이온

성 액체를 직 만들어서 평가하는 방법밖에 없는 게

실이다

- 그러나 도화와 열안정성 등과 같이 상반 계에 있

는 특성은 하나의 라미터를 변화시키는 것에 의해

제4장 결론 및 제언 43

한 쪽의 특성은 양호하게 되지만 다른 한 쪽의 특성이

악화되는 것을 피할 수 없는 성질로서 아직 양쪽을 동

시에 만족하는 이온성 액체는 실 하지 못하고 있다

- 향후 이온성 액체는 청정용매의 개발과 더불어 새로

운 청정 공정기술의 개발을 통하여 신소재 신물질 생

산 공정을 환경친화 이면서 경제성 있는 공정개발에

기여할 것으로 기 된다

- 특히 비닐기 같은 합성 기능기를 이온성 액체의 단

구조로 도입하여 단독 합이나 공 합을 통해 고분

자화한 이온성 액체를 만들 수 있어 이를 잘 활용하여

이온 지라든가 연료 지 등의 해액으로 응용의 길

이 열린다면 학문 으로나 공업 으로 큰 의의가 있으

리라 생각되며 이 분야의 연구가 활성화되길 기 한

45

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저자소개

손 목

공학박사

한국에 지기술연구소 원장

한국과학기술정보연구원 문연구 원

서 수소 연료 지 개스 센서기술 등

강 종 석

공학박사

한국과학기술정보연구원 선임연구원

서 BT분야 국가연구개발 심층분석

리튬이차 지 등

BB088 손 목강종석

이온성 액체의 반응성 및 전기화학적

특성 연구동향

2005년 12월 19일 인쇄

2005년 12월 23일 발행

발행처

서울특별시 동 문구 청량리동 206-9

ꂕ 130-742

화 3299-6114

등록 1991년 2월 12일 제5-258호

발행인

조 화

인쇄처

신기획

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 KOR 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ltFEFF4f7f75288fd94e9b8bbe7f6e521b5efa76840020005000440046002065876863ff0c5c065305542b66f49ad8768456fe50cf52068fa87387ff0c4ee575284e8e9ad88d2891cf76845370524d6253537030028be5002000500044004600206587686353ef4ee54f7f752800200020004100630072006f00620061007400204e0e002000520065006100640065007200200035002e00300020548c66f49ad87248672c62535f0030028fd94e9b8bbe7f6e89816c425d4c51655b574f533002gt CHT ltFEFF4f7f752890194e9b8a2d5b9a5efa7acb76840020005000440046002065874ef65305542b8f039ad876845f7150cf89e367905ea6ff0c9069752865bc9ad854c18cea76845370524d521753703002005000440046002065874ef653ef4ee54f7f75280020004100630072006f0062006100740020548c002000520065006100640065007200200035002e0030002053ca66f465b07248672c4f86958b555f300290194e9b8a2d5b9a89816c425d4c51655b57578b3002gt gtgtgtgt setdistillerparamsltlt HWResolution [2400 2400] PageSize [612000 792000]gtgt setpagedevice

Page 25: 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향gift.kisti.re.kr/data/IAC/files/KISTI-200512-SYM-ion_fluid.pdf · ※ 이온성 액체는 사용되는 음이온의

22 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

시 반응이 일어나고 이온성 액체를 반응장으로 사용

한 시스템이다(25)

lt그림 3-6gt 효소반응을 활용한 에폭시화 반응

- 기질류(基質類)에서의 비 칭 에폭시화 반응에서 얻어

진에폭시 화합물의 학순도는 높기 때문에 실용 인

합성방법이며 이 시스템에서는 이온성 액체를 5회 반

복 사용하여도 수율이나 학순도의 변화가 없음이 보

고 되고 있다(26)

lt그림 3-7gt 비 칭 에폭시화 반응

제3장 국내외 기술개발 동향 23

비 칭시아노화 반응 비 칭 사이클로 로 화 반응

- 알데히드류의 비 칭시아노화 반응에서도 비 칭 매

를 활용함으로서 학순도가 98정도로 원하는 생성

물이 얻어지고 있으며 이온성 액체의 반응장으로서 유

용성을 보여주고 있다(27)

lt그림 3-8gt 비 칭 시아노화 반응

- 디아조화합물을 사용하는 사이클로 로 화 반응에서

생성하는 시스체와 트란스체의 기하이성체 비는 높지

않으나 각각 학순도는 상당히 높은 것이 얻어진

다(28)

lt그림 3-9gt 비 칭 사이클로 로 화 반응

24 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

이온성 액체 에서의 고분자 합성

- 이온성 액체 에서 합반응을 행하면 MwMn비가

작게 되는 것으로 보고 되었다 이온성 액체를 이용하

여 합개시제로서 과산화벤조일이나 아조비스이소부

틸로니트릴을 사용한 스티 메틸메타크릴 이트의

호모(homo) 합에서 생성물은 이온성 액체로부터 여

과하는 것만으로 분리가 가능하고 회수한 이온성 액체

를 합용 용매로서 재이용이 가능하고 생성된 고분자

체의 분자량도 증가한다

lt그림 3-10gt 이온성 액체[bmim][PF6] 의 스티 의 합반응

중합용매

개시제 중합용매 수율() 분자량

중합용매

개시제 중합용매 수율() 분자량

- 벤젠 에서와 비교하여 이온성 액체 에서 합도

(重合度) 더욱이 생성물의 수율이 향상하는 것은 이

온성 액체의 도가 벤젠에 비하여 높아 연쇄 이동을

일으키기가 어렵고 생성한 폴리머 라디칼이 용매계로

부터 계외(系外)로 배출되기 쉽기 때문이라 생각된다

- 더욱이 이온성 액체 에서 AIBN(22-Azobis (isobuthy-

제3장 국내외 기술개발 동향 25

ronitril)) 내지는 BPO(benzoylperoxide)를 합개시제

로 한 스티 과 메틸메타크릴 이트의 라디칼 공 합

에 하여도 검토되고 있다

- 공 합 반응은 스티 의 첨가 몰비를 MMA에 비해

증 시켜도 코폴리머 분자량 모노머의 변화율이

하하는 경향이 있다 이 결과는 벤젠을 용매로 한 공

합계와 반 의 경향이고 이온성 액체의 극성이 높아

스티 에 비하여 극성 용매 에서 MMA의 합성이

높아지기 때문이라고 생각된다(29)

lt그림 3-11gt 이온성액체[bmim][PF6] 의 공 합 반응

3 촉매반응에서의 이온성 용액

매반응에서 이온성 용액은 자체 매성 보조 매 매활

성자 매 심의 새로운 리간드의 원 반응을 한 용매

등으로써 용된다(30)

26 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

유기 매로서의 이온성 용액

- 이온성 용액을 매반응에 사용하는 가장 좋은 방법은

용매와 매를 조합해서 사용하는 것이다 용매를 바

꿀 때마다 반응이 빨라지면 새로운 용매는 매 역할

을 한 것으로 본다

lt그림 3-12gt methyl acrylate와 [C4C1im]+ 양이온 사이의 수소결합

- 염화알루미늄염(III)(AlCl3) 이온성 용액에서 자치

환 산성 이온성 용액에서 아 (arenes)의 좋은 용해

성과 결합한 산성의 염화알루미늄염 이온성 용액의

높은 농도 [Al2Cl7]-는 친 자성 방향족 치환을 한

이상 인 용매로 만들 수 있다 산성인 [C2C1im]

Cl-AlCl3에서 1-염화 로 과의 벤젠 알킬반응에서 알

킬 고분자화가 측되었다 이이온성 용액시스템은 높

은 활동성과 선택성을 보 다(31)

- 유기용매로서 이온성 용액 이온성 용액은 지난 수년

간 유기 매 반응에 새로운 흥미를 갖기 시작하 으며

이 분야에 향을 수 있는 가능성을 가지고 있다

유기 매 반응에 한 근방법은 흔히 디엘-알더

(Diels-Alder) 환형추가 그 유도체인 수소결합의

상호작용 반응을 통해서이다(32)

제3장 국내외 기술개발 동향 27

보조 매로의 이온성 용액은 올 핀의 이합체화 (Olefin

dimerization)에서 니 매로 산성염화알루미늄염의 이

온성 용액이 로펜을 헥센에 이합체화를 한 반응에서

용매와 보조 매의 조합으로 사용한 첫 번째 경우이

다(33)

리간드 원으로서의 이온성 용액

- 수소화와 수소포르 화 반응 수소화 반응 수소포

르 화 반응을 해 용매로서 [Et4N][SnCl3]의 PtCl2용

액은 속에 매의 확실한 분해도 없이 올 핀의 수

소화에 효과 으로 매반응을 일으켰다 공기와의

을 피하도록 하는 가운데 활성화의 손실이 없이

매용액을 계속 으로 사용함으로써 반응이 이루어진

다(34)

- 팔라듐 NHC착물의 형성 이온성 용액은 팔라둠 매

반응의 넓은범 의 용매로 사용되어 왔다 이 연구과

정에서 재미있는 화학 상은 HHC착물과 나노 입

자의 형성이었다 이는 아직 논쟁의 상이 되고 있다

NHC착물은 이미다졸리움 이온성 용액에서 형성되며

기 하지 않는 반응성 는 선택성이 감지될 때 이를

항상 고려해야한다(35)

28 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-13gt NHC 매의 lactide 합에서의 ring opening

- 이온성 용액에서 나노입자의 형성 최근에 매로서

나노입자의 사용이 증가되는 심분야이다 1996년

Kaufmann이 이온성 용액에서처음으로 팔라듐의 매

반응을 보고하 다 일련의 아릴 롬이[C16PbBu3]Br

는 [Bu4N]Br에서 노말-알킬 이트와 결합하여 수율

90이상의 trans-시안염을 생성하는 반응이었다(36)

반응 용매로서의 이온성 용액

- 알 수소화 반응 [SbF6]- 와 [PF4]-의 두 이온성

용액에서 수소화 반응의 속도는 알 용액에서보다 훨

씬 높았다 왜 이 이온성 용액이 개선되었는지에 해

서는 아직 연구된 바가 없다 실제 매의 실체조차확

인이 안 되었다 반응용액으로부터 생성된 알 은 분

리가 쉬웠고 매를 함유한 용액은 순환되었다(37)

lt그림 3-14gt [C4C1im][PF6]의 수소포르 화 매의 두형태의 평형

제3장 국내외 기술개발 동향 29

- 산화 비록 재 사용되는 부분의 이온성 용액은 산

화에 안정 이고 산화과정에 이상 인 용매를 제공하

고 있지만 이것은 불과 지난몇 년 사이의 일이었다

Ni(acac)2는 [C4C1im][PF6]에서 해당되는 산의 라-

치환 benzaldehydes를 보통의 수율로 공기 에서 산

화반응의 매로 사용되어 왔다(38)

기화학 매용매로써의 이온성 용액

- 자화학을 이끄는 이온성 용액은 기화학 합성용

용매로서 가능성을 보이고 있다 최근에는 Ni이 알킬

벤질 아릴 할로겐화합물의 기 도성 동종결합

(electro conductive homo-coupling) 반응에 매로 보

고 된 바 있다 니 (II)착물은 니 (0)의 종에 하여

환원되고 방향성 할로겐화물에 첨가되어 할로겐 화합

물이 된다는 제안이 있었다(39)

이온성 용액의 고정화

- 반응시스템이 액체일 때 많은 장 이 있지만 때로는

그것을 고정화(immobilize) 시킬 필요가 있다 이온성

용액을 고정화 시키는데 심이 모아지고 있으며 첫

번째의 시도가 이온성 용액- 합체 겔을 만들기 하

여 고분자 vinylidenefluoride- hexachloropropylene의

공 합체를 사용한 것이다(40)

30 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

4 근대의 동향

할로겐 리이온액체

- 근년 이온성 액체에 한 연구가 많이 수행되고 있지

만 합성하고 있는 이온성 액체의 구조는 의외로 한정

되어 있으며 양이온은 테트라알킬암모늄(tetraalkyla-

mmonium) 피롤리디니움(pyrolidinium) 이미다졸리움

(imidazolium) 피리디니움(pyridinium) 등과 같이 비

교 다양성이 풍부한 반면에 음이온 종류는 BF4

PF6 CF3SO3 (CF3SO2)2N 등 할로겐 원소를 구조

에 함유한 것은 일반 으로 종류가 많지 않다(41)

- 할로겐을 포함하지 않는 음이온도 보고 되어 있는데

많은 양이온과 조합하여 액체화를 달성함이 쉽지 않고

한정된 양이온과 질산음이온이나 산 음이온 등을 결

합시킨 것이 보고 되어 있다(42)

- 최근 H Ohno(43)등은 할로겐 원소를 함유하지 않은

음이온으로 이온액체를 구축하기 하여 헤테로방향환

화합물을 착안하여 이미다졸이나 피라졸 등의 아졸

(azol)류 에서 산성을 띠는 124-triazolate 1234-

tetrazolate 등과 이미다졸리움 양이온을 조합시키는 것

에 의해 이온성 액체를 합성하 다

- 이 이온성 액체는 분자량과 비교해서 하의 비국재화

(非局在化)가 크다 한 할로겐 원소를 함유하지 않

고 C H N의 3종류원소만으로 구성되어 있다

제3장 국내외 기술개발 동향 31

lt그림 3-15gt 할로겐 리이온액체의 구조

쯔 츠 이온성 액체 (Zwitter ionic liquids)

- 한편 M Yoshizawa(44) 등은 이온 도재료로서 이온액

체를 사용하는 경우는 구배에 한 이온액체의 구

성이온종의 이동이 큰 문제로 된다

- 따라서 리튬 2차 지나 연료 지 등 목 이온종의 수

율과 계의 출력과의 계를 디바이스에 응용할 때는

이온 도재료로서 이온성 액체를 사용하는 것으로 양

이온과 음이온을 스페이서(spacer)로 결합하는 것에

의해 실온에서 액체상태인 성 이온 액체(zwitter

ionic liquid)를 제안하고 있다

- 양이온과 음이온을 스페이서로 결합하면 하는 체

로서 성이 되어 하이동이 없는 염으로 되는데 스

페이서가 짧아서 충분한 염해리가 힘드나 어느 정도의

자유도가 얻어지면 zwitterion으로 된다

32 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-16gt zwitter ionic liquids의 모식도

특정이온을 포함하는 이온액체

- 이온성 액체를 이온 도체로 사용하는 과제는 목 이

온의 도입이다 이는 리튬염 등 목 이온을 포함하는

염 등을 이온액체에 용해시켜 도입한다

- 그런데 염의 첨가는 계의 성의 증가 이온 도도의

하를 가져온다 한 이온액체와 상용하는 분자무

기염은 많지 않고 첨가염의 종류도 한정되어있는 것이

문제이다

- 이의 해결이 자의 zwitter ion이고 두 번째가 목 이

온을 실온에서 액체화가 가능하면 문제가 해결된다

이러한 방법으로 각종의 알칼리 속 이온성 액체

(alkali metal ionic liquid)를 개발하 다(45)

- lt그림 3-17gt은 알칼리 속이온성 액체는 2가의 응

음이온과 1가의 오니움(onium) 양이온 1가의 목 이

온으로 구성된다

lt그림 3-17gt 알칼리 속이온액체의 개념도

제3장 국내외 기술개발 동향 33

- 이온액체는 구성하는 이온 간의 정 기 상호작용은

없을수록 좋으므로 강한 상호작용을 일으키는 다가이

온의 사용은 물이다 당 리튬 양이온의 이온액체

가 목 이나 여러 가지의 알칼리 속이온도 액체로

되는데 이를 응용하면 로톤을 포함하는 이온액체도

얻어지게 된다

이온액체의 합

- 이온성 액체는 분자 디자인이 용이하기 때문에 고분자

구조를 도입하는 것도 가능하며 이온성 액체의 고분

자화로는 각종의 고분자와 혼합한 겔화가 알려져 있지

만 이온성 액체 에 합기를 직 도입하여 고분자

화 하는 것에 의해 이온 도성뿐 아니라 디바이스의

다운사이징(down-sizing)에 기여할 것으로 망하고

있다(41)

- lt그림 3-18gt은 고분자화 이온액체를 나타내는데 종래

의 polyethyl-eneoxide유도체에 의존하지 않는 새로운

이온 도재료로서 검토된다

- lt그림 3-18gt에서 양이온과 음이온의 한쪽이 고분자의

주쇄에 고정되어 있어서 도 이온종을 선택하는 이

유용하다 한 구성이온종의 양방이 고분자 주쇄에

고정된 구조는 이온 도성을 나타내지 않으나 목 이

온의 첨가로 선택 도가 일어난다(46)

34 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-18gt 이온액체폴리머의 변화

자기조직화 이온액체

- 이온액체는 등방성의 액체로서 3차원 인 이온을 운반

하는 것이 가능하다 이로서 차원제어를 행하고 특정

방향으로 이온을 수송하는 시도가 있다 이를 해 자

기 집합력을 이온액체에 부여할 필요가 있다

- 이온액체의 자기조직화에는 양친매성화합물(兩親媒性

化合物)의 성질을 이용한다 극성성분이 있는 이온액

체에 비극성기(탄화수소쇄 탄화불소쇄)를 도입한 양

친매성 이온액체는 벌크로 써모트로픽 액정성을 발

하여 극성 비극성기가 분자 벨에서 상분리된 구조

를 형성한다

- 이 액체 도메인 에는 이온성 액체자신은 용융되어

높은 운동성을 갖는 알킬기의 집합층에 고정된 상태일

것으로 생각된다 여기에 리튬염을 첨가하면 비극성염

을 갖지 않는 리튬이온의 우선 인 수송이 기 된

다(lt그림 3-19gt 참조)

제3장 국내외 기술개발 동향 35

lt그림 3-19gt 이온성 액체 도메인 의 목 이온수송의 모식도

새로운 용매

- Alabama 학의 Rogers 등은 셀룰로오스를 용해시키는

이온성 액체로서 bmim Cl(1-butyl-3-methylimidazolium

chloride)을 개발하 다(47)

lt그림 3-20gt bmimCl의 구조

- Bmin Cl은 실온에서는 고체로서 75에서 용해되지만

100 정도로 가열한 bmim Cl에 종이(셀룰로오스)를

침지하면 순식간에 용해된다 이 용액을 시린지

(syringe)에 의해 물 에서 용출(溶出)시키면 셀룰로

오스 화이버가 생성된다 풍부한 목재자원을 셀룰로스

로 추출하는 시도가 이루어지고 있다

36 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

- 한 핵산류를 용해시킨 이온액체를 개발하고 있는데

DNA나 RNA는 물에 쉽게 용해되지 않는데 이를 용

해시키는 이온액체가 얻어졌다 일정량의 핵산을 용해

시키는 온도는 사용하는 이온액체의 구조에 크게 의존

한다(48)

- 특히 분자내 는 분자간의 수소결합을 단하는 능

력이 요구되는데 여기에는 염소음이온의 효과가 큰 것

으로 알려져 있다 염소를 포함하는 염은 일반 으로

융 이 높고 실온에서 액상으로 존재하기가 어려운

이 있다

- 이는 음이온의 부 하가 비국재화하고 있지 않기 때문

에 정 인 상호작용이 강하게 작용하고 있는 결과이

다 이를 피하기 해 양이온구조를 개선하여 상온에

서 액체의 염화물 염을 합성한다(49)

- 이 방법으로 양이온 구조를 개선하여 실온에서 액체상

태 염화물염인 aaim Cl(13-diallylimidazolium chloride)

를 개발하 다 aaim Cl은 융 이 21 부근이지만 한번

용융하면 과냉각 상태에서도 안정하여 실온에서 사용

가능하다 단지 도가 높은 것이 난 이다

단백질의 기화학반응용 해질용액

- 단백질의 기화학 인 성질로서 단백질을 이온액체에

용해시키는 것은 통상의 고분자를 용해시키는 것과는

차원이 다데 단백질의 기능은 펩사이드쇄의 3차 구조

에 크게 의존하기 때문에 3차구조가변하면 변성에 의

해서 목 달성이 되지 않는다 따라서 무리한 용해작

업은 변성을 래한다

제3장 국내외 기술개발 동향 37

- 이에 하여 PEO(polyethylene oxide)의 에테르산소가

이온과 강하게 상호작용하고 있다 이는 가용성을 의

미하며 PEO가 단백질과 이온액체를 용해하여 단백질

의 안정성을 향상시킨다 종래 바이오디바이스의 작성

이 곤란했든 것은 수 에서 단백질의 불안정성에 기인

하 는데 사용 온도에 따라 이온액체 의 단백질의

기화학이 새로운 가능성의 개척을 시사한다(50)

5 국내동향

이온액체의 매반응분야(51)

- 한국과학기술연구원 송충의 박사는 이온성 액체를 키

랄 화합물 제조를 한 매반응에 도입하여 고가인

매와 용매의 반복 사용을 가능하게 함에 따라 결

국 매와 용매의 소비를 최소화시킬 수 있는 소 청

정 비 칭 매반응을 개발하 다

- 즉 Jacobsons chiral (salen)MnIII

매 존재 하에서

22-dimethylchro-mene의 비 칭 에폭시화 반응시

[bmim]PF6와 CH2Cl2 (14 vv) 혼합물 용매를 사용

함으로써 96-94의 학순도로 chromene oxides를

합성하는데 성공하 다 이온성 액체를 첨단유기합성

기술인 학활성화합물 제조기술개발에 용함으로써

용매와 매의 소비를 최소화하는 반응과정을 개발하

고 있다

- 이와 같은 기술은 화학 산업에서의 공해 요인을 감소

38 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

시킬 것이며 특히 노벨화학상 수상분야인 비 칭

매반응 분야의 최 문제 으로 지 되었던 키랄 매

의 분리 재회수가 가능하게 되었다는 에서 기술

으로도 우수한 성과라 할 수 있다

- 한 이온성 액체 내에서 일부 매반응이 가속화될

수도 있고 선택성 매의 안정성 역시 향상될 수

있음을 밝혔으며 더욱 놀라운 결과로는 기존의 유기

용매 내에서는 진행되지 않던 일부 반응이 이온

성 액체 내에서는 정량 으로 진행될 수 있다는 것이

- 한 많은 요한 유기반응에서 이온성 액체가 용매로

서뿐 아니라 자신이 재사용 가능 한 매로도 작용할

수 있음을 밝힌 바 있다 이러한 일련의 결과들은 이

온성 액체가 21세기에 매분야뿐 아니라 체 유기화

학분야의 새로운 장을 열고 있다는 에서 요한 의

미를 지닌다고 할 수 있다

합성 응용분야(52)

- 한국과학기술연구원 김훈식 박사 연구 은 KSeO2

(OCH3)를1-alkyl-3-methylimidazolium chloride와 반

응시켜 새로운 이미다졸륨 알킬셀 나이트 ([Rmim]

[SeO2(OCH3)]) 화합물을 합성하 다

- 아민화합물의 산화성 카르보닐화 반응을 통한 치환된

우 아 제조 반응에서 기존의 KSeO2(OCH3)을 매로

사용하 을 경우에 비해 이 화합물은 보다 온화한 반

응조건을 제공할 뿐 아니라 이소시아네이트의 구체

인 치환된 우 아와 카바메이트를 고수율로 합성할 수

제3장 국내외 기술개발 동향 39

있었다

- 재 이온성 액체를 이용한 분리 유기 속화합물을

함유한 고활성 매로서의 이온성 액체의 합성 응

용에 한 연구를 수행하고 있다

- 포항공과 학교의 김만주 교수 연구 은 Lipase를

[PPMIM]PF6 (PPMIM = 1-(3-phenylpropyl)-3-

methylimidazolium)와 혼합시켜Ionic liquid-Coated

Enzyme (ILCE)을 합성하 다 이 새로운 타입의

immobilized biocatalyst는 2차 알코올의 transest-

erification 반응을 통한 acetylated 화합물합성에 높은

활성과 재사용성을 보여 주었으며 이러한 연구결과를

다양한 생화학분야에 용하기 한 연구를 수행하고

있다

- 인하 학교의 지 윤 교수연구 은 alkyl mesylate로부

터 fluoro-alkane을 합성하는 반응에서 이온성 액체를

용매로 사용함으로써 기존방법에 비해 부반응이 거의

없고 생산성이 히 증가된 결과를 얻었으며 이러한

결과를 실용화시키기 한 연구를 지속하고 있다

- 신약개발 바이오벤처 기업 씨트리(C-TRI)는 이온성

액체를 이용한 학활성 화합물제조 기술개발회사로

서 지난 상반기에 31억원의 매출을 올렸으며 최근 이

온성 액체를 이용한 신약개발과 정 화학사업에 필요

한 연구 인력을 거 보강하여 이온성 액체 련사업

을 추진하고 있다

41

제4장

결론 및 제언

향후의 방향

- 이온성 액체에 한 앞으로의 망은 이온성 액체를

주 테마로 하는 국제회의가 증가하고 있다 미국화학

회는 작년 9월 New York에서 이온성 액체에 한 세

션이 개최되어 열띤 토론이 진행 되었다

- 2004년 3~4월에 Anaheim에서 개최된 세션은 ldquo이온성

액체와 고분자rdquo 다 유럽과 미국에서는 이온성 액체

를 반응용매로 보는 것이 주류를 이루고 있었다

- 2004년 10월 Hawaii에서 기화학의 미일합동 회가

열린다 주제는 이온성 액체(용융염)에 한 연구이었

- 앞으로도 이온성 액체에 한 연구는 증가할 것이고

여러 가지 배경을 갖고 있는 연구자들이 서로 다른 목

표를 가지고 연구에 노력할 것이라 생각된다

국내사정

- 우리나라의 황을 보면 재석유화학 의학 산업에

서만 약7억불에 달하는 유기용매가 사용되고 있으며

이들을 모두 체할 수 있다면 최 7억불시장을 형성

할 수 있으므로 이온성 액체의 시장잠재력은 매우 크

42 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

다 하겠다

- 이온성 액체는 휘발성유기화합물을 체할 수 있을 뿐

만 아니라 고가의 귀 속 매를 이온성 액체 층에 고

정화 시킬수 있어 매의 회수 재사용을 용이하게

하며 매의 활성도 안정도 선택도까지도 획기

으로 증가시킬 수 있으므로 환경 측면은 물론 경제

인 에서도 바람직한 청정용매라 할 수 있다

- 상기한바 와같이 이온성 액체의 잠재 인 응용가능성

은 앞으로 무한할 것으로 사료되므로 국내에서도 이에

한 연구자들의 심과 더불어 정부 기업체에 의

한 연구지원이 지속 으로 이루어져야 할 것이다

후의 과제

- 통상의 용매로 이온성 액체를 이용하는 경우에는 내구

성 제조가격 등의 인자가 요하지만 목 이 한정된

이온성 액체의 이용에 있어서는 목 하는 기능을 요

시할 필요가 있다

- 많은 이온성 액체가 합성되고 있으나 원하는 높은 물

성을 갖는 이온성 액체를 설계하는 데 기본이 되는 이

론이 아직은 없는 편이다 이를 해서는 특히 이온성

액체의 구조-물성의 상 계가 밝 져야 하는데 많

은 연구가 진행되고 있음에도 불구하고 그 계가 밝

지지 않고 있다 따라서 상태로서는 원하는 이온

성 액체를 직 만들어서 평가하는 방법밖에 없는 게

실이다

- 그러나 도화와 열안정성 등과 같이 상반 계에 있

는 특성은 하나의 라미터를 변화시키는 것에 의해

제4장 결론 및 제언 43

한 쪽의 특성은 양호하게 되지만 다른 한 쪽의 특성이

악화되는 것을 피할 수 없는 성질로서 아직 양쪽을 동

시에 만족하는 이온성 액체는 실 하지 못하고 있다

- 향후 이온성 액체는 청정용매의 개발과 더불어 새로

운 청정 공정기술의 개발을 통하여 신소재 신물질 생

산 공정을 환경친화 이면서 경제성 있는 공정개발에

기여할 것으로 기 된다

- 특히 비닐기 같은 합성 기능기를 이온성 액체의 단

구조로 도입하여 단독 합이나 공 합을 통해 고분

자화한 이온성 액체를 만들 수 있어 이를 잘 활용하여

이온 지라든가 연료 지 등의 해액으로 응용의 길

이 열린다면 학문 으로나 공업 으로 큰 의의가 있으

리라 생각되며 이 분야의 연구가 활성화되길 기 한

45

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저자소개

손 목

공학박사

한국에 지기술연구소 원장

한국과학기술정보연구원 문연구 원

서 수소 연료 지 개스 센서기술 등

강 종 석

공학박사

한국과학기술정보연구원 선임연구원

서 BT분야 국가연구개발 심층분석

리튬이차 지 등

BB088 손 목강종석

이온성 액체의 반응성 및 전기화학적

특성 연구동향

2005년 12월 19일 인쇄

2005년 12월 23일 발행

발행처

서울특별시 동 문구 청량리동 206-9

ꂕ 130-742

화 3299-6114

등록 1991년 2월 12일 제5-258호

발행인

조 화

인쇄처

신기획

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SUO 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 ITA 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 NOR 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 SVE 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 KOR 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 CHS ltFEFF4f7f75288fd94e9b8bbe7f6e521b5efa76840020005000440046002065876863ff0c5c065305542b66f49ad8768456fe50cf52068fa87387ff0c4ee575284e8e9ad88d2891cf76845370524d6253537030028be5002000500044004600206587686353ef4ee54f7f752800200020004100630072006f00620061007400204e0e002000520065006100640065007200200035002e00300020548c66f49ad87248672c62535f0030028fd94e9b8bbe7f6e89816c425d4c51655b574f533002gt CHT ltFEFF4f7f752890194e9b8a2d5b9a5efa7acb76840020005000440046002065874ef65305542b8f039ad876845f7150cf89e367905ea6ff0c9069752865bc9ad854c18cea76845370524d521753703002005000440046002065874ef653ef4ee54f7f75280020004100630072006f0062006100740020548c002000520065006100640065007200200035002e0030002053ca66f465b07248672c4f86958b555f300290194e9b8a2d5b9a89816c425d4c51655b57578b3002gt gtgtgtgt setdistillerparamsltlt HWResolution [2400 2400] PageSize [612000 792000]gtgt setpagedevice

Page 26: 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향gift.kisti.re.kr/data/IAC/files/KISTI-200512-SYM-ion_fluid.pdf · ※ 이온성 액체는 사용되는 음이온의

제3장 국내외 기술개발 동향 23

비 칭시아노화 반응 비 칭 사이클로 로 화 반응

- 알데히드류의 비 칭시아노화 반응에서도 비 칭 매

를 활용함으로서 학순도가 98정도로 원하는 생성

물이 얻어지고 있으며 이온성 액체의 반응장으로서 유

용성을 보여주고 있다(27)

lt그림 3-8gt 비 칭 시아노화 반응

- 디아조화합물을 사용하는 사이클로 로 화 반응에서

생성하는 시스체와 트란스체의 기하이성체 비는 높지

않으나 각각 학순도는 상당히 높은 것이 얻어진

다(28)

lt그림 3-9gt 비 칭 사이클로 로 화 반응

24 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

이온성 액체 에서의 고분자 합성

- 이온성 액체 에서 합반응을 행하면 MwMn비가

작게 되는 것으로 보고 되었다 이온성 액체를 이용하

여 합개시제로서 과산화벤조일이나 아조비스이소부

틸로니트릴을 사용한 스티 메틸메타크릴 이트의

호모(homo) 합에서 생성물은 이온성 액체로부터 여

과하는 것만으로 분리가 가능하고 회수한 이온성 액체

를 합용 용매로서 재이용이 가능하고 생성된 고분자

체의 분자량도 증가한다

lt그림 3-10gt 이온성 액체[bmim][PF6] 의 스티 의 합반응

중합용매

개시제 중합용매 수율() 분자량

중합용매

개시제 중합용매 수율() 분자량

- 벤젠 에서와 비교하여 이온성 액체 에서 합도

(重合度) 더욱이 생성물의 수율이 향상하는 것은 이

온성 액체의 도가 벤젠에 비하여 높아 연쇄 이동을

일으키기가 어렵고 생성한 폴리머 라디칼이 용매계로

부터 계외(系外)로 배출되기 쉽기 때문이라 생각된다

- 더욱이 이온성 액체 에서 AIBN(22-Azobis (isobuthy-

제3장 국내외 기술개발 동향 25

ronitril)) 내지는 BPO(benzoylperoxide)를 합개시제

로 한 스티 과 메틸메타크릴 이트의 라디칼 공 합

에 하여도 검토되고 있다

- 공 합 반응은 스티 의 첨가 몰비를 MMA에 비해

증 시켜도 코폴리머 분자량 모노머의 변화율이

하하는 경향이 있다 이 결과는 벤젠을 용매로 한 공

합계와 반 의 경향이고 이온성 액체의 극성이 높아

스티 에 비하여 극성 용매 에서 MMA의 합성이

높아지기 때문이라고 생각된다(29)

lt그림 3-11gt 이온성액체[bmim][PF6] 의 공 합 반응

3 촉매반응에서의 이온성 용액

매반응에서 이온성 용액은 자체 매성 보조 매 매활

성자 매 심의 새로운 리간드의 원 반응을 한 용매

등으로써 용된다(30)

26 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

유기 매로서의 이온성 용액

- 이온성 용액을 매반응에 사용하는 가장 좋은 방법은

용매와 매를 조합해서 사용하는 것이다 용매를 바

꿀 때마다 반응이 빨라지면 새로운 용매는 매 역할

을 한 것으로 본다

lt그림 3-12gt methyl acrylate와 [C4C1im]+ 양이온 사이의 수소결합

- 염화알루미늄염(III)(AlCl3) 이온성 용액에서 자치

환 산성 이온성 용액에서 아 (arenes)의 좋은 용해

성과 결합한 산성의 염화알루미늄염 이온성 용액의

높은 농도 [Al2Cl7]-는 친 자성 방향족 치환을 한

이상 인 용매로 만들 수 있다 산성인 [C2C1im]

Cl-AlCl3에서 1-염화 로 과의 벤젠 알킬반응에서 알

킬 고분자화가 측되었다 이이온성 용액시스템은 높

은 활동성과 선택성을 보 다(31)

- 유기용매로서 이온성 용액 이온성 용액은 지난 수년

간 유기 매 반응에 새로운 흥미를 갖기 시작하 으며

이 분야에 향을 수 있는 가능성을 가지고 있다

유기 매 반응에 한 근방법은 흔히 디엘-알더

(Diels-Alder) 환형추가 그 유도체인 수소결합의

상호작용 반응을 통해서이다(32)

제3장 국내외 기술개발 동향 27

보조 매로의 이온성 용액은 올 핀의 이합체화 (Olefin

dimerization)에서 니 매로 산성염화알루미늄염의 이

온성 용액이 로펜을 헥센에 이합체화를 한 반응에서

용매와 보조 매의 조합으로 사용한 첫 번째 경우이

다(33)

리간드 원으로서의 이온성 용액

- 수소화와 수소포르 화 반응 수소화 반응 수소포

르 화 반응을 해 용매로서 [Et4N][SnCl3]의 PtCl2용

액은 속에 매의 확실한 분해도 없이 올 핀의 수

소화에 효과 으로 매반응을 일으켰다 공기와의

을 피하도록 하는 가운데 활성화의 손실이 없이

매용액을 계속 으로 사용함으로써 반응이 이루어진

다(34)

- 팔라듐 NHC착물의 형성 이온성 용액은 팔라둠 매

반응의 넓은범 의 용매로 사용되어 왔다 이 연구과

정에서 재미있는 화학 상은 HHC착물과 나노 입

자의 형성이었다 이는 아직 논쟁의 상이 되고 있다

NHC착물은 이미다졸리움 이온성 용액에서 형성되며

기 하지 않는 반응성 는 선택성이 감지될 때 이를

항상 고려해야한다(35)

28 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-13gt NHC 매의 lactide 합에서의 ring opening

- 이온성 용액에서 나노입자의 형성 최근에 매로서

나노입자의 사용이 증가되는 심분야이다 1996년

Kaufmann이 이온성 용액에서처음으로 팔라듐의 매

반응을 보고하 다 일련의 아릴 롬이[C16PbBu3]Br

는 [Bu4N]Br에서 노말-알킬 이트와 결합하여 수율

90이상의 trans-시안염을 생성하는 반응이었다(36)

반응 용매로서의 이온성 용액

- 알 수소화 반응 [SbF6]- 와 [PF4]-의 두 이온성

용액에서 수소화 반응의 속도는 알 용액에서보다 훨

씬 높았다 왜 이 이온성 용액이 개선되었는지에 해

서는 아직 연구된 바가 없다 실제 매의 실체조차확

인이 안 되었다 반응용액으로부터 생성된 알 은 분

리가 쉬웠고 매를 함유한 용액은 순환되었다(37)

lt그림 3-14gt [C4C1im][PF6]의 수소포르 화 매의 두형태의 평형

제3장 국내외 기술개발 동향 29

- 산화 비록 재 사용되는 부분의 이온성 용액은 산

화에 안정 이고 산화과정에 이상 인 용매를 제공하

고 있지만 이것은 불과 지난몇 년 사이의 일이었다

Ni(acac)2는 [C4C1im][PF6]에서 해당되는 산의 라-

치환 benzaldehydes를 보통의 수율로 공기 에서 산

화반응의 매로 사용되어 왔다(38)

기화학 매용매로써의 이온성 용액

- 자화학을 이끄는 이온성 용액은 기화학 합성용

용매로서 가능성을 보이고 있다 최근에는 Ni이 알킬

벤질 아릴 할로겐화합물의 기 도성 동종결합

(electro conductive homo-coupling) 반응에 매로 보

고 된 바 있다 니 (II)착물은 니 (0)의 종에 하여

환원되고 방향성 할로겐화물에 첨가되어 할로겐 화합

물이 된다는 제안이 있었다(39)

이온성 용액의 고정화

- 반응시스템이 액체일 때 많은 장 이 있지만 때로는

그것을 고정화(immobilize) 시킬 필요가 있다 이온성

용액을 고정화 시키는데 심이 모아지고 있으며 첫

번째의 시도가 이온성 용액- 합체 겔을 만들기 하

여 고분자 vinylidenefluoride- hexachloropropylene의

공 합체를 사용한 것이다(40)

30 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

4 근대의 동향

할로겐 리이온액체

- 근년 이온성 액체에 한 연구가 많이 수행되고 있지

만 합성하고 있는 이온성 액체의 구조는 의외로 한정

되어 있으며 양이온은 테트라알킬암모늄(tetraalkyla-

mmonium) 피롤리디니움(pyrolidinium) 이미다졸리움

(imidazolium) 피리디니움(pyridinium) 등과 같이 비

교 다양성이 풍부한 반면에 음이온 종류는 BF4

PF6 CF3SO3 (CF3SO2)2N 등 할로겐 원소를 구조

에 함유한 것은 일반 으로 종류가 많지 않다(41)

- 할로겐을 포함하지 않는 음이온도 보고 되어 있는데

많은 양이온과 조합하여 액체화를 달성함이 쉽지 않고

한정된 양이온과 질산음이온이나 산 음이온 등을 결

합시킨 것이 보고 되어 있다(42)

- 최근 H Ohno(43)등은 할로겐 원소를 함유하지 않은

음이온으로 이온액체를 구축하기 하여 헤테로방향환

화합물을 착안하여 이미다졸이나 피라졸 등의 아졸

(azol)류 에서 산성을 띠는 124-triazolate 1234-

tetrazolate 등과 이미다졸리움 양이온을 조합시키는 것

에 의해 이온성 액체를 합성하 다

- 이 이온성 액체는 분자량과 비교해서 하의 비국재화

(非局在化)가 크다 한 할로겐 원소를 함유하지 않

고 C H N의 3종류원소만으로 구성되어 있다

제3장 국내외 기술개발 동향 31

lt그림 3-15gt 할로겐 리이온액체의 구조

쯔 츠 이온성 액체 (Zwitter ionic liquids)

- 한편 M Yoshizawa(44) 등은 이온 도재료로서 이온액

체를 사용하는 경우는 구배에 한 이온액체의 구

성이온종의 이동이 큰 문제로 된다

- 따라서 리튬 2차 지나 연료 지 등 목 이온종의 수

율과 계의 출력과의 계를 디바이스에 응용할 때는

이온 도재료로서 이온성 액체를 사용하는 것으로 양

이온과 음이온을 스페이서(spacer)로 결합하는 것에

의해 실온에서 액체상태인 성 이온 액체(zwitter

ionic liquid)를 제안하고 있다

- 양이온과 음이온을 스페이서로 결합하면 하는 체

로서 성이 되어 하이동이 없는 염으로 되는데 스

페이서가 짧아서 충분한 염해리가 힘드나 어느 정도의

자유도가 얻어지면 zwitterion으로 된다

32 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-16gt zwitter ionic liquids의 모식도

특정이온을 포함하는 이온액체

- 이온성 액체를 이온 도체로 사용하는 과제는 목 이

온의 도입이다 이는 리튬염 등 목 이온을 포함하는

염 등을 이온액체에 용해시켜 도입한다

- 그런데 염의 첨가는 계의 성의 증가 이온 도도의

하를 가져온다 한 이온액체와 상용하는 분자무

기염은 많지 않고 첨가염의 종류도 한정되어있는 것이

문제이다

- 이의 해결이 자의 zwitter ion이고 두 번째가 목 이

온을 실온에서 액체화가 가능하면 문제가 해결된다

이러한 방법으로 각종의 알칼리 속 이온성 액체

(alkali metal ionic liquid)를 개발하 다(45)

- lt그림 3-17gt은 알칼리 속이온성 액체는 2가의 응

음이온과 1가의 오니움(onium) 양이온 1가의 목 이

온으로 구성된다

lt그림 3-17gt 알칼리 속이온액체의 개념도

제3장 국내외 기술개발 동향 33

- 이온액체는 구성하는 이온 간의 정 기 상호작용은

없을수록 좋으므로 강한 상호작용을 일으키는 다가이

온의 사용은 물이다 당 리튬 양이온의 이온액체

가 목 이나 여러 가지의 알칼리 속이온도 액체로

되는데 이를 응용하면 로톤을 포함하는 이온액체도

얻어지게 된다

이온액체의 합

- 이온성 액체는 분자 디자인이 용이하기 때문에 고분자

구조를 도입하는 것도 가능하며 이온성 액체의 고분

자화로는 각종의 고분자와 혼합한 겔화가 알려져 있지

만 이온성 액체 에 합기를 직 도입하여 고분자

화 하는 것에 의해 이온 도성뿐 아니라 디바이스의

다운사이징(down-sizing)에 기여할 것으로 망하고

있다(41)

- lt그림 3-18gt은 고분자화 이온액체를 나타내는데 종래

의 polyethyl-eneoxide유도체에 의존하지 않는 새로운

이온 도재료로서 검토된다

- lt그림 3-18gt에서 양이온과 음이온의 한쪽이 고분자의

주쇄에 고정되어 있어서 도 이온종을 선택하는 이

유용하다 한 구성이온종의 양방이 고분자 주쇄에

고정된 구조는 이온 도성을 나타내지 않으나 목 이

온의 첨가로 선택 도가 일어난다(46)

34 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-18gt 이온액체폴리머의 변화

자기조직화 이온액체

- 이온액체는 등방성의 액체로서 3차원 인 이온을 운반

하는 것이 가능하다 이로서 차원제어를 행하고 특정

방향으로 이온을 수송하는 시도가 있다 이를 해 자

기 집합력을 이온액체에 부여할 필요가 있다

- 이온액체의 자기조직화에는 양친매성화합물(兩親媒性

化合物)의 성질을 이용한다 극성성분이 있는 이온액

체에 비극성기(탄화수소쇄 탄화불소쇄)를 도입한 양

친매성 이온액체는 벌크로 써모트로픽 액정성을 발

하여 극성 비극성기가 분자 벨에서 상분리된 구조

를 형성한다

- 이 액체 도메인 에는 이온성 액체자신은 용융되어

높은 운동성을 갖는 알킬기의 집합층에 고정된 상태일

것으로 생각된다 여기에 리튬염을 첨가하면 비극성염

을 갖지 않는 리튬이온의 우선 인 수송이 기 된

다(lt그림 3-19gt 참조)

제3장 국내외 기술개발 동향 35

lt그림 3-19gt 이온성 액체 도메인 의 목 이온수송의 모식도

새로운 용매

- Alabama 학의 Rogers 등은 셀룰로오스를 용해시키는

이온성 액체로서 bmim Cl(1-butyl-3-methylimidazolium

chloride)을 개발하 다(47)

lt그림 3-20gt bmimCl의 구조

- Bmin Cl은 실온에서는 고체로서 75에서 용해되지만

100 정도로 가열한 bmim Cl에 종이(셀룰로오스)를

침지하면 순식간에 용해된다 이 용액을 시린지

(syringe)에 의해 물 에서 용출(溶出)시키면 셀룰로

오스 화이버가 생성된다 풍부한 목재자원을 셀룰로스

로 추출하는 시도가 이루어지고 있다

36 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

- 한 핵산류를 용해시킨 이온액체를 개발하고 있는데

DNA나 RNA는 물에 쉽게 용해되지 않는데 이를 용

해시키는 이온액체가 얻어졌다 일정량의 핵산을 용해

시키는 온도는 사용하는 이온액체의 구조에 크게 의존

한다(48)

- 특히 분자내 는 분자간의 수소결합을 단하는 능

력이 요구되는데 여기에는 염소음이온의 효과가 큰 것

으로 알려져 있다 염소를 포함하는 염은 일반 으로

융 이 높고 실온에서 액상으로 존재하기가 어려운

이 있다

- 이는 음이온의 부 하가 비국재화하고 있지 않기 때문

에 정 인 상호작용이 강하게 작용하고 있는 결과이

다 이를 피하기 해 양이온구조를 개선하여 상온에

서 액체의 염화물 염을 합성한다(49)

- 이 방법으로 양이온 구조를 개선하여 실온에서 액체상

태 염화물염인 aaim Cl(13-diallylimidazolium chloride)

를 개발하 다 aaim Cl은 융 이 21 부근이지만 한번

용융하면 과냉각 상태에서도 안정하여 실온에서 사용

가능하다 단지 도가 높은 것이 난 이다

단백질의 기화학반응용 해질용액

- 단백질의 기화학 인 성질로서 단백질을 이온액체에

용해시키는 것은 통상의 고분자를 용해시키는 것과는

차원이 다데 단백질의 기능은 펩사이드쇄의 3차 구조

에 크게 의존하기 때문에 3차구조가변하면 변성에 의

해서 목 달성이 되지 않는다 따라서 무리한 용해작

업은 변성을 래한다

제3장 국내외 기술개발 동향 37

- 이에 하여 PEO(polyethylene oxide)의 에테르산소가

이온과 강하게 상호작용하고 있다 이는 가용성을 의

미하며 PEO가 단백질과 이온액체를 용해하여 단백질

의 안정성을 향상시킨다 종래 바이오디바이스의 작성

이 곤란했든 것은 수 에서 단백질의 불안정성에 기인

하 는데 사용 온도에 따라 이온액체 의 단백질의

기화학이 새로운 가능성의 개척을 시사한다(50)

5 국내동향

이온액체의 매반응분야(51)

- 한국과학기술연구원 송충의 박사는 이온성 액체를 키

랄 화합물 제조를 한 매반응에 도입하여 고가인

매와 용매의 반복 사용을 가능하게 함에 따라 결

국 매와 용매의 소비를 최소화시킬 수 있는 소 청

정 비 칭 매반응을 개발하 다

- 즉 Jacobsons chiral (salen)MnIII

매 존재 하에서

22-dimethylchro-mene의 비 칭 에폭시화 반응시

[bmim]PF6와 CH2Cl2 (14 vv) 혼합물 용매를 사용

함으로써 96-94의 학순도로 chromene oxides를

합성하는데 성공하 다 이온성 액체를 첨단유기합성

기술인 학활성화합물 제조기술개발에 용함으로써

용매와 매의 소비를 최소화하는 반응과정을 개발하

고 있다

- 이와 같은 기술은 화학 산업에서의 공해 요인을 감소

38 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

시킬 것이며 특히 노벨화학상 수상분야인 비 칭

매반응 분야의 최 문제 으로 지 되었던 키랄 매

의 분리 재회수가 가능하게 되었다는 에서 기술

으로도 우수한 성과라 할 수 있다

- 한 이온성 액체 내에서 일부 매반응이 가속화될

수도 있고 선택성 매의 안정성 역시 향상될 수

있음을 밝혔으며 더욱 놀라운 결과로는 기존의 유기

용매 내에서는 진행되지 않던 일부 반응이 이온

성 액체 내에서는 정량 으로 진행될 수 있다는 것이

- 한 많은 요한 유기반응에서 이온성 액체가 용매로

서뿐 아니라 자신이 재사용 가능 한 매로도 작용할

수 있음을 밝힌 바 있다 이러한 일련의 결과들은 이

온성 액체가 21세기에 매분야뿐 아니라 체 유기화

학분야의 새로운 장을 열고 있다는 에서 요한 의

미를 지닌다고 할 수 있다

합성 응용분야(52)

- 한국과학기술연구원 김훈식 박사 연구 은 KSeO2

(OCH3)를1-alkyl-3-methylimidazolium chloride와 반

응시켜 새로운 이미다졸륨 알킬셀 나이트 ([Rmim]

[SeO2(OCH3)]) 화합물을 합성하 다

- 아민화합물의 산화성 카르보닐화 반응을 통한 치환된

우 아 제조 반응에서 기존의 KSeO2(OCH3)을 매로

사용하 을 경우에 비해 이 화합물은 보다 온화한 반

응조건을 제공할 뿐 아니라 이소시아네이트의 구체

인 치환된 우 아와 카바메이트를 고수율로 합성할 수

제3장 국내외 기술개발 동향 39

있었다

- 재 이온성 액체를 이용한 분리 유기 속화합물을

함유한 고활성 매로서의 이온성 액체의 합성 응

용에 한 연구를 수행하고 있다

- 포항공과 학교의 김만주 교수 연구 은 Lipase를

[PPMIM]PF6 (PPMIM = 1-(3-phenylpropyl)-3-

methylimidazolium)와 혼합시켜Ionic liquid-Coated

Enzyme (ILCE)을 합성하 다 이 새로운 타입의

immobilized biocatalyst는 2차 알코올의 transest-

erification 반응을 통한 acetylated 화합물합성에 높은

활성과 재사용성을 보여 주었으며 이러한 연구결과를

다양한 생화학분야에 용하기 한 연구를 수행하고

있다

- 인하 학교의 지 윤 교수연구 은 alkyl mesylate로부

터 fluoro-alkane을 합성하는 반응에서 이온성 액체를

용매로 사용함으로써 기존방법에 비해 부반응이 거의

없고 생산성이 히 증가된 결과를 얻었으며 이러한

결과를 실용화시키기 한 연구를 지속하고 있다

- 신약개발 바이오벤처 기업 씨트리(C-TRI)는 이온성

액체를 이용한 학활성 화합물제조 기술개발회사로

서 지난 상반기에 31억원의 매출을 올렸으며 최근 이

온성 액체를 이용한 신약개발과 정 화학사업에 필요

한 연구 인력을 거 보강하여 이온성 액체 련사업

을 추진하고 있다

41

제4장

결론 및 제언

향후의 방향

- 이온성 액체에 한 앞으로의 망은 이온성 액체를

주 테마로 하는 국제회의가 증가하고 있다 미국화학

회는 작년 9월 New York에서 이온성 액체에 한 세

션이 개최되어 열띤 토론이 진행 되었다

- 2004년 3~4월에 Anaheim에서 개최된 세션은 ldquo이온성

액체와 고분자rdquo 다 유럽과 미국에서는 이온성 액체

를 반응용매로 보는 것이 주류를 이루고 있었다

- 2004년 10월 Hawaii에서 기화학의 미일합동 회가

열린다 주제는 이온성 액체(용융염)에 한 연구이었

- 앞으로도 이온성 액체에 한 연구는 증가할 것이고

여러 가지 배경을 갖고 있는 연구자들이 서로 다른 목

표를 가지고 연구에 노력할 것이라 생각된다

국내사정

- 우리나라의 황을 보면 재석유화학 의학 산업에

서만 약7억불에 달하는 유기용매가 사용되고 있으며

이들을 모두 체할 수 있다면 최 7억불시장을 형성

할 수 있으므로 이온성 액체의 시장잠재력은 매우 크

42 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

다 하겠다

- 이온성 액체는 휘발성유기화합물을 체할 수 있을 뿐

만 아니라 고가의 귀 속 매를 이온성 액체 층에 고

정화 시킬수 있어 매의 회수 재사용을 용이하게

하며 매의 활성도 안정도 선택도까지도 획기

으로 증가시킬 수 있으므로 환경 측면은 물론 경제

인 에서도 바람직한 청정용매라 할 수 있다

- 상기한바 와같이 이온성 액체의 잠재 인 응용가능성

은 앞으로 무한할 것으로 사료되므로 국내에서도 이에

한 연구자들의 심과 더불어 정부 기업체에 의

한 연구지원이 지속 으로 이루어져야 할 것이다

후의 과제

- 통상의 용매로 이온성 액체를 이용하는 경우에는 내구

성 제조가격 등의 인자가 요하지만 목 이 한정된

이온성 액체의 이용에 있어서는 목 하는 기능을 요

시할 필요가 있다

- 많은 이온성 액체가 합성되고 있으나 원하는 높은 물

성을 갖는 이온성 액체를 설계하는 데 기본이 되는 이

론이 아직은 없는 편이다 이를 해서는 특히 이온성

액체의 구조-물성의 상 계가 밝 져야 하는데 많

은 연구가 진행되고 있음에도 불구하고 그 계가 밝

지지 않고 있다 따라서 상태로서는 원하는 이온

성 액체를 직 만들어서 평가하는 방법밖에 없는 게

실이다

- 그러나 도화와 열안정성 등과 같이 상반 계에 있

는 특성은 하나의 라미터를 변화시키는 것에 의해

제4장 결론 및 제언 43

한 쪽의 특성은 양호하게 되지만 다른 한 쪽의 특성이

악화되는 것을 피할 수 없는 성질로서 아직 양쪽을 동

시에 만족하는 이온성 액체는 실 하지 못하고 있다

- 향후 이온성 액체는 청정용매의 개발과 더불어 새로

운 청정 공정기술의 개발을 통하여 신소재 신물질 생

산 공정을 환경친화 이면서 경제성 있는 공정개발에

기여할 것으로 기 된다

- 특히 비닐기 같은 합성 기능기를 이온성 액체의 단

구조로 도입하여 단독 합이나 공 합을 통해 고분

자화한 이온성 액체를 만들 수 있어 이를 잘 활용하여

이온 지라든가 연료 지 등의 해액으로 응용의 길

이 열린다면 학문 으로나 공업 으로 큰 의의가 있으

리라 생각되며 이 분야의 연구가 활성화되길 기 한

45

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저자소개

손 목

공학박사

한국에 지기술연구소 원장

한국과학기술정보연구원 문연구 원

서 수소 연료 지 개스 센서기술 등

강 종 석

공학박사

한국과학기술정보연구원 선임연구원

서 BT분야 국가연구개발 심층분석

리튬이차 지 등

BB088 손 목강종석

이온성 액체의 반응성 및 전기화학적

특성 연구동향

2005년 12월 19일 인쇄

2005년 12월 23일 발행

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등록 1991년 2월 12일 제5-258호

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SUO 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 ITA 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 NOR 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 SVE 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 KOR 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 CHS ltFEFF4f7f75288fd94e9b8bbe7f6e521b5efa76840020005000440046002065876863ff0c5c065305542b66f49ad8768456fe50cf52068fa87387ff0c4ee575284e8e9ad88d2891cf76845370524d6253537030028be5002000500044004600206587686353ef4ee54f7f752800200020004100630072006f00620061007400204e0e002000520065006100640065007200200035002e00300020548c66f49ad87248672c62535f0030028fd94e9b8bbe7f6e89816c425d4c51655b574f533002gt CHT ltFEFF4f7f752890194e9b8a2d5b9a5efa7acb76840020005000440046002065874ef65305542b8f039ad876845f7150cf89e367905ea6ff0c9069752865bc9ad854c18cea76845370524d521753703002005000440046002065874ef653ef4ee54f7f75280020004100630072006f0062006100740020548c002000520065006100640065007200200035002e0030002053ca66f465b07248672c4f86958b555f300290194e9b8a2d5b9a89816c425d4c51655b57578b3002gt gtgtgtgt setdistillerparamsltlt HWResolution [2400 2400] PageSize [612000 792000]gtgt setpagedevice

Page 27: 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향gift.kisti.re.kr/data/IAC/files/KISTI-200512-SYM-ion_fluid.pdf · ※ 이온성 액체는 사용되는 음이온의

24 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

이온성 액체 에서의 고분자 합성

- 이온성 액체 에서 합반응을 행하면 MwMn비가

작게 되는 것으로 보고 되었다 이온성 액체를 이용하

여 합개시제로서 과산화벤조일이나 아조비스이소부

틸로니트릴을 사용한 스티 메틸메타크릴 이트의

호모(homo) 합에서 생성물은 이온성 액체로부터 여

과하는 것만으로 분리가 가능하고 회수한 이온성 액체

를 합용 용매로서 재이용이 가능하고 생성된 고분자

체의 분자량도 증가한다

lt그림 3-10gt 이온성 액체[bmim][PF6] 의 스티 의 합반응

중합용매

개시제 중합용매 수율() 분자량

중합용매

개시제 중합용매 수율() 분자량

- 벤젠 에서와 비교하여 이온성 액체 에서 합도

(重合度) 더욱이 생성물의 수율이 향상하는 것은 이

온성 액체의 도가 벤젠에 비하여 높아 연쇄 이동을

일으키기가 어렵고 생성한 폴리머 라디칼이 용매계로

부터 계외(系外)로 배출되기 쉽기 때문이라 생각된다

- 더욱이 이온성 액체 에서 AIBN(22-Azobis (isobuthy-

제3장 국내외 기술개발 동향 25

ronitril)) 내지는 BPO(benzoylperoxide)를 합개시제

로 한 스티 과 메틸메타크릴 이트의 라디칼 공 합

에 하여도 검토되고 있다

- 공 합 반응은 스티 의 첨가 몰비를 MMA에 비해

증 시켜도 코폴리머 분자량 모노머의 변화율이

하하는 경향이 있다 이 결과는 벤젠을 용매로 한 공

합계와 반 의 경향이고 이온성 액체의 극성이 높아

스티 에 비하여 극성 용매 에서 MMA의 합성이

높아지기 때문이라고 생각된다(29)

lt그림 3-11gt 이온성액체[bmim][PF6] 의 공 합 반응

3 촉매반응에서의 이온성 용액

매반응에서 이온성 용액은 자체 매성 보조 매 매활

성자 매 심의 새로운 리간드의 원 반응을 한 용매

등으로써 용된다(30)

26 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

유기 매로서의 이온성 용액

- 이온성 용액을 매반응에 사용하는 가장 좋은 방법은

용매와 매를 조합해서 사용하는 것이다 용매를 바

꿀 때마다 반응이 빨라지면 새로운 용매는 매 역할

을 한 것으로 본다

lt그림 3-12gt methyl acrylate와 [C4C1im]+ 양이온 사이의 수소결합

- 염화알루미늄염(III)(AlCl3) 이온성 용액에서 자치

환 산성 이온성 용액에서 아 (arenes)의 좋은 용해

성과 결합한 산성의 염화알루미늄염 이온성 용액의

높은 농도 [Al2Cl7]-는 친 자성 방향족 치환을 한

이상 인 용매로 만들 수 있다 산성인 [C2C1im]

Cl-AlCl3에서 1-염화 로 과의 벤젠 알킬반응에서 알

킬 고분자화가 측되었다 이이온성 용액시스템은 높

은 활동성과 선택성을 보 다(31)

- 유기용매로서 이온성 용액 이온성 용액은 지난 수년

간 유기 매 반응에 새로운 흥미를 갖기 시작하 으며

이 분야에 향을 수 있는 가능성을 가지고 있다

유기 매 반응에 한 근방법은 흔히 디엘-알더

(Diels-Alder) 환형추가 그 유도체인 수소결합의

상호작용 반응을 통해서이다(32)

제3장 국내외 기술개발 동향 27

보조 매로의 이온성 용액은 올 핀의 이합체화 (Olefin

dimerization)에서 니 매로 산성염화알루미늄염의 이

온성 용액이 로펜을 헥센에 이합체화를 한 반응에서

용매와 보조 매의 조합으로 사용한 첫 번째 경우이

다(33)

리간드 원으로서의 이온성 용액

- 수소화와 수소포르 화 반응 수소화 반응 수소포

르 화 반응을 해 용매로서 [Et4N][SnCl3]의 PtCl2용

액은 속에 매의 확실한 분해도 없이 올 핀의 수

소화에 효과 으로 매반응을 일으켰다 공기와의

을 피하도록 하는 가운데 활성화의 손실이 없이

매용액을 계속 으로 사용함으로써 반응이 이루어진

다(34)

- 팔라듐 NHC착물의 형성 이온성 용액은 팔라둠 매

반응의 넓은범 의 용매로 사용되어 왔다 이 연구과

정에서 재미있는 화학 상은 HHC착물과 나노 입

자의 형성이었다 이는 아직 논쟁의 상이 되고 있다

NHC착물은 이미다졸리움 이온성 용액에서 형성되며

기 하지 않는 반응성 는 선택성이 감지될 때 이를

항상 고려해야한다(35)

28 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-13gt NHC 매의 lactide 합에서의 ring opening

- 이온성 용액에서 나노입자의 형성 최근에 매로서

나노입자의 사용이 증가되는 심분야이다 1996년

Kaufmann이 이온성 용액에서처음으로 팔라듐의 매

반응을 보고하 다 일련의 아릴 롬이[C16PbBu3]Br

는 [Bu4N]Br에서 노말-알킬 이트와 결합하여 수율

90이상의 trans-시안염을 생성하는 반응이었다(36)

반응 용매로서의 이온성 용액

- 알 수소화 반응 [SbF6]- 와 [PF4]-의 두 이온성

용액에서 수소화 반응의 속도는 알 용액에서보다 훨

씬 높았다 왜 이 이온성 용액이 개선되었는지에 해

서는 아직 연구된 바가 없다 실제 매의 실체조차확

인이 안 되었다 반응용액으로부터 생성된 알 은 분

리가 쉬웠고 매를 함유한 용액은 순환되었다(37)

lt그림 3-14gt [C4C1im][PF6]의 수소포르 화 매의 두형태의 평형

제3장 국내외 기술개발 동향 29

- 산화 비록 재 사용되는 부분의 이온성 용액은 산

화에 안정 이고 산화과정에 이상 인 용매를 제공하

고 있지만 이것은 불과 지난몇 년 사이의 일이었다

Ni(acac)2는 [C4C1im][PF6]에서 해당되는 산의 라-

치환 benzaldehydes를 보통의 수율로 공기 에서 산

화반응의 매로 사용되어 왔다(38)

기화학 매용매로써의 이온성 용액

- 자화학을 이끄는 이온성 용액은 기화학 합성용

용매로서 가능성을 보이고 있다 최근에는 Ni이 알킬

벤질 아릴 할로겐화합물의 기 도성 동종결합

(electro conductive homo-coupling) 반응에 매로 보

고 된 바 있다 니 (II)착물은 니 (0)의 종에 하여

환원되고 방향성 할로겐화물에 첨가되어 할로겐 화합

물이 된다는 제안이 있었다(39)

이온성 용액의 고정화

- 반응시스템이 액체일 때 많은 장 이 있지만 때로는

그것을 고정화(immobilize) 시킬 필요가 있다 이온성

용액을 고정화 시키는데 심이 모아지고 있으며 첫

번째의 시도가 이온성 용액- 합체 겔을 만들기 하

여 고분자 vinylidenefluoride- hexachloropropylene의

공 합체를 사용한 것이다(40)

30 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

4 근대의 동향

할로겐 리이온액체

- 근년 이온성 액체에 한 연구가 많이 수행되고 있지

만 합성하고 있는 이온성 액체의 구조는 의외로 한정

되어 있으며 양이온은 테트라알킬암모늄(tetraalkyla-

mmonium) 피롤리디니움(pyrolidinium) 이미다졸리움

(imidazolium) 피리디니움(pyridinium) 등과 같이 비

교 다양성이 풍부한 반면에 음이온 종류는 BF4

PF6 CF3SO3 (CF3SO2)2N 등 할로겐 원소를 구조

에 함유한 것은 일반 으로 종류가 많지 않다(41)

- 할로겐을 포함하지 않는 음이온도 보고 되어 있는데

많은 양이온과 조합하여 액체화를 달성함이 쉽지 않고

한정된 양이온과 질산음이온이나 산 음이온 등을 결

합시킨 것이 보고 되어 있다(42)

- 최근 H Ohno(43)등은 할로겐 원소를 함유하지 않은

음이온으로 이온액체를 구축하기 하여 헤테로방향환

화합물을 착안하여 이미다졸이나 피라졸 등의 아졸

(azol)류 에서 산성을 띠는 124-triazolate 1234-

tetrazolate 등과 이미다졸리움 양이온을 조합시키는 것

에 의해 이온성 액체를 합성하 다

- 이 이온성 액체는 분자량과 비교해서 하의 비국재화

(非局在化)가 크다 한 할로겐 원소를 함유하지 않

고 C H N의 3종류원소만으로 구성되어 있다

제3장 국내외 기술개발 동향 31

lt그림 3-15gt 할로겐 리이온액체의 구조

쯔 츠 이온성 액체 (Zwitter ionic liquids)

- 한편 M Yoshizawa(44) 등은 이온 도재료로서 이온액

체를 사용하는 경우는 구배에 한 이온액체의 구

성이온종의 이동이 큰 문제로 된다

- 따라서 리튬 2차 지나 연료 지 등 목 이온종의 수

율과 계의 출력과의 계를 디바이스에 응용할 때는

이온 도재료로서 이온성 액체를 사용하는 것으로 양

이온과 음이온을 스페이서(spacer)로 결합하는 것에

의해 실온에서 액체상태인 성 이온 액체(zwitter

ionic liquid)를 제안하고 있다

- 양이온과 음이온을 스페이서로 결합하면 하는 체

로서 성이 되어 하이동이 없는 염으로 되는데 스

페이서가 짧아서 충분한 염해리가 힘드나 어느 정도의

자유도가 얻어지면 zwitterion으로 된다

32 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-16gt zwitter ionic liquids의 모식도

특정이온을 포함하는 이온액체

- 이온성 액체를 이온 도체로 사용하는 과제는 목 이

온의 도입이다 이는 리튬염 등 목 이온을 포함하는

염 등을 이온액체에 용해시켜 도입한다

- 그런데 염의 첨가는 계의 성의 증가 이온 도도의

하를 가져온다 한 이온액체와 상용하는 분자무

기염은 많지 않고 첨가염의 종류도 한정되어있는 것이

문제이다

- 이의 해결이 자의 zwitter ion이고 두 번째가 목 이

온을 실온에서 액체화가 가능하면 문제가 해결된다

이러한 방법으로 각종의 알칼리 속 이온성 액체

(alkali metal ionic liquid)를 개발하 다(45)

- lt그림 3-17gt은 알칼리 속이온성 액체는 2가의 응

음이온과 1가의 오니움(onium) 양이온 1가의 목 이

온으로 구성된다

lt그림 3-17gt 알칼리 속이온액체의 개념도

제3장 국내외 기술개발 동향 33

- 이온액체는 구성하는 이온 간의 정 기 상호작용은

없을수록 좋으므로 강한 상호작용을 일으키는 다가이

온의 사용은 물이다 당 리튬 양이온의 이온액체

가 목 이나 여러 가지의 알칼리 속이온도 액체로

되는데 이를 응용하면 로톤을 포함하는 이온액체도

얻어지게 된다

이온액체의 합

- 이온성 액체는 분자 디자인이 용이하기 때문에 고분자

구조를 도입하는 것도 가능하며 이온성 액체의 고분

자화로는 각종의 고분자와 혼합한 겔화가 알려져 있지

만 이온성 액체 에 합기를 직 도입하여 고분자

화 하는 것에 의해 이온 도성뿐 아니라 디바이스의

다운사이징(down-sizing)에 기여할 것으로 망하고

있다(41)

- lt그림 3-18gt은 고분자화 이온액체를 나타내는데 종래

의 polyethyl-eneoxide유도체에 의존하지 않는 새로운

이온 도재료로서 검토된다

- lt그림 3-18gt에서 양이온과 음이온의 한쪽이 고분자의

주쇄에 고정되어 있어서 도 이온종을 선택하는 이

유용하다 한 구성이온종의 양방이 고분자 주쇄에

고정된 구조는 이온 도성을 나타내지 않으나 목 이

온의 첨가로 선택 도가 일어난다(46)

34 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-18gt 이온액체폴리머의 변화

자기조직화 이온액체

- 이온액체는 등방성의 액체로서 3차원 인 이온을 운반

하는 것이 가능하다 이로서 차원제어를 행하고 특정

방향으로 이온을 수송하는 시도가 있다 이를 해 자

기 집합력을 이온액체에 부여할 필요가 있다

- 이온액체의 자기조직화에는 양친매성화합물(兩親媒性

化合物)의 성질을 이용한다 극성성분이 있는 이온액

체에 비극성기(탄화수소쇄 탄화불소쇄)를 도입한 양

친매성 이온액체는 벌크로 써모트로픽 액정성을 발

하여 극성 비극성기가 분자 벨에서 상분리된 구조

를 형성한다

- 이 액체 도메인 에는 이온성 액체자신은 용융되어

높은 운동성을 갖는 알킬기의 집합층에 고정된 상태일

것으로 생각된다 여기에 리튬염을 첨가하면 비극성염

을 갖지 않는 리튬이온의 우선 인 수송이 기 된

다(lt그림 3-19gt 참조)

제3장 국내외 기술개발 동향 35

lt그림 3-19gt 이온성 액체 도메인 의 목 이온수송의 모식도

새로운 용매

- Alabama 학의 Rogers 등은 셀룰로오스를 용해시키는

이온성 액체로서 bmim Cl(1-butyl-3-methylimidazolium

chloride)을 개발하 다(47)

lt그림 3-20gt bmimCl의 구조

- Bmin Cl은 실온에서는 고체로서 75에서 용해되지만

100 정도로 가열한 bmim Cl에 종이(셀룰로오스)를

침지하면 순식간에 용해된다 이 용액을 시린지

(syringe)에 의해 물 에서 용출(溶出)시키면 셀룰로

오스 화이버가 생성된다 풍부한 목재자원을 셀룰로스

로 추출하는 시도가 이루어지고 있다

36 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

- 한 핵산류를 용해시킨 이온액체를 개발하고 있는데

DNA나 RNA는 물에 쉽게 용해되지 않는데 이를 용

해시키는 이온액체가 얻어졌다 일정량의 핵산을 용해

시키는 온도는 사용하는 이온액체의 구조에 크게 의존

한다(48)

- 특히 분자내 는 분자간의 수소결합을 단하는 능

력이 요구되는데 여기에는 염소음이온의 효과가 큰 것

으로 알려져 있다 염소를 포함하는 염은 일반 으로

융 이 높고 실온에서 액상으로 존재하기가 어려운

이 있다

- 이는 음이온의 부 하가 비국재화하고 있지 않기 때문

에 정 인 상호작용이 강하게 작용하고 있는 결과이

다 이를 피하기 해 양이온구조를 개선하여 상온에

서 액체의 염화물 염을 합성한다(49)

- 이 방법으로 양이온 구조를 개선하여 실온에서 액체상

태 염화물염인 aaim Cl(13-diallylimidazolium chloride)

를 개발하 다 aaim Cl은 융 이 21 부근이지만 한번

용융하면 과냉각 상태에서도 안정하여 실온에서 사용

가능하다 단지 도가 높은 것이 난 이다

단백질의 기화학반응용 해질용액

- 단백질의 기화학 인 성질로서 단백질을 이온액체에

용해시키는 것은 통상의 고분자를 용해시키는 것과는

차원이 다데 단백질의 기능은 펩사이드쇄의 3차 구조

에 크게 의존하기 때문에 3차구조가변하면 변성에 의

해서 목 달성이 되지 않는다 따라서 무리한 용해작

업은 변성을 래한다

제3장 국내외 기술개발 동향 37

- 이에 하여 PEO(polyethylene oxide)의 에테르산소가

이온과 강하게 상호작용하고 있다 이는 가용성을 의

미하며 PEO가 단백질과 이온액체를 용해하여 단백질

의 안정성을 향상시킨다 종래 바이오디바이스의 작성

이 곤란했든 것은 수 에서 단백질의 불안정성에 기인

하 는데 사용 온도에 따라 이온액체 의 단백질의

기화학이 새로운 가능성의 개척을 시사한다(50)

5 국내동향

이온액체의 매반응분야(51)

- 한국과학기술연구원 송충의 박사는 이온성 액체를 키

랄 화합물 제조를 한 매반응에 도입하여 고가인

매와 용매의 반복 사용을 가능하게 함에 따라 결

국 매와 용매의 소비를 최소화시킬 수 있는 소 청

정 비 칭 매반응을 개발하 다

- 즉 Jacobsons chiral (salen)MnIII

매 존재 하에서

22-dimethylchro-mene의 비 칭 에폭시화 반응시

[bmim]PF6와 CH2Cl2 (14 vv) 혼합물 용매를 사용

함으로써 96-94의 학순도로 chromene oxides를

합성하는데 성공하 다 이온성 액체를 첨단유기합성

기술인 학활성화합물 제조기술개발에 용함으로써

용매와 매의 소비를 최소화하는 반응과정을 개발하

고 있다

- 이와 같은 기술은 화학 산업에서의 공해 요인을 감소

38 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

시킬 것이며 특히 노벨화학상 수상분야인 비 칭

매반응 분야의 최 문제 으로 지 되었던 키랄 매

의 분리 재회수가 가능하게 되었다는 에서 기술

으로도 우수한 성과라 할 수 있다

- 한 이온성 액체 내에서 일부 매반응이 가속화될

수도 있고 선택성 매의 안정성 역시 향상될 수

있음을 밝혔으며 더욱 놀라운 결과로는 기존의 유기

용매 내에서는 진행되지 않던 일부 반응이 이온

성 액체 내에서는 정량 으로 진행될 수 있다는 것이

- 한 많은 요한 유기반응에서 이온성 액체가 용매로

서뿐 아니라 자신이 재사용 가능 한 매로도 작용할

수 있음을 밝힌 바 있다 이러한 일련의 결과들은 이

온성 액체가 21세기에 매분야뿐 아니라 체 유기화

학분야의 새로운 장을 열고 있다는 에서 요한 의

미를 지닌다고 할 수 있다

합성 응용분야(52)

- 한국과학기술연구원 김훈식 박사 연구 은 KSeO2

(OCH3)를1-alkyl-3-methylimidazolium chloride와 반

응시켜 새로운 이미다졸륨 알킬셀 나이트 ([Rmim]

[SeO2(OCH3)]) 화합물을 합성하 다

- 아민화합물의 산화성 카르보닐화 반응을 통한 치환된

우 아 제조 반응에서 기존의 KSeO2(OCH3)을 매로

사용하 을 경우에 비해 이 화합물은 보다 온화한 반

응조건을 제공할 뿐 아니라 이소시아네이트의 구체

인 치환된 우 아와 카바메이트를 고수율로 합성할 수

제3장 국내외 기술개발 동향 39

있었다

- 재 이온성 액체를 이용한 분리 유기 속화합물을

함유한 고활성 매로서의 이온성 액체의 합성 응

용에 한 연구를 수행하고 있다

- 포항공과 학교의 김만주 교수 연구 은 Lipase를

[PPMIM]PF6 (PPMIM = 1-(3-phenylpropyl)-3-

methylimidazolium)와 혼합시켜Ionic liquid-Coated

Enzyme (ILCE)을 합성하 다 이 새로운 타입의

immobilized biocatalyst는 2차 알코올의 transest-

erification 반응을 통한 acetylated 화합물합성에 높은

활성과 재사용성을 보여 주었으며 이러한 연구결과를

다양한 생화학분야에 용하기 한 연구를 수행하고

있다

- 인하 학교의 지 윤 교수연구 은 alkyl mesylate로부

터 fluoro-alkane을 합성하는 반응에서 이온성 액체를

용매로 사용함으로써 기존방법에 비해 부반응이 거의

없고 생산성이 히 증가된 결과를 얻었으며 이러한

결과를 실용화시키기 한 연구를 지속하고 있다

- 신약개발 바이오벤처 기업 씨트리(C-TRI)는 이온성

액체를 이용한 학활성 화합물제조 기술개발회사로

서 지난 상반기에 31억원의 매출을 올렸으며 최근 이

온성 액체를 이용한 신약개발과 정 화학사업에 필요

한 연구 인력을 거 보강하여 이온성 액체 련사업

을 추진하고 있다

41

제4장

결론 및 제언

향후의 방향

- 이온성 액체에 한 앞으로의 망은 이온성 액체를

주 테마로 하는 국제회의가 증가하고 있다 미국화학

회는 작년 9월 New York에서 이온성 액체에 한 세

션이 개최되어 열띤 토론이 진행 되었다

- 2004년 3~4월에 Anaheim에서 개최된 세션은 ldquo이온성

액체와 고분자rdquo 다 유럽과 미국에서는 이온성 액체

를 반응용매로 보는 것이 주류를 이루고 있었다

- 2004년 10월 Hawaii에서 기화학의 미일합동 회가

열린다 주제는 이온성 액체(용융염)에 한 연구이었

- 앞으로도 이온성 액체에 한 연구는 증가할 것이고

여러 가지 배경을 갖고 있는 연구자들이 서로 다른 목

표를 가지고 연구에 노력할 것이라 생각된다

국내사정

- 우리나라의 황을 보면 재석유화학 의학 산업에

서만 약7억불에 달하는 유기용매가 사용되고 있으며

이들을 모두 체할 수 있다면 최 7억불시장을 형성

할 수 있으므로 이온성 액체의 시장잠재력은 매우 크

42 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

다 하겠다

- 이온성 액체는 휘발성유기화합물을 체할 수 있을 뿐

만 아니라 고가의 귀 속 매를 이온성 액체 층에 고

정화 시킬수 있어 매의 회수 재사용을 용이하게

하며 매의 활성도 안정도 선택도까지도 획기

으로 증가시킬 수 있으므로 환경 측면은 물론 경제

인 에서도 바람직한 청정용매라 할 수 있다

- 상기한바 와같이 이온성 액체의 잠재 인 응용가능성

은 앞으로 무한할 것으로 사료되므로 국내에서도 이에

한 연구자들의 심과 더불어 정부 기업체에 의

한 연구지원이 지속 으로 이루어져야 할 것이다

후의 과제

- 통상의 용매로 이온성 액체를 이용하는 경우에는 내구

성 제조가격 등의 인자가 요하지만 목 이 한정된

이온성 액체의 이용에 있어서는 목 하는 기능을 요

시할 필요가 있다

- 많은 이온성 액체가 합성되고 있으나 원하는 높은 물

성을 갖는 이온성 액체를 설계하는 데 기본이 되는 이

론이 아직은 없는 편이다 이를 해서는 특히 이온성

액체의 구조-물성의 상 계가 밝 져야 하는데 많

은 연구가 진행되고 있음에도 불구하고 그 계가 밝

지지 않고 있다 따라서 상태로서는 원하는 이온

성 액체를 직 만들어서 평가하는 방법밖에 없는 게

실이다

- 그러나 도화와 열안정성 등과 같이 상반 계에 있

는 특성은 하나의 라미터를 변화시키는 것에 의해

제4장 결론 및 제언 43

한 쪽의 특성은 양호하게 되지만 다른 한 쪽의 특성이

악화되는 것을 피할 수 없는 성질로서 아직 양쪽을 동

시에 만족하는 이온성 액체는 실 하지 못하고 있다

- 향후 이온성 액체는 청정용매의 개발과 더불어 새로

운 청정 공정기술의 개발을 통하여 신소재 신물질 생

산 공정을 환경친화 이면서 경제성 있는 공정개발에

기여할 것으로 기 된다

- 특히 비닐기 같은 합성 기능기를 이온성 액체의 단

구조로 도입하여 단독 합이나 공 합을 통해 고분

자화한 이온성 액체를 만들 수 있어 이를 잘 활용하여

이온 지라든가 연료 지 등의 해액으로 응용의 길

이 열린다면 학문 으로나 공업 으로 큰 의의가 있으

리라 생각되며 이 분야의 연구가 활성화되길 기 한

45

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저자소개

손 목

공학박사

한국에 지기술연구소 원장

한국과학기술정보연구원 문연구 원

서 수소 연료 지 개스 센서기술 등

강 종 석

공학박사

한국과학기술정보연구원 선임연구원

서 BT분야 국가연구개발 심층분석

리튬이차 지 등

BB088 손 목강종석

이온성 액체의 반응성 및 전기화학적

특성 연구동향

2005년 12월 19일 인쇄

2005년 12월 23일 발행

발행처

서울특별시 동 문구 청량리동 206-9

ꂕ 130-742

화 3299-6114

등록 1991년 2월 12일 제5-258호

발행인

조 화

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신기획

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SUO ltFEFF004e00e4006900640065006e002000610073006500740075007300740065006e0020006100760075006c006c006100200076006f0069006400610061006e0020006c0075006f006400610020005000440046002d0061007300690061006b00690072006a006f006a0061002c0020006a006f006900640065006e002000740075006c006f0073007400750073006c00610061007400750020006f006e0020006b006f0072006b006500610020006a00610020006b007500760061006e0020007400610072006b006b007500750073002000730075007500720069002e0020005000440046002d0061007300690061006b00690072006a0061007400200076006f0069006400610061006e0020006100760061007400610020004100630072006f006200610074002d0020006a0061002000520065006100640065007200200035002e00300020002d006f0068006a0065006c006d0061006c006c0061002000740061006900200075007500640065006d006d0061006c006c0061002000760065007200730069006f006c006c0061002e0020004e00e4006d00e4002000610073006500740075006b0073006500740020006500640065006c006c00790074007400e4007600e4007400200066006f006e0074007400690065006e002000750070006f00740075007300740061002egt ITA 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 NOR ltFEFF004200720075006b00200064006900730073006500200069006e006e007300740069006c006c0069006e00670065006e0065002000740069006c002000e50020006f00700070007200650074007400650020005000440046002d0064006f006b0075006d0065006e0074006500720020006d006500640020006800f80079006500720065002000620069006c00640065006f00700070006c00f80073006e0069006e006700200066006f00720020006800f800790020007500740073006b00720069006600740073006b00760061006c00690074006500740020006600f800720020007400720079006b006b002e0020005000440046002d0064006f006b0075006d0065006e0074006500720020006b0061006e002000e50070006e006500730020006d006500640020004100630072006f0062006100740020006f0067002000520065006100640065007200200035002e00300020006f0067002000730065006e006500720065002e00200044006900730073006500200069006e006e007300740069006c006c0069006e00670065006e00650020006b0072006500760065007200200073006b00720069006600740069006e006e00620079006700670069006e0067002egt SVE 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 KOR 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 CHS ltFEFF4f7f75288fd94e9b8bbe7f6e521b5efa76840020005000440046002065876863ff0c5c065305542b66f49ad8768456fe50cf52068fa87387ff0c4ee575284e8e9ad88d2891cf76845370524d6253537030028be5002000500044004600206587686353ef4ee54f7f752800200020004100630072006f00620061007400204e0e002000520065006100640065007200200035002e00300020548c66f49ad87248672c62535f0030028fd94e9b8bbe7f6e89816c425d4c51655b574f533002gt CHT ltFEFF4f7f752890194e9b8a2d5b9a5efa7acb76840020005000440046002065874ef65305542b8f039ad876845f7150cf89e367905ea6ff0c9069752865bc9ad854c18cea76845370524d521753703002005000440046002065874ef653ef4ee54f7f75280020004100630072006f0062006100740020548c002000520065006100640065007200200035002e0030002053ca66f465b07248672c4f86958b555f300290194e9b8a2d5b9a89816c425d4c51655b57578b3002gt gtgtgtgt setdistillerparamsltlt HWResolution [2400 2400] PageSize [612000 792000]gtgt setpagedevice

Page 28: 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향gift.kisti.re.kr/data/IAC/files/KISTI-200512-SYM-ion_fluid.pdf · ※ 이온성 액체는 사용되는 음이온의

제3장 국내외 기술개발 동향 25

ronitril)) 내지는 BPO(benzoylperoxide)를 합개시제

로 한 스티 과 메틸메타크릴 이트의 라디칼 공 합

에 하여도 검토되고 있다

- 공 합 반응은 스티 의 첨가 몰비를 MMA에 비해

증 시켜도 코폴리머 분자량 모노머의 변화율이

하하는 경향이 있다 이 결과는 벤젠을 용매로 한 공

합계와 반 의 경향이고 이온성 액체의 극성이 높아

스티 에 비하여 극성 용매 에서 MMA의 합성이

높아지기 때문이라고 생각된다(29)

lt그림 3-11gt 이온성액체[bmim][PF6] 의 공 합 반응

3 촉매반응에서의 이온성 용액

매반응에서 이온성 용액은 자체 매성 보조 매 매활

성자 매 심의 새로운 리간드의 원 반응을 한 용매

등으로써 용된다(30)

26 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

유기 매로서의 이온성 용액

- 이온성 용액을 매반응에 사용하는 가장 좋은 방법은

용매와 매를 조합해서 사용하는 것이다 용매를 바

꿀 때마다 반응이 빨라지면 새로운 용매는 매 역할

을 한 것으로 본다

lt그림 3-12gt methyl acrylate와 [C4C1im]+ 양이온 사이의 수소결합

- 염화알루미늄염(III)(AlCl3) 이온성 용액에서 자치

환 산성 이온성 용액에서 아 (arenes)의 좋은 용해

성과 결합한 산성의 염화알루미늄염 이온성 용액의

높은 농도 [Al2Cl7]-는 친 자성 방향족 치환을 한

이상 인 용매로 만들 수 있다 산성인 [C2C1im]

Cl-AlCl3에서 1-염화 로 과의 벤젠 알킬반응에서 알

킬 고분자화가 측되었다 이이온성 용액시스템은 높

은 활동성과 선택성을 보 다(31)

- 유기용매로서 이온성 용액 이온성 용액은 지난 수년

간 유기 매 반응에 새로운 흥미를 갖기 시작하 으며

이 분야에 향을 수 있는 가능성을 가지고 있다

유기 매 반응에 한 근방법은 흔히 디엘-알더

(Diels-Alder) 환형추가 그 유도체인 수소결합의

상호작용 반응을 통해서이다(32)

제3장 국내외 기술개발 동향 27

보조 매로의 이온성 용액은 올 핀의 이합체화 (Olefin

dimerization)에서 니 매로 산성염화알루미늄염의 이

온성 용액이 로펜을 헥센에 이합체화를 한 반응에서

용매와 보조 매의 조합으로 사용한 첫 번째 경우이

다(33)

리간드 원으로서의 이온성 용액

- 수소화와 수소포르 화 반응 수소화 반응 수소포

르 화 반응을 해 용매로서 [Et4N][SnCl3]의 PtCl2용

액은 속에 매의 확실한 분해도 없이 올 핀의 수

소화에 효과 으로 매반응을 일으켰다 공기와의

을 피하도록 하는 가운데 활성화의 손실이 없이

매용액을 계속 으로 사용함으로써 반응이 이루어진

다(34)

- 팔라듐 NHC착물의 형성 이온성 용액은 팔라둠 매

반응의 넓은범 의 용매로 사용되어 왔다 이 연구과

정에서 재미있는 화학 상은 HHC착물과 나노 입

자의 형성이었다 이는 아직 논쟁의 상이 되고 있다

NHC착물은 이미다졸리움 이온성 용액에서 형성되며

기 하지 않는 반응성 는 선택성이 감지될 때 이를

항상 고려해야한다(35)

28 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-13gt NHC 매의 lactide 합에서의 ring opening

- 이온성 용액에서 나노입자의 형성 최근에 매로서

나노입자의 사용이 증가되는 심분야이다 1996년

Kaufmann이 이온성 용액에서처음으로 팔라듐의 매

반응을 보고하 다 일련의 아릴 롬이[C16PbBu3]Br

는 [Bu4N]Br에서 노말-알킬 이트와 결합하여 수율

90이상의 trans-시안염을 생성하는 반응이었다(36)

반응 용매로서의 이온성 용액

- 알 수소화 반응 [SbF6]- 와 [PF4]-의 두 이온성

용액에서 수소화 반응의 속도는 알 용액에서보다 훨

씬 높았다 왜 이 이온성 용액이 개선되었는지에 해

서는 아직 연구된 바가 없다 실제 매의 실체조차확

인이 안 되었다 반응용액으로부터 생성된 알 은 분

리가 쉬웠고 매를 함유한 용액은 순환되었다(37)

lt그림 3-14gt [C4C1im][PF6]의 수소포르 화 매의 두형태의 평형

제3장 국내외 기술개발 동향 29

- 산화 비록 재 사용되는 부분의 이온성 용액은 산

화에 안정 이고 산화과정에 이상 인 용매를 제공하

고 있지만 이것은 불과 지난몇 년 사이의 일이었다

Ni(acac)2는 [C4C1im][PF6]에서 해당되는 산의 라-

치환 benzaldehydes를 보통의 수율로 공기 에서 산

화반응의 매로 사용되어 왔다(38)

기화학 매용매로써의 이온성 용액

- 자화학을 이끄는 이온성 용액은 기화학 합성용

용매로서 가능성을 보이고 있다 최근에는 Ni이 알킬

벤질 아릴 할로겐화합물의 기 도성 동종결합

(electro conductive homo-coupling) 반응에 매로 보

고 된 바 있다 니 (II)착물은 니 (0)의 종에 하여

환원되고 방향성 할로겐화물에 첨가되어 할로겐 화합

물이 된다는 제안이 있었다(39)

이온성 용액의 고정화

- 반응시스템이 액체일 때 많은 장 이 있지만 때로는

그것을 고정화(immobilize) 시킬 필요가 있다 이온성

용액을 고정화 시키는데 심이 모아지고 있으며 첫

번째의 시도가 이온성 용액- 합체 겔을 만들기 하

여 고분자 vinylidenefluoride- hexachloropropylene의

공 합체를 사용한 것이다(40)

30 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

4 근대의 동향

할로겐 리이온액체

- 근년 이온성 액체에 한 연구가 많이 수행되고 있지

만 합성하고 있는 이온성 액체의 구조는 의외로 한정

되어 있으며 양이온은 테트라알킬암모늄(tetraalkyla-

mmonium) 피롤리디니움(pyrolidinium) 이미다졸리움

(imidazolium) 피리디니움(pyridinium) 등과 같이 비

교 다양성이 풍부한 반면에 음이온 종류는 BF4

PF6 CF3SO3 (CF3SO2)2N 등 할로겐 원소를 구조

에 함유한 것은 일반 으로 종류가 많지 않다(41)

- 할로겐을 포함하지 않는 음이온도 보고 되어 있는데

많은 양이온과 조합하여 액체화를 달성함이 쉽지 않고

한정된 양이온과 질산음이온이나 산 음이온 등을 결

합시킨 것이 보고 되어 있다(42)

- 최근 H Ohno(43)등은 할로겐 원소를 함유하지 않은

음이온으로 이온액체를 구축하기 하여 헤테로방향환

화합물을 착안하여 이미다졸이나 피라졸 등의 아졸

(azol)류 에서 산성을 띠는 124-triazolate 1234-

tetrazolate 등과 이미다졸리움 양이온을 조합시키는 것

에 의해 이온성 액체를 합성하 다

- 이 이온성 액체는 분자량과 비교해서 하의 비국재화

(非局在化)가 크다 한 할로겐 원소를 함유하지 않

고 C H N의 3종류원소만으로 구성되어 있다

제3장 국내외 기술개발 동향 31

lt그림 3-15gt 할로겐 리이온액체의 구조

쯔 츠 이온성 액체 (Zwitter ionic liquids)

- 한편 M Yoshizawa(44) 등은 이온 도재료로서 이온액

체를 사용하는 경우는 구배에 한 이온액체의 구

성이온종의 이동이 큰 문제로 된다

- 따라서 리튬 2차 지나 연료 지 등 목 이온종의 수

율과 계의 출력과의 계를 디바이스에 응용할 때는

이온 도재료로서 이온성 액체를 사용하는 것으로 양

이온과 음이온을 스페이서(spacer)로 결합하는 것에

의해 실온에서 액체상태인 성 이온 액체(zwitter

ionic liquid)를 제안하고 있다

- 양이온과 음이온을 스페이서로 결합하면 하는 체

로서 성이 되어 하이동이 없는 염으로 되는데 스

페이서가 짧아서 충분한 염해리가 힘드나 어느 정도의

자유도가 얻어지면 zwitterion으로 된다

32 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-16gt zwitter ionic liquids의 모식도

특정이온을 포함하는 이온액체

- 이온성 액체를 이온 도체로 사용하는 과제는 목 이

온의 도입이다 이는 리튬염 등 목 이온을 포함하는

염 등을 이온액체에 용해시켜 도입한다

- 그런데 염의 첨가는 계의 성의 증가 이온 도도의

하를 가져온다 한 이온액체와 상용하는 분자무

기염은 많지 않고 첨가염의 종류도 한정되어있는 것이

문제이다

- 이의 해결이 자의 zwitter ion이고 두 번째가 목 이

온을 실온에서 액체화가 가능하면 문제가 해결된다

이러한 방법으로 각종의 알칼리 속 이온성 액체

(alkali metal ionic liquid)를 개발하 다(45)

- lt그림 3-17gt은 알칼리 속이온성 액체는 2가의 응

음이온과 1가의 오니움(onium) 양이온 1가의 목 이

온으로 구성된다

lt그림 3-17gt 알칼리 속이온액체의 개념도

제3장 국내외 기술개발 동향 33

- 이온액체는 구성하는 이온 간의 정 기 상호작용은

없을수록 좋으므로 강한 상호작용을 일으키는 다가이

온의 사용은 물이다 당 리튬 양이온의 이온액체

가 목 이나 여러 가지의 알칼리 속이온도 액체로

되는데 이를 응용하면 로톤을 포함하는 이온액체도

얻어지게 된다

이온액체의 합

- 이온성 액체는 분자 디자인이 용이하기 때문에 고분자

구조를 도입하는 것도 가능하며 이온성 액체의 고분

자화로는 각종의 고분자와 혼합한 겔화가 알려져 있지

만 이온성 액체 에 합기를 직 도입하여 고분자

화 하는 것에 의해 이온 도성뿐 아니라 디바이스의

다운사이징(down-sizing)에 기여할 것으로 망하고

있다(41)

- lt그림 3-18gt은 고분자화 이온액체를 나타내는데 종래

의 polyethyl-eneoxide유도체에 의존하지 않는 새로운

이온 도재료로서 검토된다

- lt그림 3-18gt에서 양이온과 음이온의 한쪽이 고분자의

주쇄에 고정되어 있어서 도 이온종을 선택하는 이

유용하다 한 구성이온종의 양방이 고분자 주쇄에

고정된 구조는 이온 도성을 나타내지 않으나 목 이

온의 첨가로 선택 도가 일어난다(46)

34 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-18gt 이온액체폴리머의 변화

자기조직화 이온액체

- 이온액체는 등방성의 액체로서 3차원 인 이온을 운반

하는 것이 가능하다 이로서 차원제어를 행하고 특정

방향으로 이온을 수송하는 시도가 있다 이를 해 자

기 집합력을 이온액체에 부여할 필요가 있다

- 이온액체의 자기조직화에는 양친매성화합물(兩親媒性

化合物)의 성질을 이용한다 극성성분이 있는 이온액

체에 비극성기(탄화수소쇄 탄화불소쇄)를 도입한 양

친매성 이온액체는 벌크로 써모트로픽 액정성을 발

하여 극성 비극성기가 분자 벨에서 상분리된 구조

를 형성한다

- 이 액체 도메인 에는 이온성 액체자신은 용융되어

높은 운동성을 갖는 알킬기의 집합층에 고정된 상태일

것으로 생각된다 여기에 리튬염을 첨가하면 비극성염

을 갖지 않는 리튬이온의 우선 인 수송이 기 된

다(lt그림 3-19gt 참조)

제3장 국내외 기술개발 동향 35

lt그림 3-19gt 이온성 액체 도메인 의 목 이온수송의 모식도

새로운 용매

- Alabama 학의 Rogers 등은 셀룰로오스를 용해시키는

이온성 액체로서 bmim Cl(1-butyl-3-methylimidazolium

chloride)을 개발하 다(47)

lt그림 3-20gt bmimCl의 구조

- Bmin Cl은 실온에서는 고체로서 75에서 용해되지만

100 정도로 가열한 bmim Cl에 종이(셀룰로오스)를

침지하면 순식간에 용해된다 이 용액을 시린지

(syringe)에 의해 물 에서 용출(溶出)시키면 셀룰로

오스 화이버가 생성된다 풍부한 목재자원을 셀룰로스

로 추출하는 시도가 이루어지고 있다

36 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

- 한 핵산류를 용해시킨 이온액체를 개발하고 있는데

DNA나 RNA는 물에 쉽게 용해되지 않는데 이를 용

해시키는 이온액체가 얻어졌다 일정량의 핵산을 용해

시키는 온도는 사용하는 이온액체의 구조에 크게 의존

한다(48)

- 특히 분자내 는 분자간의 수소결합을 단하는 능

력이 요구되는데 여기에는 염소음이온의 효과가 큰 것

으로 알려져 있다 염소를 포함하는 염은 일반 으로

융 이 높고 실온에서 액상으로 존재하기가 어려운

이 있다

- 이는 음이온의 부 하가 비국재화하고 있지 않기 때문

에 정 인 상호작용이 강하게 작용하고 있는 결과이

다 이를 피하기 해 양이온구조를 개선하여 상온에

서 액체의 염화물 염을 합성한다(49)

- 이 방법으로 양이온 구조를 개선하여 실온에서 액체상

태 염화물염인 aaim Cl(13-diallylimidazolium chloride)

를 개발하 다 aaim Cl은 융 이 21 부근이지만 한번

용융하면 과냉각 상태에서도 안정하여 실온에서 사용

가능하다 단지 도가 높은 것이 난 이다

단백질의 기화학반응용 해질용액

- 단백질의 기화학 인 성질로서 단백질을 이온액체에

용해시키는 것은 통상의 고분자를 용해시키는 것과는

차원이 다데 단백질의 기능은 펩사이드쇄의 3차 구조

에 크게 의존하기 때문에 3차구조가변하면 변성에 의

해서 목 달성이 되지 않는다 따라서 무리한 용해작

업은 변성을 래한다

제3장 국내외 기술개발 동향 37

- 이에 하여 PEO(polyethylene oxide)의 에테르산소가

이온과 강하게 상호작용하고 있다 이는 가용성을 의

미하며 PEO가 단백질과 이온액체를 용해하여 단백질

의 안정성을 향상시킨다 종래 바이오디바이스의 작성

이 곤란했든 것은 수 에서 단백질의 불안정성에 기인

하 는데 사용 온도에 따라 이온액체 의 단백질의

기화학이 새로운 가능성의 개척을 시사한다(50)

5 국내동향

이온액체의 매반응분야(51)

- 한국과학기술연구원 송충의 박사는 이온성 액체를 키

랄 화합물 제조를 한 매반응에 도입하여 고가인

매와 용매의 반복 사용을 가능하게 함에 따라 결

국 매와 용매의 소비를 최소화시킬 수 있는 소 청

정 비 칭 매반응을 개발하 다

- 즉 Jacobsons chiral (salen)MnIII

매 존재 하에서

22-dimethylchro-mene의 비 칭 에폭시화 반응시

[bmim]PF6와 CH2Cl2 (14 vv) 혼합물 용매를 사용

함으로써 96-94의 학순도로 chromene oxides를

합성하는데 성공하 다 이온성 액체를 첨단유기합성

기술인 학활성화합물 제조기술개발에 용함으로써

용매와 매의 소비를 최소화하는 반응과정을 개발하

고 있다

- 이와 같은 기술은 화학 산업에서의 공해 요인을 감소

38 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

시킬 것이며 특히 노벨화학상 수상분야인 비 칭

매반응 분야의 최 문제 으로 지 되었던 키랄 매

의 분리 재회수가 가능하게 되었다는 에서 기술

으로도 우수한 성과라 할 수 있다

- 한 이온성 액체 내에서 일부 매반응이 가속화될

수도 있고 선택성 매의 안정성 역시 향상될 수

있음을 밝혔으며 더욱 놀라운 결과로는 기존의 유기

용매 내에서는 진행되지 않던 일부 반응이 이온

성 액체 내에서는 정량 으로 진행될 수 있다는 것이

- 한 많은 요한 유기반응에서 이온성 액체가 용매로

서뿐 아니라 자신이 재사용 가능 한 매로도 작용할

수 있음을 밝힌 바 있다 이러한 일련의 결과들은 이

온성 액체가 21세기에 매분야뿐 아니라 체 유기화

학분야의 새로운 장을 열고 있다는 에서 요한 의

미를 지닌다고 할 수 있다

합성 응용분야(52)

- 한국과학기술연구원 김훈식 박사 연구 은 KSeO2

(OCH3)를1-alkyl-3-methylimidazolium chloride와 반

응시켜 새로운 이미다졸륨 알킬셀 나이트 ([Rmim]

[SeO2(OCH3)]) 화합물을 합성하 다

- 아민화합물의 산화성 카르보닐화 반응을 통한 치환된

우 아 제조 반응에서 기존의 KSeO2(OCH3)을 매로

사용하 을 경우에 비해 이 화합물은 보다 온화한 반

응조건을 제공할 뿐 아니라 이소시아네이트의 구체

인 치환된 우 아와 카바메이트를 고수율로 합성할 수

제3장 국내외 기술개발 동향 39

있었다

- 재 이온성 액체를 이용한 분리 유기 속화합물을

함유한 고활성 매로서의 이온성 액체의 합성 응

용에 한 연구를 수행하고 있다

- 포항공과 학교의 김만주 교수 연구 은 Lipase를

[PPMIM]PF6 (PPMIM = 1-(3-phenylpropyl)-3-

methylimidazolium)와 혼합시켜Ionic liquid-Coated

Enzyme (ILCE)을 합성하 다 이 새로운 타입의

immobilized biocatalyst는 2차 알코올의 transest-

erification 반응을 통한 acetylated 화합물합성에 높은

활성과 재사용성을 보여 주었으며 이러한 연구결과를

다양한 생화학분야에 용하기 한 연구를 수행하고

있다

- 인하 학교의 지 윤 교수연구 은 alkyl mesylate로부

터 fluoro-alkane을 합성하는 반응에서 이온성 액체를

용매로 사용함으로써 기존방법에 비해 부반응이 거의

없고 생산성이 히 증가된 결과를 얻었으며 이러한

결과를 실용화시키기 한 연구를 지속하고 있다

- 신약개발 바이오벤처 기업 씨트리(C-TRI)는 이온성

액체를 이용한 학활성 화합물제조 기술개발회사로

서 지난 상반기에 31억원의 매출을 올렸으며 최근 이

온성 액체를 이용한 신약개발과 정 화학사업에 필요

한 연구 인력을 거 보강하여 이온성 액체 련사업

을 추진하고 있다

41

제4장

결론 및 제언

향후의 방향

- 이온성 액체에 한 앞으로의 망은 이온성 액체를

주 테마로 하는 국제회의가 증가하고 있다 미국화학

회는 작년 9월 New York에서 이온성 액체에 한 세

션이 개최되어 열띤 토론이 진행 되었다

- 2004년 3~4월에 Anaheim에서 개최된 세션은 ldquo이온성

액체와 고분자rdquo 다 유럽과 미국에서는 이온성 액체

를 반응용매로 보는 것이 주류를 이루고 있었다

- 2004년 10월 Hawaii에서 기화학의 미일합동 회가

열린다 주제는 이온성 액체(용융염)에 한 연구이었

- 앞으로도 이온성 액체에 한 연구는 증가할 것이고

여러 가지 배경을 갖고 있는 연구자들이 서로 다른 목

표를 가지고 연구에 노력할 것이라 생각된다

국내사정

- 우리나라의 황을 보면 재석유화학 의학 산업에

서만 약7억불에 달하는 유기용매가 사용되고 있으며

이들을 모두 체할 수 있다면 최 7억불시장을 형성

할 수 있으므로 이온성 액체의 시장잠재력은 매우 크

42 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

다 하겠다

- 이온성 액체는 휘발성유기화합물을 체할 수 있을 뿐

만 아니라 고가의 귀 속 매를 이온성 액체 층에 고

정화 시킬수 있어 매의 회수 재사용을 용이하게

하며 매의 활성도 안정도 선택도까지도 획기

으로 증가시킬 수 있으므로 환경 측면은 물론 경제

인 에서도 바람직한 청정용매라 할 수 있다

- 상기한바 와같이 이온성 액체의 잠재 인 응용가능성

은 앞으로 무한할 것으로 사료되므로 국내에서도 이에

한 연구자들의 심과 더불어 정부 기업체에 의

한 연구지원이 지속 으로 이루어져야 할 것이다

후의 과제

- 통상의 용매로 이온성 액체를 이용하는 경우에는 내구

성 제조가격 등의 인자가 요하지만 목 이 한정된

이온성 액체의 이용에 있어서는 목 하는 기능을 요

시할 필요가 있다

- 많은 이온성 액체가 합성되고 있으나 원하는 높은 물

성을 갖는 이온성 액체를 설계하는 데 기본이 되는 이

론이 아직은 없는 편이다 이를 해서는 특히 이온성

액체의 구조-물성의 상 계가 밝 져야 하는데 많

은 연구가 진행되고 있음에도 불구하고 그 계가 밝

지지 않고 있다 따라서 상태로서는 원하는 이온

성 액체를 직 만들어서 평가하는 방법밖에 없는 게

실이다

- 그러나 도화와 열안정성 등과 같이 상반 계에 있

는 특성은 하나의 라미터를 변화시키는 것에 의해

제4장 결론 및 제언 43

한 쪽의 특성은 양호하게 되지만 다른 한 쪽의 특성이

악화되는 것을 피할 수 없는 성질로서 아직 양쪽을 동

시에 만족하는 이온성 액체는 실 하지 못하고 있다

- 향후 이온성 액체는 청정용매의 개발과 더불어 새로

운 청정 공정기술의 개발을 통하여 신소재 신물질 생

산 공정을 환경친화 이면서 경제성 있는 공정개발에

기여할 것으로 기 된다

- 특히 비닐기 같은 합성 기능기를 이온성 액체의 단

구조로 도입하여 단독 합이나 공 합을 통해 고분

자화한 이온성 액체를 만들 수 있어 이를 잘 활용하여

이온 지라든가 연료 지 등의 해액으로 응용의 길

이 열린다면 학문 으로나 공업 으로 큰 의의가 있으

리라 생각되며 이 분야의 연구가 활성화되길 기 한

45

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저자소개

손 목

공학박사

한국에 지기술연구소 원장

한국과학기술정보연구원 문연구 원

서 수소 연료 지 개스 센서기술 등

강 종 석

공학박사

한국과학기술정보연구원 선임연구원

서 BT분야 국가연구개발 심층분석

리튬이차 지 등

BB088 손 목강종석

이온성 액체의 반응성 및 전기화학적

특성 연구동향

2005년 12월 19일 인쇄

2005년 12월 23일 발행

발행처

서울특별시 동 문구 청량리동 206-9

ꂕ 130-742

화 3299-6114

등록 1991년 2월 12일 제5-258호

발행인

조 화

인쇄처

신기획

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SUO 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 ITA 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 NOR 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 SVE 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 KOR 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 CHS ltFEFF4f7f75288fd94e9b8bbe7f6e521b5efa76840020005000440046002065876863ff0c5c065305542b66f49ad8768456fe50cf52068fa87387ff0c4ee575284e8e9ad88d2891cf76845370524d6253537030028be5002000500044004600206587686353ef4ee54f7f752800200020004100630072006f00620061007400204e0e002000520065006100640065007200200035002e00300020548c66f49ad87248672c62535f0030028fd94e9b8bbe7f6e89816c425d4c51655b574f533002gt CHT ltFEFF4f7f752890194e9b8a2d5b9a5efa7acb76840020005000440046002065874ef65305542b8f039ad876845f7150cf89e367905ea6ff0c9069752865bc9ad854c18cea76845370524d521753703002005000440046002065874ef653ef4ee54f7f75280020004100630072006f0062006100740020548c002000520065006100640065007200200035002e0030002053ca66f465b07248672c4f86958b555f300290194e9b8a2d5b9a89816c425d4c51655b57578b3002gt gtgtgtgt setdistillerparamsltlt HWResolution [2400 2400] PageSize [612000 792000]gtgt setpagedevice

Page 29: 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향gift.kisti.re.kr/data/IAC/files/KISTI-200512-SYM-ion_fluid.pdf · ※ 이온성 액체는 사용되는 음이온의

26 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

유기 매로서의 이온성 용액

- 이온성 용액을 매반응에 사용하는 가장 좋은 방법은

용매와 매를 조합해서 사용하는 것이다 용매를 바

꿀 때마다 반응이 빨라지면 새로운 용매는 매 역할

을 한 것으로 본다

lt그림 3-12gt methyl acrylate와 [C4C1im]+ 양이온 사이의 수소결합

- 염화알루미늄염(III)(AlCl3) 이온성 용액에서 자치

환 산성 이온성 용액에서 아 (arenes)의 좋은 용해

성과 결합한 산성의 염화알루미늄염 이온성 용액의

높은 농도 [Al2Cl7]-는 친 자성 방향족 치환을 한

이상 인 용매로 만들 수 있다 산성인 [C2C1im]

Cl-AlCl3에서 1-염화 로 과의 벤젠 알킬반응에서 알

킬 고분자화가 측되었다 이이온성 용액시스템은 높

은 활동성과 선택성을 보 다(31)

- 유기용매로서 이온성 용액 이온성 용액은 지난 수년

간 유기 매 반응에 새로운 흥미를 갖기 시작하 으며

이 분야에 향을 수 있는 가능성을 가지고 있다

유기 매 반응에 한 근방법은 흔히 디엘-알더

(Diels-Alder) 환형추가 그 유도체인 수소결합의

상호작용 반응을 통해서이다(32)

제3장 국내외 기술개발 동향 27

보조 매로의 이온성 용액은 올 핀의 이합체화 (Olefin

dimerization)에서 니 매로 산성염화알루미늄염의 이

온성 용액이 로펜을 헥센에 이합체화를 한 반응에서

용매와 보조 매의 조합으로 사용한 첫 번째 경우이

다(33)

리간드 원으로서의 이온성 용액

- 수소화와 수소포르 화 반응 수소화 반응 수소포

르 화 반응을 해 용매로서 [Et4N][SnCl3]의 PtCl2용

액은 속에 매의 확실한 분해도 없이 올 핀의 수

소화에 효과 으로 매반응을 일으켰다 공기와의

을 피하도록 하는 가운데 활성화의 손실이 없이

매용액을 계속 으로 사용함으로써 반응이 이루어진

다(34)

- 팔라듐 NHC착물의 형성 이온성 용액은 팔라둠 매

반응의 넓은범 의 용매로 사용되어 왔다 이 연구과

정에서 재미있는 화학 상은 HHC착물과 나노 입

자의 형성이었다 이는 아직 논쟁의 상이 되고 있다

NHC착물은 이미다졸리움 이온성 용액에서 형성되며

기 하지 않는 반응성 는 선택성이 감지될 때 이를

항상 고려해야한다(35)

28 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-13gt NHC 매의 lactide 합에서의 ring opening

- 이온성 용액에서 나노입자의 형성 최근에 매로서

나노입자의 사용이 증가되는 심분야이다 1996년

Kaufmann이 이온성 용액에서처음으로 팔라듐의 매

반응을 보고하 다 일련의 아릴 롬이[C16PbBu3]Br

는 [Bu4N]Br에서 노말-알킬 이트와 결합하여 수율

90이상의 trans-시안염을 생성하는 반응이었다(36)

반응 용매로서의 이온성 용액

- 알 수소화 반응 [SbF6]- 와 [PF4]-의 두 이온성

용액에서 수소화 반응의 속도는 알 용액에서보다 훨

씬 높았다 왜 이 이온성 용액이 개선되었는지에 해

서는 아직 연구된 바가 없다 실제 매의 실체조차확

인이 안 되었다 반응용액으로부터 생성된 알 은 분

리가 쉬웠고 매를 함유한 용액은 순환되었다(37)

lt그림 3-14gt [C4C1im][PF6]의 수소포르 화 매의 두형태의 평형

제3장 국내외 기술개발 동향 29

- 산화 비록 재 사용되는 부분의 이온성 용액은 산

화에 안정 이고 산화과정에 이상 인 용매를 제공하

고 있지만 이것은 불과 지난몇 년 사이의 일이었다

Ni(acac)2는 [C4C1im][PF6]에서 해당되는 산의 라-

치환 benzaldehydes를 보통의 수율로 공기 에서 산

화반응의 매로 사용되어 왔다(38)

기화학 매용매로써의 이온성 용액

- 자화학을 이끄는 이온성 용액은 기화학 합성용

용매로서 가능성을 보이고 있다 최근에는 Ni이 알킬

벤질 아릴 할로겐화합물의 기 도성 동종결합

(electro conductive homo-coupling) 반응에 매로 보

고 된 바 있다 니 (II)착물은 니 (0)의 종에 하여

환원되고 방향성 할로겐화물에 첨가되어 할로겐 화합

물이 된다는 제안이 있었다(39)

이온성 용액의 고정화

- 반응시스템이 액체일 때 많은 장 이 있지만 때로는

그것을 고정화(immobilize) 시킬 필요가 있다 이온성

용액을 고정화 시키는데 심이 모아지고 있으며 첫

번째의 시도가 이온성 용액- 합체 겔을 만들기 하

여 고분자 vinylidenefluoride- hexachloropropylene의

공 합체를 사용한 것이다(40)

30 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

4 근대의 동향

할로겐 리이온액체

- 근년 이온성 액체에 한 연구가 많이 수행되고 있지

만 합성하고 있는 이온성 액체의 구조는 의외로 한정

되어 있으며 양이온은 테트라알킬암모늄(tetraalkyla-

mmonium) 피롤리디니움(pyrolidinium) 이미다졸리움

(imidazolium) 피리디니움(pyridinium) 등과 같이 비

교 다양성이 풍부한 반면에 음이온 종류는 BF4

PF6 CF3SO3 (CF3SO2)2N 등 할로겐 원소를 구조

에 함유한 것은 일반 으로 종류가 많지 않다(41)

- 할로겐을 포함하지 않는 음이온도 보고 되어 있는데

많은 양이온과 조합하여 액체화를 달성함이 쉽지 않고

한정된 양이온과 질산음이온이나 산 음이온 등을 결

합시킨 것이 보고 되어 있다(42)

- 최근 H Ohno(43)등은 할로겐 원소를 함유하지 않은

음이온으로 이온액체를 구축하기 하여 헤테로방향환

화합물을 착안하여 이미다졸이나 피라졸 등의 아졸

(azol)류 에서 산성을 띠는 124-triazolate 1234-

tetrazolate 등과 이미다졸리움 양이온을 조합시키는 것

에 의해 이온성 액체를 합성하 다

- 이 이온성 액체는 분자량과 비교해서 하의 비국재화

(非局在化)가 크다 한 할로겐 원소를 함유하지 않

고 C H N의 3종류원소만으로 구성되어 있다

제3장 국내외 기술개발 동향 31

lt그림 3-15gt 할로겐 리이온액체의 구조

쯔 츠 이온성 액체 (Zwitter ionic liquids)

- 한편 M Yoshizawa(44) 등은 이온 도재료로서 이온액

체를 사용하는 경우는 구배에 한 이온액체의 구

성이온종의 이동이 큰 문제로 된다

- 따라서 리튬 2차 지나 연료 지 등 목 이온종의 수

율과 계의 출력과의 계를 디바이스에 응용할 때는

이온 도재료로서 이온성 액체를 사용하는 것으로 양

이온과 음이온을 스페이서(spacer)로 결합하는 것에

의해 실온에서 액체상태인 성 이온 액체(zwitter

ionic liquid)를 제안하고 있다

- 양이온과 음이온을 스페이서로 결합하면 하는 체

로서 성이 되어 하이동이 없는 염으로 되는데 스

페이서가 짧아서 충분한 염해리가 힘드나 어느 정도의

자유도가 얻어지면 zwitterion으로 된다

32 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-16gt zwitter ionic liquids의 모식도

특정이온을 포함하는 이온액체

- 이온성 액체를 이온 도체로 사용하는 과제는 목 이

온의 도입이다 이는 리튬염 등 목 이온을 포함하는

염 등을 이온액체에 용해시켜 도입한다

- 그런데 염의 첨가는 계의 성의 증가 이온 도도의

하를 가져온다 한 이온액체와 상용하는 분자무

기염은 많지 않고 첨가염의 종류도 한정되어있는 것이

문제이다

- 이의 해결이 자의 zwitter ion이고 두 번째가 목 이

온을 실온에서 액체화가 가능하면 문제가 해결된다

이러한 방법으로 각종의 알칼리 속 이온성 액체

(alkali metal ionic liquid)를 개발하 다(45)

- lt그림 3-17gt은 알칼리 속이온성 액체는 2가의 응

음이온과 1가의 오니움(onium) 양이온 1가의 목 이

온으로 구성된다

lt그림 3-17gt 알칼리 속이온액체의 개념도

제3장 국내외 기술개발 동향 33

- 이온액체는 구성하는 이온 간의 정 기 상호작용은

없을수록 좋으므로 강한 상호작용을 일으키는 다가이

온의 사용은 물이다 당 리튬 양이온의 이온액체

가 목 이나 여러 가지의 알칼리 속이온도 액체로

되는데 이를 응용하면 로톤을 포함하는 이온액체도

얻어지게 된다

이온액체의 합

- 이온성 액체는 분자 디자인이 용이하기 때문에 고분자

구조를 도입하는 것도 가능하며 이온성 액체의 고분

자화로는 각종의 고분자와 혼합한 겔화가 알려져 있지

만 이온성 액체 에 합기를 직 도입하여 고분자

화 하는 것에 의해 이온 도성뿐 아니라 디바이스의

다운사이징(down-sizing)에 기여할 것으로 망하고

있다(41)

- lt그림 3-18gt은 고분자화 이온액체를 나타내는데 종래

의 polyethyl-eneoxide유도체에 의존하지 않는 새로운

이온 도재료로서 검토된다

- lt그림 3-18gt에서 양이온과 음이온의 한쪽이 고분자의

주쇄에 고정되어 있어서 도 이온종을 선택하는 이

유용하다 한 구성이온종의 양방이 고분자 주쇄에

고정된 구조는 이온 도성을 나타내지 않으나 목 이

온의 첨가로 선택 도가 일어난다(46)

34 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-18gt 이온액체폴리머의 변화

자기조직화 이온액체

- 이온액체는 등방성의 액체로서 3차원 인 이온을 운반

하는 것이 가능하다 이로서 차원제어를 행하고 특정

방향으로 이온을 수송하는 시도가 있다 이를 해 자

기 집합력을 이온액체에 부여할 필요가 있다

- 이온액체의 자기조직화에는 양친매성화합물(兩親媒性

化合物)의 성질을 이용한다 극성성분이 있는 이온액

체에 비극성기(탄화수소쇄 탄화불소쇄)를 도입한 양

친매성 이온액체는 벌크로 써모트로픽 액정성을 발

하여 극성 비극성기가 분자 벨에서 상분리된 구조

를 형성한다

- 이 액체 도메인 에는 이온성 액체자신은 용융되어

높은 운동성을 갖는 알킬기의 집합층에 고정된 상태일

것으로 생각된다 여기에 리튬염을 첨가하면 비극성염

을 갖지 않는 리튬이온의 우선 인 수송이 기 된

다(lt그림 3-19gt 참조)

제3장 국내외 기술개발 동향 35

lt그림 3-19gt 이온성 액체 도메인 의 목 이온수송의 모식도

새로운 용매

- Alabama 학의 Rogers 등은 셀룰로오스를 용해시키는

이온성 액체로서 bmim Cl(1-butyl-3-methylimidazolium

chloride)을 개발하 다(47)

lt그림 3-20gt bmimCl의 구조

- Bmin Cl은 실온에서는 고체로서 75에서 용해되지만

100 정도로 가열한 bmim Cl에 종이(셀룰로오스)를

침지하면 순식간에 용해된다 이 용액을 시린지

(syringe)에 의해 물 에서 용출(溶出)시키면 셀룰로

오스 화이버가 생성된다 풍부한 목재자원을 셀룰로스

로 추출하는 시도가 이루어지고 있다

36 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

- 한 핵산류를 용해시킨 이온액체를 개발하고 있는데

DNA나 RNA는 물에 쉽게 용해되지 않는데 이를 용

해시키는 이온액체가 얻어졌다 일정량의 핵산을 용해

시키는 온도는 사용하는 이온액체의 구조에 크게 의존

한다(48)

- 특히 분자내 는 분자간의 수소결합을 단하는 능

력이 요구되는데 여기에는 염소음이온의 효과가 큰 것

으로 알려져 있다 염소를 포함하는 염은 일반 으로

융 이 높고 실온에서 액상으로 존재하기가 어려운

이 있다

- 이는 음이온의 부 하가 비국재화하고 있지 않기 때문

에 정 인 상호작용이 강하게 작용하고 있는 결과이

다 이를 피하기 해 양이온구조를 개선하여 상온에

서 액체의 염화물 염을 합성한다(49)

- 이 방법으로 양이온 구조를 개선하여 실온에서 액체상

태 염화물염인 aaim Cl(13-diallylimidazolium chloride)

를 개발하 다 aaim Cl은 융 이 21 부근이지만 한번

용융하면 과냉각 상태에서도 안정하여 실온에서 사용

가능하다 단지 도가 높은 것이 난 이다

단백질의 기화학반응용 해질용액

- 단백질의 기화학 인 성질로서 단백질을 이온액체에

용해시키는 것은 통상의 고분자를 용해시키는 것과는

차원이 다데 단백질의 기능은 펩사이드쇄의 3차 구조

에 크게 의존하기 때문에 3차구조가변하면 변성에 의

해서 목 달성이 되지 않는다 따라서 무리한 용해작

업은 변성을 래한다

제3장 국내외 기술개발 동향 37

- 이에 하여 PEO(polyethylene oxide)의 에테르산소가

이온과 강하게 상호작용하고 있다 이는 가용성을 의

미하며 PEO가 단백질과 이온액체를 용해하여 단백질

의 안정성을 향상시킨다 종래 바이오디바이스의 작성

이 곤란했든 것은 수 에서 단백질의 불안정성에 기인

하 는데 사용 온도에 따라 이온액체 의 단백질의

기화학이 새로운 가능성의 개척을 시사한다(50)

5 국내동향

이온액체의 매반응분야(51)

- 한국과학기술연구원 송충의 박사는 이온성 액체를 키

랄 화합물 제조를 한 매반응에 도입하여 고가인

매와 용매의 반복 사용을 가능하게 함에 따라 결

국 매와 용매의 소비를 최소화시킬 수 있는 소 청

정 비 칭 매반응을 개발하 다

- 즉 Jacobsons chiral (salen)MnIII

매 존재 하에서

22-dimethylchro-mene의 비 칭 에폭시화 반응시

[bmim]PF6와 CH2Cl2 (14 vv) 혼합물 용매를 사용

함으로써 96-94의 학순도로 chromene oxides를

합성하는데 성공하 다 이온성 액체를 첨단유기합성

기술인 학활성화합물 제조기술개발에 용함으로써

용매와 매의 소비를 최소화하는 반응과정을 개발하

고 있다

- 이와 같은 기술은 화학 산업에서의 공해 요인을 감소

38 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

시킬 것이며 특히 노벨화학상 수상분야인 비 칭

매반응 분야의 최 문제 으로 지 되었던 키랄 매

의 분리 재회수가 가능하게 되었다는 에서 기술

으로도 우수한 성과라 할 수 있다

- 한 이온성 액체 내에서 일부 매반응이 가속화될

수도 있고 선택성 매의 안정성 역시 향상될 수

있음을 밝혔으며 더욱 놀라운 결과로는 기존의 유기

용매 내에서는 진행되지 않던 일부 반응이 이온

성 액체 내에서는 정량 으로 진행될 수 있다는 것이

- 한 많은 요한 유기반응에서 이온성 액체가 용매로

서뿐 아니라 자신이 재사용 가능 한 매로도 작용할

수 있음을 밝힌 바 있다 이러한 일련의 결과들은 이

온성 액체가 21세기에 매분야뿐 아니라 체 유기화

학분야의 새로운 장을 열고 있다는 에서 요한 의

미를 지닌다고 할 수 있다

합성 응용분야(52)

- 한국과학기술연구원 김훈식 박사 연구 은 KSeO2

(OCH3)를1-alkyl-3-methylimidazolium chloride와 반

응시켜 새로운 이미다졸륨 알킬셀 나이트 ([Rmim]

[SeO2(OCH3)]) 화합물을 합성하 다

- 아민화합물의 산화성 카르보닐화 반응을 통한 치환된

우 아 제조 반응에서 기존의 KSeO2(OCH3)을 매로

사용하 을 경우에 비해 이 화합물은 보다 온화한 반

응조건을 제공할 뿐 아니라 이소시아네이트의 구체

인 치환된 우 아와 카바메이트를 고수율로 합성할 수

제3장 국내외 기술개발 동향 39

있었다

- 재 이온성 액체를 이용한 분리 유기 속화합물을

함유한 고활성 매로서의 이온성 액체의 합성 응

용에 한 연구를 수행하고 있다

- 포항공과 학교의 김만주 교수 연구 은 Lipase를

[PPMIM]PF6 (PPMIM = 1-(3-phenylpropyl)-3-

methylimidazolium)와 혼합시켜Ionic liquid-Coated

Enzyme (ILCE)을 합성하 다 이 새로운 타입의

immobilized biocatalyst는 2차 알코올의 transest-

erification 반응을 통한 acetylated 화합물합성에 높은

활성과 재사용성을 보여 주었으며 이러한 연구결과를

다양한 생화학분야에 용하기 한 연구를 수행하고

있다

- 인하 학교의 지 윤 교수연구 은 alkyl mesylate로부

터 fluoro-alkane을 합성하는 반응에서 이온성 액체를

용매로 사용함으로써 기존방법에 비해 부반응이 거의

없고 생산성이 히 증가된 결과를 얻었으며 이러한

결과를 실용화시키기 한 연구를 지속하고 있다

- 신약개발 바이오벤처 기업 씨트리(C-TRI)는 이온성

액체를 이용한 학활성 화합물제조 기술개발회사로

서 지난 상반기에 31억원의 매출을 올렸으며 최근 이

온성 액체를 이용한 신약개발과 정 화학사업에 필요

한 연구 인력을 거 보강하여 이온성 액체 련사업

을 추진하고 있다

41

제4장

결론 및 제언

향후의 방향

- 이온성 액체에 한 앞으로의 망은 이온성 액체를

주 테마로 하는 국제회의가 증가하고 있다 미국화학

회는 작년 9월 New York에서 이온성 액체에 한 세

션이 개최되어 열띤 토론이 진행 되었다

- 2004년 3~4월에 Anaheim에서 개최된 세션은 ldquo이온성

액체와 고분자rdquo 다 유럽과 미국에서는 이온성 액체

를 반응용매로 보는 것이 주류를 이루고 있었다

- 2004년 10월 Hawaii에서 기화학의 미일합동 회가

열린다 주제는 이온성 액체(용융염)에 한 연구이었

- 앞으로도 이온성 액체에 한 연구는 증가할 것이고

여러 가지 배경을 갖고 있는 연구자들이 서로 다른 목

표를 가지고 연구에 노력할 것이라 생각된다

국내사정

- 우리나라의 황을 보면 재석유화학 의학 산업에

서만 약7억불에 달하는 유기용매가 사용되고 있으며

이들을 모두 체할 수 있다면 최 7억불시장을 형성

할 수 있으므로 이온성 액체의 시장잠재력은 매우 크

42 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

다 하겠다

- 이온성 액체는 휘발성유기화합물을 체할 수 있을 뿐

만 아니라 고가의 귀 속 매를 이온성 액체 층에 고

정화 시킬수 있어 매의 회수 재사용을 용이하게

하며 매의 활성도 안정도 선택도까지도 획기

으로 증가시킬 수 있으므로 환경 측면은 물론 경제

인 에서도 바람직한 청정용매라 할 수 있다

- 상기한바 와같이 이온성 액체의 잠재 인 응용가능성

은 앞으로 무한할 것으로 사료되므로 국내에서도 이에

한 연구자들의 심과 더불어 정부 기업체에 의

한 연구지원이 지속 으로 이루어져야 할 것이다

후의 과제

- 통상의 용매로 이온성 액체를 이용하는 경우에는 내구

성 제조가격 등의 인자가 요하지만 목 이 한정된

이온성 액체의 이용에 있어서는 목 하는 기능을 요

시할 필요가 있다

- 많은 이온성 액체가 합성되고 있으나 원하는 높은 물

성을 갖는 이온성 액체를 설계하는 데 기본이 되는 이

론이 아직은 없는 편이다 이를 해서는 특히 이온성

액체의 구조-물성의 상 계가 밝 져야 하는데 많

은 연구가 진행되고 있음에도 불구하고 그 계가 밝

지지 않고 있다 따라서 상태로서는 원하는 이온

성 액체를 직 만들어서 평가하는 방법밖에 없는 게

실이다

- 그러나 도화와 열안정성 등과 같이 상반 계에 있

는 특성은 하나의 라미터를 변화시키는 것에 의해

제4장 결론 및 제언 43

한 쪽의 특성은 양호하게 되지만 다른 한 쪽의 특성이

악화되는 것을 피할 수 없는 성질로서 아직 양쪽을 동

시에 만족하는 이온성 액체는 실 하지 못하고 있다

- 향후 이온성 액체는 청정용매의 개발과 더불어 새로

운 청정 공정기술의 개발을 통하여 신소재 신물질 생

산 공정을 환경친화 이면서 경제성 있는 공정개발에

기여할 것으로 기 된다

- 특히 비닐기 같은 합성 기능기를 이온성 액체의 단

구조로 도입하여 단독 합이나 공 합을 통해 고분

자화한 이온성 액체를 만들 수 있어 이를 잘 활용하여

이온 지라든가 연료 지 등의 해액으로 응용의 길

이 열린다면 학문 으로나 공업 으로 큰 의의가 있으

리라 생각되며 이 분야의 연구가 활성화되길 기 한

45

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저자소개

손 목

공학박사

한국에 지기술연구소 원장

한국과학기술정보연구원 문연구 원

서 수소 연료 지 개스 센서기술 등

강 종 석

공학박사

한국과학기술정보연구원 선임연구원

서 BT분야 국가연구개발 심층분석

리튬이차 지 등

BB088 손 목강종석

이온성 액체의 반응성 및 전기화학적

특성 연구동향

2005년 12월 19일 인쇄

2005년 12월 23일 발행

발행처

서울특별시 동 문구 청량리동 206-9

ꂕ 130-742

화 3299-6114

등록 1991년 2월 12일 제5-258호

발행인

조 화

인쇄처

신기획

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SUO 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 ITA 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 CHS ltFEFF4f7f75288fd94e9b8bbe7f6e521b5efa76840020005000440046002065876863ff0c5c065305542b66f49ad8768456fe50cf52068fa87387ff0c4ee575284e8e9ad88d2891cf76845370524d6253537030028be5002000500044004600206587686353ef4ee54f7f752800200020004100630072006f00620061007400204e0e002000520065006100640065007200200035002e00300020548c66f49ad87248672c62535f0030028fd94e9b8bbe7f6e89816c425d4c51655b574f533002gt CHT ltFEFF4f7f752890194e9b8a2d5b9a5efa7acb76840020005000440046002065874ef65305542b8f039ad876845f7150cf89e367905ea6ff0c9069752865bc9ad854c18cea76845370524d521753703002005000440046002065874ef653ef4ee54f7f75280020004100630072006f0062006100740020548c002000520065006100640065007200200035002e0030002053ca66f465b07248672c4f86958b555f300290194e9b8a2d5b9a89816c425d4c51655b57578b3002gt gtgtgtgt setdistillerparamsltlt HWResolution [2400 2400] PageSize [612000 792000]gtgt setpagedevice

Page 30: 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향gift.kisti.re.kr/data/IAC/files/KISTI-200512-SYM-ion_fluid.pdf · ※ 이온성 액체는 사용되는 음이온의

제3장 국내외 기술개발 동향 27

보조 매로의 이온성 용액은 올 핀의 이합체화 (Olefin

dimerization)에서 니 매로 산성염화알루미늄염의 이

온성 용액이 로펜을 헥센에 이합체화를 한 반응에서

용매와 보조 매의 조합으로 사용한 첫 번째 경우이

다(33)

리간드 원으로서의 이온성 용액

- 수소화와 수소포르 화 반응 수소화 반응 수소포

르 화 반응을 해 용매로서 [Et4N][SnCl3]의 PtCl2용

액은 속에 매의 확실한 분해도 없이 올 핀의 수

소화에 효과 으로 매반응을 일으켰다 공기와의

을 피하도록 하는 가운데 활성화의 손실이 없이

매용액을 계속 으로 사용함으로써 반응이 이루어진

다(34)

- 팔라듐 NHC착물의 형성 이온성 용액은 팔라둠 매

반응의 넓은범 의 용매로 사용되어 왔다 이 연구과

정에서 재미있는 화학 상은 HHC착물과 나노 입

자의 형성이었다 이는 아직 논쟁의 상이 되고 있다

NHC착물은 이미다졸리움 이온성 용액에서 형성되며

기 하지 않는 반응성 는 선택성이 감지될 때 이를

항상 고려해야한다(35)

28 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-13gt NHC 매의 lactide 합에서의 ring opening

- 이온성 용액에서 나노입자의 형성 최근에 매로서

나노입자의 사용이 증가되는 심분야이다 1996년

Kaufmann이 이온성 용액에서처음으로 팔라듐의 매

반응을 보고하 다 일련의 아릴 롬이[C16PbBu3]Br

는 [Bu4N]Br에서 노말-알킬 이트와 결합하여 수율

90이상의 trans-시안염을 생성하는 반응이었다(36)

반응 용매로서의 이온성 용액

- 알 수소화 반응 [SbF6]- 와 [PF4]-의 두 이온성

용액에서 수소화 반응의 속도는 알 용액에서보다 훨

씬 높았다 왜 이 이온성 용액이 개선되었는지에 해

서는 아직 연구된 바가 없다 실제 매의 실체조차확

인이 안 되었다 반응용액으로부터 생성된 알 은 분

리가 쉬웠고 매를 함유한 용액은 순환되었다(37)

lt그림 3-14gt [C4C1im][PF6]의 수소포르 화 매의 두형태의 평형

제3장 국내외 기술개발 동향 29

- 산화 비록 재 사용되는 부분의 이온성 용액은 산

화에 안정 이고 산화과정에 이상 인 용매를 제공하

고 있지만 이것은 불과 지난몇 년 사이의 일이었다

Ni(acac)2는 [C4C1im][PF6]에서 해당되는 산의 라-

치환 benzaldehydes를 보통의 수율로 공기 에서 산

화반응의 매로 사용되어 왔다(38)

기화학 매용매로써의 이온성 용액

- 자화학을 이끄는 이온성 용액은 기화학 합성용

용매로서 가능성을 보이고 있다 최근에는 Ni이 알킬

벤질 아릴 할로겐화합물의 기 도성 동종결합

(electro conductive homo-coupling) 반응에 매로 보

고 된 바 있다 니 (II)착물은 니 (0)의 종에 하여

환원되고 방향성 할로겐화물에 첨가되어 할로겐 화합

물이 된다는 제안이 있었다(39)

이온성 용액의 고정화

- 반응시스템이 액체일 때 많은 장 이 있지만 때로는

그것을 고정화(immobilize) 시킬 필요가 있다 이온성

용액을 고정화 시키는데 심이 모아지고 있으며 첫

번째의 시도가 이온성 용액- 합체 겔을 만들기 하

여 고분자 vinylidenefluoride- hexachloropropylene의

공 합체를 사용한 것이다(40)

30 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

4 근대의 동향

할로겐 리이온액체

- 근년 이온성 액체에 한 연구가 많이 수행되고 있지

만 합성하고 있는 이온성 액체의 구조는 의외로 한정

되어 있으며 양이온은 테트라알킬암모늄(tetraalkyla-

mmonium) 피롤리디니움(pyrolidinium) 이미다졸리움

(imidazolium) 피리디니움(pyridinium) 등과 같이 비

교 다양성이 풍부한 반면에 음이온 종류는 BF4

PF6 CF3SO3 (CF3SO2)2N 등 할로겐 원소를 구조

에 함유한 것은 일반 으로 종류가 많지 않다(41)

- 할로겐을 포함하지 않는 음이온도 보고 되어 있는데

많은 양이온과 조합하여 액체화를 달성함이 쉽지 않고

한정된 양이온과 질산음이온이나 산 음이온 등을 결

합시킨 것이 보고 되어 있다(42)

- 최근 H Ohno(43)등은 할로겐 원소를 함유하지 않은

음이온으로 이온액체를 구축하기 하여 헤테로방향환

화합물을 착안하여 이미다졸이나 피라졸 등의 아졸

(azol)류 에서 산성을 띠는 124-triazolate 1234-

tetrazolate 등과 이미다졸리움 양이온을 조합시키는 것

에 의해 이온성 액체를 합성하 다

- 이 이온성 액체는 분자량과 비교해서 하의 비국재화

(非局在化)가 크다 한 할로겐 원소를 함유하지 않

고 C H N의 3종류원소만으로 구성되어 있다

제3장 국내외 기술개발 동향 31

lt그림 3-15gt 할로겐 리이온액체의 구조

쯔 츠 이온성 액체 (Zwitter ionic liquids)

- 한편 M Yoshizawa(44) 등은 이온 도재료로서 이온액

체를 사용하는 경우는 구배에 한 이온액체의 구

성이온종의 이동이 큰 문제로 된다

- 따라서 리튬 2차 지나 연료 지 등 목 이온종의 수

율과 계의 출력과의 계를 디바이스에 응용할 때는

이온 도재료로서 이온성 액체를 사용하는 것으로 양

이온과 음이온을 스페이서(spacer)로 결합하는 것에

의해 실온에서 액체상태인 성 이온 액체(zwitter

ionic liquid)를 제안하고 있다

- 양이온과 음이온을 스페이서로 결합하면 하는 체

로서 성이 되어 하이동이 없는 염으로 되는데 스

페이서가 짧아서 충분한 염해리가 힘드나 어느 정도의

자유도가 얻어지면 zwitterion으로 된다

32 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-16gt zwitter ionic liquids의 모식도

특정이온을 포함하는 이온액체

- 이온성 액체를 이온 도체로 사용하는 과제는 목 이

온의 도입이다 이는 리튬염 등 목 이온을 포함하는

염 등을 이온액체에 용해시켜 도입한다

- 그런데 염의 첨가는 계의 성의 증가 이온 도도의

하를 가져온다 한 이온액체와 상용하는 분자무

기염은 많지 않고 첨가염의 종류도 한정되어있는 것이

문제이다

- 이의 해결이 자의 zwitter ion이고 두 번째가 목 이

온을 실온에서 액체화가 가능하면 문제가 해결된다

이러한 방법으로 각종의 알칼리 속 이온성 액체

(alkali metal ionic liquid)를 개발하 다(45)

- lt그림 3-17gt은 알칼리 속이온성 액체는 2가의 응

음이온과 1가의 오니움(onium) 양이온 1가의 목 이

온으로 구성된다

lt그림 3-17gt 알칼리 속이온액체의 개념도

제3장 국내외 기술개발 동향 33

- 이온액체는 구성하는 이온 간의 정 기 상호작용은

없을수록 좋으므로 강한 상호작용을 일으키는 다가이

온의 사용은 물이다 당 리튬 양이온의 이온액체

가 목 이나 여러 가지의 알칼리 속이온도 액체로

되는데 이를 응용하면 로톤을 포함하는 이온액체도

얻어지게 된다

이온액체의 합

- 이온성 액체는 분자 디자인이 용이하기 때문에 고분자

구조를 도입하는 것도 가능하며 이온성 액체의 고분

자화로는 각종의 고분자와 혼합한 겔화가 알려져 있지

만 이온성 액체 에 합기를 직 도입하여 고분자

화 하는 것에 의해 이온 도성뿐 아니라 디바이스의

다운사이징(down-sizing)에 기여할 것으로 망하고

있다(41)

- lt그림 3-18gt은 고분자화 이온액체를 나타내는데 종래

의 polyethyl-eneoxide유도체에 의존하지 않는 새로운

이온 도재료로서 검토된다

- lt그림 3-18gt에서 양이온과 음이온의 한쪽이 고분자의

주쇄에 고정되어 있어서 도 이온종을 선택하는 이

유용하다 한 구성이온종의 양방이 고분자 주쇄에

고정된 구조는 이온 도성을 나타내지 않으나 목 이

온의 첨가로 선택 도가 일어난다(46)

34 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-18gt 이온액체폴리머의 변화

자기조직화 이온액체

- 이온액체는 등방성의 액체로서 3차원 인 이온을 운반

하는 것이 가능하다 이로서 차원제어를 행하고 특정

방향으로 이온을 수송하는 시도가 있다 이를 해 자

기 집합력을 이온액체에 부여할 필요가 있다

- 이온액체의 자기조직화에는 양친매성화합물(兩親媒性

化合物)의 성질을 이용한다 극성성분이 있는 이온액

체에 비극성기(탄화수소쇄 탄화불소쇄)를 도입한 양

친매성 이온액체는 벌크로 써모트로픽 액정성을 발

하여 극성 비극성기가 분자 벨에서 상분리된 구조

를 형성한다

- 이 액체 도메인 에는 이온성 액체자신은 용융되어

높은 운동성을 갖는 알킬기의 집합층에 고정된 상태일

것으로 생각된다 여기에 리튬염을 첨가하면 비극성염

을 갖지 않는 리튬이온의 우선 인 수송이 기 된

다(lt그림 3-19gt 참조)

제3장 국내외 기술개발 동향 35

lt그림 3-19gt 이온성 액체 도메인 의 목 이온수송의 모식도

새로운 용매

- Alabama 학의 Rogers 등은 셀룰로오스를 용해시키는

이온성 액체로서 bmim Cl(1-butyl-3-methylimidazolium

chloride)을 개발하 다(47)

lt그림 3-20gt bmimCl의 구조

- Bmin Cl은 실온에서는 고체로서 75에서 용해되지만

100 정도로 가열한 bmim Cl에 종이(셀룰로오스)를

침지하면 순식간에 용해된다 이 용액을 시린지

(syringe)에 의해 물 에서 용출(溶出)시키면 셀룰로

오스 화이버가 생성된다 풍부한 목재자원을 셀룰로스

로 추출하는 시도가 이루어지고 있다

36 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

- 한 핵산류를 용해시킨 이온액체를 개발하고 있는데

DNA나 RNA는 물에 쉽게 용해되지 않는데 이를 용

해시키는 이온액체가 얻어졌다 일정량의 핵산을 용해

시키는 온도는 사용하는 이온액체의 구조에 크게 의존

한다(48)

- 특히 분자내 는 분자간의 수소결합을 단하는 능

력이 요구되는데 여기에는 염소음이온의 효과가 큰 것

으로 알려져 있다 염소를 포함하는 염은 일반 으로

융 이 높고 실온에서 액상으로 존재하기가 어려운

이 있다

- 이는 음이온의 부 하가 비국재화하고 있지 않기 때문

에 정 인 상호작용이 강하게 작용하고 있는 결과이

다 이를 피하기 해 양이온구조를 개선하여 상온에

서 액체의 염화물 염을 합성한다(49)

- 이 방법으로 양이온 구조를 개선하여 실온에서 액체상

태 염화물염인 aaim Cl(13-diallylimidazolium chloride)

를 개발하 다 aaim Cl은 융 이 21 부근이지만 한번

용융하면 과냉각 상태에서도 안정하여 실온에서 사용

가능하다 단지 도가 높은 것이 난 이다

단백질의 기화학반응용 해질용액

- 단백질의 기화학 인 성질로서 단백질을 이온액체에

용해시키는 것은 통상의 고분자를 용해시키는 것과는

차원이 다데 단백질의 기능은 펩사이드쇄의 3차 구조

에 크게 의존하기 때문에 3차구조가변하면 변성에 의

해서 목 달성이 되지 않는다 따라서 무리한 용해작

업은 변성을 래한다

제3장 국내외 기술개발 동향 37

- 이에 하여 PEO(polyethylene oxide)의 에테르산소가

이온과 강하게 상호작용하고 있다 이는 가용성을 의

미하며 PEO가 단백질과 이온액체를 용해하여 단백질

의 안정성을 향상시킨다 종래 바이오디바이스의 작성

이 곤란했든 것은 수 에서 단백질의 불안정성에 기인

하 는데 사용 온도에 따라 이온액체 의 단백질의

기화학이 새로운 가능성의 개척을 시사한다(50)

5 국내동향

이온액체의 매반응분야(51)

- 한국과학기술연구원 송충의 박사는 이온성 액체를 키

랄 화합물 제조를 한 매반응에 도입하여 고가인

매와 용매의 반복 사용을 가능하게 함에 따라 결

국 매와 용매의 소비를 최소화시킬 수 있는 소 청

정 비 칭 매반응을 개발하 다

- 즉 Jacobsons chiral (salen)MnIII

매 존재 하에서

22-dimethylchro-mene의 비 칭 에폭시화 반응시

[bmim]PF6와 CH2Cl2 (14 vv) 혼합물 용매를 사용

함으로써 96-94의 학순도로 chromene oxides를

합성하는데 성공하 다 이온성 액체를 첨단유기합성

기술인 학활성화합물 제조기술개발에 용함으로써

용매와 매의 소비를 최소화하는 반응과정을 개발하

고 있다

- 이와 같은 기술은 화학 산업에서의 공해 요인을 감소

38 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

시킬 것이며 특히 노벨화학상 수상분야인 비 칭

매반응 분야의 최 문제 으로 지 되었던 키랄 매

의 분리 재회수가 가능하게 되었다는 에서 기술

으로도 우수한 성과라 할 수 있다

- 한 이온성 액체 내에서 일부 매반응이 가속화될

수도 있고 선택성 매의 안정성 역시 향상될 수

있음을 밝혔으며 더욱 놀라운 결과로는 기존의 유기

용매 내에서는 진행되지 않던 일부 반응이 이온

성 액체 내에서는 정량 으로 진행될 수 있다는 것이

- 한 많은 요한 유기반응에서 이온성 액체가 용매로

서뿐 아니라 자신이 재사용 가능 한 매로도 작용할

수 있음을 밝힌 바 있다 이러한 일련의 결과들은 이

온성 액체가 21세기에 매분야뿐 아니라 체 유기화

학분야의 새로운 장을 열고 있다는 에서 요한 의

미를 지닌다고 할 수 있다

합성 응용분야(52)

- 한국과학기술연구원 김훈식 박사 연구 은 KSeO2

(OCH3)를1-alkyl-3-methylimidazolium chloride와 반

응시켜 새로운 이미다졸륨 알킬셀 나이트 ([Rmim]

[SeO2(OCH3)]) 화합물을 합성하 다

- 아민화합물의 산화성 카르보닐화 반응을 통한 치환된

우 아 제조 반응에서 기존의 KSeO2(OCH3)을 매로

사용하 을 경우에 비해 이 화합물은 보다 온화한 반

응조건을 제공할 뿐 아니라 이소시아네이트의 구체

인 치환된 우 아와 카바메이트를 고수율로 합성할 수

제3장 국내외 기술개발 동향 39

있었다

- 재 이온성 액체를 이용한 분리 유기 속화합물을

함유한 고활성 매로서의 이온성 액체의 합성 응

용에 한 연구를 수행하고 있다

- 포항공과 학교의 김만주 교수 연구 은 Lipase를

[PPMIM]PF6 (PPMIM = 1-(3-phenylpropyl)-3-

methylimidazolium)와 혼합시켜Ionic liquid-Coated

Enzyme (ILCE)을 합성하 다 이 새로운 타입의

immobilized biocatalyst는 2차 알코올의 transest-

erification 반응을 통한 acetylated 화합물합성에 높은

활성과 재사용성을 보여 주었으며 이러한 연구결과를

다양한 생화학분야에 용하기 한 연구를 수행하고

있다

- 인하 학교의 지 윤 교수연구 은 alkyl mesylate로부

터 fluoro-alkane을 합성하는 반응에서 이온성 액체를

용매로 사용함으로써 기존방법에 비해 부반응이 거의

없고 생산성이 히 증가된 결과를 얻었으며 이러한

결과를 실용화시키기 한 연구를 지속하고 있다

- 신약개발 바이오벤처 기업 씨트리(C-TRI)는 이온성

액체를 이용한 학활성 화합물제조 기술개발회사로

서 지난 상반기에 31억원의 매출을 올렸으며 최근 이

온성 액체를 이용한 신약개발과 정 화학사업에 필요

한 연구 인력을 거 보강하여 이온성 액체 련사업

을 추진하고 있다

41

제4장

결론 및 제언

향후의 방향

- 이온성 액체에 한 앞으로의 망은 이온성 액체를

주 테마로 하는 국제회의가 증가하고 있다 미국화학

회는 작년 9월 New York에서 이온성 액체에 한 세

션이 개최되어 열띤 토론이 진행 되었다

- 2004년 3~4월에 Anaheim에서 개최된 세션은 ldquo이온성

액체와 고분자rdquo 다 유럽과 미국에서는 이온성 액체

를 반응용매로 보는 것이 주류를 이루고 있었다

- 2004년 10월 Hawaii에서 기화학의 미일합동 회가

열린다 주제는 이온성 액체(용융염)에 한 연구이었

- 앞으로도 이온성 액체에 한 연구는 증가할 것이고

여러 가지 배경을 갖고 있는 연구자들이 서로 다른 목

표를 가지고 연구에 노력할 것이라 생각된다

국내사정

- 우리나라의 황을 보면 재석유화학 의학 산업에

서만 약7억불에 달하는 유기용매가 사용되고 있으며

이들을 모두 체할 수 있다면 최 7억불시장을 형성

할 수 있으므로 이온성 액체의 시장잠재력은 매우 크

42 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

다 하겠다

- 이온성 액체는 휘발성유기화합물을 체할 수 있을 뿐

만 아니라 고가의 귀 속 매를 이온성 액체 층에 고

정화 시킬수 있어 매의 회수 재사용을 용이하게

하며 매의 활성도 안정도 선택도까지도 획기

으로 증가시킬 수 있으므로 환경 측면은 물론 경제

인 에서도 바람직한 청정용매라 할 수 있다

- 상기한바 와같이 이온성 액체의 잠재 인 응용가능성

은 앞으로 무한할 것으로 사료되므로 국내에서도 이에

한 연구자들의 심과 더불어 정부 기업체에 의

한 연구지원이 지속 으로 이루어져야 할 것이다

후의 과제

- 통상의 용매로 이온성 액체를 이용하는 경우에는 내구

성 제조가격 등의 인자가 요하지만 목 이 한정된

이온성 액체의 이용에 있어서는 목 하는 기능을 요

시할 필요가 있다

- 많은 이온성 액체가 합성되고 있으나 원하는 높은 물

성을 갖는 이온성 액체를 설계하는 데 기본이 되는 이

론이 아직은 없는 편이다 이를 해서는 특히 이온성

액체의 구조-물성의 상 계가 밝 져야 하는데 많

은 연구가 진행되고 있음에도 불구하고 그 계가 밝

지지 않고 있다 따라서 상태로서는 원하는 이온

성 액체를 직 만들어서 평가하는 방법밖에 없는 게

실이다

- 그러나 도화와 열안정성 등과 같이 상반 계에 있

는 특성은 하나의 라미터를 변화시키는 것에 의해

제4장 결론 및 제언 43

한 쪽의 특성은 양호하게 되지만 다른 한 쪽의 특성이

악화되는 것을 피할 수 없는 성질로서 아직 양쪽을 동

시에 만족하는 이온성 액체는 실 하지 못하고 있다

- 향후 이온성 액체는 청정용매의 개발과 더불어 새로

운 청정 공정기술의 개발을 통하여 신소재 신물질 생

산 공정을 환경친화 이면서 경제성 있는 공정개발에

기여할 것으로 기 된다

- 특히 비닐기 같은 합성 기능기를 이온성 액체의 단

구조로 도입하여 단독 합이나 공 합을 통해 고분

자화한 이온성 액체를 만들 수 있어 이를 잘 활용하여

이온 지라든가 연료 지 등의 해액으로 응용의 길

이 열린다면 학문 으로나 공업 으로 큰 의의가 있으

리라 생각되며 이 분야의 연구가 활성화되길 기 한

45

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저자소개

손 목

공학박사

한국에 지기술연구소 원장

한국과학기술정보연구원 문연구 원

서 수소 연료 지 개스 센서기술 등

강 종 석

공학박사

한국과학기술정보연구원 선임연구원

서 BT분야 국가연구개발 심층분석

리튬이차 지 등

BB088 손 목강종석

이온성 액체의 반응성 및 전기화학적

특성 연구동향

2005년 12월 19일 인쇄

2005년 12월 23일 발행

발행처

서울특별시 동 문구 청량리동 206-9

ꂕ 130-742

화 3299-6114

등록 1991년 2월 12일 제5-258호

발행인

조 화

인쇄처

신기획

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SUO 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 ITA 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 NOR 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 SVE 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 KOR 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 CHS ltFEFF4f7f75288fd94e9b8bbe7f6e521b5efa76840020005000440046002065876863ff0c5c065305542b66f49ad8768456fe50cf52068fa87387ff0c4ee575284e8e9ad88d2891cf76845370524d6253537030028be5002000500044004600206587686353ef4ee54f7f752800200020004100630072006f00620061007400204e0e002000520065006100640065007200200035002e00300020548c66f49ad87248672c62535f0030028fd94e9b8bbe7f6e89816c425d4c51655b574f533002gt CHT ltFEFF4f7f752890194e9b8a2d5b9a5efa7acb76840020005000440046002065874ef65305542b8f039ad876845f7150cf89e367905ea6ff0c9069752865bc9ad854c18cea76845370524d521753703002005000440046002065874ef653ef4ee54f7f75280020004100630072006f0062006100740020548c002000520065006100640065007200200035002e0030002053ca66f465b07248672c4f86958b555f300290194e9b8a2d5b9a89816c425d4c51655b57578b3002gt gtgtgtgt setdistillerparamsltlt HWResolution [2400 2400] PageSize [612000 792000]gtgt setpagedevice

Page 31: 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향gift.kisti.re.kr/data/IAC/files/KISTI-200512-SYM-ion_fluid.pdf · ※ 이온성 액체는 사용되는 음이온의

28 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-13gt NHC 매의 lactide 합에서의 ring opening

- 이온성 용액에서 나노입자의 형성 최근에 매로서

나노입자의 사용이 증가되는 심분야이다 1996년

Kaufmann이 이온성 용액에서처음으로 팔라듐의 매

반응을 보고하 다 일련의 아릴 롬이[C16PbBu3]Br

는 [Bu4N]Br에서 노말-알킬 이트와 결합하여 수율

90이상의 trans-시안염을 생성하는 반응이었다(36)

반응 용매로서의 이온성 용액

- 알 수소화 반응 [SbF6]- 와 [PF4]-의 두 이온성

용액에서 수소화 반응의 속도는 알 용액에서보다 훨

씬 높았다 왜 이 이온성 용액이 개선되었는지에 해

서는 아직 연구된 바가 없다 실제 매의 실체조차확

인이 안 되었다 반응용액으로부터 생성된 알 은 분

리가 쉬웠고 매를 함유한 용액은 순환되었다(37)

lt그림 3-14gt [C4C1im][PF6]의 수소포르 화 매의 두형태의 평형

제3장 국내외 기술개발 동향 29

- 산화 비록 재 사용되는 부분의 이온성 용액은 산

화에 안정 이고 산화과정에 이상 인 용매를 제공하

고 있지만 이것은 불과 지난몇 년 사이의 일이었다

Ni(acac)2는 [C4C1im][PF6]에서 해당되는 산의 라-

치환 benzaldehydes를 보통의 수율로 공기 에서 산

화반응의 매로 사용되어 왔다(38)

기화학 매용매로써의 이온성 용액

- 자화학을 이끄는 이온성 용액은 기화학 합성용

용매로서 가능성을 보이고 있다 최근에는 Ni이 알킬

벤질 아릴 할로겐화합물의 기 도성 동종결합

(electro conductive homo-coupling) 반응에 매로 보

고 된 바 있다 니 (II)착물은 니 (0)의 종에 하여

환원되고 방향성 할로겐화물에 첨가되어 할로겐 화합

물이 된다는 제안이 있었다(39)

이온성 용액의 고정화

- 반응시스템이 액체일 때 많은 장 이 있지만 때로는

그것을 고정화(immobilize) 시킬 필요가 있다 이온성

용액을 고정화 시키는데 심이 모아지고 있으며 첫

번째의 시도가 이온성 용액- 합체 겔을 만들기 하

여 고분자 vinylidenefluoride- hexachloropropylene의

공 합체를 사용한 것이다(40)

30 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

4 근대의 동향

할로겐 리이온액체

- 근년 이온성 액체에 한 연구가 많이 수행되고 있지

만 합성하고 있는 이온성 액체의 구조는 의외로 한정

되어 있으며 양이온은 테트라알킬암모늄(tetraalkyla-

mmonium) 피롤리디니움(pyrolidinium) 이미다졸리움

(imidazolium) 피리디니움(pyridinium) 등과 같이 비

교 다양성이 풍부한 반면에 음이온 종류는 BF4

PF6 CF3SO3 (CF3SO2)2N 등 할로겐 원소를 구조

에 함유한 것은 일반 으로 종류가 많지 않다(41)

- 할로겐을 포함하지 않는 음이온도 보고 되어 있는데

많은 양이온과 조합하여 액체화를 달성함이 쉽지 않고

한정된 양이온과 질산음이온이나 산 음이온 등을 결

합시킨 것이 보고 되어 있다(42)

- 최근 H Ohno(43)등은 할로겐 원소를 함유하지 않은

음이온으로 이온액체를 구축하기 하여 헤테로방향환

화합물을 착안하여 이미다졸이나 피라졸 등의 아졸

(azol)류 에서 산성을 띠는 124-triazolate 1234-

tetrazolate 등과 이미다졸리움 양이온을 조합시키는 것

에 의해 이온성 액체를 합성하 다

- 이 이온성 액체는 분자량과 비교해서 하의 비국재화

(非局在化)가 크다 한 할로겐 원소를 함유하지 않

고 C H N의 3종류원소만으로 구성되어 있다

제3장 국내외 기술개발 동향 31

lt그림 3-15gt 할로겐 리이온액체의 구조

쯔 츠 이온성 액체 (Zwitter ionic liquids)

- 한편 M Yoshizawa(44) 등은 이온 도재료로서 이온액

체를 사용하는 경우는 구배에 한 이온액체의 구

성이온종의 이동이 큰 문제로 된다

- 따라서 리튬 2차 지나 연료 지 등 목 이온종의 수

율과 계의 출력과의 계를 디바이스에 응용할 때는

이온 도재료로서 이온성 액체를 사용하는 것으로 양

이온과 음이온을 스페이서(spacer)로 결합하는 것에

의해 실온에서 액체상태인 성 이온 액체(zwitter

ionic liquid)를 제안하고 있다

- 양이온과 음이온을 스페이서로 결합하면 하는 체

로서 성이 되어 하이동이 없는 염으로 되는데 스

페이서가 짧아서 충분한 염해리가 힘드나 어느 정도의

자유도가 얻어지면 zwitterion으로 된다

32 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-16gt zwitter ionic liquids의 모식도

특정이온을 포함하는 이온액체

- 이온성 액체를 이온 도체로 사용하는 과제는 목 이

온의 도입이다 이는 리튬염 등 목 이온을 포함하는

염 등을 이온액체에 용해시켜 도입한다

- 그런데 염의 첨가는 계의 성의 증가 이온 도도의

하를 가져온다 한 이온액체와 상용하는 분자무

기염은 많지 않고 첨가염의 종류도 한정되어있는 것이

문제이다

- 이의 해결이 자의 zwitter ion이고 두 번째가 목 이

온을 실온에서 액체화가 가능하면 문제가 해결된다

이러한 방법으로 각종의 알칼리 속 이온성 액체

(alkali metal ionic liquid)를 개발하 다(45)

- lt그림 3-17gt은 알칼리 속이온성 액체는 2가의 응

음이온과 1가의 오니움(onium) 양이온 1가의 목 이

온으로 구성된다

lt그림 3-17gt 알칼리 속이온액체의 개념도

제3장 국내외 기술개발 동향 33

- 이온액체는 구성하는 이온 간의 정 기 상호작용은

없을수록 좋으므로 강한 상호작용을 일으키는 다가이

온의 사용은 물이다 당 리튬 양이온의 이온액체

가 목 이나 여러 가지의 알칼리 속이온도 액체로

되는데 이를 응용하면 로톤을 포함하는 이온액체도

얻어지게 된다

이온액체의 합

- 이온성 액체는 분자 디자인이 용이하기 때문에 고분자

구조를 도입하는 것도 가능하며 이온성 액체의 고분

자화로는 각종의 고분자와 혼합한 겔화가 알려져 있지

만 이온성 액체 에 합기를 직 도입하여 고분자

화 하는 것에 의해 이온 도성뿐 아니라 디바이스의

다운사이징(down-sizing)에 기여할 것으로 망하고

있다(41)

- lt그림 3-18gt은 고분자화 이온액체를 나타내는데 종래

의 polyethyl-eneoxide유도체에 의존하지 않는 새로운

이온 도재료로서 검토된다

- lt그림 3-18gt에서 양이온과 음이온의 한쪽이 고분자의

주쇄에 고정되어 있어서 도 이온종을 선택하는 이

유용하다 한 구성이온종의 양방이 고분자 주쇄에

고정된 구조는 이온 도성을 나타내지 않으나 목 이

온의 첨가로 선택 도가 일어난다(46)

34 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-18gt 이온액체폴리머의 변화

자기조직화 이온액체

- 이온액체는 등방성의 액체로서 3차원 인 이온을 운반

하는 것이 가능하다 이로서 차원제어를 행하고 특정

방향으로 이온을 수송하는 시도가 있다 이를 해 자

기 집합력을 이온액체에 부여할 필요가 있다

- 이온액체의 자기조직화에는 양친매성화합물(兩親媒性

化合物)의 성질을 이용한다 극성성분이 있는 이온액

체에 비극성기(탄화수소쇄 탄화불소쇄)를 도입한 양

친매성 이온액체는 벌크로 써모트로픽 액정성을 발

하여 극성 비극성기가 분자 벨에서 상분리된 구조

를 형성한다

- 이 액체 도메인 에는 이온성 액체자신은 용융되어

높은 운동성을 갖는 알킬기의 집합층에 고정된 상태일

것으로 생각된다 여기에 리튬염을 첨가하면 비극성염

을 갖지 않는 리튬이온의 우선 인 수송이 기 된

다(lt그림 3-19gt 참조)

제3장 국내외 기술개발 동향 35

lt그림 3-19gt 이온성 액체 도메인 의 목 이온수송의 모식도

새로운 용매

- Alabama 학의 Rogers 등은 셀룰로오스를 용해시키는

이온성 액체로서 bmim Cl(1-butyl-3-methylimidazolium

chloride)을 개발하 다(47)

lt그림 3-20gt bmimCl의 구조

- Bmin Cl은 실온에서는 고체로서 75에서 용해되지만

100 정도로 가열한 bmim Cl에 종이(셀룰로오스)를

침지하면 순식간에 용해된다 이 용액을 시린지

(syringe)에 의해 물 에서 용출(溶出)시키면 셀룰로

오스 화이버가 생성된다 풍부한 목재자원을 셀룰로스

로 추출하는 시도가 이루어지고 있다

36 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

- 한 핵산류를 용해시킨 이온액체를 개발하고 있는데

DNA나 RNA는 물에 쉽게 용해되지 않는데 이를 용

해시키는 이온액체가 얻어졌다 일정량의 핵산을 용해

시키는 온도는 사용하는 이온액체의 구조에 크게 의존

한다(48)

- 특히 분자내 는 분자간의 수소결합을 단하는 능

력이 요구되는데 여기에는 염소음이온의 효과가 큰 것

으로 알려져 있다 염소를 포함하는 염은 일반 으로

융 이 높고 실온에서 액상으로 존재하기가 어려운

이 있다

- 이는 음이온의 부 하가 비국재화하고 있지 않기 때문

에 정 인 상호작용이 강하게 작용하고 있는 결과이

다 이를 피하기 해 양이온구조를 개선하여 상온에

서 액체의 염화물 염을 합성한다(49)

- 이 방법으로 양이온 구조를 개선하여 실온에서 액체상

태 염화물염인 aaim Cl(13-diallylimidazolium chloride)

를 개발하 다 aaim Cl은 융 이 21 부근이지만 한번

용융하면 과냉각 상태에서도 안정하여 실온에서 사용

가능하다 단지 도가 높은 것이 난 이다

단백질의 기화학반응용 해질용액

- 단백질의 기화학 인 성질로서 단백질을 이온액체에

용해시키는 것은 통상의 고분자를 용해시키는 것과는

차원이 다데 단백질의 기능은 펩사이드쇄의 3차 구조

에 크게 의존하기 때문에 3차구조가변하면 변성에 의

해서 목 달성이 되지 않는다 따라서 무리한 용해작

업은 변성을 래한다

제3장 국내외 기술개발 동향 37

- 이에 하여 PEO(polyethylene oxide)의 에테르산소가

이온과 강하게 상호작용하고 있다 이는 가용성을 의

미하며 PEO가 단백질과 이온액체를 용해하여 단백질

의 안정성을 향상시킨다 종래 바이오디바이스의 작성

이 곤란했든 것은 수 에서 단백질의 불안정성에 기인

하 는데 사용 온도에 따라 이온액체 의 단백질의

기화학이 새로운 가능성의 개척을 시사한다(50)

5 국내동향

이온액체의 매반응분야(51)

- 한국과학기술연구원 송충의 박사는 이온성 액체를 키

랄 화합물 제조를 한 매반응에 도입하여 고가인

매와 용매의 반복 사용을 가능하게 함에 따라 결

국 매와 용매의 소비를 최소화시킬 수 있는 소 청

정 비 칭 매반응을 개발하 다

- 즉 Jacobsons chiral (salen)MnIII

매 존재 하에서

22-dimethylchro-mene의 비 칭 에폭시화 반응시

[bmim]PF6와 CH2Cl2 (14 vv) 혼합물 용매를 사용

함으로써 96-94의 학순도로 chromene oxides를

합성하는데 성공하 다 이온성 액체를 첨단유기합성

기술인 학활성화합물 제조기술개발에 용함으로써

용매와 매의 소비를 최소화하는 반응과정을 개발하

고 있다

- 이와 같은 기술은 화학 산업에서의 공해 요인을 감소

38 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

시킬 것이며 특히 노벨화학상 수상분야인 비 칭

매반응 분야의 최 문제 으로 지 되었던 키랄 매

의 분리 재회수가 가능하게 되었다는 에서 기술

으로도 우수한 성과라 할 수 있다

- 한 이온성 액체 내에서 일부 매반응이 가속화될

수도 있고 선택성 매의 안정성 역시 향상될 수

있음을 밝혔으며 더욱 놀라운 결과로는 기존의 유기

용매 내에서는 진행되지 않던 일부 반응이 이온

성 액체 내에서는 정량 으로 진행될 수 있다는 것이

- 한 많은 요한 유기반응에서 이온성 액체가 용매로

서뿐 아니라 자신이 재사용 가능 한 매로도 작용할

수 있음을 밝힌 바 있다 이러한 일련의 결과들은 이

온성 액체가 21세기에 매분야뿐 아니라 체 유기화

학분야의 새로운 장을 열고 있다는 에서 요한 의

미를 지닌다고 할 수 있다

합성 응용분야(52)

- 한국과학기술연구원 김훈식 박사 연구 은 KSeO2

(OCH3)를1-alkyl-3-methylimidazolium chloride와 반

응시켜 새로운 이미다졸륨 알킬셀 나이트 ([Rmim]

[SeO2(OCH3)]) 화합물을 합성하 다

- 아민화합물의 산화성 카르보닐화 반응을 통한 치환된

우 아 제조 반응에서 기존의 KSeO2(OCH3)을 매로

사용하 을 경우에 비해 이 화합물은 보다 온화한 반

응조건을 제공할 뿐 아니라 이소시아네이트의 구체

인 치환된 우 아와 카바메이트를 고수율로 합성할 수

제3장 국내외 기술개발 동향 39

있었다

- 재 이온성 액체를 이용한 분리 유기 속화합물을

함유한 고활성 매로서의 이온성 액체의 합성 응

용에 한 연구를 수행하고 있다

- 포항공과 학교의 김만주 교수 연구 은 Lipase를

[PPMIM]PF6 (PPMIM = 1-(3-phenylpropyl)-3-

methylimidazolium)와 혼합시켜Ionic liquid-Coated

Enzyme (ILCE)을 합성하 다 이 새로운 타입의

immobilized biocatalyst는 2차 알코올의 transest-

erification 반응을 통한 acetylated 화합물합성에 높은

활성과 재사용성을 보여 주었으며 이러한 연구결과를

다양한 생화학분야에 용하기 한 연구를 수행하고

있다

- 인하 학교의 지 윤 교수연구 은 alkyl mesylate로부

터 fluoro-alkane을 합성하는 반응에서 이온성 액체를

용매로 사용함으로써 기존방법에 비해 부반응이 거의

없고 생산성이 히 증가된 결과를 얻었으며 이러한

결과를 실용화시키기 한 연구를 지속하고 있다

- 신약개발 바이오벤처 기업 씨트리(C-TRI)는 이온성

액체를 이용한 학활성 화합물제조 기술개발회사로

서 지난 상반기에 31억원의 매출을 올렸으며 최근 이

온성 액체를 이용한 신약개발과 정 화학사업에 필요

한 연구 인력을 거 보강하여 이온성 액체 련사업

을 추진하고 있다

41

제4장

결론 및 제언

향후의 방향

- 이온성 액체에 한 앞으로의 망은 이온성 액체를

주 테마로 하는 국제회의가 증가하고 있다 미국화학

회는 작년 9월 New York에서 이온성 액체에 한 세

션이 개최되어 열띤 토론이 진행 되었다

- 2004년 3~4월에 Anaheim에서 개최된 세션은 ldquo이온성

액체와 고분자rdquo 다 유럽과 미국에서는 이온성 액체

를 반응용매로 보는 것이 주류를 이루고 있었다

- 2004년 10월 Hawaii에서 기화학의 미일합동 회가

열린다 주제는 이온성 액체(용융염)에 한 연구이었

- 앞으로도 이온성 액체에 한 연구는 증가할 것이고

여러 가지 배경을 갖고 있는 연구자들이 서로 다른 목

표를 가지고 연구에 노력할 것이라 생각된다

국내사정

- 우리나라의 황을 보면 재석유화학 의학 산업에

서만 약7억불에 달하는 유기용매가 사용되고 있으며

이들을 모두 체할 수 있다면 최 7억불시장을 형성

할 수 있으므로 이온성 액체의 시장잠재력은 매우 크

42 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

다 하겠다

- 이온성 액체는 휘발성유기화합물을 체할 수 있을 뿐

만 아니라 고가의 귀 속 매를 이온성 액체 층에 고

정화 시킬수 있어 매의 회수 재사용을 용이하게

하며 매의 활성도 안정도 선택도까지도 획기

으로 증가시킬 수 있으므로 환경 측면은 물론 경제

인 에서도 바람직한 청정용매라 할 수 있다

- 상기한바 와같이 이온성 액체의 잠재 인 응용가능성

은 앞으로 무한할 것으로 사료되므로 국내에서도 이에

한 연구자들의 심과 더불어 정부 기업체에 의

한 연구지원이 지속 으로 이루어져야 할 것이다

후의 과제

- 통상의 용매로 이온성 액체를 이용하는 경우에는 내구

성 제조가격 등의 인자가 요하지만 목 이 한정된

이온성 액체의 이용에 있어서는 목 하는 기능을 요

시할 필요가 있다

- 많은 이온성 액체가 합성되고 있으나 원하는 높은 물

성을 갖는 이온성 액체를 설계하는 데 기본이 되는 이

론이 아직은 없는 편이다 이를 해서는 특히 이온성

액체의 구조-물성의 상 계가 밝 져야 하는데 많

은 연구가 진행되고 있음에도 불구하고 그 계가 밝

지지 않고 있다 따라서 상태로서는 원하는 이온

성 액체를 직 만들어서 평가하는 방법밖에 없는 게

실이다

- 그러나 도화와 열안정성 등과 같이 상반 계에 있

는 특성은 하나의 라미터를 변화시키는 것에 의해

제4장 결론 및 제언 43

한 쪽의 특성은 양호하게 되지만 다른 한 쪽의 특성이

악화되는 것을 피할 수 없는 성질로서 아직 양쪽을 동

시에 만족하는 이온성 액체는 실 하지 못하고 있다

- 향후 이온성 액체는 청정용매의 개발과 더불어 새로

운 청정 공정기술의 개발을 통하여 신소재 신물질 생

산 공정을 환경친화 이면서 경제성 있는 공정개발에

기여할 것으로 기 된다

- 특히 비닐기 같은 합성 기능기를 이온성 액체의 단

구조로 도입하여 단독 합이나 공 합을 통해 고분

자화한 이온성 액체를 만들 수 있어 이를 잘 활용하여

이온 지라든가 연료 지 등의 해액으로 응용의 길

이 열린다면 학문 으로나 공업 으로 큰 의의가 있으

리라 생각되며 이 분야의 연구가 활성화되길 기 한

45

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저자소개

손 목

공학박사

한국에 지기술연구소 원장

한국과학기술정보연구원 문연구 원

서 수소 연료 지 개스 센서기술 등

강 종 석

공학박사

한국과학기술정보연구원 선임연구원

서 BT분야 국가연구개발 심층분석

리튬이차 지 등

BB088 손 목강종석

이온성 액체의 반응성 및 전기화학적

특성 연구동향

2005년 12월 19일 인쇄

2005년 12월 23일 발행

발행처

서울특별시 동 문구 청량리동 206-9

ꂕ 130-742

화 3299-6114

등록 1991년 2월 12일 제5-258호

발행인

조 화

인쇄처

신기획

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SUO 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 ITA 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 NOR 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 SVE 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 CHS ltFEFF4f7f75288fd94e9b8bbe7f6e521b5efa76840020005000440046002065876863ff0c5c065305542b66f49ad8768456fe50cf52068fa87387ff0c4ee575284e8e9ad88d2891cf76845370524d6253537030028be5002000500044004600206587686353ef4ee54f7f752800200020004100630072006f00620061007400204e0e002000520065006100640065007200200035002e00300020548c66f49ad87248672c62535f0030028fd94e9b8bbe7f6e89816c425d4c51655b574f533002gt CHT ltFEFF4f7f752890194e9b8a2d5b9a5efa7acb76840020005000440046002065874ef65305542b8f039ad876845f7150cf89e367905ea6ff0c9069752865bc9ad854c18cea76845370524d521753703002005000440046002065874ef653ef4ee54f7f75280020004100630072006f0062006100740020548c002000520065006100640065007200200035002e0030002053ca66f465b07248672c4f86958b555f300290194e9b8a2d5b9a89816c425d4c51655b57578b3002gt gtgtgtgt setdistillerparamsltlt HWResolution [2400 2400] PageSize [612000 792000]gtgt setpagedevice

Page 32: 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향gift.kisti.re.kr/data/IAC/files/KISTI-200512-SYM-ion_fluid.pdf · ※ 이온성 액체는 사용되는 음이온의

제3장 국내외 기술개발 동향 29

- 산화 비록 재 사용되는 부분의 이온성 용액은 산

화에 안정 이고 산화과정에 이상 인 용매를 제공하

고 있지만 이것은 불과 지난몇 년 사이의 일이었다

Ni(acac)2는 [C4C1im][PF6]에서 해당되는 산의 라-

치환 benzaldehydes를 보통의 수율로 공기 에서 산

화반응의 매로 사용되어 왔다(38)

기화학 매용매로써의 이온성 용액

- 자화학을 이끄는 이온성 용액은 기화학 합성용

용매로서 가능성을 보이고 있다 최근에는 Ni이 알킬

벤질 아릴 할로겐화합물의 기 도성 동종결합

(electro conductive homo-coupling) 반응에 매로 보

고 된 바 있다 니 (II)착물은 니 (0)의 종에 하여

환원되고 방향성 할로겐화물에 첨가되어 할로겐 화합

물이 된다는 제안이 있었다(39)

이온성 용액의 고정화

- 반응시스템이 액체일 때 많은 장 이 있지만 때로는

그것을 고정화(immobilize) 시킬 필요가 있다 이온성

용액을 고정화 시키는데 심이 모아지고 있으며 첫

번째의 시도가 이온성 용액- 합체 겔을 만들기 하

여 고분자 vinylidenefluoride- hexachloropropylene의

공 합체를 사용한 것이다(40)

30 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

4 근대의 동향

할로겐 리이온액체

- 근년 이온성 액체에 한 연구가 많이 수행되고 있지

만 합성하고 있는 이온성 액체의 구조는 의외로 한정

되어 있으며 양이온은 테트라알킬암모늄(tetraalkyla-

mmonium) 피롤리디니움(pyrolidinium) 이미다졸리움

(imidazolium) 피리디니움(pyridinium) 등과 같이 비

교 다양성이 풍부한 반면에 음이온 종류는 BF4

PF6 CF3SO3 (CF3SO2)2N 등 할로겐 원소를 구조

에 함유한 것은 일반 으로 종류가 많지 않다(41)

- 할로겐을 포함하지 않는 음이온도 보고 되어 있는데

많은 양이온과 조합하여 액체화를 달성함이 쉽지 않고

한정된 양이온과 질산음이온이나 산 음이온 등을 결

합시킨 것이 보고 되어 있다(42)

- 최근 H Ohno(43)등은 할로겐 원소를 함유하지 않은

음이온으로 이온액체를 구축하기 하여 헤테로방향환

화합물을 착안하여 이미다졸이나 피라졸 등의 아졸

(azol)류 에서 산성을 띠는 124-triazolate 1234-

tetrazolate 등과 이미다졸리움 양이온을 조합시키는 것

에 의해 이온성 액체를 합성하 다

- 이 이온성 액체는 분자량과 비교해서 하의 비국재화

(非局在化)가 크다 한 할로겐 원소를 함유하지 않

고 C H N의 3종류원소만으로 구성되어 있다

제3장 국내외 기술개발 동향 31

lt그림 3-15gt 할로겐 리이온액체의 구조

쯔 츠 이온성 액체 (Zwitter ionic liquids)

- 한편 M Yoshizawa(44) 등은 이온 도재료로서 이온액

체를 사용하는 경우는 구배에 한 이온액체의 구

성이온종의 이동이 큰 문제로 된다

- 따라서 리튬 2차 지나 연료 지 등 목 이온종의 수

율과 계의 출력과의 계를 디바이스에 응용할 때는

이온 도재료로서 이온성 액체를 사용하는 것으로 양

이온과 음이온을 스페이서(spacer)로 결합하는 것에

의해 실온에서 액체상태인 성 이온 액체(zwitter

ionic liquid)를 제안하고 있다

- 양이온과 음이온을 스페이서로 결합하면 하는 체

로서 성이 되어 하이동이 없는 염으로 되는데 스

페이서가 짧아서 충분한 염해리가 힘드나 어느 정도의

자유도가 얻어지면 zwitterion으로 된다

32 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-16gt zwitter ionic liquids의 모식도

특정이온을 포함하는 이온액체

- 이온성 액체를 이온 도체로 사용하는 과제는 목 이

온의 도입이다 이는 리튬염 등 목 이온을 포함하는

염 등을 이온액체에 용해시켜 도입한다

- 그런데 염의 첨가는 계의 성의 증가 이온 도도의

하를 가져온다 한 이온액체와 상용하는 분자무

기염은 많지 않고 첨가염의 종류도 한정되어있는 것이

문제이다

- 이의 해결이 자의 zwitter ion이고 두 번째가 목 이

온을 실온에서 액체화가 가능하면 문제가 해결된다

이러한 방법으로 각종의 알칼리 속 이온성 액체

(alkali metal ionic liquid)를 개발하 다(45)

- lt그림 3-17gt은 알칼리 속이온성 액체는 2가의 응

음이온과 1가의 오니움(onium) 양이온 1가의 목 이

온으로 구성된다

lt그림 3-17gt 알칼리 속이온액체의 개념도

제3장 국내외 기술개발 동향 33

- 이온액체는 구성하는 이온 간의 정 기 상호작용은

없을수록 좋으므로 강한 상호작용을 일으키는 다가이

온의 사용은 물이다 당 리튬 양이온의 이온액체

가 목 이나 여러 가지의 알칼리 속이온도 액체로

되는데 이를 응용하면 로톤을 포함하는 이온액체도

얻어지게 된다

이온액체의 합

- 이온성 액체는 분자 디자인이 용이하기 때문에 고분자

구조를 도입하는 것도 가능하며 이온성 액체의 고분

자화로는 각종의 고분자와 혼합한 겔화가 알려져 있지

만 이온성 액체 에 합기를 직 도입하여 고분자

화 하는 것에 의해 이온 도성뿐 아니라 디바이스의

다운사이징(down-sizing)에 기여할 것으로 망하고

있다(41)

- lt그림 3-18gt은 고분자화 이온액체를 나타내는데 종래

의 polyethyl-eneoxide유도체에 의존하지 않는 새로운

이온 도재료로서 검토된다

- lt그림 3-18gt에서 양이온과 음이온의 한쪽이 고분자의

주쇄에 고정되어 있어서 도 이온종을 선택하는 이

유용하다 한 구성이온종의 양방이 고분자 주쇄에

고정된 구조는 이온 도성을 나타내지 않으나 목 이

온의 첨가로 선택 도가 일어난다(46)

34 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-18gt 이온액체폴리머의 변화

자기조직화 이온액체

- 이온액체는 등방성의 액체로서 3차원 인 이온을 운반

하는 것이 가능하다 이로서 차원제어를 행하고 특정

방향으로 이온을 수송하는 시도가 있다 이를 해 자

기 집합력을 이온액체에 부여할 필요가 있다

- 이온액체의 자기조직화에는 양친매성화합물(兩親媒性

化合物)의 성질을 이용한다 극성성분이 있는 이온액

체에 비극성기(탄화수소쇄 탄화불소쇄)를 도입한 양

친매성 이온액체는 벌크로 써모트로픽 액정성을 발

하여 극성 비극성기가 분자 벨에서 상분리된 구조

를 형성한다

- 이 액체 도메인 에는 이온성 액체자신은 용융되어

높은 운동성을 갖는 알킬기의 집합층에 고정된 상태일

것으로 생각된다 여기에 리튬염을 첨가하면 비극성염

을 갖지 않는 리튬이온의 우선 인 수송이 기 된

다(lt그림 3-19gt 참조)

제3장 국내외 기술개발 동향 35

lt그림 3-19gt 이온성 액체 도메인 의 목 이온수송의 모식도

새로운 용매

- Alabama 학의 Rogers 등은 셀룰로오스를 용해시키는

이온성 액체로서 bmim Cl(1-butyl-3-methylimidazolium

chloride)을 개발하 다(47)

lt그림 3-20gt bmimCl의 구조

- Bmin Cl은 실온에서는 고체로서 75에서 용해되지만

100 정도로 가열한 bmim Cl에 종이(셀룰로오스)를

침지하면 순식간에 용해된다 이 용액을 시린지

(syringe)에 의해 물 에서 용출(溶出)시키면 셀룰로

오스 화이버가 생성된다 풍부한 목재자원을 셀룰로스

로 추출하는 시도가 이루어지고 있다

36 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

- 한 핵산류를 용해시킨 이온액체를 개발하고 있는데

DNA나 RNA는 물에 쉽게 용해되지 않는데 이를 용

해시키는 이온액체가 얻어졌다 일정량의 핵산을 용해

시키는 온도는 사용하는 이온액체의 구조에 크게 의존

한다(48)

- 특히 분자내 는 분자간의 수소결합을 단하는 능

력이 요구되는데 여기에는 염소음이온의 효과가 큰 것

으로 알려져 있다 염소를 포함하는 염은 일반 으로

융 이 높고 실온에서 액상으로 존재하기가 어려운

이 있다

- 이는 음이온의 부 하가 비국재화하고 있지 않기 때문

에 정 인 상호작용이 강하게 작용하고 있는 결과이

다 이를 피하기 해 양이온구조를 개선하여 상온에

서 액체의 염화물 염을 합성한다(49)

- 이 방법으로 양이온 구조를 개선하여 실온에서 액체상

태 염화물염인 aaim Cl(13-diallylimidazolium chloride)

를 개발하 다 aaim Cl은 융 이 21 부근이지만 한번

용융하면 과냉각 상태에서도 안정하여 실온에서 사용

가능하다 단지 도가 높은 것이 난 이다

단백질의 기화학반응용 해질용액

- 단백질의 기화학 인 성질로서 단백질을 이온액체에

용해시키는 것은 통상의 고분자를 용해시키는 것과는

차원이 다데 단백질의 기능은 펩사이드쇄의 3차 구조

에 크게 의존하기 때문에 3차구조가변하면 변성에 의

해서 목 달성이 되지 않는다 따라서 무리한 용해작

업은 변성을 래한다

제3장 국내외 기술개발 동향 37

- 이에 하여 PEO(polyethylene oxide)의 에테르산소가

이온과 강하게 상호작용하고 있다 이는 가용성을 의

미하며 PEO가 단백질과 이온액체를 용해하여 단백질

의 안정성을 향상시킨다 종래 바이오디바이스의 작성

이 곤란했든 것은 수 에서 단백질의 불안정성에 기인

하 는데 사용 온도에 따라 이온액체 의 단백질의

기화학이 새로운 가능성의 개척을 시사한다(50)

5 국내동향

이온액체의 매반응분야(51)

- 한국과학기술연구원 송충의 박사는 이온성 액체를 키

랄 화합물 제조를 한 매반응에 도입하여 고가인

매와 용매의 반복 사용을 가능하게 함에 따라 결

국 매와 용매의 소비를 최소화시킬 수 있는 소 청

정 비 칭 매반응을 개발하 다

- 즉 Jacobsons chiral (salen)MnIII

매 존재 하에서

22-dimethylchro-mene의 비 칭 에폭시화 반응시

[bmim]PF6와 CH2Cl2 (14 vv) 혼합물 용매를 사용

함으로써 96-94의 학순도로 chromene oxides를

합성하는데 성공하 다 이온성 액체를 첨단유기합성

기술인 학활성화합물 제조기술개발에 용함으로써

용매와 매의 소비를 최소화하는 반응과정을 개발하

고 있다

- 이와 같은 기술은 화학 산업에서의 공해 요인을 감소

38 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

시킬 것이며 특히 노벨화학상 수상분야인 비 칭

매반응 분야의 최 문제 으로 지 되었던 키랄 매

의 분리 재회수가 가능하게 되었다는 에서 기술

으로도 우수한 성과라 할 수 있다

- 한 이온성 액체 내에서 일부 매반응이 가속화될

수도 있고 선택성 매의 안정성 역시 향상될 수

있음을 밝혔으며 더욱 놀라운 결과로는 기존의 유기

용매 내에서는 진행되지 않던 일부 반응이 이온

성 액체 내에서는 정량 으로 진행될 수 있다는 것이

- 한 많은 요한 유기반응에서 이온성 액체가 용매로

서뿐 아니라 자신이 재사용 가능 한 매로도 작용할

수 있음을 밝힌 바 있다 이러한 일련의 결과들은 이

온성 액체가 21세기에 매분야뿐 아니라 체 유기화

학분야의 새로운 장을 열고 있다는 에서 요한 의

미를 지닌다고 할 수 있다

합성 응용분야(52)

- 한국과학기술연구원 김훈식 박사 연구 은 KSeO2

(OCH3)를1-alkyl-3-methylimidazolium chloride와 반

응시켜 새로운 이미다졸륨 알킬셀 나이트 ([Rmim]

[SeO2(OCH3)]) 화합물을 합성하 다

- 아민화합물의 산화성 카르보닐화 반응을 통한 치환된

우 아 제조 반응에서 기존의 KSeO2(OCH3)을 매로

사용하 을 경우에 비해 이 화합물은 보다 온화한 반

응조건을 제공할 뿐 아니라 이소시아네이트의 구체

인 치환된 우 아와 카바메이트를 고수율로 합성할 수

제3장 국내외 기술개발 동향 39

있었다

- 재 이온성 액체를 이용한 분리 유기 속화합물을

함유한 고활성 매로서의 이온성 액체의 합성 응

용에 한 연구를 수행하고 있다

- 포항공과 학교의 김만주 교수 연구 은 Lipase를

[PPMIM]PF6 (PPMIM = 1-(3-phenylpropyl)-3-

methylimidazolium)와 혼합시켜Ionic liquid-Coated

Enzyme (ILCE)을 합성하 다 이 새로운 타입의

immobilized biocatalyst는 2차 알코올의 transest-

erification 반응을 통한 acetylated 화합물합성에 높은

활성과 재사용성을 보여 주었으며 이러한 연구결과를

다양한 생화학분야에 용하기 한 연구를 수행하고

있다

- 인하 학교의 지 윤 교수연구 은 alkyl mesylate로부

터 fluoro-alkane을 합성하는 반응에서 이온성 액체를

용매로 사용함으로써 기존방법에 비해 부반응이 거의

없고 생산성이 히 증가된 결과를 얻었으며 이러한

결과를 실용화시키기 한 연구를 지속하고 있다

- 신약개발 바이오벤처 기업 씨트리(C-TRI)는 이온성

액체를 이용한 학활성 화합물제조 기술개발회사로

서 지난 상반기에 31억원의 매출을 올렸으며 최근 이

온성 액체를 이용한 신약개발과 정 화학사업에 필요

한 연구 인력을 거 보강하여 이온성 액체 련사업

을 추진하고 있다

41

제4장

결론 및 제언

향후의 방향

- 이온성 액체에 한 앞으로의 망은 이온성 액체를

주 테마로 하는 국제회의가 증가하고 있다 미국화학

회는 작년 9월 New York에서 이온성 액체에 한 세

션이 개최되어 열띤 토론이 진행 되었다

- 2004년 3~4월에 Anaheim에서 개최된 세션은 ldquo이온성

액체와 고분자rdquo 다 유럽과 미국에서는 이온성 액체

를 반응용매로 보는 것이 주류를 이루고 있었다

- 2004년 10월 Hawaii에서 기화학의 미일합동 회가

열린다 주제는 이온성 액체(용융염)에 한 연구이었

- 앞으로도 이온성 액체에 한 연구는 증가할 것이고

여러 가지 배경을 갖고 있는 연구자들이 서로 다른 목

표를 가지고 연구에 노력할 것이라 생각된다

국내사정

- 우리나라의 황을 보면 재석유화학 의학 산업에

서만 약7억불에 달하는 유기용매가 사용되고 있으며

이들을 모두 체할 수 있다면 최 7억불시장을 형성

할 수 있으므로 이온성 액체의 시장잠재력은 매우 크

42 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

다 하겠다

- 이온성 액체는 휘발성유기화합물을 체할 수 있을 뿐

만 아니라 고가의 귀 속 매를 이온성 액체 층에 고

정화 시킬수 있어 매의 회수 재사용을 용이하게

하며 매의 활성도 안정도 선택도까지도 획기

으로 증가시킬 수 있으므로 환경 측면은 물론 경제

인 에서도 바람직한 청정용매라 할 수 있다

- 상기한바 와같이 이온성 액체의 잠재 인 응용가능성

은 앞으로 무한할 것으로 사료되므로 국내에서도 이에

한 연구자들의 심과 더불어 정부 기업체에 의

한 연구지원이 지속 으로 이루어져야 할 것이다

후의 과제

- 통상의 용매로 이온성 액체를 이용하는 경우에는 내구

성 제조가격 등의 인자가 요하지만 목 이 한정된

이온성 액체의 이용에 있어서는 목 하는 기능을 요

시할 필요가 있다

- 많은 이온성 액체가 합성되고 있으나 원하는 높은 물

성을 갖는 이온성 액체를 설계하는 데 기본이 되는 이

론이 아직은 없는 편이다 이를 해서는 특히 이온성

액체의 구조-물성의 상 계가 밝 져야 하는데 많

은 연구가 진행되고 있음에도 불구하고 그 계가 밝

지지 않고 있다 따라서 상태로서는 원하는 이온

성 액체를 직 만들어서 평가하는 방법밖에 없는 게

실이다

- 그러나 도화와 열안정성 등과 같이 상반 계에 있

는 특성은 하나의 라미터를 변화시키는 것에 의해

제4장 결론 및 제언 43

한 쪽의 특성은 양호하게 되지만 다른 한 쪽의 특성이

악화되는 것을 피할 수 없는 성질로서 아직 양쪽을 동

시에 만족하는 이온성 액체는 실 하지 못하고 있다

- 향후 이온성 액체는 청정용매의 개발과 더불어 새로

운 청정 공정기술의 개발을 통하여 신소재 신물질 생

산 공정을 환경친화 이면서 경제성 있는 공정개발에

기여할 것으로 기 된다

- 특히 비닐기 같은 합성 기능기를 이온성 액체의 단

구조로 도입하여 단독 합이나 공 합을 통해 고분

자화한 이온성 액체를 만들 수 있어 이를 잘 활용하여

이온 지라든가 연료 지 등의 해액으로 응용의 길

이 열린다면 학문 으로나 공업 으로 큰 의의가 있으

리라 생각되며 이 분야의 연구가 활성화되길 기 한

45

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저자소개

손 목

공학박사

한국에 지기술연구소 원장

한국과학기술정보연구원 문연구 원

서 수소 연료 지 개스 센서기술 등

강 종 석

공학박사

한국과학기술정보연구원 선임연구원

서 BT분야 국가연구개발 심층분석

리튬이차 지 등

BB088 손 목강종석

이온성 액체의 반응성 및 전기화학적

특성 연구동향

2005년 12월 19일 인쇄

2005년 12월 23일 발행

발행처

서울특별시 동 문구 청량리동 206-9

ꂕ 130-742

화 3299-6114

등록 1991년 2월 12일 제5-258호

발행인

조 화

인쇄처

신기획

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SUO 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 ITA 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 CHS ltFEFF4f7f75288fd94e9b8bbe7f6e521b5efa76840020005000440046002065876863ff0c5c065305542b66f49ad8768456fe50cf52068fa87387ff0c4ee575284e8e9ad88d2891cf76845370524d6253537030028be5002000500044004600206587686353ef4ee54f7f752800200020004100630072006f00620061007400204e0e002000520065006100640065007200200035002e00300020548c66f49ad87248672c62535f0030028fd94e9b8bbe7f6e89816c425d4c51655b574f533002gt CHT ltFEFF4f7f752890194e9b8a2d5b9a5efa7acb76840020005000440046002065874ef65305542b8f039ad876845f7150cf89e367905ea6ff0c9069752865bc9ad854c18cea76845370524d521753703002005000440046002065874ef653ef4ee54f7f75280020004100630072006f0062006100740020548c002000520065006100640065007200200035002e0030002053ca66f465b07248672c4f86958b555f300290194e9b8a2d5b9a89816c425d4c51655b57578b3002gt gtgtgtgt setdistillerparamsltlt HWResolution [2400 2400] PageSize [612000 792000]gtgt setpagedevice

Page 33: 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향gift.kisti.re.kr/data/IAC/files/KISTI-200512-SYM-ion_fluid.pdf · ※ 이온성 액체는 사용되는 음이온의

30 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

4 근대의 동향

할로겐 리이온액체

- 근년 이온성 액체에 한 연구가 많이 수행되고 있지

만 합성하고 있는 이온성 액체의 구조는 의외로 한정

되어 있으며 양이온은 테트라알킬암모늄(tetraalkyla-

mmonium) 피롤리디니움(pyrolidinium) 이미다졸리움

(imidazolium) 피리디니움(pyridinium) 등과 같이 비

교 다양성이 풍부한 반면에 음이온 종류는 BF4

PF6 CF3SO3 (CF3SO2)2N 등 할로겐 원소를 구조

에 함유한 것은 일반 으로 종류가 많지 않다(41)

- 할로겐을 포함하지 않는 음이온도 보고 되어 있는데

많은 양이온과 조합하여 액체화를 달성함이 쉽지 않고

한정된 양이온과 질산음이온이나 산 음이온 등을 결

합시킨 것이 보고 되어 있다(42)

- 최근 H Ohno(43)등은 할로겐 원소를 함유하지 않은

음이온으로 이온액체를 구축하기 하여 헤테로방향환

화합물을 착안하여 이미다졸이나 피라졸 등의 아졸

(azol)류 에서 산성을 띠는 124-triazolate 1234-

tetrazolate 등과 이미다졸리움 양이온을 조합시키는 것

에 의해 이온성 액체를 합성하 다

- 이 이온성 액체는 분자량과 비교해서 하의 비국재화

(非局在化)가 크다 한 할로겐 원소를 함유하지 않

고 C H N의 3종류원소만으로 구성되어 있다

제3장 국내외 기술개발 동향 31

lt그림 3-15gt 할로겐 리이온액체의 구조

쯔 츠 이온성 액체 (Zwitter ionic liquids)

- 한편 M Yoshizawa(44) 등은 이온 도재료로서 이온액

체를 사용하는 경우는 구배에 한 이온액체의 구

성이온종의 이동이 큰 문제로 된다

- 따라서 리튬 2차 지나 연료 지 등 목 이온종의 수

율과 계의 출력과의 계를 디바이스에 응용할 때는

이온 도재료로서 이온성 액체를 사용하는 것으로 양

이온과 음이온을 스페이서(spacer)로 결합하는 것에

의해 실온에서 액체상태인 성 이온 액체(zwitter

ionic liquid)를 제안하고 있다

- 양이온과 음이온을 스페이서로 결합하면 하는 체

로서 성이 되어 하이동이 없는 염으로 되는데 스

페이서가 짧아서 충분한 염해리가 힘드나 어느 정도의

자유도가 얻어지면 zwitterion으로 된다

32 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-16gt zwitter ionic liquids의 모식도

특정이온을 포함하는 이온액체

- 이온성 액체를 이온 도체로 사용하는 과제는 목 이

온의 도입이다 이는 리튬염 등 목 이온을 포함하는

염 등을 이온액체에 용해시켜 도입한다

- 그런데 염의 첨가는 계의 성의 증가 이온 도도의

하를 가져온다 한 이온액체와 상용하는 분자무

기염은 많지 않고 첨가염의 종류도 한정되어있는 것이

문제이다

- 이의 해결이 자의 zwitter ion이고 두 번째가 목 이

온을 실온에서 액체화가 가능하면 문제가 해결된다

이러한 방법으로 각종의 알칼리 속 이온성 액체

(alkali metal ionic liquid)를 개발하 다(45)

- lt그림 3-17gt은 알칼리 속이온성 액체는 2가의 응

음이온과 1가의 오니움(onium) 양이온 1가의 목 이

온으로 구성된다

lt그림 3-17gt 알칼리 속이온액체의 개념도

제3장 국내외 기술개발 동향 33

- 이온액체는 구성하는 이온 간의 정 기 상호작용은

없을수록 좋으므로 강한 상호작용을 일으키는 다가이

온의 사용은 물이다 당 리튬 양이온의 이온액체

가 목 이나 여러 가지의 알칼리 속이온도 액체로

되는데 이를 응용하면 로톤을 포함하는 이온액체도

얻어지게 된다

이온액체의 합

- 이온성 액체는 분자 디자인이 용이하기 때문에 고분자

구조를 도입하는 것도 가능하며 이온성 액체의 고분

자화로는 각종의 고분자와 혼합한 겔화가 알려져 있지

만 이온성 액체 에 합기를 직 도입하여 고분자

화 하는 것에 의해 이온 도성뿐 아니라 디바이스의

다운사이징(down-sizing)에 기여할 것으로 망하고

있다(41)

- lt그림 3-18gt은 고분자화 이온액체를 나타내는데 종래

의 polyethyl-eneoxide유도체에 의존하지 않는 새로운

이온 도재료로서 검토된다

- lt그림 3-18gt에서 양이온과 음이온의 한쪽이 고분자의

주쇄에 고정되어 있어서 도 이온종을 선택하는 이

유용하다 한 구성이온종의 양방이 고분자 주쇄에

고정된 구조는 이온 도성을 나타내지 않으나 목 이

온의 첨가로 선택 도가 일어난다(46)

34 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-18gt 이온액체폴리머의 변화

자기조직화 이온액체

- 이온액체는 등방성의 액체로서 3차원 인 이온을 운반

하는 것이 가능하다 이로서 차원제어를 행하고 특정

방향으로 이온을 수송하는 시도가 있다 이를 해 자

기 집합력을 이온액체에 부여할 필요가 있다

- 이온액체의 자기조직화에는 양친매성화합물(兩親媒性

化合物)의 성질을 이용한다 극성성분이 있는 이온액

체에 비극성기(탄화수소쇄 탄화불소쇄)를 도입한 양

친매성 이온액체는 벌크로 써모트로픽 액정성을 발

하여 극성 비극성기가 분자 벨에서 상분리된 구조

를 형성한다

- 이 액체 도메인 에는 이온성 액체자신은 용융되어

높은 운동성을 갖는 알킬기의 집합층에 고정된 상태일

것으로 생각된다 여기에 리튬염을 첨가하면 비극성염

을 갖지 않는 리튬이온의 우선 인 수송이 기 된

다(lt그림 3-19gt 참조)

제3장 국내외 기술개발 동향 35

lt그림 3-19gt 이온성 액체 도메인 의 목 이온수송의 모식도

새로운 용매

- Alabama 학의 Rogers 등은 셀룰로오스를 용해시키는

이온성 액체로서 bmim Cl(1-butyl-3-methylimidazolium

chloride)을 개발하 다(47)

lt그림 3-20gt bmimCl의 구조

- Bmin Cl은 실온에서는 고체로서 75에서 용해되지만

100 정도로 가열한 bmim Cl에 종이(셀룰로오스)를

침지하면 순식간에 용해된다 이 용액을 시린지

(syringe)에 의해 물 에서 용출(溶出)시키면 셀룰로

오스 화이버가 생성된다 풍부한 목재자원을 셀룰로스

로 추출하는 시도가 이루어지고 있다

36 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

- 한 핵산류를 용해시킨 이온액체를 개발하고 있는데

DNA나 RNA는 물에 쉽게 용해되지 않는데 이를 용

해시키는 이온액체가 얻어졌다 일정량의 핵산을 용해

시키는 온도는 사용하는 이온액체의 구조에 크게 의존

한다(48)

- 특히 분자내 는 분자간의 수소결합을 단하는 능

력이 요구되는데 여기에는 염소음이온의 효과가 큰 것

으로 알려져 있다 염소를 포함하는 염은 일반 으로

융 이 높고 실온에서 액상으로 존재하기가 어려운

이 있다

- 이는 음이온의 부 하가 비국재화하고 있지 않기 때문

에 정 인 상호작용이 강하게 작용하고 있는 결과이

다 이를 피하기 해 양이온구조를 개선하여 상온에

서 액체의 염화물 염을 합성한다(49)

- 이 방법으로 양이온 구조를 개선하여 실온에서 액체상

태 염화물염인 aaim Cl(13-diallylimidazolium chloride)

를 개발하 다 aaim Cl은 융 이 21 부근이지만 한번

용융하면 과냉각 상태에서도 안정하여 실온에서 사용

가능하다 단지 도가 높은 것이 난 이다

단백질의 기화학반응용 해질용액

- 단백질의 기화학 인 성질로서 단백질을 이온액체에

용해시키는 것은 통상의 고분자를 용해시키는 것과는

차원이 다데 단백질의 기능은 펩사이드쇄의 3차 구조

에 크게 의존하기 때문에 3차구조가변하면 변성에 의

해서 목 달성이 되지 않는다 따라서 무리한 용해작

업은 변성을 래한다

제3장 국내외 기술개발 동향 37

- 이에 하여 PEO(polyethylene oxide)의 에테르산소가

이온과 강하게 상호작용하고 있다 이는 가용성을 의

미하며 PEO가 단백질과 이온액체를 용해하여 단백질

의 안정성을 향상시킨다 종래 바이오디바이스의 작성

이 곤란했든 것은 수 에서 단백질의 불안정성에 기인

하 는데 사용 온도에 따라 이온액체 의 단백질의

기화학이 새로운 가능성의 개척을 시사한다(50)

5 국내동향

이온액체의 매반응분야(51)

- 한국과학기술연구원 송충의 박사는 이온성 액체를 키

랄 화합물 제조를 한 매반응에 도입하여 고가인

매와 용매의 반복 사용을 가능하게 함에 따라 결

국 매와 용매의 소비를 최소화시킬 수 있는 소 청

정 비 칭 매반응을 개발하 다

- 즉 Jacobsons chiral (salen)MnIII

매 존재 하에서

22-dimethylchro-mene의 비 칭 에폭시화 반응시

[bmim]PF6와 CH2Cl2 (14 vv) 혼합물 용매를 사용

함으로써 96-94의 학순도로 chromene oxides를

합성하는데 성공하 다 이온성 액체를 첨단유기합성

기술인 학활성화합물 제조기술개발에 용함으로써

용매와 매의 소비를 최소화하는 반응과정을 개발하

고 있다

- 이와 같은 기술은 화학 산업에서의 공해 요인을 감소

38 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

시킬 것이며 특히 노벨화학상 수상분야인 비 칭

매반응 분야의 최 문제 으로 지 되었던 키랄 매

의 분리 재회수가 가능하게 되었다는 에서 기술

으로도 우수한 성과라 할 수 있다

- 한 이온성 액체 내에서 일부 매반응이 가속화될

수도 있고 선택성 매의 안정성 역시 향상될 수

있음을 밝혔으며 더욱 놀라운 결과로는 기존의 유기

용매 내에서는 진행되지 않던 일부 반응이 이온

성 액체 내에서는 정량 으로 진행될 수 있다는 것이

- 한 많은 요한 유기반응에서 이온성 액체가 용매로

서뿐 아니라 자신이 재사용 가능 한 매로도 작용할

수 있음을 밝힌 바 있다 이러한 일련의 결과들은 이

온성 액체가 21세기에 매분야뿐 아니라 체 유기화

학분야의 새로운 장을 열고 있다는 에서 요한 의

미를 지닌다고 할 수 있다

합성 응용분야(52)

- 한국과학기술연구원 김훈식 박사 연구 은 KSeO2

(OCH3)를1-alkyl-3-methylimidazolium chloride와 반

응시켜 새로운 이미다졸륨 알킬셀 나이트 ([Rmim]

[SeO2(OCH3)]) 화합물을 합성하 다

- 아민화합물의 산화성 카르보닐화 반응을 통한 치환된

우 아 제조 반응에서 기존의 KSeO2(OCH3)을 매로

사용하 을 경우에 비해 이 화합물은 보다 온화한 반

응조건을 제공할 뿐 아니라 이소시아네이트의 구체

인 치환된 우 아와 카바메이트를 고수율로 합성할 수

제3장 국내외 기술개발 동향 39

있었다

- 재 이온성 액체를 이용한 분리 유기 속화합물을

함유한 고활성 매로서의 이온성 액체의 합성 응

용에 한 연구를 수행하고 있다

- 포항공과 학교의 김만주 교수 연구 은 Lipase를

[PPMIM]PF6 (PPMIM = 1-(3-phenylpropyl)-3-

methylimidazolium)와 혼합시켜Ionic liquid-Coated

Enzyme (ILCE)을 합성하 다 이 새로운 타입의

immobilized biocatalyst는 2차 알코올의 transest-

erification 반응을 통한 acetylated 화합물합성에 높은

활성과 재사용성을 보여 주었으며 이러한 연구결과를

다양한 생화학분야에 용하기 한 연구를 수행하고

있다

- 인하 학교의 지 윤 교수연구 은 alkyl mesylate로부

터 fluoro-alkane을 합성하는 반응에서 이온성 액체를

용매로 사용함으로써 기존방법에 비해 부반응이 거의

없고 생산성이 히 증가된 결과를 얻었으며 이러한

결과를 실용화시키기 한 연구를 지속하고 있다

- 신약개발 바이오벤처 기업 씨트리(C-TRI)는 이온성

액체를 이용한 학활성 화합물제조 기술개발회사로

서 지난 상반기에 31억원의 매출을 올렸으며 최근 이

온성 액체를 이용한 신약개발과 정 화학사업에 필요

한 연구 인력을 거 보강하여 이온성 액체 련사업

을 추진하고 있다

41

제4장

결론 및 제언

향후의 방향

- 이온성 액체에 한 앞으로의 망은 이온성 액체를

주 테마로 하는 국제회의가 증가하고 있다 미국화학

회는 작년 9월 New York에서 이온성 액체에 한 세

션이 개최되어 열띤 토론이 진행 되었다

- 2004년 3~4월에 Anaheim에서 개최된 세션은 ldquo이온성

액체와 고분자rdquo 다 유럽과 미국에서는 이온성 액체

를 반응용매로 보는 것이 주류를 이루고 있었다

- 2004년 10월 Hawaii에서 기화학의 미일합동 회가

열린다 주제는 이온성 액체(용융염)에 한 연구이었

- 앞으로도 이온성 액체에 한 연구는 증가할 것이고

여러 가지 배경을 갖고 있는 연구자들이 서로 다른 목

표를 가지고 연구에 노력할 것이라 생각된다

국내사정

- 우리나라의 황을 보면 재석유화학 의학 산업에

서만 약7억불에 달하는 유기용매가 사용되고 있으며

이들을 모두 체할 수 있다면 최 7억불시장을 형성

할 수 있으므로 이온성 액체의 시장잠재력은 매우 크

42 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

다 하겠다

- 이온성 액체는 휘발성유기화합물을 체할 수 있을 뿐

만 아니라 고가의 귀 속 매를 이온성 액체 층에 고

정화 시킬수 있어 매의 회수 재사용을 용이하게

하며 매의 활성도 안정도 선택도까지도 획기

으로 증가시킬 수 있으므로 환경 측면은 물론 경제

인 에서도 바람직한 청정용매라 할 수 있다

- 상기한바 와같이 이온성 액체의 잠재 인 응용가능성

은 앞으로 무한할 것으로 사료되므로 국내에서도 이에

한 연구자들의 심과 더불어 정부 기업체에 의

한 연구지원이 지속 으로 이루어져야 할 것이다

후의 과제

- 통상의 용매로 이온성 액체를 이용하는 경우에는 내구

성 제조가격 등의 인자가 요하지만 목 이 한정된

이온성 액체의 이용에 있어서는 목 하는 기능을 요

시할 필요가 있다

- 많은 이온성 액체가 합성되고 있으나 원하는 높은 물

성을 갖는 이온성 액체를 설계하는 데 기본이 되는 이

론이 아직은 없는 편이다 이를 해서는 특히 이온성

액체의 구조-물성의 상 계가 밝 져야 하는데 많

은 연구가 진행되고 있음에도 불구하고 그 계가 밝

지지 않고 있다 따라서 상태로서는 원하는 이온

성 액체를 직 만들어서 평가하는 방법밖에 없는 게

실이다

- 그러나 도화와 열안정성 등과 같이 상반 계에 있

는 특성은 하나의 라미터를 변화시키는 것에 의해

제4장 결론 및 제언 43

한 쪽의 특성은 양호하게 되지만 다른 한 쪽의 특성이

악화되는 것을 피할 수 없는 성질로서 아직 양쪽을 동

시에 만족하는 이온성 액체는 실 하지 못하고 있다

- 향후 이온성 액체는 청정용매의 개발과 더불어 새로

운 청정 공정기술의 개발을 통하여 신소재 신물질 생

산 공정을 환경친화 이면서 경제성 있는 공정개발에

기여할 것으로 기 된다

- 특히 비닐기 같은 합성 기능기를 이온성 액체의 단

구조로 도입하여 단독 합이나 공 합을 통해 고분

자화한 이온성 액체를 만들 수 있어 이를 잘 활용하여

이온 지라든가 연료 지 등의 해액으로 응용의 길

이 열린다면 학문 으로나 공업 으로 큰 의의가 있으

리라 생각되며 이 분야의 연구가 활성화되길 기 한

45

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저자소개

손 목

공학박사

한국에 지기술연구소 원장

한국과학기술정보연구원 문연구 원

서 수소 연료 지 개스 센서기술 등

강 종 석

공학박사

한국과학기술정보연구원 선임연구원

서 BT분야 국가연구개발 심층분석

리튬이차 지 등

BB088 손 목강종석

이온성 액체의 반응성 및 전기화학적

특성 연구동향

2005년 12월 19일 인쇄

2005년 12월 23일 발행

발행처

서울특별시 동 문구 청량리동 206-9

ꂕ 130-742

화 3299-6114

등록 1991년 2월 12일 제5-258호

발행인

조 화

인쇄처

신기획

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ITA 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NOR 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 SVE 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ltFEFF4f7f75288fd94e9b8bbe7f6e521b5efa76840020005000440046002065876863ff0c5c065305542b66f49ad8768456fe50cf52068fa87387ff0c4ee575284e8e9ad88d2891cf76845370524d6253537030028be5002000500044004600206587686353ef4ee54f7f752800200020004100630072006f00620061007400204e0e002000520065006100640065007200200035002e00300020548c66f49ad87248672c62535f0030028fd94e9b8bbe7f6e89816c425d4c51655b574f533002gt CHT ltFEFF4f7f752890194e9b8a2d5b9a5efa7acb76840020005000440046002065874ef65305542b8f039ad876845f7150cf89e367905ea6ff0c9069752865bc9ad854c18cea76845370524d521753703002005000440046002065874ef653ef4ee54f7f75280020004100630072006f0062006100740020548c002000520065006100640065007200200035002e0030002053ca66f465b07248672c4f86958b555f300290194e9b8a2d5b9a89816c425d4c51655b57578b3002gt gtgtgtgt setdistillerparamsltlt HWResolution [2400 2400] PageSize [612000 792000]gtgt setpagedevice

Page 34: 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향gift.kisti.re.kr/data/IAC/files/KISTI-200512-SYM-ion_fluid.pdf · ※ 이온성 액체는 사용되는 음이온의

제3장 국내외 기술개발 동향 31

lt그림 3-15gt 할로겐 리이온액체의 구조

쯔 츠 이온성 액체 (Zwitter ionic liquids)

- 한편 M Yoshizawa(44) 등은 이온 도재료로서 이온액

체를 사용하는 경우는 구배에 한 이온액체의 구

성이온종의 이동이 큰 문제로 된다

- 따라서 리튬 2차 지나 연료 지 등 목 이온종의 수

율과 계의 출력과의 계를 디바이스에 응용할 때는

이온 도재료로서 이온성 액체를 사용하는 것으로 양

이온과 음이온을 스페이서(spacer)로 결합하는 것에

의해 실온에서 액체상태인 성 이온 액체(zwitter

ionic liquid)를 제안하고 있다

- 양이온과 음이온을 스페이서로 결합하면 하는 체

로서 성이 되어 하이동이 없는 염으로 되는데 스

페이서가 짧아서 충분한 염해리가 힘드나 어느 정도의

자유도가 얻어지면 zwitterion으로 된다

32 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-16gt zwitter ionic liquids의 모식도

특정이온을 포함하는 이온액체

- 이온성 액체를 이온 도체로 사용하는 과제는 목 이

온의 도입이다 이는 리튬염 등 목 이온을 포함하는

염 등을 이온액체에 용해시켜 도입한다

- 그런데 염의 첨가는 계의 성의 증가 이온 도도의

하를 가져온다 한 이온액체와 상용하는 분자무

기염은 많지 않고 첨가염의 종류도 한정되어있는 것이

문제이다

- 이의 해결이 자의 zwitter ion이고 두 번째가 목 이

온을 실온에서 액체화가 가능하면 문제가 해결된다

이러한 방법으로 각종의 알칼리 속 이온성 액체

(alkali metal ionic liquid)를 개발하 다(45)

- lt그림 3-17gt은 알칼리 속이온성 액체는 2가의 응

음이온과 1가의 오니움(onium) 양이온 1가의 목 이

온으로 구성된다

lt그림 3-17gt 알칼리 속이온액체의 개념도

제3장 국내외 기술개발 동향 33

- 이온액체는 구성하는 이온 간의 정 기 상호작용은

없을수록 좋으므로 강한 상호작용을 일으키는 다가이

온의 사용은 물이다 당 리튬 양이온의 이온액체

가 목 이나 여러 가지의 알칼리 속이온도 액체로

되는데 이를 응용하면 로톤을 포함하는 이온액체도

얻어지게 된다

이온액체의 합

- 이온성 액체는 분자 디자인이 용이하기 때문에 고분자

구조를 도입하는 것도 가능하며 이온성 액체의 고분

자화로는 각종의 고분자와 혼합한 겔화가 알려져 있지

만 이온성 액체 에 합기를 직 도입하여 고분자

화 하는 것에 의해 이온 도성뿐 아니라 디바이스의

다운사이징(down-sizing)에 기여할 것으로 망하고

있다(41)

- lt그림 3-18gt은 고분자화 이온액체를 나타내는데 종래

의 polyethyl-eneoxide유도체에 의존하지 않는 새로운

이온 도재료로서 검토된다

- lt그림 3-18gt에서 양이온과 음이온의 한쪽이 고분자의

주쇄에 고정되어 있어서 도 이온종을 선택하는 이

유용하다 한 구성이온종의 양방이 고분자 주쇄에

고정된 구조는 이온 도성을 나타내지 않으나 목 이

온의 첨가로 선택 도가 일어난다(46)

34 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-18gt 이온액체폴리머의 변화

자기조직화 이온액체

- 이온액체는 등방성의 액체로서 3차원 인 이온을 운반

하는 것이 가능하다 이로서 차원제어를 행하고 특정

방향으로 이온을 수송하는 시도가 있다 이를 해 자

기 집합력을 이온액체에 부여할 필요가 있다

- 이온액체의 자기조직화에는 양친매성화합물(兩親媒性

化合物)의 성질을 이용한다 극성성분이 있는 이온액

체에 비극성기(탄화수소쇄 탄화불소쇄)를 도입한 양

친매성 이온액체는 벌크로 써모트로픽 액정성을 발

하여 극성 비극성기가 분자 벨에서 상분리된 구조

를 형성한다

- 이 액체 도메인 에는 이온성 액체자신은 용융되어

높은 운동성을 갖는 알킬기의 집합층에 고정된 상태일

것으로 생각된다 여기에 리튬염을 첨가하면 비극성염

을 갖지 않는 리튬이온의 우선 인 수송이 기 된

다(lt그림 3-19gt 참조)

제3장 국내외 기술개발 동향 35

lt그림 3-19gt 이온성 액체 도메인 의 목 이온수송의 모식도

새로운 용매

- Alabama 학의 Rogers 등은 셀룰로오스를 용해시키는

이온성 액체로서 bmim Cl(1-butyl-3-methylimidazolium

chloride)을 개발하 다(47)

lt그림 3-20gt bmimCl의 구조

- Bmin Cl은 실온에서는 고체로서 75에서 용해되지만

100 정도로 가열한 bmim Cl에 종이(셀룰로오스)를

침지하면 순식간에 용해된다 이 용액을 시린지

(syringe)에 의해 물 에서 용출(溶出)시키면 셀룰로

오스 화이버가 생성된다 풍부한 목재자원을 셀룰로스

로 추출하는 시도가 이루어지고 있다

36 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

- 한 핵산류를 용해시킨 이온액체를 개발하고 있는데

DNA나 RNA는 물에 쉽게 용해되지 않는데 이를 용

해시키는 이온액체가 얻어졌다 일정량의 핵산을 용해

시키는 온도는 사용하는 이온액체의 구조에 크게 의존

한다(48)

- 특히 분자내 는 분자간의 수소결합을 단하는 능

력이 요구되는데 여기에는 염소음이온의 효과가 큰 것

으로 알려져 있다 염소를 포함하는 염은 일반 으로

융 이 높고 실온에서 액상으로 존재하기가 어려운

이 있다

- 이는 음이온의 부 하가 비국재화하고 있지 않기 때문

에 정 인 상호작용이 강하게 작용하고 있는 결과이

다 이를 피하기 해 양이온구조를 개선하여 상온에

서 액체의 염화물 염을 합성한다(49)

- 이 방법으로 양이온 구조를 개선하여 실온에서 액체상

태 염화물염인 aaim Cl(13-diallylimidazolium chloride)

를 개발하 다 aaim Cl은 융 이 21 부근이지만 한번

용융하면 과냉각 상태에서도 안정하여 실온에서 사용

가능하다 단지 도가 높은 것이 난 이다

단백질의 기화학반응용 해질용액

- 단백질의 기화학 인 성질로서 단백질을 이온액체에

용해시키는 것은 통상의 고분자를 용해시키는 것과는

차원이 다데 단백질의 기능은 펩사이드쇄의 3차 구조

에 크게 의존하기 때문에 3차구조가변하면 변성에 의

해서 목 달성이 되지 않는다 따라서 무리한 용해작

업은 변성을 래한다

제3장 국내외 기술개발 동향 37

- 이에 하여 PEO(polyethylene oxide)의 에테르산소가

이온과 강하게 상호작용하고 있다 이는 가용성을 의

미하며 PEO가 단백질과 이온액체를 용해하여 단백질

의 안정성을 향상시킨다 종래 바이오디바이스의 작성

이 곤란했든 것은 수 에서 단백질의 불안정성에 기인

하 는데 사용 온도에 따라 이온액체 의 단백질의

기화학이 새로운 가능성의 개척을 시사한다(50)

5 국내동향

이온액체의 매반응분야(51)

- 한국과학기술연구원 송충의 박사는 이온성 액체를 키

랄 화합물 제조를 한 매반응에 도입하여 고가인

매와 용매의 반복 사용을 가능하게 함에 따라 결

국 매와 용매의 소비를 최소화시킬 수 있는 소 청

정 비 칭 매반응을 개발하 다

- 즉 Jacobsons chiral (salen)MnIII

매 존재 하에서

22-dimethylchro-mene의 비 칭 에폭시화 반응시

[bmim]PF6와 CH2Cl2 (14 vv) 혼합물 용매를 사용

함으로써 96-94의 학순도로 chromene oxides를

합성하는데 성공하 다 이온성 액체를 첨단유기합성

기술인 학활성화합물 제조기술개발에 용함으로써

용매와 매의 소비를 최소화하는 반응과정을 개발하

고 있다

- 이와 같은 기술은 화학 산업에서의 공해 요인을 감소

38 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

시킬 것이며 특히 노벨화학상 수상분야인 비 칭

매반응 분야의 최 문제 으로 지 되었던 키랄 매

의 분리 재회수가 가능하게 되었다는 에서 기술

으로도 우수한 성과라 할 수 있다

- 한 이온성 액체 내에서 일부 매반응이 가속화될

수도 있고 선택성 매의 안정성 역시 향상될 수

있음을 밝혔으며 더욱 놀라운 결과로는 기존의 유기

용매 내에서는 진행되지 않던 일부 반응이 이온

성 액체 내에서는 정량 으로 진행될 수 있다는 것이

- 한 많은 요한 유기반응에서 이온성 액체가 용매로

서뿐 아니라 자신이 재사용 가능 한 매로도 작용할

수 있음을 밝힌 바 있다 이러한 일련의 결과들은 이

온성 액체가 21세기에 매분야뿐 아니라 체 유기화

학분야의 새로운 장을 열고 있다는 에서 요한 의

미를 지닌다고 할 수 있다

합성 응용분야(52)

- 한국과학기술연구원 김훈식 박사 연구 은 KSeO2

(OCH3)를1-alkyl-3-methylimidazolium chloride와 반

응시켜 새로운 이미다졸륨 알킬셀 나이트 ([Rmim]

[SeO2(OCH3)]) 화합물을 합성하 다

- 아민화합물의 산화성 카르보닐화 반응을 통한 치환된

우 아 제조 반응에서 기존의 KSeO2(OCH3)을 매로

사용하 을 경우에 비해 이 화합물은 보다 온화한 반

응조건을 제공할 뿐 아니라 이소시아네이트의 구체

인 치환된 우 아와 카바메이트를 고수율로 합성할 수

제3장 국내외 기술개발 동향 39

있었다

- 재 이온성 액체를 이용한 분리 유기 속화합물을

함유한 고활성 매로서의 이온성 액체의 합성 응

용에 한 연구를 수행하고 있다

- 포항공과 학교의 김만주 교수 연구 은 Lipase를

[PPMIM]PF6 (PPMIM = 1-(3-phenylpropyl)-3-

methylimidazolium)와 혼합시켜Ionic liquid-Coated

Enzyme (ILCE)을 합성하 다 이 새로운 타입의

immobilized biocatalyst는 2차 알코올의 transest-

erification 반응을 통한 acetylated 화합물합성에 높은

활성과 재사용성을 보여 주었으며 이러한 연구결과를

다양한 생화학분야에 용하기 한 연구를 수행하고

있다

- 인하 학교의 지 윤 교수연구 은 alkyl mesylate로부

터 fluoro-alkane을 합성하는 반응에서 이온성 액체를

용매로 사용함으로써 기존방법에 비해 부반응이 거의

없고 생산성이 히 증가된 결과를 얻었으며 이러한

결과를 실용화시키기 한 연구를 지속하고 있다

- 신약개발 바이오벤처 기업 씨트리(C-TRI)는 이온성

액체를 이용한 학활성 화합물제조 기술개발회사로

서 지난 상반기에 31억원의 매출을 올렸으며 최근 이

온성 액체를 이용한 신약개발과 정 화학사업에 필요

한 연구 인력을 거 보강하여 이온성 액체 련사업

을 추진하고 있다

41

제4장

결론 및 제언

향후의 방향

- 이온성 액체에 한 앞으로의 망은 이온성 액체를

주 테마로 하는 국제회의가 증가하고 있다 미국화학

회는 작년 9월 New York에서 이온성 액체에 한 세

션이 개최되어 열띤 토론이 진행 되었다

- 2004년 3~4월에 Anaheim에서 개최된 세션은 ldquo이온성

액체와 고분자rdquo 다 유럽과 미국에서는 이온성 액체

를 반응용매로 보는 것이 주류를 이루고 있었다

- 2004년 10월 Hawaii에서 기화학의 미일합동 회가

열린다 주제는 이온성 액체(용융염)에 한 연구이었

- 앞으로도 이온성 액체에 한 연구는 증가할 것이고

여러 가지 배경을 갖고 있는 연구자들이 서로 다른 목

표를 가지고 연구에 노력할 것이라 생각된다

국내사정

- 우리나라의 황을 보면 재석유화학 의학 산업에

서만 약7억불에 달하는 유기용매가 사용되고 있으며

이들을 모두 체할 수 있다면 최 7억불시장을 형성

할 수 있으므로 이온성 액체의 시장잠재력은 매우 크

42 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

다 하겠다

- 이온성 액체는 휘발성유기화합물을 체할 수 있을 뿐

만 아니라 고가의 귀 속 매를 이온성 액체 층에 고

정화 시킬수 있어 매의 회수 재사용을 용이하게

하며 매의 활성도 안정도 선택도까지도 획기

으로 증가시킬 수 있으므로 환경 측면은 물론 경제

인 에서도 바람직한 청정용매라 할 수 있다

- 상기한바 와같이 이온성 액체의 잠재 인 응용가능성

은 앞으로 무한할 것으로 사료되므로 국내에서도 이에

한 연구자들의 심과 더불어 정부 기업체에 의

한 연구지원이 지속 으로 이루어져야 할 것이다

후의 과제

- 통상의 용매로 이온성 액체를 이용하는 경우에는 내구

성 제조가격 등의 인자가 요하지만 목 이 한정된

이온성 액체의 이용에 있어서는 목 하는 기능을 요

시할 필요가 있다

- 많은 이온성 액체가 합성되고 있으나 원하는 높은 물

성을 갖는 이온성 액체를 설계하는 데 기본이 되는 이

론이 아직은 없는 편이다 이를 해서는 특히 이온성

액체의 구조-물성의 상 계가 밝 져야 하는데 많

은 연구가 진행되고 있음에도 불구하고 그 계가 밝

지지 않고 있다 따라서 상태로서는 원하는 이온

성 액체를 직 만들어서 평가하는 방법밖에 없는 게

실이다

- 그러나 도화와 열안정성 등과 같이 상반 계에 있

는 특성은 하나의 라미터를 변화시키는 것에 의해

제4장 결론 및 제언 43

한 쪽의 특성은 양호하게 되지만 다른 한 쪽의 특성이

악화되는 것을 피할 수 없는 성질로서 아직 양쪽을 동

시에 만족하는 이온성 액체는 실 하지 못하고 있다

- 향후 이온성 액체는 청정용매의 개발과 더불어 새로

운 청정 공정기술의 개발을 통하여 신소재 신물질 생

산 공정을 환경친화 이면서 경제성 있는 공정개발에

기여할 것으로 기 된다

- 특히 비닐기 같은 합성 기능기를 이온성 액체의 단

구조로 도입하여 단독 합이나 공 합을 통해 고분

자화한 이온성 액체를 만들 수 있어 이를 잘 활용하여

이온 지라든가 연료 지 등의 해액으로 응용의 길

이 열린다면 학문 으로나 공업 으로 큰 의의가 있으

리라 생각되며 이 분야의 연구가 활성화되길 기 한

45

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저자소개

손 목

공학박사

한국에 지기술연구소 원장

한국과학기술정보연구원 문연구 원

서 수소 연료 지 개스 센서기술 등

강 종 석

공학박사

한국과학기술정보연구원 선임연구원

서 BT분야 국가연구개발 심층분석

리튬이차 지 등

BB088 손 목강종석

이온성 액체의 반응성 및 전기화학적

특성 연구동향

2005년 12월 19일 인쇄

2005년 12월 23일 발행

발행처

서울특별시 동 문구 청량리동 206-9

ꂕ 130-742

화 3299-6114

등록 1991년 2월 12일 제5-258호

발행인

조 화

인쇄처

신기획

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ITA 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NOR 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 SVE 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Page 35: 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향gift.kisti.re.kr/data/IAC/files/KISTI-200512-SYM-ion_fluid.pdf · ※ 이온성 액체는 사용되는 음이온의

32 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-16gt zwitter ionic liquids의 모식도

특정이온을 포함하는 이온액체

- 이온성 액체를 이온 도체로 사용하는 과제는 목 이

온의 도입이다 이는 리튬염 등 목 이온을 포함하는

염 등을 이온액체에 용해시켜 도입한다

- 그런데 염의 첨가는 계의 성의 증가 이온 도도의

하를 가져온다 한 이온액체와 상용하는 분자무

기염은 많지 않고 첨가염의 종류도 한정되어있는 것이

문제이다

- 이의 해결이 자의 zwitter ion이고 두 번째가 목 이

온을 실온에서 액체화가 가능하면 문제가 해결된다

이러한 방법으로 각종의 알칼리 속 이온성 액체

(alkali metal ionic liquid)를 개발하 다(45)

- lt그림 3-17gt은 알칼리 속이온성 액체는 2가의 응

음이온과 1가의 오니움(onium) 양이온 1가의 목 이

온으로 구성된다

lt그림 3-17gt 알칼리 속이온액체의 개념도

제3장 국내외 기술개발 동향 33

- 이온액체는 구성하는 이온 간의 정 기 상호작용은

없을수록 좋으므로 강한 상호작용을 일으키는 다가이

온의 사용은 물이다 당 리튬 양이온의 이온액체

가 목 이나 여러 가지의 알칼리 속이온도 액체로

되는데 이를 응용하면 로톤을 포함하는 이온액체도

얻어지게 된다

이온액체의 합

- 이온성 액체는 분자 디자인이 용이하기 때문에 고분자

구조를 도입하는 것도 가능하며 이온성 액체의 고분

자화로는 각종의 고분자와 혼합한 겔화가 알려져 있지

만 이온성 액체 에 합기를 직 도입하여 고분자

화 하는 것에 의해 이온 도성뿐 아니라 디바이스의

다운사이징(down-sizing)에 기여할 것으로 망하고

있다(41)

- lt그림 3-18gt은 고분자화 이온액체를 나타내는데 종래

의 polyethyl-eneoxide유도체에 의존하지 않는 새로운

이온 도재료로서 검토된다

- lt그림 3-18gt에서 양이온과 음이온의 한쪽이 고분자의

주쇄에 고정되어 있어서 도 이온종을 선택하는 이

유용하다 한 구성이온종의 양방이 고분자 주쇄에

고정된 구조는 이온 도성을 나타내지 않으나 목 이

온의 첨가로 선택 도가 일어난다(46)

34 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-18gt 이온액체폴리머의 변화

자기조직화 이온액체

- 이온액체는 등방성의 액체로서 3차원 인 이온을 운반

하는 것이 가능하다 이로서 차원제어를 행하고 특정

방향으로 이온을 수송하는 시도가 있다 이를 해 자

기 집합력을 이온액체에 부여할 필요가 있다

- 이온액체의 자기조직화에는 양친매성화합물(兩親媒性

化合物)의 성질을 이용한다 극성성분이 있는 이온액

체에 비극성기(탄화수소쇄 탄화불소쇄)를 도입한 양

친매성 이온액체는 벌크로 써모트로픽 액정성을 발

하여 극성 비극성기가 분자 벨에서 상분리된 구조

를 형성한다

- 이 액체 도메인 에는 이온성 액체자신은 용융되어

높은 운동성을 갖는 알킬기의 집합층에 고정된 상태일

것으로 생각된다 여기에 리튬염을 첨가하면 비극성염

을 갖지 않는 리튬이온의 우선 인 수송이 기 된

다(lt그림 3-19gt 참조)

제3장 국내외 기술개발 동향 35

lt그림 3-19gt 이온성 액체 도메인 의 목 이온수송의 모식도

새로운 용매

- Alabama 학의 Rogers 등은 셀룰로오스를 용해시키는

이온성 액체로서 bmim Cl(1-butyl-3-methylimidazolium

chloride)을 개발하 다(47)

lt그림 3-20gt bmimCl의 구조

- Bmin Cl은 실온에서는 고체로서 75에서 용해되지만

100 정도로 가열한 bmim Cl에 종이(셀룰로오스)를

침지하면 순식간에 용해된다 이 용액을 시린지

(syringe)에 의해 물 에서 용출(溶出)시키면 셀룰로

오스 화이버가 생성된다 풍부한 목재자원을 셀룰로스

로 추출하는 시도가 이루어지고 있다

36 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

- 한 핵산류를 용해시킨 이온액체를 개발하고 있는데

DNA나 RNA는 물에 쉽게 용해되지 않는데 이를 용

해시키는 이온액체가 얻어졌다 일정량의 핵산을 용해

시키는 온도는 사용하는 이온액체의 구조에 크게 의존

한다(48)

- 특히 분자내 는 분자간의 수소결합을 단하는 능

력이 요구되는데 여기에는 염소음이온의 효과가 큰 것

으로 알려져 있다 염소를 포함하는 염은 일반 으로

융 이 높고 실온에서 액상으로 존재하기가 어려운

이 있다

- 이는 음이온의 부 하가 비국재화하고 있지 않기 때문

에 정 인 상호작용이 강하게 작용하고 있는 결과이

다 이를 피하기 해 양이온구조를 개선하여 상온에

서 액체의 염화물 염을 합성한다(49)

- 이 방법으로 양이온 구조를 개선하여 실온에서 액체상

태 염화물염인 aaim Cl(13-diallylimidazolium chloride)

를 개발하 다 aaim Cl은 융 이 21 부근이지만 한번

용융하면 과냉각 상태에서도 안정하여 실온에서 사용

가능하다 단지 도가 높은 것이 난 이다

단백질의 기화학반응용 해질용액

- 단백질의 기화학 인 성질로서 단백질을 이온액체에

용해시키는 것은 통상의 고분자를 용해시키는 것과는

차원이 다데 단백질의 기능은 펩사이드쇄의 3차 구조

에 크게 의존하기 때문에 3차구조가변하면 변성에 의

해서 목 달성이 되지 않는다 따라서 무리한 용해작

업은 변성을 래한다

제3장 국내외 기술개발 동향 37

- 이에 하여 PEO(polyethylene oxide)의 에테르산소가

이온과 강하게 상호작용하고 있다 이는 가용성을 의

미하며 PEO가 단백질과 이온액체를 용해하여 단백질

의 안정성을 향상시킨다 종래 바이오디바이스의 작성

이 곤란했든 것은 수 에서 단백질의 불안정성에 기인

하 는데 사용 온도에 따라 이온액체 의 단백질의

기화학이 새로운 가능성의 개척을 시사한다(50)

5 국내동향

이온액체의 매반응분야(51)

- 한국과학기술연구원 송충의 박사는 이온성 액체를 키

랄 화합물 제조를 한 매반응에 도입하여 고가인

매와 용매의 반복 사용을 가능하게 함에 따라 결

국 매와 용매의 소비를 최소화시킬 수 있는 소 청

정 비 칭 매반응을 개발하 다

- 즉 Jacobsons chiral (salen)MnIII

매 존재 하에서

22-dimethylchro-mene의 비 칭 에폭시화 반응시

[bmim]PF6와 CH2Cl2 (14 vv) 혼합물 용매를 사용

함으로써 96-94의 학순도로 chromene oxides를

합성하는데 성공하 다 이온성 액체를 첨단유기합성

기술인 학활성화합물 제조기술개발에 용함으로써

용매와 매의 소비를 최소화하는 반응과정을 개발하

고 있다

- 이와 같은 기술은 화학 산업에서의 공해 요인을 감소

38 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

시킬 것이며 특히 노벨화학상 수상분야인 비 칭

매반응 분야의 최 문제 으로 지 되었던 키랄 매

의 분리 재회수가 가능하게 되었다는 에서 기술

으로도 우수한 성과라 할 수 있다

- 한 이온성 액체 내에서 일부 매반응이 가속화될

수도 있고 선택성 매의 안정성 역시 향상될 수

있음을 밝혔으며 더욱 놀라운 결과로는 기존의 유기

용매 내에서는 진행되지 않던 일부 반응이 이온

성 액체 내에서는 정량 으로 진행될 수 있다는 것이

- 한 많은 요한 유기반응에서 이온성 액체가 용매로

서뿐 아니라 자신이 재사용 가능 한 매로도 작용할

수 있음을 밝힌 바 있다 이러한 일련의 결과들은 이

온성 액체가 21세기에 매분야뿐 아니라 체 유기화

학분야의 새로운 장을 열고 있다는 에서 요한 의

미를 지닌다고 할 수 있다

합성 응용분야(52)

- 한국과학기술연구원 김훈식 박사 연구 은 KSeO2

(OCH3)를1-alkyl-3-methylimidazolium chloride와 반

응시켜 새로운 이미다졸륨 알킬셀 나이트 ([Rmim]

[SeO2(OCH3)]) 화합물을 합성하 다

- 아민화합물의 산화성 카르보닐화 반응을 통한 치환된

우 아 제조 반응에서 기존의 KSeO2(OCH3)을 매로

사용하 을 경우에 비해 이 화합물은 보다 온화한 반

응조건을 제공할 뿐 아니라 이소시아네이트의 구체

인 치환된 우 아와 카바메이트를 고수율로 합성할 수

제3장 국내외 기술개발 동향 39

있었다

- 재 이온성 액체를 이용한 분리 유기 속화합물을

함유한 고활성 매로서의 이온성 액체의 합성 응

용에 한 연구를 수행하고 있다

- 포항공과 학교의 김만주 교수 연구 은 Lipase를

[PPMIM]PF6 (PPMIM = 1-(3-phenylpropyl)-3-

methylimidazolium)와 혼합시켜Ionic liquid-Coated

Enzyme (ILCE)을 합성하 다 이 새로운 타입의

immobilized biocatalyst는 2차 알코올의 transest-

erification 반응을 통한 acetylated 화합물합성에 높은

활성과 재사용성을 보여 주었으며 이러한 연구결과를

다양한 생화학분야에 용하기 한 연구를 수행하고

있다

- 인하 학교의 지 윤 교수연구 은 alkyl mesylate로부

터 fluoro-alkane을 합성하는 반응에서 이온성 액체를

용매로 사용함으로써 기존방법에 비해 부반응이 거의

없고 생산성이 히 증가된 결과를 얻었으며 이러한

결과를 실용화시키기 한 연구를 지속하고 있다

- 신약개발 바이오벤처 기업 씨트리(C-TRI)는 이온성

액체를 이용한 학활성 화합물제조 기술개발회사로

서 지난 상반기에 31억원의 매출을 올렸으며 최근 이

온성 액체를 이용한 신약개발과 정 화학사업에 필요

한 연구 인력을 거 보강하여 이온성 액체 련사업

을 추진하고 있다

41

제4장

결론 및 제언

향후의 방향

- 이온성 액체에 한 앞으로의 망은 이온성 액체를

주 테마로 하는 국제회의가 증가하고 있다 미국화학

회는 작년 9월 New York에서 이온성 액체에 한 세

션이 개최되어 열띤 토론이 진행 되었다

- 2004년 3~4월에 Anaheim에서 개최된 세션은 ldquo이온성

액체와 고분자rdquo 다 유럽과 미국에서는 이온성 액체

를 반응용매로 보는 것이 주류를 이루고 있었다

- 2004년 10월 Hawaii에서 기화학의 미일합동 회가

열린다 주제는 이온성 액체(용융염)에 한 연구이었

- 앞으로도 이온성 액체에 한 연구는 증가할 것이고

여러 가지 배경을 갖고 있는 연구자들이 서로 다른 목

표를 가지고 연구에 노력할 것이라 생각된다

국내사정

- 우리나라의 황을 보면 재석유화학 의학 산업에

서만 약7억불에 달하는 유기용매가 사용되고 있으며

이들을 모두 체할 수 있다면 최 7억불시장을 형성

할 수 있으므로 이온성 액체의 시장잠재력은 매우 크

42 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

다 하겠다

- 이온성 액체는 휘발성유기화합물을 체할 수 있을 뿐

만 아니라 고가의 귀 속 매를 이온성 액체 층에 고

정화 시킬수 있어 매의 회수 재사용을 용이하게

하며 매의 활성도 안정도 선택도까지도 획기

으로 증가시킬 수 있으므로 환경 측면은 물론 경제

인 에서도 바람직한 청정용매라 할 수 있다

- 상기한바 와같이 이온성 액체의 잠재 인 응용가능성

은 앞으로 무한할 것으로 사료되므로 국내에서도 이에

한 연구자들의 심과 더불어 정부 기업체에 의

한 연구지원이 지속 으로 이루어져야 할 것이다

후의 과제

- 통상의 용매로 이온성 액체를 이용하는 경우에는 내구

성 제조가격 등의 인자가 요하지만 목 이 한정된

이온성 액체의 이용에 있어서는 목 하는 기능을 요

시할 필요가 있다

- 많은 이온성 액체가 합성되고 있으나 원하는 높은 물

성을 갖는 이온성 액체를 설계하는 데 기본이 되는 이

론이 아직은 없는 편이다 이를 해서는 특히 이온성

액체의 구조-물성의 상 계가 밝 져야 하는데 많

은 연구가 진행되고 있음에도 불구하고 그 계가 밝

지지 않고 있다 따라서 상태로서는 원하는 이온

성 액체를 직 만들어서 평가하는 방법밖에 없는 게

실이다

- 그러나 도화와 열안정성 등과 같이 상반 계에 있

는 특성은 하나의 라미터를 변화시키는 것에 의해

제4장 결론 및 제언 43

한 쪽의 특성은 양호하게 되지만 다른 한 쪽의 특성이

악화되는 것을 피할 수 없는 성질로서 아직 양쪽을 동

시에 만족하는 이온성 액체는 실 하지 못하고 있다

- 향후 이온성 액체는 청정용매의 개발과 더불어 새로

운 청정 공정기술의 개발을 통하여 신소재 신물질 생

산 공정을 환경친화 이면서 경제성 있는 공정개발에

기여할 것으로 기 된다

- 특히 비닐기 같은 합성 기능기를 이온성 액체의 단

구조로 도입하여 단독 합이나 공 합을 통해 고분

자화한 이온성 액체를 만들 수 있어 이를 잘 활용하여

이온 지라든가 연료 지 등의 해액으로 응용의 길

이 열린다면 학문 으로나 공업 으로 큰 의의가 있으

리라 생각되며 이 분야의 연구가 활성화되길 기 한

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저자소개

손 목

공학박사

한국에 지기술연구소 원장

한국과학기술정보연구원 문연구 원

서 수소 연료 지 개스 센서기술 등

강 종 석

공학박사

한국과학기술정보연구원 선임연구원

서 BT분야 국가연구개발 심층분석

리튬이차 지 등

BB088 손 목강종석

이온성 액체의 반응성 및 전기화학적

특성 연구동향

2005년 12월 19일 인쇄

2005년 12월 23일 발행

발행처

서울특별시 동 문구 청량리동 206-9

ꂕ 130-742

화 3299-6114

등록 1991년 2월 12일 제5-258호

발행인

조 화

인쇄처

신기획

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Page 36: 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향gift.kisti.re.kr/data/IAC/files/KISTI-200512-SYM-ion_fluid.pdf · ※ 이온성 액체는 사용되는 음이온의

제3장 국내외 기술개발 동향 33

- 이온액체는 구성하는 이온 간의 정 기 상호작용은

없을수록 좋으므로 강한 상호작용을 일으키는 다가이

온의 사용은 물이다 당 리튬 양이온의 이온액체

가 목 이나 여러 가지의 알칼리 속이온도 액체로

되는데 이를 응용하면 로톤을 포함하는 이온액체도

얻어지게 된다

이온액체의 합

- 이온성 액체는 분자 디자인이 용이하기 때문에 고분자

구조를 도입하는 것도 가능하며 이온성 액체의 고분

자화로는 각종의 고분자와 혼합한 겔화가 알려져 있지

만 이온성 액체 에 합기를 직 도입하여 고분자

화 하는 것에 의해 이온 도성뿐 아니라 디바이스의

다운사이징(down-sizing)에 기여할 것으로 망하고

있다(41)

- lt그림 3-18gt은 고분자화 이온액체를 나타내는데 종래

의 polyethyl-eneoxide유도체에 의존하지 않는 새로운

이온 도재료로서 검토된다

- lt그림 3-18gt에서 양이온과 음이온의 한쪽이 고분자의

주쇄에 고정되어 있어서 도 이온종을 선택하는 이

유용하다 한 구성이온종의 양방이 고분자 주쇄에

고정된 구조는 이온 도성을 나타내지 않으나 목 이

온의 첨가로 선택 도가 일어난다(46)

34 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-18gt 이온액체폴리머의 변화

자기조직화 이온액체

- 이온액체는 등방성의 액체로서 3차원 인 이온을 운반

하는 것이 가능하다 이로서 차원제어를 행하고 특정

방향으로 이온을 수송하는 시도가 있다 이를 해 자

기 집합력을 이온액체에 부여할 필요가 있다

- 이온액체의 자기조직화에는 양친매성화합물(兩親媒性

化合物)의 성질을 이용한다 극성성분이 있는 이온액

체에 비극성기(탄화수소쇄 탄화불소쇄)를 도입한 양

친매성 이온액체는 벌크로 써모트로픽 액정성을 발

하여 극성 비극성기가 분자 벨에서 상분리된 구조

를 형성한다

- 이 액체 도메인 에는 이온성 액체자신은 용융되어

높은 운동성을 갖는 알킬기의 집합층에 고정된 상태일

것으로 생각된다 여기에 리튬염을 첨가하면 비극성염

을 갖지 않는 리튬이온의 우선 인 수송이 기 된

다(lt그림 3-19gt 참조)

제3장 국내외 기술개발 동향 35

lt그림 3-19gt 이온성 액체 도메인 의 목 이온수송의 모식도

새로운 용매

- Alabama 학의 Rogers 등은 셀룰로오스를 용해시키는

이온성 액체로서 bmim Cl(1-butyl-3-methylimidazolium

chloride)을 개발하 다(47)

lt그림 3-20gt bmimCl의 구조

- Bmin Cl은 실온에서는 고체로서 75에서 용해되지만

100 정도로 가열한 bmim Cl에 종이(셀룰로오스)를

침지하면 순식간에 용해된다 이 용액을 시린지

(syringe)에 의해 물 에서 용출(溶出)시키면 셀룰로

오스 화이버가 생성된다 풍부한 목재자원을 셀룰로스

로 추출하는 시도가 이루어지고 있다

36 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

- 한 핵산류를 용해시킨 이온액체를 개발하고 있는데

DNA나 RNA는 물에 쉽게 용해되지 않는데 이를 용

해시키는 이온액체가 얻어졌다 일정량의 핵산을 용해

시키는 온도는 사용하는 이온액체의 구조에 크게 의존

한다(48)

- 특히 분자내 는 분자간의 수소결합을 단하는 능

력이 요구되는데 여기에는 염소음이온의 효과가 큰 것

으로 알려져 있다 염소를 포함하는 염은 일반 으로

융 이 높고 실온에서 액상으로 존재하기가 어려운

이 있다

- 이는 음이온의 부 하가 비국재화하고 있지 않기 때문

에 정 인 상호작용이 강하게 작용하고 있는 결과이

다 이를 피하기 해 양이온구조를 개선하여 상온에

서 액체의 염화물 염을 합성한다(49)

- 이 방법으로 양이온 구조를 개선하여 실온에서 액체상

태 염화물염인 aaim Cl(13-diallylimidazolium chloride)

를 개발하 다 aaim Cl은 융 이 21 부근이지만 한번

용융하면 과냉각 상태에서도 안정하여 실온에서 사용

가능하다 단지 도가 높은 것이 난 이다

단백질의 기화학반응용 해질용액

- 단백질의 기화학 인 성질로서 단백질을 이온액체에

용해시키는 것은 통상의 고분자를 용해시키는 것과는

차원이 다데 단백질의 기능은 펩사이드쇄의 3차 구조

에 크게 의존하기 때문에 3차구조가변하면 변성에 의

해서 목 달성이 되지 않는다 따라서 무리한 용해작

업은 변성을 래한다

제3장 국내외 기술개발 동향 37

- 이에 하여 PEO(polyethylene oxide)의 에테르산소가

이온과 강하게 상호작용하고 있다 이는 가용성을 의

미하며 PEO가 단백질과 이온액체를 용해하여 단백질

의 안정성을 향상시킨다 종래 바이오디바이스의 작성

이 곤란했든 것은 수 에서 단백질의 불안정성에 기인

하 는데 사용 온도에 따라 이온액체 의 단백질의

기화학이 새로운 가능성의 개척을 시사한다(50)

5 국내동향

이온액체의 매반응분야(51)

- 한국과학기술연구원 송충의 박사는 이온성 액체를 키

랄 화합물 제조를 한 매반응에 도입하여 고가인

매와 용매의 반복 사용을 가능하게 함에 따라 결

국 매와 용매의 소비를 최소화시킬 수 있는 소 청

정 비 칭 매반응을 개발하 다

- 즉 Jacobsons chiral (salen)MnIII

매 존재 하에서

22-dimethylchro-mene의 비 칭 에폭시화 반응시

[bmim]PF6와 CH2Cl2 (14 vv) 혼합물 용매를 사용

함으로써 96-94의 학순도로 chromene oxides를

합성하는데 성공하 다 이온성 액체를 첨단유기합성

기술인 학활성화합물 제조기술개발에 용함으로써

용매와 매의 소비를 최소화하는 반응과정을 개발하

고 있다

- 이와 같은 기술은 화학 산업에서의 공해 요인을 감소

38 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

시킬 것이며 특히 노벨화학상 수상분야인 비 칭

매반응 분야의 최 문제 으로 지 되었던 키랄 매

의 분리 재회수가 가능하게 되었다는 에서 기술

으로도 우수한 성과라 할 수 있다

- 한 이온성 액체 내에서 일부 매반응이 가속화될

수도 있고 선택성 매의 안정성 역시 향상될 수

있음을 밝혔으며 더욱 놀라운 결과로는 기존의 유기

용매 내에서는 진행되지 않던 일부 반응이 이온

성 액체 내에서는 정량 으로 진행될 수 있다는 것이

- 한 많은 요한 유기반응에서 이온성 액체가 용매로

서뿐 아니라 자신이 재사용 가능 한 매로도 작용할

수 있음을 밝힌 바 있다 이러한 일련의 결과들은 이

온성 액체가 21세기에 매분야뿐 아니라 체 유기화

학분야의 새로운 장을 열고 있다는 에서 요한 의

미를 지닌다고 할 수 있다

합성 응용분야(52)

- 한국과학기술연구원 김훈식 박사 연구 은 KSeO2

(OCH3)를1-alkyl-3-methylimidazolium chloride와 반

응시켜 새로운 이미다졸륨 알킬셀 나이트 ([Rmim]

[SeO2(OCH3)]) 화합물을 합성하 다

- 아민화합물의 산화성 카르보닐화 반응을 통한 치환된

우 아 제조 반응에서 기존의 KSeO2(OCH3)을 매로

사용하 을 경우에 비해 이 화합물은 보다 온화한 반

응조건을 제공할 뿐 아니라 이소시아네이트의 구체

인 치환된 우 아와 카바메이트를 고수율로 합성할 수

제3장 국내외 기술개발 동향 39

있었다

- 재 이온성 액체를 이용한 분리 유기 속화합물을

함유한 고활성 매로서의 이온성 액체의 합성 응

용에 한 연구를 수행하고 있다

- 포항공과 학교의 김만주 교수 연구 은 Lipase를

[PPMIM]PF6 (PPMIM = 1-(3-phenylpropyl)-3-

methylimidazolium)와 혼합시켜Ionic liquid-Coated

Enzyme (ILCE)을 합성하 다 이 새로운 타입의

immobilized biocatalyst는 2차 알코올의 transest-

erification 반응을 통한 acetylated 화합물합성에 높은

활성과 재사용성을 보여 주었으며 이러한 연구결과를

다양한 생화학분야에 용하기 한 연구를 수행하고

있다

- 인하 학교의 지 윤 교수연구 은 alkyl mesylate로부

터 fluoro-alkane을 합성하는 반응에서 이온성 액체를

용매로 사용함으로써 기존방법에 비해 부반응이 거의

없고 생산성이 히 증가된 결과를 얻었으며 이러한

결과를 실용화시키기 한 연구를 지속하고 있다

- 신약개발 바이오벤처 기업 씨트리(C-TRI)는 이온성

액체를 이용한 학활성 화합물제조 기술개발회사로

서 지난 상반기에 31억원의 매출을 올렸으며 최근 이

온성 액체를 이용한 신약개발과 정 화학사업에 필요

한 연구 인력을 거 보강하여 이온성 액체 련사업

을 추진하고 있다

41

제4장

결론 및 제언

향후의 방향

- 이온성 액체에 한 앞으로의 망은 이온성 액체를

주 테마로 하는 국제회의가 증가하고 있다 미국화학

회는 작년 9월 New York에서 이온성 액체에 한 세

션이 개최되어 열띤 토론이 진행 되었다

- 2004년 3~4월에 Anaheim에서 개최된 세션은 ldquo이온성

액체와 고분자rdquo 다 유럽과 미국에서는 이온성 액체

를 반응용매로 보는 것이 주류를 이루고 있었다

- 2004년 10월 Hawaii에서 기화학의 미일합동 회가

열린다 주제는 이온성 액체(용융염)에 한 연구이었

- 앞으로도 이온성 액체에 한 연구는 증가할 것이고

여러 가지 배경을 갖고 있는 연구자들이 서로 다른 목

표를 가지고 연구에 노력할 것이라 생각된다

국내사정

- 우리나라의 황을 보면 재석유화학 의학 산업에

서만 약7억불에 달하는 유기용매가 사용되고 있으며

이들을 모두 체할 수 있다면 최 7억불시장을 형성

할 수 있으므로 이온성 액체의 시장잠재력은 매우 크

42 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

다 하겠다

- 이온성 액체는 휘발성유기화합물을 체할 수 있을 뿐

만 아니라 고가의 귀 속 매를 이온성 액체 층에 고

정화 시킬수 있어 매의 회수 재사용을 용이하게

하며 매의 활성도 안정도 선택도까지도 획기

으로 증가시킬 수 있으므로 환경 측면은 물론 경제

인 에서도 바람직한 청정용매라 할 수 있다

- 상기한바 와같이 이온성 액체의 잠재 인 응용가능성

은 앞으로 무한할 것으로 사료되므로 국내에서도 이에

한 연구자들의 심과 더불어 정부 기업체에 의

한 연구지원이 지속 으로 이루어져야 할 것이다

후의 과제

- 통상의 용매로 이온성 액체를 이용하는 경우에는 내구

성 제조가격 등의 인자가 요하지만 목 이 한정된

이온성 액체의 이용에 있어서는 목 하는 기능을 요

시할 필요가 있다

- 많은 이온성 액체가 합성되고 있으나 원하는 높은 물

성을 갖는 이온성 액체를 설계하는 데 기본이 되는 이

론이 아직은 없는 편이다 이를 해서는 특히 이온성

액체의 구조-물성의 상 계가 밝 져야 하는데 많

은 연구가 진행되고 있음에도 불구하고 그 계가 밝

지지 않고 있다 따라서 상태로서는 원하는 이온

성 액체를 직 만들어서 평가하는 방법밖에 없는 게

실이다

- 그러나 도화와 열안정성 등과 같이 상반 계에 있

는 특성은 하나의 라미터를 변화시키는 것에 의해

제4장 결론 및 제언 43

한 쪽의 특성은 양호하게 되지만 다른 한 쪽의 특성이

악화되는 것을 피할 수 없는 성질로서 아직 양쪽을 동

시에 만족하는 이온성 액체는 실 하지 못하고 있다

- 향후 이온성 액체는 청정용매의 개발과 더불어 새로

운 청정 공정기술의 개발을 통하여 신소재 신물질 생

산 공정을 환경친화 이면서 경제성 있는 공정개발에

기여할 것으로 기 된다

- 특히 비닐기 같은 합성 기능기를 이온성 액체의 단

구조로 도입하여 단독 합이나 공 합을 통해 고분

자화한 이온성 액체를 만들 수 있어 이를 잘 활용하여

이온 지라든가 연료 지 등의 해액으로 응용의 길

이 열린다면 학문 으로나 공업 으로 큰 의의가 있으

리라 생각되며 이 분야의 연구가 활성화되길 기 한

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저자소개

손 목

공학박사

한국에 지기술연구소 원장

한국과학기술정보연구원 문연구 원

서 수소 연료 지 개스 센서기술 등

강 종 석

공학박사

한국과학기술정보연구원 선임연구원

서 BT분야 국가연구개발 심층분석

리튬이차 지 등

BB088 손 목강종석

이온성 액체의 반응성 및 전기화학적

특성 연구동향

2005년 12월 19일 인쇄

2005년 12월 23일 발행

발행처

서울특별시 동 문구 청량리동 206-9

ꂕ 130-742

화 3299-6114

등록 1991년 2월 12일 제5-258호

발행인

조 화

인쇄처

신기획

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Page 37: 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향gift.kisti.re.kr/data/IAC/files/KISTI-200512-SYM-ion_fluid.pdf · ※ 이온성 액체는 사용되는 음이온의

34 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

lt그림 3-18gt 이온액체폴리머의 변화

자기조직화 이온액체

- 이온액체는 등방성의 액체로서 3차원 인 이온을 운반

하는 것이 가능하다 이로서 차원제어를 행하고 특정

방향으로 이온을 수송하는 시도가 있다 이를 해 자

기 집합력을 이온액체에 부여할 필요가 있다

- 이온액체의 자기조직화에는 양친매성화합물(兩親媒性

化合物)의 성질을 이용한다 극성성분이 있는 이온액

체에 비극성기(탄화수소쇄 탄화불소쇄)를 도입한 양

친매성 이온액체는 벌크로 써모트로픽 액정성을 발

하여 극성 비극성기가 분자 벨에서 상분리된 구조

를 형성한다

- 이 액체 도메인 에는 이온성 액체자신은 용융되어

높은 운동성을 갖는 알킬기의 집합층에 고정된 상태일

것으로 생각된다 여기에 리튬염을 첨가하면 비극성염

을 갖지 않는 리튬이온의 우선 인 수송이 기 된

다(lt그림 3-19gt 참조)

제3장 국내외 기술개발 동향 35

lt그림 3-19gt 이온성 액체 도메인 의 목 이온수송의 모식도

새로운 용매

- Alabama 학의 Rogers 등은 셀룰로오스를 용해시키는

이온성 액체로서 bmim Cl(1-butyl-3-methylimidazolium

chloride)을 개발하 다(47)

lt그림 3-20gt bmimCl의 구조

- Bmin Cl은 실온에서는 고체로서 75에서 용해되지만

100 정도로 가열한 bmim Cl에 종이(셀룰로오스)를

침지하면 순식간에 용해된다 이 용액을 시린지

(syringe)에 의해 물 에서 용출(溶出)시키면 셀룰로

오스 화이버가 생성된다 풍부한 목재자원을 셀룰로스

로 추출하는 시도가 이루어지고 있다

36 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

- 한 핵산류를 용해시킨 이온액체를 개발하고 있는데

DNA나 RNA는 물에 쉽게 용해되지 않는데 이를 용

해시키는 이온액체가 얻어졌다 일정량의 핵산을 용해

시키는 온도는 사용하는 이온액체의 구조에 크게 의존

한다(48)

- 특히 분자내 는 분자간의 수소결합을 단하는 능

력이 요구되는데 여기에는 염소음이온의 효과가 큰 것

으로 알려져 있다 염소를 포함하는 염은 일반 으로

융 이 높고 실온에서 액상으로 존재하기가 어려운

이 있다

- 이는 음이온의 부 하가 비국재화하고 있지 않기 때문

에 정 인 상호작용이 강하게 작용하고 있는 결과이

다 이를 피하기 해 양이온구조를 개선하여 상온에

서 액체의 염화물 염을 합성한다(49)

- 이 방법으로 양이온 구조를 개선하여 실온에서 액체상

태 염화물염인 aaim Cl(13-diallylimidazolium chloride)

를 개발하 다 aaim Cl은 융 이 21 부근이지만 한번

용융하면 과냉각 상태에서도 안정하여 실온에서 사용

가능하다 단지 도가 높은 것이 난 이다

단백질의 기화학반응용 해질용액

- 단백질의 기화학 인 성질로서 단백질을 이온액체에

용해시키는 것은 통상의 고분자를 용해시키는 것과는

차원이 다데 단백질의 기능은 펩사이드쇄의 3차 구조

에 크게 의존하기 때문에 3차구조가변하면 변성에 의

해서 목 달성이 되지 않는다 따라서 무리한 용해작

업은 변성을 래한다

제3장 국내외 기술개발 동향 37

- 이에 하여 PEO(polyethylene oxide)의 에테르산소가

이온과 강하게 상호작용하고 있다 이는 가용성을 의

미하며 PEO가 단백질과 이온액체를 용해하여 단백질

의 안정성을 향상시킨다 종래 바이오디바이스의 작성

이 곤란했든 것은 수 에서 단백질의 불안정성에 기인

하 는데 사용 온도에 따라 이온액체 의 단백질의

기화학이 새로운 가능성의 개척을 시사한다(50)

5 국내동향

이온액체의 매반응분야(51)

- 한국과학기술연구원 송충의 박사는 이온성 액체를 키

랄 화합물 제조를 한 매반응에 도입하여 고가인

매와 용매의 반복 사용을 가능하게 함에 따라 결

국 매와 용매의 소비를 최소화시킬 수 있는 소 청

정 비 칭 매반응을 개발하 다

- 즉 Jacobsons chiral (salen)MnIII

매 존재 하에서

22-dimethylchro-mene의 비 칭 에폭시화 반응시

[bmim]PF6와 CH2Cl2 (14 vv) 혼합물 용매를 사용

함으로써 96-94의 학순도로 chromene oxides를

합성하는데 성공하 다 이온성 액체를 첨단유기합성

기술인 학활성화합물 제조기술개발에 용함으로써

용매와 매의 소비를 최소화하는 반응과정을 개발하

고 있다

- 이와 같은 기술은 화학 산업에서의 공해 요인을 감소

38 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

시킬 것이며 특히 노벨화학상 수상분야인 비 칭

매반응 분야의 최 문제 으로 지 되었던 키랄 매

의 분리 재회수가 가능하게 되었다는 에서 기술

으로도 우수한 성과라 할 수 있다

- 한 이온성 액체 내에서 일부 매반응이 가속화될

수도 있고 선택성 매의 안정성 역시 향상될 수

있음을 밝혔으며 더욱 놀라운 결과로는 기존의 유기

용매 내에서는 진행되지 않던 일부 반응이 이온

성 액체 내에서는 정량 으로 진행될 수 있다는 것이

- 한 많은 요한 유기반응에서 이온성 액체가 용매로

서뿐 아니라 자신이 재사용 가능 한 매로도 작용할

수 있음을 밝힌 바 있다 이러한 일련의 결과들은 이

온성 액체가 21세기에 매분야뿐 아니라 체 유기화

학분야의 새로운 장을 열고 있다는 에서 요한 의

미를 지닌다고 할 수 있다

합성 응용분야(52)

- 한국과학기술연구원 김훈식 박사 연구 은 KSeO2

(OCH3)를1-alkyl-3-methylimidazolium chloride와 반

응시켜 새로운 이미다졸륨 알킬셀 나이트 ([Rmim]

[SeO2(OCH3)]) 화합물을 합성하 다

- 아민화합물의 산화성 카르보닐화 반응을 통한 치환된

우 아 제조 반응에서 기존의 KSeO2(OCH3)을 매로

사용하 을 경우에 비해 이 화합물은 보다 온화한 반

응조건을 제공할 뿐 아니라 이소시아네이트의 구체

인 치환된 우 아와 카바메이트를 고수율로 합성할 수

제3장 국내외 기술개발 동향 39

있었다

- 재 이온성 액체를 이용한 분리 유기 속화합물을

함유한 고활성 매로서의 이온성 액체의 합성 응

용에 한 연구를 수행하고 있다

- 포항공과 학교의 김만주 교수 연구 은 Lipase를

[PPMIM]PF6 (PPMIM = 1-(3-phenylpropyl)-3-

methylimidazolium)와 혼합시켜Ionic liquid-Coated

Enzyme (ILCE)을 합성하 다 이 새로운 타입의

immobilized biocatalyst는 2차 알코올의 transest-

erification 반응을 통한 acetylated 화합물합성에 높은

활성과 재사용성을 보여 주었으며 이러한 연구결과를

다양한 생화학분야에 용하기 한 연구를 수행하고

있다

- 인하 학교의 지 윤 교수연구 은 alkyl mesylate로부

터 fluoro-alkane을 합성하는 반응에서 이온성 액체를

용매로 사용함으로써 기존방법에 비해 부반응이 거의

없고 생산성이 히 증가된 결과를 얻었으며 이러한

결과를 실용화시키기 한 연구를 지속하고 있다

- 신약개발 바이오벤처 기업 씨트리(C-TRI)는 이온성

액체를 이용한 학활성 화합물제조 기술개발회사로

서 지난 상반기에 31억원의 매출을 올렸으며 최근 이

온성 액체를 이용한 신약개발과 정 화학사업에 필요

한 연구 인력을 거 보강하여 이온성 액체 련사업

을 추진하고 있다

41

제4장

결론 및 제언

향후의 방향

- 이온성 액체에 한 앞으로의 망은 이온성 액체를

주 테마로 하는 국제회의가 증가하고 있다 미국화학

회는 작년 9월 New York에서 이온성 액체에 한 세

션이 개최되어 열띤 토론이 진행 되었다

- 2004년 3~4월에 Anaheim에서 개최된 세션은 ldquo이온성

액체와 고분자rdquo 다 유럽과 미국에서는 이온성 액체

를 반응용매로 보는 것이 주류를 이루고 있었다

- 2004년 10월 Hawaii에서 기화학의 미일합동 회가

열린다 주제는 이온성 액체(용융염)에 한 연구이었

- 앞으로도 이온성 액체에 한 연구는 증가할 것이고

여러 가지 배경을 갖고 있는 연구자들이 서로 다른 목

표를 가지고 연구에 노력할 것이라 생각된다

국내사정

- 우리나라의 황을 보면 재석유화학 의학 산업에

서만 약7억불에 달하는 유기용매가 사용되고 있으며

이들을 모두 체할 수 있다면 최 7억불시장을 형성

할 수 있으므로 이온성 액체의 시장잠재력은 매우 크

42 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

다 하겠다

- 이온성 액체는 휘발성유기화합물을 체할 수 있을 뿐

만 아니라 고가의 귀 속 매를 이온성 액체 층에 고

정화 시킬수 있어 매의 회수 재사용을 용이하게

하며 매의 활성도 안정도 선택도까지도 획기

으로 증가시킬 수 있으므로 환경 측면은 물론 경제

인 에서도 바람직한 청정용매라 할 수 있다

- 상기한바 와같이 이온성 액체의 잠재 인 응용가능성

은 앞으로 무한할 것으로 사료되므로 국내에서도 이에

한 연구자들의 심과 더불어 정부 기업체에 의

한 연구지원이 지속 으로 이루어져야 할 것이다

후의 과제

- 통상의 용매로 이온성 액체를 이용하는 경우에는 내구

성 제조가격 등의 인자가 요하지만 목 이 한정된

이온성 액체의 이용에 있어서는 목 하는 기능을 요

시할 필요가 있다

- 많은 이온성 액체가 합성되고 있으나 원하는 높은 물

성을 갖는 이온성 액체를 설계하는 데 기본이 되는 이

론이 아직은 없는 편이다 이를 해서는 특히 이온성

액체의 구조-물성의 상 계가 밝 져야 하는데 많

은 연구가 진행되고 있음에도 불구하고 그 계가 밝

지지 않고 있다 따라서 상태로서는 원하는 이온

성 액체를 직 만들어서 평가하는 방법밖에 없는 게

실이다

- 그러나 도화와 열안정성 등과 같이 상반 계에 있

는 특성은 하나의 라미터를 변화시키는 것에 의해

제4장 결론 및 제언 43

한 쪽의 특성은 양호하게 되지만 다른 한 쪽의 특성이

악화되는 것을 피할 수 없는 성질로서 아직 양쪽을 동

시에 만족하는 이온성 액체는 실 하지 못하고 있다

- 향후 이온성 액체는 청정용매의 개발과 더불어 새로

운 청정 공정기술의 개발을 통하여 신소재 신물질 생

산 공정을 환경친화 이면서 경제성 있는 공정개발에

기여할 것으로 기 된다

- 특히 비닐기 같은 합성 기능기를 이온성 액체의 단

구조로 도입하여 단독 합이나 공 합을 통해 고분

자화한 이온성 액체를 만들 수 있어 이를 잘 활용하여

이온 지라든가 연료 지 등의 해액으로 응용의 길

이 열린다면 학문 으로나 공업 으로 큰 의의가 있으

리라 생각되며 이 분야의 연구가 활성화되길 기 한

45

참고문헌

1 원 무 이온성액체란(기능과 이용기술 망) 첨단기술정보분

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저자소개

손 목

공학박사

한국에 지기술연구소 원장

한국과학기술정보연구원 문연구 원

서 수소 연료 지 개스 센서기술 등

강 종 석

공학박사

한국과학기술정보연구원 선임연구원

서 BT분야 국가연구개발 심층분석

리튬이차 지 등

BB088 손 목강종석

이온성 액체의 반응성 및 전기화학적

특성 연구동향

2005년 12월 19일 인쇄

2005년 12월 23일 발행

발행처

서울특별시 동 문구 청량리동 206-9

ꂕ 130-742

화 3299-6114

등록 1991년 2월 12일 제5-258호

발행인

조 화

인쇄처

신기획

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Page 38: 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향gift.kisti.re.kr/data/IAC/files/KISTI-200512-SYM-ion_fluid.pdf · ※ 이온성 액체는 사용되는 음이온의

제3장 국내외 기술개발 동향 35

lt그림 3-19gt 이온성 액체 도메인 의 목 이온수송의 모식도

새로운 용매

- Alabama 학의 Rogers 등은 셀룰로오스를 용해시키는

이온성 액체로서 bmim Cl(1-butyl-3-methylimidazolium

chloride)을 개발하 다(47)

lt그림 3-20gt bmimCl의 구조

- Bmin Cl은 실온에서는 고체로서 75에서 용해되지만

100 정도로 가열한 bmim Cl에 종이(셀룰로오스)를

침지하면 순식간에 용해된다 이 용액을 시린지

(syringe)에 의해 물 에서 용출(溶出)시키면 셀룰로

오스 화이버가 생성된다 풍부한 목재자원을 셀룰로스

로 추출하는 시도가 이루어지고 있다

36 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

- 한 핵산류를 용해시킨 이온액체를 개발하고 있는데

DNA나 RNA는 물에 쉽게 용해되지 않는데 이를 용

해시키는 이온액체가 얻어졌다 일정량의 핵산을 용해

시키는 온도는 사용하는 이온액체의 구조에 크게 의존

한다(48)

- 특히 분자내 는 분자간의 수소결합을 단하는 능

력이 요구되는데 여기에는 염소음이온의 효과가 큰 것

으로 알려져 있다 염소를 포함하는 염은 일반 으로

융 이 높고 실온에서 액상으로 존재하기가 어려운

이 있다

- 이는 음이온의 부 하가 비국재화하고 있지 않기 때문

에 정 인 상호작용이 강하게 작용하고 있는 결과이

다 이를 피하기 해 양이온구조를 개선하여 상온에

서 액체의 염화물 염을 합성한다(49)

- 이 방법으로 양이온 구조를 개선하여 실온에서 액체상

태 염화물염인 aaim Cl(13-diallylimidazolium chloride)

를 개발하 다 aaim Cl은 융 이 21 부근이지만 한번

용융하면 과냉각 상태에서도 안정하여 실온에서 사용

가능하다 단지 도가 높은 것이 난 이다

단백질의 기화학반응용 해질용액

- 단백질의 기화학 인 성질로서 단백질을 이온액체에

용해시키는 것은 통상의 고분자를 용해시키는 것과는

차원이 다데 단백질의 기능은 펩사이드쇄의 3차 구조

에 크게 의존하기 때문에 3차구조가변하면 변성에 의

해서 목 달성이 되지 않는다 따라서 무리한 용해작

업은 변성을 래한다

제3장 국내외 기술개발 동향 37

- 이에 하여 PEO(polyethylene oxide)의 에테르산소가

이온과 강하게 상호작용하고 있다 이는 가용성을 의

미하며 PEO가 단백질과 이온액체를 용해하여 단백질

의 안정성을 향상시킨다 종래 바이오디바이스의 작성

이 곤란했든 것은 수 에서 단백질의 불안정성에 기인

하 는데 사용 온도에 따라 이온액체 의 단백질의

기화학이 새로운 가능성의 개척을 시사한다(50)

5 국내동향

이온액체의 매반응분야(51)

- 한국과학기술연구원 송충의 박사는 이온성 액체를 키

랄 화합물 제조를 한 매반응에 도입하여 고가인

매와 용매의 반복 사용을 가능하게 함에 따라 결

국 매와 용매의 소비를 최소화시킬 수 있는 소 청

정 비 칭 매반응을 개발하 다

- 즉 Jacobsons chiral (salen)MnIII

매 존재 하에서

22-dimethylchro-mene의 비 칭 에폭시화 반응시

[bmim]PF6와 CH2Cl2 (14 vv) 혼합물 용매를 사용

함으로써 96-94의 학순도로 chromene oxides를

합성하는데 성공하 다 이온성 액체를 첨단유기합성

기술인 학활성화합물 제조기술개발에 용함으로써

용매와 매의 소비를 최소화하는 반응과정을 개발하

고 있다

- 이와 같은 기술은 화학 산업에서의 공해 요인을 감소

38 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

시킬 것이며 특히 노벨화학상 수상분야인 비 칭

매반응 분야의 최 문제 으로 지 되었던 키랄 매

의 분리 재회수가 가능하게 되었다는 에서 기술

으로도 우수한 성과라 할 수 있다

- 한 이온성 액체 내에서 일부 매반응이 가속화될

수도 있고 선택성 매의 안정성 역시 향상될 수

있음을 밝혔으며 더욱 놀라운 결과로는 기존의 유기

용매 내에서는 진행되지 않던 일부 반응이 이온

성 액체 내에서는 정량 으로 진행될 수 있다는 것이

- 한 많은 요한 유기반응에서 이온성 액체가 용매로

서뿐 아니라 자신이 재사용 가능 한 매로도 작용할

수 있음을 밝힌 바 있다 이러한 일련의 결과들은 이

온성 액체가 21세기에 매분야뿐 아니라 체 유기화

학분야의 새로운 장을 열고 있다는 에서 요한 의

미를 지닌다고 할 수 있다

합성 응용분야(52)

- 한국과학기술연구원 김훈식 박사 연구 은 KSeO2

(OCH3)를1-alkyl-3-methylimidazolium chloride와 반

응시켜 새로운 이미다졸륨 알킬셀 나이트 ([Rmim]

[SeO2(OCH3)]) 화합물을 합성하 다

- 아민화합물의 산화성 카르보닐화 반응을 통한 치환된

우 아 제조 반응에서 기존의 KSeO2(OCH3)을 매로

사용하 을 경우에 비해 이 화합물은 보다 온화한 반

응조건을 제공할 뿐 아니라 이소시아네이트의 구체

인 치환된 우 아와 카바메이트를 고수율로 합성할 수

제3장 국내외 기술개발 동향 39

있었다

- 재 이온성 액체를 이용한 분리 유기 속화합물을

함유한 고활성 매로서의 이온성 액체의 합성 응

용에 한 연구를 수행하고 있다

- 포항공과 학교의 김만주 교수 연구 은 Lipase를

[PPMIM]PF6 (PPMIM = 1-(3-phenylpropyl)-3-

methylimidazolium)와 혼합시켜Ionic liquid-Coated

Enzyme (ILCE)을 합성하 다 이 새로운 타입의

immobilized biocatalyst는 2차 알코올의 transest-

erification 반응을 통한 acetylated 화합물합성에 높은

활성과 재사용성을 보여 주었으며 이러한 연구결과를

다양한 생화학분야에 용하기 한 연구를 수행하고

있다

- 인하 학교의 지 윤 교수연구 은 alkyl mesylate로부

터 fluoro-alkane을 합성하는 반응에서 이온성 액체를

용매로 사용함으로써 기존방법에 비해 부반응이 거의

없고 생산성이 히 증가된 결과를 얻었으며 이러한

결과를 실용화시키기 한 연구를 지속하고 있다

- 신약개발 바이오벤처 기업 씨트리(C-TRI)는 이온성

액체를 이용한 학활성 화합물제조 기술개발회사로

서 지난 상반기에 31억원의 매출을 올렸으며 최근 이

온성 액체를 이용한 신약개발과 정 화학사업에 필요

한 연구 인력을 거 보강하여 이온성 액체 련사업

을 추진하고 있다

41

제4장

결론 및 제언

향후의 방향

- 이온성 액체에 한 앞으로의 망은 이온성 액체를

주 테마로 하는 국제회의가 증가하고 있다 미국화학

회는 작년 9월 New York에서 이온성 액체에 한 세

션이 개최되어 열띤 토론이 진행 되었다

- 2004년 3~4월에 Anaheim에서 개최된 세션은 ldquo이온성

액체와 고분자rdquo 다 유럽과 미국에서는 이온성 액체

를 반응용매로 보는 것이 주류를 이루고 있었다

- 2004년 10월 Hawaii에서 기화학의 미일합동 회가

열린다 주제는 이온성 액체(용융염)에 한 연구이었

- 앞으로도 이온성 액체에 한 연구는 증가할 것이고

여러 가지 배경을 갖고 있는 연구자들이 서로 다른 목

표를 가지고 연구에 노력할 것이라 생각된다

국내사정

- 우리나라의 황을 보면 재석유화학 의학 산업에

서만 약7억불에 달하는 유기용매가 사용되고 있으며

이들을 모두 체할 수 있다면 최 7억불시장을 형성

할 수 있으므로 이온성 액체의 시장잠재력은 매우 크

42 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

다 하겠다

- 이온성 액체는 휘발성유기화합물을 체할 수 있을 뿐

만 아니라 고가의 귀 속 매를 이온성 액체 층에 고

정화 시킬수 있어 매의 회수 재사용을 용이하게

하며 매의 활성도 안정도 선택도까지도 획기

으로 증가시킬 수 있으므로 환경 측면은 물론 경제

인 에서도 바람직한 청정용매라 할 수 있다

- 상기한바 와같이 이온성 액체의 잠재 인 응용가능성

은 앞으로 무한할 것으로 사료되므로 국내에서도 이에

한 연구자들의 심과 더불어 정부 기업체에 의

한 연구지원이 지속 으로 이루어져야 할 것이다

후의 과제

- 통상의 용매로 이온성 액체를 이용하는 경우에는 내구

성 제조가격 등의 인자가 요하지만 목 이 한정된

이온성 액체의 이용에 있어서는 목 하는 기능을 요

시할 필요가 있다

- 많은 이온성 액체가 합성되고 있으나 원하는 높은 물

성을 갖는 이온성 액체를 설계하는 데 기본이 되는 이

론이 아직은 없는 편이다 이를 해서는 특히 이온성

액체의 구조-물성의 상 계가 밝 져야 하는데 많

은 연구가 진행되고 있음에도 불구하고 그 계가 밝

지지 않고 있다 따라서 상태로서는 원하는 이온

성 액체를 직 만들어서 평가하는 방법밖에 없는 게

실이다

- 그러나 도화와 열안정성 등과 같이 상반 계에 있

는 특성은 하나의 라미터를 변화시키는 것에 의해

제4장 결론 및 제언 43

한 쪽의 특성은 양호하게 되지만 다른 한 쪽의 특성이

악화되는 것을 피할 수 없는 성질로서 아직 양쪽을 동

시에 만족하는 이온성 액체는 실 하지 못하고 있다

- 향후 이온성 액체는 청정용매의 개발과 더불어 새로

운 청정 공정기술의 개발을 통하여 신소재 신물질 생

산 공정을 환경친화 이면서 경제성 있는 공정개발에

기여할 것으로 기 된다

- 특히 비닐기 같은 합성 기능기를 이온성 액체의 단

구조로 도입하여 단독 합이나 공 합을 통해 고분

자화한 이온성 액체를 만들 수 있어 이를 잘 활용하여

이온 지라든가 연료 지 등의 해액으로 응용의 길

이 열린다면 학문 으로나 공업 으로 큰 의의가 있으

리라 생각되며 이 분야의 연구가 활성화되길 기 한

45

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저자소개

손 목

공학박사

한국에 지기술연구소 원장

한국과학기술정보연구원 문연구 원

서 수소 연료 지 개스 센서기술 등

강 종 석

공학박사

한국과학기술정보연구원 선임연구원

서 BT분야 국가연구개발 심층분석

리튬이차 지 등

BB088 손 목강종석

이온성 액체의 반응성 및 전기화학적

특성 연구동향

2005년 12월 19일 인쇄

2005년 12월 23일 발행

발행처

서울특별시 동 문구 청량리동 206-9

ꂕ 130-742

화 3299-6114

등록 1991년 2월 12일 제5-258호

발행인

조 화

인쇄처

신기획

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Page 39: 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향gift.kisti.re.kr/data/IAC/files/KISTI-200512-SYM-ion_fluid.pdf · ※ 이온성 액체는 사용되는 음이온의

36 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

- 한 핵산류를 용해시킨 이온액체를 개발하고 있는데

DNA나 RNA는 물에 쉽게 용해되지 않는데 이를 용

해시키는 이온액체가 얻어졌다 일정량의 핵산을 용해

시키는 온도는 사용하는 이온액체의 구조에 크게 의존

한다(48)

- 특히 분자내 는 분자간의 수소결합을 단하는 능

력이 요구되는데 여기에는 염소음이온의 효과가 큰 것

으로 알려져 있다 염소를 포함하는 염은 일반 으로

융 이 높고 실온에서 액상으로 존재하기가 어려운

이 있다

- 이는 음이온의 부 하가 비국재화하고 있지 않기 때문

에 정 인 상호작용이 강하게 작용하고 있는 결과이

다 이를 피하기 해 양이온구조를 개선하여 상온에

서 액체의 염화물 염을 합성한다(49)

- 이 방법으로 양이온 구조를 개선하여 실온에서 액체상

태 염화물염인 aaim Cl(13-diallylimidazolium chloride)

를 개발하 다 aaim Cl은 융 이 21 부근이지만 한번

용융하면 과냉각 상태에서도 안정하여 실온에서 사용

가능하다 단지 도가 높은 것이 난 이다

단백질의 기화학반응용 해질용액

- 단백질의 기화학 인 성질로서 단백질을 이온액체에

용해시키는 것은 통상의 고분자를 용해시키는 것과는

차원이 다데 단백질의 기능은 펩사이드쇄의 3차 구조

에 크게 의존하기 때문에 3차구조가변하면 변성에 의

해서 목 달성이 되지 않는다 따라서 무리한 용해작

업은 변성을 래한다

제3장 국내외 기술개발 동향 37

- 이에 하여 PEO(polyethylene oxide)의 에테르산소가

이온과 강하게 상호작용하고 있다 이는 가용성을 의

미하며 PEO가 단백질과 이온액체를 용해하여 단백질

의 안정성을 향상시킨다 종래 바이오디바이스의 작성

이 곤란했든 것은 수 에서 단백질의 불안정성에 기인

하 는데 사용 온도에 따라 이온액체 의 단백질의

기화학이 새로운 가능성의 개척을 시사한다(50)

5 국내동향

이온액체의 매반응분야(51)

- 한국과학기술연구원 송충의 박사는 이온성 액체를 키

랄 화합물 제조를 한 매반응에 도입하여 고가인

매와 용매의 반복 사용을 가능하게 함에 따라 결

국 매와 용매의 소비를 최소화시킬 수 있는 소 청

정 비 칭 매반응을 개발하 다

- 즉 Jacobsons chiral (salen)MnIII

매 존재 하에서

22-dimethylchro-mene의 비 칭 에폭시화 반응시

[bmim]PF6와 CH2Cl2 (14 vv) 혼합물 용매를 사용

함으로써 96-94의 학순도로 chromene oxides를

합성하는데 성공하 다 이온성 액체를 첨단유기합성

기술인 학활성화합물 제조기술개발에 용함으로써

용매와 매의 소비를 최소화하는 반응과정을 개발하

고 있다

- 이와 같은 기술은 화학 산업에서의 공해 요인을 감소

38 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

시킬 것이며 특히 노벨화학상 수상분야인 비 칭

매반응 분야의 최 문제 으로 지 되었던 키랄 매

의 분리 재회수가 가능하게 되었다는 에서 기술

으로도 우수한 성과라 할 수 있다

- 한 이온성 액체 내에서 일부 매반응이 가속화될

수도 있고 선택성 매의 안정성 역시 향상될 수

있음을 밝혔으며 더욱 놀라운 결과로는 기존의 유기

용매 내에서는 진행되지 않던 일부 반응이 이온

성 액체 내에서는 정량 으로 진행될 수 있다는 것이

- 한 많은 요한 유기반응에서 이온성 액체가 용매로

서뿐 아니라 자신이 재사용 가능 한 매로도 작용할

수 있음을 밝힌 바 있다 이러한 일련의 결과들은 이

온성 액체가 21세기에 매분야뿐 아니라 체 유기화

학분야의 새로운 장을 열고 있다는 에서 요한 의

미를 지닌다고 할 수 있다

합성 응용분야(52)

- 한국과학기술연구원 김훈식 박사 연구 은 KSeO2

(OCH3)를1-alkyl-3-methylimidazolium chloride와 반

응시켜 새로운 이미다졸륨 알킬셀 나이트 ([Rmim]

[SeO2(OCH3)]) 화합물을 합성하 다

- 아민화합물의 산화성 카르보닐화 반응을 통한 치환된

우 아 제조 반응에서 기존의 KSeO2(OCH3)을 매로

사용하 을 경우에 비해 이 화합물은 보다 온화한 반

응조건을 제공할 뿐 아니라 이소시아네이트의 구체

인 치환된 우 아와 카바메이트를 고수율로 합성할 수

제3장 국내외 기술개발 동향 39

있었다

- 재 이온성 액체를 이용한 분리 유기 속화합물을

함유한 고활성 매로서의 이온성 액체의 합성 응

용에 한 연구를 수행하고 있다

- 포항공과 학교의 김만주 교수 연구 은 Lipase를

[PPMIM]PF6 (PPMIM = 1-(3-phenylpropyl)-3-

methylimidazolium)와 혼합시켜Ionic liquid-Coated

Enzyme (ILCE)을 합성하 다 이 새로운 타입의

immobilized biocatalyst는 2차 알코올의 transest-

erification 반응을 통한 acetylated 화합물합성에 높은

활성과 재사용성을 보여 주었으며 이러한 연구결과를

다양한 생화학분야에 용하기 한 연구를 수행하고

있다

- 인하 학교의 지 윤 교수연구 은 alkyl mesylate로부

터 fluoro-alkane을 합성하는 반응에서 이온성 액체를

용매로 사용함으로써 기존방법에 비해 부반응이 거의

없고 생산성이 히 증가된 결과를 얻었으며 이러한

결과를 실용화시키기 한 연구를 지속하고 있다

- 신약개발 바이오벤처 기업 씨트리(C-TRI)는 이온성

액체를 이용한 학활성 화합물제조 기술개발회사로

서 지난 상반기에 31억원의 매출을 올렸으며 최근 이

온성 액체를 이용한 신약개발과 정 화학사업에 필요

한 연구 인력을 거 보강하여 이온성 액체 련사업

을 추진하고 있다

41

제4장

결론 및 제언

향후의 방향

- 이온성 액체에 한 앞으로의 망은 이온성 액체를

주 테마로 하는 국제회의가 증가하고 있다 미국화학

회는 작년 9월 New York에서 이온성 액체에 한 세

션이 개최되어 열띤 토론이 진행 되었다

- 2004년 3~4월에 Anaheim에서 개최된 세션은 ldquo이온성

액체와 고분자rdquo 다 유럽과 미국에서는 이온성 액체

를 반응용매로 보는 것이 주류를 이루고 있었다

- 2004년 10월 Hawaii에서 기화학의 미일합동 회가

열린다 주제는 이온성 액체(용융염)에 한 연구이었

- 앞으로도 이온성 액체에 한 연구는 증가할 것이고

여러 가지 배경을 갖고 있는 연구자들이 서로 다른 목

표를 가지고 연구에 노력할 것이라 생각된다

국내사정

- 우리나라의 황을 보면 재석유화학 의학 산업에

서만 약7억불에 달하는 유기용매가 사용되고 있으며

이들을 모두 체할 수 있다면 최 7억불시장을 형성

할 수 있으므로 이온성 액체의 시장잠재력은 매우 크

42 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

다 하겠다

- 이온성 액체는 휘발성유기화합물을 체할 수 있을 뿐

만 아니라 고가의 귀 속 매를 이온성 액체 층에 고

정화 시킬수 있어 매의 회수 재사용을 용이하게

하며 매의 활성도 안정도 선택도까지도 획기

으로 증가시킬 수 있으므로 환경 측면은 물론 경제

인 에서도 바람직한 청정용매라 할 수 있다

- 상기한바 와같이 이온성 액체의 잠재 인 응용가능성

은 앞으로 무한할 것으로 사료되므로 국내에서도 이에

한 연구자들의 심과 더불어 정부 기업체에 의

한 연구지원이 지속 으로 이루어져야 할 것이다

후의 과제

- 통상의 용매로 이온성 액체를 이용하는 경우에는 내구

성 제조가격 등의 인자가 요하지만 목 이 한정된

이온성 액체의 이용에 있어서는 목 하는 기능을 요

시할 필요가 있다

- 많은 이온성 액체가 합성되고 있으나 원하는 높은 물

성을 갖는 이온성 액체를 설계하는 데 기본이 되는 이

론이 아직은 없는 편이다 이를 해서는 특히 이온성

액체의 구조-물성의 상 계가 밝 져야 하는데 많

은 연구가 진행되고 있음에도 불구하고 그 계가 밝

지지 않고 있다 따라서 상태로서는 원하는 이온

성 액체를 직 만들어서 평가하는 방법밖에 없는 게

실이다

- 그러나 도화와 열안정성 등과 같이 상반 계에 있

는 특성은 하나의 라미터를 변화시키는 것에 의해

제4장 결론 및 제언 43

한 쪽의 특성은 양호하게 되지만 다른 한 쪽의 특성이

악화되는 것을 피할 수 없는 성질로서 아직 양쪽을 동

시에 만족하는 이온성 액체는 실 하지 못하고 있다

- 향후 이온성 액체는 청정용매의 개발과 더불어 새로

운 청정 공정기술의 개발을 통하여 신소재 신물질 생

산 공정을 환경친화 이면서 경제성 있는 공정개발에

기여할 것으로 기 된다

- 특히 비닐기 같은 합성 기능기를 이온성 액체의 단

구조로 도입하여 단독 합이나 공 합을 통해 고분

자화한 이온성 액체를 만들 수 있어 이를 잘 활용하여

이온 지라든가 연료 지 등의 해액으로 응용의 길

이 열린다면 학문 으로나 공업 으로 큰 의의가 있으

리라 생각되며 이 분야의 연구가 활성화되길 기 한

45

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저자소개

손 목

공학박사

한국에 지기술연구소 원장

한국과학기술정보연구원 문연구 원

서 수소 연료 지 개스 센서기술 등

강 종 석

공학박사

한국과학기술정보연구원 선임연구원

서 BT분야 국가연구개발 심층분석

리튬이차 지 등

BB088 손 목강종석

이온성 액체의 반응성 및 전기화학적

특성 연구동향

2005년 12월 19일 인쇄

2005년 12월 23일 발행

발행처

서울특별시 동 문구 청량리동 206-9

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화 3299-6114

등록 1991년 2월 12일 제5-258호

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SUO 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 ITA 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NOR 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 SVE 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ltFEFFace0d488c9c8c7580020d504b9acd504b808c2a40020d488c9c8c7440020c5bbae300020c704d5740020ace0d574c0c1b3c4c7580020c774bbf8c9c0b97c0020c0acc6a9d558c5ec00200050004400460020bb38c11cb97c0020b9ccb4e4b824ba740020c7740020c124c815c7440020c0acc6a9d558c2edc2dcc624002e0020c7740020c124c815c7440020c0acc6a9d558c5ec0020b9ccb4e000200050004400460020bb38c11cb2940020004100630072006f0062006100740020bc0f002000520065006100640065007200200035002e00300020c774c0c1c5d0c11c0020c5f40020c2180020c788c2b5b2c8b2e4002e0020c7740020c124c815c7440020c801c6a9d558b824ba740020ae00af340020d3ecd5680020ae30b2a5c7440020c0acc6a9d574c57c0020d569b2c8b2e4002egt CHS ltFEFF4f7f75288fd94e9b8bbe7f6e521b5efa76840020005000440046002065876863ff0c5c065305542b66f49ad8768456fe50cf52068fa87387ff0c4ee575284e8e9ad88d2891cf76845370524d6253537030028be5002000500044004600206587686353ef4ee54f7f752800200020004100630072006f00620061007400204e0e002000520065006100640065007200200035002e00300020548c66f49ad87248672c62535f0030028fd94e9b8bbe7f6e89816c425d4c51655b574f533002gt CHT ltFEFF4f7f752890194e9b8a2d5b9a5efa7acb76840020005000440046002065874ef65305542b8f039ad876845f7150cf89e367905ea6ff0c9069752865bc9ad854c18cea76845370524d521753703002005000440046002065874ef653ef4ee54f7f75280020004100630072006f0062006100740020548c002000520065006100640065007200200035002e0030002053ca66f465b07248672c4f86958b555f300290194e9b8a2d5b9a89816c425d4c51655b57578b3002gt gtgtgtgt setdistillerparamsltlt HWResolution [2400 2400] PageSize [612000 792000]gtgt setpagedevice

Page 40: 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향gift.kisti.re.kr/data/IAC/files/KISTI-200512-SYM-ion_fluid.pdf · ※ 이온성 액체는 사용되는 음이온의

제3장 국내외 기술개발 동향 37

- 이에 하여 PEO(polyethylene oxide)의 에테르산소가

이온과 강하게 상호작용하고 있다 이는 가용성을 의

미하며 PEO가 단백질과 이온액체를 용해하여 단백질

의 안정성을 향상시킨다 종래 바이오디바이스의 작성

이 곤란했든 것은 수 에서 단백질의 불안정성에 기인

하 는데 사용 온도에 따라 이온액체 의 단백질의

기화학이 새로운 가능성의 개척을 시사한다(50)

5 국내동향

이온액체의 매반응분야(51)

- 한국과학기술연구원 송충의 박사는 이온성 액체를 키

랄 화합물 제조를 한 매반응에 도입하여 고가인

매와 용매의 반복 사용을 가능하게 함에 따라 결

국 매와 용매의 소비를 최소화시킬 수 있는 소 청

정 비 칭 매반응을 개발하 다

- 즉 Jacobsons chiral (salen)MnIII

매 존재 하에서

22-dimethylchro-mene의 비 칭 에폭시화 반응시

[bmim]PF6와 CH2Cl2 (14 vv) 혼합물 용매를 사용

함으로써 96-94의 학순도로 chromene oxides를

합성하는데 성공하 다 이온성 액체를 첨단유기합성

기술인 학활성화합물 제조기술개발에 용함으로써

용매와 매의 소비를 최소화하는 반응과정을 개발하

고 있다

- 이와 같은 기술은 화학 산업에서의 공해 요인을 감소

38 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

시킬 것이며 특히 노벨화학상 수상분야인 비 칭

매반응 분야의 최 문제 으로 지 되었던 키랄 매

의 분리 재회수가 가능하게 되었다는 에서 기술

으로도 우수한 성과라 할 수 있다

- 한 이온성 액체 내에서 일부 매반응이 가속화될

수도 있고 선택성 매의 안정성 역시 향상될 수

있음을 밝혔으며 더욱 놀라운 결과로는 기존의 유기

용매 내에서는 진행되지 않던 일부 반응이 이온

성 액체 내에서는 정량 으로 진행될 수 있다는 것이

- 한 많은 요한 유기반응에서 이온성 액체가 용매로

서뿐 아니라 자신이 재사용 가능 한 매로도 작용할

수 있음을 밝힌 바 있다 이러한 일련의 결과들은 이

온성 액체가 21세기에 매분야뿐 아니라 체 유기화

학분야의 새로운 장을 열고 있다는 에서 요한 의

미를 지닌다고 할 수 있다

합성 응용분야(52)

- 한국과학기술연구원 김훈식 박사 연구 은 KSeO2

(OCH3)를1-alkyl-3-methylimidazolium chloride와 반

응시켜 새로운 이미다졸륨 알킬셀 나이트 ([Rmim]

[SeO2(OCH3)]) 화합물을 합성하 다

- 아민화합물의 산화성 카르보닐화 반응을 통한 치환된

우 아 제조 반응에서 기존의 KSeO2(OCH3)을 매로

사용하 을 경우에 비해 이 화합물은 보다 온화한 반

응조건을 제공할 뿐 아니라 이소시아네이트의 구체

인 치환된 우 아와 카바메이트를 고수율로 합성할 수

제3장 국내외 기술개발 동향 39

있었다

- 재 이온성 액체를 이용한 분리 유기 속화합물을

함유한 고활성 매로서의 이온성 액체의 합성 응

용에 한 연구를 수행하고 있다

- 포항공과 학교의 김만주 교수 연구 은 Lipase를

[PPMIM]PF6 (PPMIM = 1-(3-phenylpropyl)-3-

methylimidazolium)와 혼합시켜Ionic liquid-Coated

Enzyme (ILCE)을 합성하 다 이 새로운 타입의

immobilized biocatalyst는 2차 알코올의 transest-

erification 반응을 통한 acetylated 화합물합성에 높은

활성과 재사용성을 보여 주었으며 이러한 연구결과를

다양한 생화학분야에 용하기 한 연구를 수행하고

있다

- 인하 학교의 지 윤 교수연구 은 alkyl mesylate로부

터 fluoro-alkane을 합성하는 반응에서 이온성 액체를

용매로 사용함으로써 기존방법에 비해 부반응이 거의

없고 생산성이 히 증가된 결과를 얻었으며 이러한

결과를 실용화시키기 한 연구를 지속하고 있다

- 신약개발 바이오벤처 기업 씨트리(C-TRI)는 이온성

액체를 이용한 학활성 화합물제조 기술개발회사로

서 지난 상반기에 31억원의 매출을 올렸으며 최근 이

온성 액체를 이용한 신약개발과 정 화학사업에 필요

한 연구 인력을 거 보강하여 이온성 액체 련사업

을 추진하고 있다

41

제4장

결론 및 제언

향후의 방향

- 이온성 액체에 한 앞으로의 망은 이온성 액체를

주 테마로 하는 국제회의가 증가하고 있다 미국화학

회는 작년 9월 New York에서 이온성 액체에 한 세

션이 개최되어 열띤 토론이 진행 되었다

- 2004년 3~4월에 Anaheim에서 개최된 세션은 ldquo이온성

액체와 고분자rdquo 다 유럽과 미국에서는 이온성 액체

를 반응용매로 보는 것이 주류를 이루고 있었다

- 2004년 10월 Hawaii에서 기화학의 미일합동 회가

열린다 주제는 이온성 액체(용융염)에 한 연구이었

- 앞으로도 이온성 액체에 한 연구는 증가할 것이고

여러 가지 배경을 갖고 있는 연구자들이 서로 다른 목

표를 가지고 연구에 노력할 것이라 생각된다

국내사정

- 우리나라의 황을 보면 재석유화학 의학 산업에

서만 약7억불에 달하는 유기용매가 사용되고 있으며

이들을 모두 체할 수 있다면 최 7억불시장을 형성

할 수 있으므로 이온성 액체의 시장잠재력은 매우 크

42 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

다 하겠다

- 이온성 액체는 휘발성유기화합물을 체할 수 있을 뿐

만 아니라 고가의 귀 속 매를 이온성 액체 층에 고

정화 시킬수 있어 매의 회수 재사용을 용이하게

하며 매의 활성도 안정도 선택도까지도 획기

으로 증가시킬 수 있으므로 환경 측면은 물론 경제

인 에서도 바람직한 청정용매라 할 수 있다

- 상기한바 와같이 이온성 액체의 잠재 인 응용가능성

은 앞으로 무한할 것으로 사료되므로 국내에서도 이에

한 연구자들의 심과 더불어 정부 기업체에 의

한 연구지원이 지속 으로 이루어져야 할 것이다

후의 과제

- 통상의 용매로 이온성 액체를 이용하는 경우에는 내구

성 제조가격 등의 인자가 요하지만 목 이 한정된

이온성 액체의 이용에 있어서는 목 하는 기능을 요

시할 필요가 있다

- 많은 이온성 액체가 합성되고 있으나 원하는 높은 물

성을 갖는 이온성 액체를 설계하는 데 기본이 되는 이

론이 아직은 없는 편이다 이를 해서는 특히 이온성

액체의 구조-물성의 상 계가 밝 져야 하는데 많

은 연구가 진행되고 있음에도 불구하고 그 계가 밝

지지 않고 있다 따라서 상태로서는 원하는 이온

성 액체를 직 만들어서 평가하는 방법밖에 없는 게

실이다

- 그러나 도화와 열안정성 등과 같이 상반 계에 있

는 특성은 하나의 라미터를 변화시키는 것에 의해

제4장 결론 및 제언 43

한 쪽의 특성은 양호하게 되지만 다른 한 쪽의 특성이

악화되는 것을 피할 수 없는 성질로서 아직 양쪽을 동

시에 만족하는 이온성 액체는 실 하지 못하고 있다

- 향후 이온성 액체는 청정용매의 개발과 더불어 새로

운 청정 공정기술의 개발을 통하여 신소재 신물질 생

산 공정을 환경친화 이면서 경제성 있는 공정개발에

기여할 것으로 기 된다

- 특히 비닐기 같은 합성 기능기를 이온성 액체의 단

구조로 도입하여 단독 합이나 공 합을 통해 고분

자화한 이온성 액체를 만들 수 있어 이를 잘 활용하여

이온 지라든가 연료 지 등의 해액으로 응용의 길

이 열린다면 학문 으로나 공업 으로 큰 의의가 있으

리라 생각되며 이 분야의 연구가 활성화되길 기 한

45

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저자소개

손 목

공학박사

한국에 지기술연구소 원장

한국과학기술정보연구원 문연구 원

서 수소 연료 지 개스 센서기술 등

강 종 석

공학박사

한국과학기술정보연구원 선임연구원

서 BT분야 국가연구개발 심층분석

리튬이차 지 등

BB088 손 목강종석

이온성 액체의 반응성 및 전기화학적

특성 연구동향

2005년 12월 19일 인쇄

2005년 12월 23일 발행

발행처

서울특별시 동 문구 청량리동 206-9

ꂕ 130-742

화 3299-6114

등록 1991년 2월 12일 제5-258호

발행인

조 화

인쇄처

신기획

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ITA 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NOR 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 SVE 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ltFEFF4f7f75288fd94e9b8bbe7f6e521b5efa76840020005000440046002065876863ff0c5c065305542b66f49ad8768456fe50cf52068fa87387ff0c4ee575284e8e9ad88d2891cf76845370524d6253537030028be5002000500044004600206587686353ef4ee54f7f752800200020004100630072006f00620061007400204e0e002000520065006100640065007200200035002e00300020548c66f49ad87248672c62535f0030028fd94e9b8bbe7f6e89816c425d4c51655b574f533002gt CHT ltFEFF4f7f752890194e9b8a2d5b9a5efa7acb76840020005000440046002065874ef65305542b8f039ad876845f7150cf89e367905ea6ff0c9069752865bc9ad854c18cea76845370524d521753703002005000440046002065874ef653ef4ee54f7f75280020004100630072006f0062006100740020548c002000520065006100640065007200200035002e0030002053ca66f465b07248672c4f86958b555f300290194e9b8a2d5b9a89816c425d4c51655b57578b3002gt gtgtgtgt setdistillerparamsltlt HWResolution [2400 2400] PageSize [612000 792000]gtgt setpagedevice

Page 41: 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향gift.kisti.re.kr/data/IAC/files/KISTI-200512-SYM-ion_fluid.pdf · ※ 이온성 액체는 사용되는 음이온의

38 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

시킬 것이며 특히 노벨화학상 수상분야인 비 칭

매반응 분야의 최 문제 으로 지 되었던 키랄 매

의 분리 재회수가 가능하게 되었다는 에서 기술

으로도 우수한 성과라 할 수 있다

- 한 이온성 액체 내에서 일부 매반응이 가속화될

수도 있고 선택성 매의 안정성 역시 향상될 수

있음을 밝혔으며 더욱 놀라운 결과로는 기존의 유기

용매 내에서는 진행되지 않던 일부 반응이 이온

성 액체 내에서는 정량 으로 진행될 수 있다는 것이

- 한 많은 요한 유기반응에서 이온성 액체가 용매로

서뿐 아니라 자신이 재사용 가능 한 매로도 작용할

수 있음을 밝힌 바 있다 이러한 일련의 결과들은 이

온성 액체가 21세기에 매분야뿐 아니라 체 유기화

학분야의 새로운 장을 열고 있다는 에서 요한 의

미를 지닌다고 할 수 있다

합성 응용분야(52)

- 한국과학기술연구원 김훈식 박사 연구 은 KSeO2

(OCH3)를1-alkyl-3-methylimidazolium chloride와 반

응시켜 새로운 이미다졸륨 알킬셀 나이트 ([Rmim]

[SeO2(OCH3)]) 화합물을 합성하 다

- 아민화합물의 산화성 카르보닐화 반응을 통한 치환된

우 아 제조 반응에서 기존의 KSeO2(OCH3)을 매로

사용하 을 경우에 비해 이 화합물은 보다 온화한 반

응조건을 제공할 뿐 아니라 이소시아네이트의 구체

인 치환된 우 아와 카바메이트를 고수율로 합성할 수

제3장 국내외 기술개발 동향 39

있었다

- 재 이온성 액체를 이용한 분리 유기 속화합물을

함유한 고활성 매로서의 이온성 액체의 합성 응

용에 한 연구를 수행하고 있다

- 포항공과 학교의 김만주 교수 연구 은 Lipase를

[PPMIM]PF6 (PPMIM = 1-(3-phenylpropyl)-3-

methylimidazolium)와 혼합시켜Ionic liquid-Coated

Enzyme (ILCE)을 합성하 다 이 새로운 타입의

immobilized biocatalyst는 2차 알코올의 transest-

erification 반응을 통한 acetylated 화합물합성에 높은

활성과 재사용성을 보여 주었으며 이러한 연구결과를

다양한 생화학분야에 용하기 한 연구를 수행하고

있다

- 인하 학교의 지 윤 교수연구 은 alkyl mesylate로부

터 fluoro-alkane을 합성하는 반응에서 이온성 액체를

용매로 사용함으로써 기존방법에 비해 부반응이 거의

없고 생산성이 히 증가된 결과를 얻었으며 이러한

결과를 실용화시키기 한 연구를 지속하고 있다

- 신약개발 바이오벤처 기업 씨트리(C-TRI)는 이온성

액체를 이용한 학활성 화합물제조 기술개발회사로

서 지난 상반기에 31억원의 매출을 올렸으며 최근 이

온성 액체를 이용한 신약개발과 정 화학사업에 필요

한 연구 인력을 거 보강하여 이온성 액체 련사업

을 추진하고 있다

41

제4장

결론 및 제언

향후의 방향

- 이온성 액체에 한 앞으로의 망은 이온성 액체를

주 테마로 하는 국제회의가 증가하고 있다 미국화학

회는 작년 9월 New York에서 이온성 액체에 한 세

션이 개최되어 열띤 토론이 진행 되었다

- 2004년 3~4월에 Anaheim에서 개최된 세션은 ldquo이온성

액체와 고분자rdquo 다 유럽과 미국에서는 이온성 액체

를 반응용매로 보는 것이 주류를 이루고 있었다

- 2004년 10월 Hawaii에서 기화학의 미일합동 회가

열린다 주제는 이온성 액체(용융염)에 한 연구이었

- 앞으로도 이온성 액체에 한 연구는 증가할 것이고

여러 가지 배경을 갖고 있는 연구자들이 서로 다른 목

표를 가지고 연구에 노력할 것이라 생각된다

국내사정

- 우리나라의 황을 보면 재석유화학 의학 산업에

서만 약7억불에 달하는 유기용매가 사용되고 있으며

이들을 모두 체할 수 있다면 최 7억불시장을 형성

할 수 있으므로 이온성 액체의 시장잠재력은 매우 크

42 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

다 하겠다

- 이온성 액체는 휘발성유기화합물을 체할 수 있을 뿐

만 아니라 고가의 귀 속 매를 이온성 액체 층에 고

정화 시킬수 있어 매의 회수 재사용을 용이하게

하며 매의 활성도 안정도 선택도까지도 획기

으로 증가시킬 수 있으므로 환경 측면은 물론 경제

인 에서도 바람직한 청정용매라 할 수 있다

- 상기한바 와같이 이온성 액체의 잠재 인 응용가능성

은 앞으로 무한할 것으로 사료되므로 국내에서도 이에

한 연구자들의 심과 더불어 정부 기업체에 의

한 연구지원이 지속 으로 이루어져야 할 것이다

후의 과제

- 통상의 용매로 이온성 액체를 이용하는 경우에는 내구

성 제조가격 등의 인자가 요하지만 목 이 한정된

이온성 액체의 이용에 있어서는 목 하는 기능을 요

시할 필요가 있다

- 많은 이온성 액체가 합성되고 있으나 원하는 높은 물

성을 갖는 이온성 액체를 설계하는 데 기본이 되는 이

론이 아직은 없는 편이다 이를 해서는 특히 이온성

액체의 구조-물성의 상 계가 밝 져야 하는데 많

은 연구가 진행되고 있음에도 불구하고 그 계가 밝

지지 않고 있다 따라서 상태로서는 원하는 이온

성 액체를 직 만들어서 평가하는 방법밖에 없는 게

실이다

- 그러나 도화와 열안정성 등과 같이 상반 계에 있

는 특성은 하나의 라미터를 변화시키는 것에 의해

제4장 결론 및 제언 43

한 쪽의 특성은 양호하게 되지만 다른 한 쪽의 특성이

악화되는 것을 피할 수 없는 성질로서 아직 양쪽을 동

시에 만족하는 이온성 액체는 실 하지 못하고 있다

- 향후 이온성 액체는 청정용매의 개발과 더불어 새로

운 청정 공정기술의 개발을 통하여 신소재 신물질 생

산 공정을 환경친화 이면서 경제성 있는 공정개발에

기여할 것으로 기 된다

- 특히 비닐기 같은 합성 기능기를 이온성 액체의 단

구조로 도입하여 단독 합이나 공 합을 통해 고분

자화한 이온성 액체를 만들 수 있어 이를 잘 활용하여

이온 지라든가 연료 지 등의 해액으로 응용의 길

이 열린다면 학문 으로나 공업 으로 큰 의의가 있으

리라 생각되며 이 분야의 연구가 활성화되길 기 한

45

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저자소개

손 목

공학박사

한국에 지기술연구소 원장

한국과학기술정보연구원 문연구 원

서 수소 연료 지 개스 센서기술 등

강 종 석

공학박사

한국과학기술정보연구원 선임연구원

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리튬이차 지 등

BB088 손 목강종석

이온성 액체의 반응성 및 전기화학적

특성 연구동향

2005년 12월 19일 인쇄

2005년 12월 23일 발행

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등록 1991년 2월 12일 제5-258호

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 SUO 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 ITA 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 NOR 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 SVE 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 KOR 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 CHS ltFEFF4f7f75288fd94e9b8bbe7f6e521b5efa76840020005000440046002065876863ff0c5c065305542b66f49ad8768456fe50cf52068fa87387ff0c4ee575284e8e9ad88d2891cf76845370524d6253537030028be5002000500044004600206587686353ef4ee54f7f752800200020004100630072006f00620061007400204e0e002000520065006100640065007200200035002e00300020548c66f49ad87248672c62535f0030028fd94e9b8bbe7f6e89816c425d4c51655b574f533002gt CHT ltFEFF4f7f752890194e9b8a2d5b9a5efa7acb76840020005000440046002065874ef65305542b8f039ad876845f7150cf89e367905ea6ff0c9069752865bc9ad854c18cea76845370524d521753703002005000440046002065874ef653ef4ee54f7f75280020004100630072006f0062006100740020548c002000520065006100640065007200200035002e0030002053ca66f465b07248672c4f86958b555f300290194e9b8a2d5b9a89816c425d4c51655b57578b3002gt gtgtgtgt setdistillerparamsltlt HWResolution [2400 2400] PageSize [612000 792000]gtgt setpagedevice

Page 42: 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향gift.kisti.re.kr/data/IAC/files/KISTI-200512-SYM-ion_fluid.pdf · ※ 이온성 액체는 사용되는 음이온의

제3장 국내외 기술개발 동향 39

있었다

- 재 이온성 액체를 이용한 분리 유기 속화합물을

함유한 고활성 매로서의 이온성 액체의 합성 응

용에 한 연구를 수행하고 있다

- 포항공과 학교의 김만주 교수 연구 은 Lipase를

[PPMIM]PF6 (PPMIM = 1-(3-phenylpropyl)-3-

methylimidazolium)와 혼합시켜Ionic liquid-Coated

Enzyme (ILCE)을 합성하 다 이 새로운 타입의

immobilized biocatalyst는 2차 알코올의 transest-

erification 반응을 통한 acetylated 화합물합성에 높은

활성과 재사용성을 보여 주었으며 이러한 연구결과를

다양한 생화학분야에 용하기 한 연구를 수행하고

있다

- 인하 학교의 지 윤 교수연구 은 alkyl mesylate로부

터 fluoro-alkane을 합성하는 반응에서 이온성 액체를

용매로 사용함으로써 기존방법에 비해 부반응이 거의

없고 생산성이 히 증가된 결과를 얻었으며 이러한

결과를 실용화시키기 한 연구를 지속하고 있다

- 신약개발 바이오벤처 기업 씨트리(C-TRI)는 이온성

액체를 이용한 학활성 화합물제조 기술개발회사로

서 지난 상반기에 31억원의 매출을 올렸으며 최근 이

온성 액체를 이용한 신약개발과 정 화학사업에 필요

한 연구 인력을 거 보강하여 이온성 액체 련사업

을 추진하고 있다

41

제4장

결론 및 제언

향후의 방향

- 이온성 액체에 한 앞으로의 망은 이온성 액체를

주 테마로 하는 국제회의가 증가하고 있다 미국화학

회는 작년 9월 New York에서 이온성 액체에 한 세

션이 개최되어 열띤 토론이 진행 되었다

- 2004년 3~4월에 Anaheim에서 개최된 세션은 ldquo이온성

액체와 고분자rdquo 다 유럽과 미국에서는 이온성 액체

를 반응용매로 보는 것이 주류를 이루고 있었다

- 2004년 10월 Hawaii에서 기화학의 미일합동 회가

열린다 주제는 이온성 액체(용융염)에 한 연구이었

- 앞으로도 이온성 액체에 한 연구는 증가할 것이고

여러 가지 배경을 갖고 있는 연구자들이 서로 다른 목

표를 가지고 연구에 노력할 것이라 생각된다

국내사정

- 우리나라의 황을 보면 재석유화학 의학 산업에

서만 약7억불에 달하는 유기용매가 사용되고 있으며

이들을 모두 체할 수 있다면 최 7억불시장을 형성

할 수 있으므로 이온성 액체의 시장잠재력은 매우 크

42 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

다 하겠다

- 이온성 액체는 휘발성유기화합물을 체할 수 있을 뿐

만 아니라 고가의 귀 속 매를 이온성 액체 층에 고

정화 시킬수 있어 매의 회수 재사용을 용이하게

하며 매의 활성도 안정도 선택도까지도 획기

으로 증가시킬 수 있으므로 환경 측면은 물론 경제

인 에서도 바람직한 청정용매라 할 수 있다

- 상기한바 와같이 이온성 액체의 잠재 인 응용가능성

은 앞으로 무한할 것으로 사료되므로 국내에서도 이에

한 연구자들의 심과 더불어 정부 기업체에 의

한 연구지원이 지속 으로 이루어져야 할 것이다

후의 과제

- 통상의 용매로 이온성 액체를 이용하는 경우에는 내구

성 제조가격 등의 인자가 요하지만 목 이 한정된

이온성 액체의 이용에 있어서는 목 하는 기능을 요

시할 필요가 있다

- 많은 이온성 액체가 합성되고 있으나 원하는 높은 물

성을 갖는 이온성 액체를 설계하는 데 기본이 되는 이

론이 아직은 없는 편이다 이를 해서는 특히 이온성

액체의 구조-물성의 상 계가 밝 져야 하는데 많

은 연구가 진행되고 있음에도 불구하고 그 계가 밝

지지 않고 있다 따라서 상태로서는 원하는 이온

성 액체를 직 만들어서 평가하는 방법밖에 없는 게

실이다

- 그러나 도화와 열안정성 등과 같이 상반 계에 있

는 특성은 하나의 라미터를 변화시키는 것에 의해

제4장 결론 및 제언 43

한 쪽의 특성은 양호하게 되지만 다른 한 쪽의 특성이

악화되는 것을 피할 수 없는 성질로서 아직 양쪽을 동

시에 만족하는 이온성 액체는 실 하지 못하고 있다

- 향후 이온성 액체는 청정용매의 개발과 더불어 새로

운 청정 공정기술의 개발을 통하여 신소재 신물질 생

산 공정을 환경친화 이면서 경제성 있는 공정개발에

기여할 것으로 기 된다

- 특히 비닐기 같은 합성 기능기를 이온성 액체의 단

구조로 도입하여 단독 합이나 공 합을 통해 고분

자화한 이온성 액체를 만들 수 있어 이를 잘 활용하여

이온 지라든가 연료 지 등의 해액으로 응용의 길

이 열린다면 학문 으로나 공업 으로 큰 의의가 있으

리라 생각되며 이 분야의 연구가 활성화되길 기 한

45

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저자소개

손 목

공학박사

한국에 지기술연구소 원장

한국과학기술정보연구원 문연구 원

서 수소 연료 지 개스 센서기술 등

강 종 석

공학박사

한국과학기술정보연구원 선임연구원

서 BT분야 국가연구개발 심층분석

리튬이차 지 등

BB088 손 목강종석

이온성 액체의 반응성 및 전기화학적

특성 연구동향

2005년 12월 19일 인쇄

2005년 12월 23일 발행

발행처

서울특별시 동 문구 청량리동 206-9

ꂕ 130-742

화 3299-6114

등록 1991년 2월 12일 제5-258호

발행인

조 화

인쇄처

신기획

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41

제4장

결론 및 제언

향후의 방향

- 이온성 액체에 한 앞으로의 망은 이온성 액체를

주 테마로 하는 국제회의가 증가하고 있다 미국화학

회는 작년 9월 New York에서 이온성 액체에 한 세

션이 개최되어 열띤 토론이 진행 되었다

- 2004년 3~4월에 Anaheim에서 개최된 세션은 ldquo이온성

액체와 고분자rdquo 다 유럽과 미국에서는 이온성 액체

를 반응용매로 보는 것이 주류를 이루고 있었다

- 2004년 10월 Hawaii에서 기화학의 미일합동 회가

열린다 주제는 이온성 액체(용융염)에 한 연구이었

- 앞으로도 이온성 액체에 한 연구는 증가할 것이고

여러 가지 배경을 갖고 있는 연구자들이 서로 다른 목

표를 가지고 연구에 노력할 것이라 생각된다

국내사정

- 우리나라의 황을 보면 재석유화학 의학 산업에

서만 약7억불에 달하는 유기용매가 사용되고 있으며

이들을 모두 체할 수 있다면 최 7억불시장을 형성

할 수 있으므로 이온성 액체의 시장잠재력은 매우 크

42 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

다 하겠다

- 이온성 액체는 휘발성유기화합물을 체할 수 있을 뿐

만 아니라 고가의 귀 속 매를 이온성 액체 층에 고

정화 시킬수 있어 매의 회수 재사용을 용이하게

하며 매의 활성도 안정도 선택도까지도 획기

으로 증가시킬 수 있으므로 환경 측면은 물론 경제

인 에서도 바람직한 청정용매라 할 수 있다

- 상기한바 와같이 이온성 액체의 잠재 인 응용가능성

은 앞으로 무한할 것으로 사료되므로 국내에서도 이에

한 연구자들의 심과 더불어 정부 기업체에 의

한 연구지원이 지속 으로 이루어져야 할 것이다

후의 과제

- 통상의 용매로 이온성 액체를 이용하는 경우에는 내구

성 제조가격 등의 인자가 요하지만 목 이 한정된

이온성 액체의 이용에 있어서는 목 하는 기능을 요

시할 필요가 있다

- 많은 이온성 액체가 합성되고 있으나 원하는 높은 물

성을 갖는 이온성 액체를 설계하는 데 기본이 되는 이

론이 아직은 없는 편이다 이를 해서는 특히 이온성

액체의 구조-물성의 상 계가 밝 져야 하는데 많

은 연구가 진행되고 있음에도 불구하고 그 계가 밝

지지 않고 있다 따라서 상태로서는 원하는 이온

성 액체를 직 만들어서 평가하는 방법밖에 없는 게

실이다

- 그러나 도화와 열안정성 등과 같이 상반 계에 있

는 특성은 하나의 라미터를 변화시키는 것에 의해

제4장 결론 및 제언 43

한 쪽의 특성은 양호하게 되지만 다른 한 쪽의 특성이

악화되는 것을 피할 수 없는 성질로서 아직 양쪽을 동

시에 만족하는 이온성 액체는 실 하지 못하고 있다

- 향후 이온성 액체는 청정용매의 개발과 더불어 새로

운 청정 공정기술의 개발을 통하여 신소재 신물질 생

산 공정을 환경친화 이면서 경제성 있는 공정개발에

기여할 것으로 기 된다

- 특히 비닐기 같은 합성 기능기를 이온성 액체의 단

구조로 도입하여 단독 합이나 공 합을 통해 고분

자화한 이온성 액체를 만들 수 있어 이를 잘 활용하여

이온 지라든가 연료 지 등의 해액으로 응용의 길

이 열린다면 학문 으로나 공업 으로 큰 의의가 있으

리라 생각되며 이 분야의 연구가 활성화되길 기 한

45

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저자소개

손 목

공학박사

한국에 지기술연구소 원장

한국과학기술정보연구원 문연구 원

서 수소 연료 지 개스 센서기술 등

강 종 석

공학박사

한국과학기술정보연구원 선임연구원

서 BT분야 국가연구개발 심층분석

리튬이차 지 등

BB088 손 목강종석

이온성 액체의 반응성 및 전기화학적

특성 연구동향

2005년 12월 19일 인쇄

2005년 12월 23일 발행

발행처

서울특별시 동 문구 청량리동 206-9

ꂕ 130-742

화 3299-6114

등록 1991년 2월 12일 제5-258호

발행인

조 화

인쇄처

신기획

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SUO 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 ITA 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NOR 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 SVE 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 CHS 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Page 44: 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향gift.kisti.re.kr/data/IAC/files/KISTI-200512-SYM-ion_fluid.pdf · ※ 이온성 액체는 사용되는 음이온의

42 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향

다 하겠다

- 이온성 액체는 휘발성유기화합물을 체할 수 있을 뿐

만 아니라 고가의 귀 속 매를 이온성 액체 층에 고

정화 시킬수 있어 매의 회수 재사용을 용이하게

하며 매의 활성도 안정도 선택도까지도 획기

으로 증가시킬 수 있으므로 환경 측면은 물론 경제

인 에서도 바람직한 청정용매라 할 수 있다

- 상기한바 와같이 이온성 액체의 잠재 인 응용가능성

은 앞으로 무한할 것으로 사료되므로 국내에서도 이에

한 연구자들의 심과 더불어 정부 기업체에 의

한 연구지원이 지속 으로 이루어져야 할 것이다

후의 과제

- 통상의 용매로 이온성 액체를 이용하는 경우에는 내구

성 제조가격 등의 인자가 요하지만 목 이 한정된

이온성 액체의 이용에 있어서는 목 하는 기능을 요

시할 필요가 있다

- 많은 이온성 액체가 합성되고 있으나 원하는 높은 물

성을 갖는 이온성 액체를 설계하는 데 기본이 되는 이

론이 아직은 없는 편이다 이를 해서는 특히 이온성

액체의 구조-물성의 상 계가 밝 져야 하는데 많

은 연구가 진행되고 있음에도 불구하고 그 계가 밝

지지 않고 있다 따라서 상태로서는 원하는 이온

성 액체를 직 만들어서 평가하는 방법밖에 없는 게

실이다

- 그러나 도화와 열안정성 등과 같이 상반 계에 있

는 특성은 하나의 라미터를 변화시키는 것에 의해

제4장 결론 및 제언 43

한 쪽의 특성은 양호하게 되지만 다른 한 쪽의 특성이

악화되는 것을 피할 수 없는 성질로서 아직 양쪽을 동

시에 만족하는 이온성 액체는 실 하지 못하고 있다

- 향후 이온성 액체는 청정용매의 개발과 더불어 새로

운 청정 공정기술의 개발을 통하여 신소재 신물질 생

산 공정을 환경친화 이면서 경제성 있는 공정개발에

기여할 것으로 기 된다

- 특히 비닐기 같은 합성 기능기를 이온성 액체의 단

구조로 도입하여 단독 합이나 공 합을 통해 고분

자화한 이온성 액체를 만들 수 있어 이를 잘 활용하여

이온 지라든가 연료 지 등의 해액으로 응용의 길

이 열린다면 학문 으로나 공업 으로 큰 의의가 있으

리라 생각되며 이 분야의 연구가 활성화되길 기 한

45

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저자소개

손 목

공학박사

한국에 지기술연구소 원장

한국과학기술정보연구원 문연구 원

서 수소 연료 지 개스 센서기술 등

강 종 석

공학박사

한국과학기술정보연구원 선임연구원

서 BT분야 국가연구개발 심층분석

리튬이차 지 등

BB088 손 목강종석

이온성 액체의 반응성 및 전기화학적

특성 연구동향

2005년 12월 19일 인쇄

2005년 12월 23일 발행

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서울특별시 동 문구 청량리동 206-9

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화 3299-6114

등록 1991년 2월 12일 제5-258호

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SUO ltFEFF004e00e4006900640065006e002000610073006500740075007300740065006e0020006100760075006c006c006100200076006f0069006400610061006e0020006c0075006f006400610020005000440046002d0061007300690061006b00690072006a006f006a0061002c0020006a006f006900640065006e002000740075006c006f0073007400750073006c00610061007400750020006f006e0020006b006f0072006b006500610020006a00610020006b007500760061006e0020007400610072006b006b007500750073002000730075007500720069002e0020005000440046002d0061007300690061006b00690072006a0061007400200076006f0069006400610061006e0020006100760061007400610020004100630072006f006200610074002d0020006a0061002000520065006100640065007200200035002e00300020002d006f0068006a0065006c006d0061006c006c0061002000740061006900200075007500640065006d006d0061006c006c0061002000760065007200730069006f006c006c0061002e0020004e00e4006d00e4002000610073006500740075006b0073006500740020006500640065006c006c00790074007400e4007600e4007400200066006f006e0074007400690065006e002000750070006f00740075007300740061002egt ITA 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NOR 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 SVE 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 KOR 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ltFEFF4f7f75288fd94e9b8bbe7f6e521b5efa76840020005000440046002065876863ff0c5c065305542b66f49ad8768456fe50cf52068fa87387ff0c4ee575284e8e9ad88d2891cf76845370524d6253537030028be5002000500044004600206587686353ef4ee54f7f752800200020004100630072006f00620061007400204e0e002000520065006100640065007200200035002e00300020548c66f49ad87248672c62535f0030028fd94e9b8bbe7f6e89816c425d4c51655b574f533002gt CHT ltFEFF4f7f752890194e9b8a2d5b9a5efa7acb76840020005000440046002065874ef65305542b8f039ad876845f7150cf89e367905ea6ff0c9069752865bc9ad854c18cea76845370524d521753703002005000440046002065874ef653ef4ee54f7f75280020004100630072006f0062006100740020548c002000520065006100640065007200200035002e0030002053ca66f465b07248672c4f86958b555f300290194e9b8a2d5b9a89816c425d4c51655b57578b3002gt gtgtgtgt setdistillerparamsltlt HWResolution [2400 2400] PageSize [612000 792000]gtgt setpagedevice

Page 45: 이온성 액체의 반응성 및 전기화학적 특성 연구동향gift.kisti.re.kr/data/IAC/files/KISTI-200512-SYM-ion_fluid.pdf · ※ 이온성 액체는 사용되는 음이온의

제4장 결론 및 제언 43

한 쪽의 특성은 양호하게 되지만 다른 한 쪽의 특성이

악화되는 것을 피할 수 없는 성질로서 아직 양쪽을 동

시에 만족하는 이온성 액체는 실 하지 못하고 있다

- 향후 이온성 액체는 청정용매의 개발과 더불어 새로

운 청정 공정기술의 개발을 통하여 신소재 신물질 생

산 공정을 환경친화 이면서 경제성 있는 공정개발에

기여할 것으로 기 된다

- 특히 비닐기 같은 합성 기능기를 이온성 액체의 단

구조로 도입하여 단독 합이나 공 합을 통해 고분

자화한 이온성 액체를 만들 수 있어 이를 잘 활용하여

이온 지라든가 연료 지 등의 해액으로 응용의 길

이 열린다면 학문 으로나 공업 으로 큰 의의가 있으

리라 생각되며 이 분야의 연구가 활성화되길 기 한

45

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저자소개

손 목

공학박사

한국에 지기술연구소 원장

한국과학기술정보연구원 문연구 원

서 수소 연료 지 개스 센서기술 등

강 종 석

공학박사

한국과학기술정보연구원 선임연구원

서 BT분야 국가연구개발 심층분석

리튬이차 지 등

BB088 손 목강종석

이온성 액체의 반응성 및 전기화학적

특성 연구동향

2005년 12월 19일 인쇄

2005년 12월 23일 발행

발행처

서울특별시 동 문구 청량리동 206-9

ꂕ 130-742

화 3299-6114

등록 1991년 2월 12일 제5-258호

발행인

조 화

인쇄처

신기획

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저자소개

손 목

공학박사

한국에 지기술연구소 원장

한국과학기술정보연구원 문연구 원

서 수소 연료 지 개스 센서기술 등

강 종 석

공학박사

한국과학기술정보연구원 선임연구원

서 BT분야 국가연구개발 심층분석

리튬이차 지 등

BB088 손 목강종석

이온성 액체의 반응성 및 전기화학적

특성 연구동향

2005년 12월 19일 인쇄

2005년 12월 23일 발행

발행처

서울특별시 동 문구 청량리동 206-9

ꂕ 130-742

화 3299-6114

등록 1991년 2월 12일 제5-258호

발행인

조 화

인쇄처

신기획

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저자소개

손 목

공학박사

한국에 지기술연구소 원장

한국과학기술정보연구원 문연구 원

서 수소 연료 지 개스 센서기술 등

강 종 석

공학박사

한국과학기술정보연구원 선임연구원

서 BT분야 국가연구개발 심층분석

리튬이차 지 등

BB088 손 목강종석

이온성 액체의 반응성 및 전기화학적

특성 연구동향

2005년 12월 19일 인쇄

2005년 12월 23일 발행

발행처

서울특별시 동 문구 청량리동 206-9

ꂕ 130-742

화 3299-6114

등록 1991년 2월 12일 제5-258호

발행인

조 화

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저자소개

손 목

공학박사

한국에 지기술연구소 원장

한국과학기술정보연구원 문연구 원

서 수소 연료 지 개스 센서기술 등

강 종 석

공학박사

한국과학기술정보연구원 선임연구원

서 BT분야 국가연구개발 심층분석

리튬이차 지 등

BB088 손 목강종석

이온성 액체의 반응성 및 전기화학적

특성 연구동향

2005년 12월 19일 인쇄

2005년 12월 23일 발행

발행처

서울특별시 동 문구 청량리동 206-9

ꂕ 130-742

화 3299-6114

등록 1991년 2월 12일 제5-258호

발행인

조 화

인쇄처

신기획

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저자소개

손 목

공학박사

한국에 지기술연구소 원장

한국과학기술정보연구원 문연구 원

서 수소 연료 지 개스 센서기술 등

강 종 석

공학박사

한국과학기술정보연구원 선임연구원

서 BT분야 국가연구개발 심층분석

리튬이차 지 등

BB088 손 목강종석

이온성 액체의 반응성 및 전기화학적

특성 연구동향

2005년 12월 19일 인쇄

2005년 12월 23일 발행

발행처

서울특별시 동 문구 청량리동 206-9

ꂕ 130-742

화 3299-6114

등록 1991년 2월 12일 제5-258호

발행인

조 화

인쇄처

신기획

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