초록 ▼

연구의 목적 및 내용
3차원 미세구조에 따른 화학반응을 분자수준에서 추적하여, 엄밀성과 다양성/선택성의 양면성을 동시에 추구할 수 있는 방법론을 개발하고 이에 수반되는 분자구조와 동역학 연구를 수행하는 것이 본 연구과제의 목적이다.
첫째, 다양성과 선택성의 연구를 위해 특정 conformational isomer (형태이성질체) 만을 선택적으로 골라내어, 구조 분석 및 그 구조의 따른 화학반응성에 대한 연구를 수행하였다.
둘째, 양자상태에 따른 분자의 동역학 연구이다. 분자의 특정 전자, 진동, 회전상태를 정확하게

연구의 목적 및 내용
3차원 미세구조에 따른 화학반응을 분자수준에서 추적하여, 엄밀성과 다양성/선택성의 양면성을 동시에 추구할 수 있는 방법론을 개발하고 이에 수반되는 분자구조와 동역학 연구를 수행하는 것이 본 연구과제의 목적이다.
첫째, 다양성과 선택성의 연구를 위해 특정 conformational isomer (형태이성질체) 만을 선택적으로 골라내어, 구조 분석 및 그 구조의 따른 화학반응성에 대한 연구를 수행하였다.
둘째, 양자상태에 따른 분자의 동역학 연구이다. 분자의 특정 전자, 진동, 회전상태를 정확하게 컨트롤하여 분자의 화학반응경로에 미치는 영향을 실험적으로 관측하였다.
연구결과
●형태이성질체 및 양자상태 선택
실제 분자에서의 특정 conformer 및 양자상태를 실험적으로 선택 할 수 있었다. 고에너지 분해능의 MATI(Mass Analyzed Threshold Ionization)분광법을 통해 작은 분자들의 conformer들을 완벽히 선택할 수 있었다. 또한 같은 방법을 이용하여 bis(η⁶-benzene)chromium 클러스터 집합체의 isomer들을 확인함으로써 MATI방법의 적용범위를 확장하였다. 또한 전기장을 이용한 분자 굴절장치를 이용하여, conformer들을 이온상태가 아닌 neutral상태로 공간상에서 비파괴적 분리하였다. 그리고 치환된 thiophenol 분자의 광분해 동역학 연구를 통해 치환체에 따른 분자구조의 변화가 원뿔형 교차점에서 동역학적 현상을 조절한다는 것을 실험과 양자화학 계산을 동해 확인하였다.
●양자상태 선택 반응동역학 및 반응제어
다원자 분자계에서 정밀한 양자상태 선택에 따른 반응성의 차이를 실험적으로 명확히 하였다.
H₂S⁺ 들뜬상태의 광분해 반응 연구를 통해서 매우 정밀한 양자상태 선택 및 그에 따른 반응 동역학 연구를 수행하였다. 또한 다양한 방법론을 사용하여 양자상태 선택에 따른 반응의 차이를 좀 더 복잡한 다원자계에 확대 적용하였다. 광전자 이미징 방법으로 메틸아민의 선해리 과정이 다차원적인 퍼텐셜 에너지 표면을 따라서 일어난다는 것을 증명하였다. 또한 다이아지린의 진동양자상태에 따른 비선형 스펙트럼 분석을 통해 분해반응 메커니즘을 제시하였다. 특히 Thioanisole이 내부양자상태에 선택에 따른 광분해 생성물의 상태 분포 분석을 통해 실험적으로 처음으로 원뿔형 교차점의 위치를 알아낼 수 있었다. 이를 통해 다차원적 위치에너지표면에서의 반응동역학 연구에 새로운 해석을 제시했으며 각각의 양자상태의 선택에 의한 반응의 조절 및 선택이 가능함을 보여줬다.
연구결과의 활용계획
이 연구에서 얻어진 초정밀 구조 및 양자상태 선택 화학 동역학에 대한 새로운 지식들은, 분자수준의 이해를 바탕으로 한 Conformer Chemistry의 새로운 개념 정립과 단순한 화학반응의 이해는 물론이고, 주요한 화학적 반응을 설명하고 제어하는데 핵심적으로 활용될 것이다. 더욱이 화학반응을 보는 새로운 시각은 물리화학의 범주를 넘어 화학 및 생물 등 다른 분야에도 도움을 줄 것이다.
예를 들어 산업적으로 생산성 향상을 위한 촉매의 디자인에서, 반응특이점의 특성을 고려한 맞춤형 촉매디자인이 가능하리라 본다. 아울러, 빛에 의한 DNA 손상 메커니즘, vision 과정의 광이성질체화 반응 등을 분자수준에서 기술하는데도 활용될 수 있을 것이다. 또한 국내 기초과학의 수준을 세계주준으로 끌어올릴 수 있는 계기가 될 것으로 생각되며, 유연한 사고와 창의성을 지닌 21세기가 필요로 하는 창의적 고급인력양성에 기여할 것이다.

Abstract ▼

Purpose&contents
The purpose of this research is to understand and describe the structure and dynamics of small and bio-molecular systems depending on 3-dimension conformational structure and/or quantum states by the novel experimental methods that can select specific molecular states exactly.

Purpose&contents
The purpose of this research is to understand and describe the structure and dynamics of small and bio-molecular systems depending on 3-dimension conformational structure and/or quantum states by the novel experimental methods that can select specific molecular states exactly.
Our research includes (1) separation of conformational isomers and their conformer-specific chemical dynamics and (2) generation of molecules at specific quantum state and their structure and chemical reactivity.
Result
●Conformer and/or quantum state selection
Selection of specific conformer and/or quantum state is possible in this project. By MATI(Mass Analyzed Threshold Ionization) spectroscopy, conformers of small molecules are identified. Isomers of large cluster systems also identified by same method. Conformational isomers are spatially separated using the electric-field molecular deflector at neutral state. Conformational preference induced by chemical substituted thiophenol results in different photodissociation dynamics. Sophisticated experiments and high-level theoretical calculations confirm that conformational control strongly affects dynamics through the conical intersection.
● Quantum-state selective reaction dynamics and controls
We investigate the photodissociation of polyatomic molecules and identify a dependence of chemical reaction on specific quantum states. Photodissociation study of excited electronic state of H₂S⁺ shows quantum state selective reaction dynamics. Several experiments is also applied to more complicated polyatomic molecules. Photoelectron imaging study on methylamine shows that its predissociation occurs on multidimensional potential energy surface. Information from photodissociation cross-section of diazirine suggests the detailed dissociation mechanism related to specific vibrational-quantum states. In photodissociation of thioanisole, it is observed a striking dependence of the relative yields of two reaction channels on internal quantum states.
This result is related to conical intersection and experimental probing of conical intersections is primarily possible in this project. The dynamic role of the multidimensional conical intersection in the photodissociation reaction is identified by this experiments and could be used for reaction control and quantum state selective chemical reaction.
Expected Contribution
In new knowledge about ultrafine-structure and quantum-state selective chemical dynamics from this research project, we can establish the refined concept behind conformer-chemistry. It is also applied to control and understand the important chemical reactions. Moreover, our result will be of great help for disentangling complex dynamics occurring in biological systems and making new methodology for the reaction control. For example, the design of new efficient catalysts considering critical points of chemical reaction are possible. In addition, describing photo-induced DNA damage mechanism and photo-isomerization of vision system in molecular level are also possible. This project will provide us a chance to upgrade our research-level to the most competent level in the world. Many young scientists will be trained to be creative and intelligent for the development of Korea in the 21st century through this project.

목차 Contents

• 중견연구자지원사업(핵심연구) 최종보고서 ... 1
• 목 차 ... 3
• Ⅰ. 연구계획 요약문 ... 4
• 1. 국문요약문 ... 4
• Ⅱ. 연구결과 요약문 ... 5
• 1. 한글요약문 ... 5
• 2. SUMMARY ... 6
• Ⅲ. 연구내용 및 결과 ... 7
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 7
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 12
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 14
• 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 33
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 38
• 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 41
• 7. 주관연구책임자 대표적 연구실적 ... 43
• 8. 참고문헌 ... 43
• 9. 연구성과 ... 45
• 10. 기타사항 ... 58