산화 반응의 핵심 분자 발견
- 기초과학 / 문광주 기자 / 2026-04-07 19:44:01
4분 읽기
- 테트록사이드(Tetroxiden) 검출로 1957년 가설로 제시됐던 반응 메커니즘 확인
- 연구 결과는 활성 산소종이 세포 스트레스와 잠재적으로 암을 유발하는 것으로 여겨지기 때문에 의학 분야에도 중요한 의미
대기, 연소 과정, 그리고 우리 몸 안팎 어디에서든 유기 산소 라디칼은 수많은 산화 과정에서 중요한 역할을 한다. 이러한 산소 화합물은 서로 또는 다른 분자와 반응해 다양한 기본적인 화학 반응을 일으킨다. 하지만 관련된 정확한 화학 메커니즘은 오랫동안 알려지지 않았다.
"산화 화학의 힉스 보손"
1957년, 화학자들은 이러한 산화 반응에 대한 가능한 메커니즘, 즉 러셀(Russel) 메커니즘을 제안했다. 이 메커니즘에서 핵심적인 역할을 하는 것은 수명이 짧은 중간체인 사산화물(tetroxide)이다. 이 분자는 네 개의 산소 원자가 사슬 형태로 연결된 유기 잔기(R-OOOO-R)로 구성된다. 그러나 사산화물의 존재는 오랫동안 논란의 대상이었다. 이 수명이 짧은 중간체를 검출하려는 시도는 실패하거나 모순된 결과를 낳았다.
이제 화학자들은 마침내 사산화물을 확실하게 검출하는 데 성공했다. 스톡홀름 왕립공과대학(KTH)의 주저자인 바바라 노지에르(Barbara Nozière)는 "이 분자는 산화 화학에서 힉스 보손에 해당한다"며, "수십 년 동안 그 존재는 추정되었지만, 아무도 직접 본 적은 없었다"고 말했다. 그는 캘리포니아의 케미컬 키네틱스 리서치(Chemical Kinetics Research)의 공동 저자인 로저 패트릭(Roger Patrick)과 함께 수명이 짧은 사산화물을 직접 검출하는 방법을 개발했다.
마침내 검출에 성공!
실험에서 화학자들은 다양한 전구체 분자 혼합물을 투명한 반응관에 통과시켰다. 자외선을 조사하자 메틸 퍼옥시 라디칼(CH₃O₂), 에틸 퍼옥시 라디칼(C₂H₅O₂), 이소프로필 디옥시 라디칼(i-C₃H₇O₂)과 같은 유기 산소 라디칼이 생성됐다. 이 라디칼들은 약한 전기장의 영향 아래 서로 반응했다. 분석을 위해 연구팀은 이 혼합물의 일부를 이온화 질량 분석기에 통과시켰다.
결과:
"모든 실험에서 일반식 R₂O₄(H₂O)H⁺에 해당하는 이온이 관찰되었다"고 로저 패트릭은 보고했다. 속도론적 분석을 통해 이 이온들이 산소 라디칼 반응으로 생성된 사산화물임을 확인했다. 또한, 이 분자들이 실온에서 기존에 예상했던 것보다 더 오랫동안, 즉 0.2~200ms(밀리초) 동안 존재한다는 사실도 밝혀냈다.
예상보다 오랫동안 상온에서 안정함
"1957년 러셀 메커니즘이 제안된 이후 처음으로, 우리는 대칭형 메틸, 에틸, 이소프로필 테트록사이드뿐만 아니라 다양한 산소 라디칼 반응에서 교차 반응으로 생성된 테트록사이드의 존재를 입증했다"고 화학자들은 밝혔다. "이러한 직접적인 관찰은 테트록사이드가 러셀 메커니즘의 핵심 구성 요소임을 확인시켜 준다.”
분석 결과, 대기 및 기타 상온 환경에 기존에 생각했던 것보다 훨씬 더 많은 테트록사이드가 존재할 수 있음이 밝혀졌다. "지구 대기와 같은 상온 기체상 시스템에서 테트록사이드의 농도는 해당 유기 산소 라디칼 농도의 최대 50분의 1에 달할 수 있다"고 로저 패트릭은 설명했다. 이는 대기 중에서 기존에 생각했던 것보다 더 많은 산화 반응이 일어날 수 있음을 의미한다.
이번 연구 결과는 활성 산소종이 세포 스트레스와 잠재적으로 암을 유발하는 것으로 여겨지기 때문에 의학 분야에도 중요한 의미를 갖는다.
참고: Science Advances, 2026; doi: 10.1126/sciadv.aeb6495
출처: 스웨덴 왕립 공과대학교(KTH)
- 테트록사이드(Tetroxiden) 검출로 1957년 가설로 제시됐던 반응 메커니즘 확인
- 연구 결과는 활성 산소종이 세포 스트레스와 잠재적으로 암을 유발하는 것으로 여겨지기 때문에 의학 분야에도 중요한 의미
산화 반응의 핵심 분자 발견
테트록사이드(Tetroxiden) 검출로 1957년 가설로 제시됐던 반응 메커니즘 확인
거의 70년 만에 화학자들이 유기 산화 반응에서 오랫동안 예측돼 온 핵심 분자, 테트록사이드를 발견했다. 이 수명이 짧은 분자는 산소 분자 네 개가 사슬 형태로 연결된 구조를 지니고 있다. 테트록사이드는 연소 엔진, 촛불, 화재는 물론 대기 및 생체 내 산화 과정에서 중요한 역할을 한다. 그러나 지금까지 그 존재가 불분명했다. 화학자들은 "Science Advances"에 발표한 논문에서 테트록사이드의 존재를 최초로 확실하게 입증했다고 밝혔다.
 |
| ▲ 러셀 메커니즘의 모식도. 사산화물(중심)은 수명이 짧은 중간체로 형성된다. © Nozière and Patrick / Science Advances, CC-by 4.0 |
대기, 연소 과정, 그리고 우리 몸 안팎 어디에서든 유기 산소 라디칼은 수많은 산화 과정에서 중요한 역할을 한다. 이러한 산소 화합물은 서로 또는 다른 분자와 반응해 다양한 기본적인 화학 반응을 일으킨다. 하지만 관련된 정확한 화학 메커니즘은 오랫동안 알려지지 않았다.
"산화 화학의 힉스 보손"
1957년, 화학자들은 이러한 산화 반응에 대한 가능한 메커니즘, 즉 러셀(Russel) 메커니즘을 제안했다. 이 메커니즘에서 핵심적인 역할을 하는 것은 수명이 짧은 중간체인 사산화물(tetroxide)이다. 이 분자는 네 개의 산소 원자가 사슬 형태로 연결된 유기 잔기(R-OOOO-R)로 구성된다. 그러나 사산화물의 존재는 오랫동안 논란의 대상이었다. 이 수명이 짧은 중간체를 검출하려는 시도는 실패하거나 모순된 결과를 낳았다.
이제 화학자들은 마침내 사산화물을 확실하게 검출하는 데 성공했다. 스톡홀름 왕립공과대학(KTH)의 주저자인 바바라 노지에르(Barbara Nozière)는 "이 분자는 산화 화학에서 힉스 보손에 해당한다"며, "수십 년 동안 그 존재는 추정되었지만, 아무도 직접 본 적은 없었다"고 말했다. 그는 캘리포니아의 케미컬 키네틱스 리서치(Chemical Kinetics Research)의 공동 저자인 로저 패트릭(Roger Patrick)과 함께 수명이 짧은 사산화물을 직접 검출하는 방법을 개발했다.
마침내 검출에 성공!
실험에서 화학자들은 다양한 전구체 분자 혼합물을 투명한 반응관에 통과시켰다. 자외선을 조사하자 메틸 퍼옥시 라디칼(CH₃O₂), 에틸 퍼옥시 라디칼(C₂H₅O₂), 이소프로필 디옥시 라디칼(i-C₃H₇O₂)과 같은 유기 산소 라디칼이 생성됐다. 이 라디칼들은 약한 전기장의 영향 아래 서로 반응했다. 분석을 위해 연구팀은 이 혼합물의 일부를 이온화 질량 분석기에 통과시켰다.
 |
| ▲ CH3O2 + CH3O2 반응의 반응 경로. 출처:Observing elusive tetroxides in gas-phase radical reactions supports the Russell mechanism / Science Advances / 13 March 2026) |
결과:
"모든 실험에서 일반식 R₂O₄(H₂O)H⁺에 해당하는 이온이 관찰되었다"고 로저 패트릭은 보고했다. 속도론적 분석을 통해 이 이온들이 산소 라디칼 반응으로 생성된 사산화물임을 확인했다. 또한, 이 분자들이 실온에서 기존에 예상했던 것보다 더 오랫동안, 즉 0.2~200ms(밀리초) 동안 존재한다는 사실도 밝혀냈다.
예상보다 오랫동안 상온에서 안정함
"1957년 러셀 메커니즘이 제안된 이후 처음으로, 우리는 대칭형 메틸, 에틸, 이소프로필 테트록사이드뿐만 아니라 다양한 산소 라디칼 반응에서 교차 반응으로 생성된 테트록사이드의 존재를 입증했다"고 화학자들은 밝혔다. "이러한 직접적인 관찰은 테트록사이드가 러셀 메커니즘의 핵심 구성 요소임을 확인시켜 준다.”
분석 결과, 대기 및 기타 상온 환경에 기존에 생각했던 것보다 훨씬 더 많은 테트록사이드가 존재할 수 있음이 밝혀졌다. "지구 대기와 같은 상온 기체상 시스템에서 테트록사이드의 농도는 해당 유기 산소 라디칼 농도의 최대 50분의 1에 달할 수 있다"고 로저 패트릭은 설명했다. 이는 대기 중에서 기존에 생각했던 것보다 더 많은 산화 반응이 일어날 수 있음을 의미한다.
이번 연구 결과는 활성 산소종이 세포 스트레스와 잠재적으로 암을 유발하는 것으로 여겨지기 때문에 의학 분야에도 중요한 의미를 갖는다.
참고: Science Advances, 2026; doi: 10.1126/sciadv.aeb6495
출처: 스웨덴 왕립 공과대학교(KTH)
[더사이언스플러스=문광주 기자]
[ⓒ the SCIENCE plus. 무단전재-재배포 금지]
