[1973 노벨화학상] 에른스트 오토 피셔 & 제프리 윌킨슨 : 금속과 탄소의 기묘한 동거, '샌드위치 화합물'을 발견하다

 

 

 

🥪 "철(Fe)이 빵 사이에 낀 햄버거가 되었다?"

 

화학에는 크게 두 가지 영토가 있습니다. 하나는 탄소를 중심으로 생명과 관련된 물질을 다루는 '유기화학' 이고, 다른 하나는 금속이나 광물을 다루는 '무기화학' 입니다.

오랫동안 이 두 영토 사이에는 넘을 수 없는 벽이 있는 것처럼 보였습니다. 금속과 탄소가 결합하는 것은 매우 드물거나 불안정하다고 여겨졌기 때문입니다.

그런데 1950년대 초, 화학계를 발칵 뒤집어놓은 정체불명의 주황색 가루가 등장했습니다. 이 물질은 철(Iron)이라는 금속을 품고 있는데도 녹슬지 않았고, 300도의 고열에도 타지 않았으며, 산성 용액에 넣어도 끄떡없을 만큼 좀비처럼 단단했습니다.

"도대체 이 물질의 정체가 뭐지? 철이 들어있는데 어떻게 이렇게 안정할 수가 있어?"

기존의 화학 결합 이론(공유 결합, 이온 결합)으로는 도저히 설명이 안 되는 이 괴물질의 구조를 밝혀낸 것은, 서로 다른 나라에 살던 두 명의 화학자였습니다.

독일의 꼼꼼한 합성 화학자 에른스트 오토 피셔(Ernst Otto Fischer). 영국의 직관적인 이론 화학자 제프리 윌킨슨(Geoffrey Wilkinson).

이들은 금속 원자가 탄소 고리 사이에 햄버거 패티처럼 끼어 있다는 충격적인 '샌드위치 구조' 를 밝혀내어, '유기금속화학(Organometallic Chemistry)' 이라는 거대한 신대륙을 발견했습니다.

 

📜 미스터리 : 우연히 발견된 주황색 가루 '페로센'

 

사건의 발단은 1951년, 미국의 한 연구소였습니다. 킬리와 포슨이라는 두 화학자가 새로운 탄화수소를 만들려고 실험을 하다가 실패했습니다. 그런데 실패한 비커 바닥에 아주 예쁜 주황색 결정이 남아있었습니다.

분석 결과 이 물질의 화학식은 $Fe(C_5H_5)_2$ 였습니다. 철(Fe) 하나에 탄소 고리(사이클로펜타다이엔) 두 개가 붙어 있는 형태였습니다.

당시 상식으로는 철이 탄소와 결합하려면 탄소의 특정 부위에 딱 붙어야 했습니다(시그마 결합). 하지만 그렇게 그리면 철의 팔(결합선) 개수가 맞지 않고 구조가 너무 불안정했습니다. 그런데 실제 물질은 돌덩이처럼 단단하니 미칠 노릇이었습니다.

이 소식을 들은 하버드 대학의 제프리 윌킨슨은 본능적으로 기존 이론이 틀렸음을 감지했습니다.

 

🧐 윌킨슨의 직관 : 빵과 고기

 

1952년, 윌킨슨은 로버트 우드워드(1965년 수상자)와 함께 파격적인 논문을 발표합니다.

"이것은 철이 탄소 하나하나와 손을 잡은 게 아니다. 철 원자가 탄소 고리 전체와 전자를 공유하며 붕 떠 있는 것이다."

그가 제안한 구조는 충격적이었습니다. 오각형 탄소 고리 두 개가 위아래로 나란히 있고(식빵), 그 사이에 철 원자 하나가 쏙 들어가 있는(패티) 모양이었습니다.

이것이 바로 화학 역사상 가장 유명한 분자 중 하나인 '페로센(Ferrocene)' 입니다. 철(Ferrum)과 이중결합(ene)을 합친 이름입니다. 윌킨슨은 이를 '샌드위치 화합물(Sandwich Compound)' 이라고 불렀습니다.

이 구조 덕분에 철 원자는 탄소 고리 전체의 전자 구름 속에 포근하게 감싸여 산소나 물의 공격을 받지 않고 완벽하게 보호받을 수 있었던 것입니다.

 

⚡️ 피셔의 확장 : "철만 되는 게 아니다!"

 

한편, 독일 뮌헨 공과대학의 에른스트 오토 피셔도 독자적으로 이 구조를 연구하고 있었습니다. 그는 윌킨슨의 이론이 맞다는 것을 엑스선 결정학(구조 분석)을 통해 확실하게 증명했습니다.

그리고 피셔는 한 걸음 더 나아갔습니다. "철(Fe)만 샌드위치가 될까? 다른 금속도 되지 않을까?"

그는 1955년, 철 대신 '크롬(Cr)' 을 넣고, 오각형 고리 대신 '육각형 벤젠 고리' 를 사용해서 '다이벤젠크롬' 이라는 새로운 샌드위치를 만들어냈습니다.

"보라! 이것은 우연이 아니다. 금속과 탄소 고리가 결합하는 것은 화학의 보편적인 원리다."

피셔는 코발트, 니켈, 루테늄 등 온갖 금속을 이용해 다양한 샌드위치 화합물을 합성해 냈습니다. 그의 실험실은 마치 세상에 없던 분자들을 찍어내는 제빵 공장과도 같았습니다.

 

✍️ 왜 중요한가? : 촉매의 혁명

 

"모양이 샌드위치인 게 뭐가 그리 중요한가요?"라고 물을 수 있습니다. 하지만 이 발견은 '촉매(Catalyst)' 산업을 완전히 뒤바꿔 놓았습니다.

1963년 노벨상을 받은 '치글러-나타 촉매' 가 바로 이 유기금속화학의 결정체입니다. 금속(티타늄)이 유기물(에틸렌)을 붙잡아 플라스틱을 만드는 과정이, 바로 이 금속과 탄소의 독특한 결합 방식 덕분에 가능했기 때문입니다.

피셔와 윌킨슨 덕분에 인류는 금속 원자를 탄소 뼈대 속에 정교하게 심어 넣을 수 있게 되었고, 이를 통해 항암제, 당뇨병 치료제, 태양전지 소재, 특수 플라스틱 등을 마음대로 합성하는 '유기금속화학' 의 전성시대를 열었습니다.

 

🏆 노벨상 : 경쟁자에서 동반자로

 

1973년, 스웨덴 왕립과학원은 에른스트 오토 피셔와 제프리 윌킨슨에게 노벨 화학상을 공동 수여합니다. 수상 이유는 "유기금속, 소위 샌드위치 화합물의 화학적 성질에 대한 선구적인 연구" 였습니다.

두 사람은 국적도 다르고 연구 스타일도 달랐습니다.

• 윌킨슨: 직관적이고 이론에 강하며, 아이디어를 빨리 내놓는 스타일.
• 피셔: 꼼꼼하고 실험적이며, 데이터를 완벽하게 검증해서 확장하는 스타일.

한때는 서로 "내 구조가 맞다", "내가 먼저다"라며 치열하게 경쟁했지만, 노벨상은 두 사람의 공로가 동전의 양면처럼 유기금속화학을 완성했음을 인정했습니다.

 

📚 TMI : 천재들의 에피소드

 

1. 우드워드의 아쉬움

페로센의 샌드위치 구조를 처음 제안한 논문에는 윌킨슨과 함께 1965년 노벨상 수상자인 로버트 우드워드의 이름도 들어있었습니다. 사실 '샌드위치'라는 아이디어의 상당 부분은 우드워드의 직관에서 나왔다고 합니다. 우드워드는 자신이 이 공로로 두 번째 노벨상을 받지 못한 것에 대해 몹시 섭섭해했다고 전해집니다. (하지만 피셔가 워낙 많은 새로운 화합물을 합성해 냈기에 피셔의 공로를 무시할 수 없었죠.)

2. 폭발 사고

피셔의 실험실은 위험천만했습니다. 새로운 유기금속 화합물들은 공기에 닿으면 저절로 불이 붙거나 폭발하는 경우가 많았기 때문입니다. 피셔는 항상 학생들에게 보안경 착용을 강조했고, 수많은 폭발 사고 속에서도 기어코 새로운 물질들을 찾아냈습니다.

3. 윌킨슨의 촉매

제프리 윌킨슨은 페로센 말고도 자신의 이름을 딴 '윌킨슨 촉매' 로도 유명합니다. 이 촉매는 의약품 합성에서 수소를 첨가하는 반응에 필수적으로 쓰입니다. 노벨상을 받은 연구 외에도 산업적으로 엄청난 기여를 한 셈입니다.

 

🌏 맺음말 : 경계를 허문 결합

 

에른스트 피셔와 제프리 윌킨슨은 '섞일 수 없는 것은 없다' 는 것을 보여주었습니다.

차가운 금속과 따뜻한 유기물이 만나 '샌드위치' 라는 가장 안정적이고 아름다운 구조를 만들 수 있다는 사실. 이 기묘한 동거는 화학의 경계를 무너뜨렸고, 오늘날 우리가 사용하는 수많은 신소재와 의약품의 뼈대가 되었습니다.

두 과학자가 현미경으로 들여다본 그 주황색 가루 속에, 현대 화학의 미래가 들어있었습니다.