홍순혁 연구실의 핵심 연구 중 하나는 유기금속촉매와 광촉매를 결합하여 기존에 반응성이 낮다고 여겨졌던 탄화수소의 C(sp3)–H 결합을 직접 변환하는 방법을 개발하는 것이다. 특히 단순 알케인이나 비활성 탄화수소처럼 사전 작용기화가 어려운 기질을 대상으로, 아실화·트리플루오로메틸화·알킬화와 같은 반응을 선택적으로 구현하는 데 집중한다. 이러한 연구는 복잡한 전구체를 미리 합성하지 않고도 원하는 결합을 직접 형성할 수 있게 해 유기합성의 단계 수를 줄이고 효율을 높인다는 점에서 큰 의미가 있다. 이 연구실은 니켈, 구리, 팔라듐, 루테늄 등 전이금속 촉매의 반응성을 정밀하게 조절하고, 광유도 전자이동 과정을 결합하는 메탈라포토레독스 전략을 적극적으로 활용한다. 대표적으로 아마이드의 C–N 결합과 비활성 C(sp3)–H 결합을 동시에 활성화하여 직접 아실화를 구현하거나, 다기능성 구리-트리플루오로메틸 착물을 이용해 비활성 알케인의 직접 트리플루오로메틸화를 달성하였다. 이 과정에서 반응 중간체의 생성 경로, 산화적 첨가의 순서, 라디칼-이온 전환 과정 등을 계산화학과 실험을 결합해 해석함으로써 단순한 반응 개발을 넘어 촉매 주기의 본질을 규명하고 있다. 이러한 연구는 의약화학과 정밀유기합성 분야에서 특히 중요하다. C–H 결합의 후기 단계 기능화는 천연물, 생리활성 분자, 의약 후보물질의 구조를 빠르게 변형할 수 있게 하며, 불소화 작용기나 케톤 골격의 도입은 분자의 물성 및 생물학적 활성을 크게 바꿀 수 있다. 따라서 이 연구실의 C–H 작용기화 기술은 새로운 분자 설계와 합성 경로 단축에 기여할 뿐 아니라, 반응 메커니즘을 기반으로 한 정밀 촉매 설계를 통해 차세대 선택적 유기합성 방법론의 기반을 제공한다.

연구실의 또 다른 대표 분야는 올레핀 복분해 반응과 개환 복분해 중합(ROMP)을 기반으로 한 기능성 고분자 설계 및 화학적 재활용 기술 개발이다. 기존 플라스틱은 사용 후 소각 또는 저부가가치 재활용에 머무는 경우가 많지만, 이 연구실은 분자 수준에서 되돌릴 수 있는 가역적 결합과 반응 경로를 설계하여 처음부터 재활용 가능한 고분자를 만드는 전략을 추구한다. 특히 사이클로헥센 유도체와 저응력 고리형 올레핀의 ROMP를 통해 새로운 고분자 플랫폼을 구축하고, 다시 단량체나 유용 화합물로 되돌릴 수 있는 화학적 순환성을 구현하고 있다. 이 연구는 단순히 중합체를 합성하는 데 그치지 않고, 촉매 활성과 가역성을 동시에 제어하는 데 초점을 둔다. 루테늄 기반 고활성 복분해 촉매를 활용해 낮은 고리 변형 에너지를 갖는 단량체도 효율적으로 중합하고, 이후 고리 폐쇄 복분해나 선택적 결합 절단을 통해 원료 회수가 가능하도록 설계한다. 연구실의 논문과 특허에서는 산소 보호 성능, 가수분해 안정성, 가공성을 갖는 고분자를 개발하는 동시에, 이들이 다시 1,2-디올 또는 유용한 α,ω-디알데히드 등으로 전환될 수 있음을 제시하고 있다. 더 나아가 폐고무를 사이클로알켄으로 전환하는 선택적 화학 재활용 연구로까지 확장하고 있다. 이러한 연구는 지속가능한 소재 과학과 탄소중립 사회 구현에 직접 연결된다. 재활용이 가능한 고분자를 처음부터 설계하면 폐기물 처리 비용을 줄이고, 고분자 생산-사용-회수의 순환형 산업 구조를 구축할 수 있다. 또한 범용 플라스틱과 합성고무의 업사이클링을 통해 저가 폐자원을 고부가가치 화학 원료나 기능성 소재로 전환할 수 있어 산업적 파급력도 크다. 홍순혁 연구실은 복분해 촉매 화학, 고분자 합성, 자원순환 개념을 통합하여 차세대 지속가능 고분자 화학의 중요한 방향을 제시하고 있다.

홍순혁 연구실은 유기금속촉매를 활용한 지속가능 화학합성에도 오랫동안 집중해 왔다. 메탄올, 알코올, 니트릴, 아민, 이산화탄소 유도체와 같이 비교적 풍부하고 접근성이 높은 원료를 활용하여 아마이드, 이미드, 요소, 메탄올 등 유용 화합물을 합성하는 반응을 개발하는 것이 대표적이다. 이러한 연구는 독성이 높거나 반응성이 과도한 시약을 대체하고, 원자경제성과 공정 단순성을 높이는 방향으로 설계되어 친환경 합성화학의 중요한 축을 이룬다. 구체적으로는 루테늄 촉매 기반 수소이동 전략, 탈수소화 반응, 환원적 전환 반응을 통해 C–N 및 C–C 결합 형성을 효율적으로 구현한다. 알코올과 질소원을 이용한 아마이드 합성, 메탄올을 C1 원료로 이용한 요소 및 N-포밀화 반응, 실릴 포르메이트의 수소화를 통한 메탄올 생산 등은 이 연구실이 축적해 온 대표적인 촉매 반응 개발 사례다. 또한 이산화탄소 포집 및 전환, 공기 중 직접 포집된 CO2의 유용 화합물 전환과 같은 프로젝트는 분자전환 촉매화학을 기후위기 대응 기술로 확장한다는 점에서 의미가 크다. 이 분야의 궁극적 목표는 단순한 반응 발견을 넘어, 탄소자원을 효율적으로 순환시키는 화학 기술을 구축하는 데 있다. 메탄올과 CO2는 미래 탄소순환 경제의 핵심 플랫폼 물질로 주목받고 있으며, 이들을 고부가가치 화합물과 소재 전구체로 바꾸는 촉매 기술은 산업적 활용 가능성이 매우 높다. 따라서 연구실의 지속가능 분자전환 연구는 기초 유기금속화학, 균질 촉매 설계, 에너지·환경 응용을 연결하는 융합 연구로서 학문적 가치와 사회적 파급력을 동시에 지닌다.