제6장. 입체화학
1. 입체화학과 사면체형 탄소
입체이성질체 (stereoisomer: cis-trans isomer, enantiomer, diastereoisomer, epimer)- 삼차원적인 공간배향이 다른 화합물을 가리킨다.
사치환 탄소화합물은 사면체형의 구조를 가진다.
손잡이성 (handedness): 겹쳐지지 않는 거울상을 가리킨다. 탄소화합물의 경우 4개의 치환기가 모두 다를 경우에만 이러한 손잡이성을 가지며, 이들을 거울상 이성질체 (enantiomer)라고 부른다.
2. 분자손잡이성의 원인: 키랄성
키랄성: 그 거울상과 겹쳐질 수 없는 화합물, 그래서 한 쌍의 거울상 이성질체로 존재하는 화합물. 이들은 분자 내에 대칭면이 존재하지 않는다. 즉, 분자 내에 대칭면이 존재하면 키랄성이 아니다.
이러한 키랄성 분자의 중심탄소 (즉, 4개의 상이한 작용기를 가진 탄소)를 키랄중심 (chiral center) 또는 입체중심 (stereogenic center)라고 한다. 분자 내에 존재하는 키랄중심을 찾는 연습을 하기 바란다.
3. 광학활성과 고유광회전도
광선은 빛의 진행방향에 직각이 되는 무수한 평면을 따라 진동하는 전자기파로 구성되어 있다. 편광기를 사용하면 이 중 하나의 단일 면만을 따라 진동하는 빛을 통과시킬 수 있다. 이렇게 통과한 빛을 면편광이라 부르는데, 이것을 유기화합물의 용액에 통과시키면 회전이 발생한다. 이러한 화합물을 광활성을 보인다고 한다.
편광기를 이용하면 회전각도와 방향을 알 수 있다. 왼쪽방향으로 회전시키면 좌선성 (levorotatory)라 하여 (-)로 표시하고, 반대인 경우는 우선성 (dextrorotatory)로 (+)로 표시한다.
편광기에 의한 회전정도는 분자와 구조와 분자 수에 따라 달라진다. 회전도는 분자의 수와 빛이 통과하는 길이에 비례한다. 따라서 표준상태를 정의하여 고유광회전도를 측정한다.
4. 공간배위 순위결정 규칙
키랄성 탄소에 붙어있는 4개의 치환기에 우선순위를 매기고 가장 낮은 순위의 치환기를 관찰자로부터 가장 먼 쪽으로 배열한다. (우선순위를 매기는 규칙은 3장에서 Z와 E에 대하여 적용한 규칙이 사용된다). 전면에 배치된 치환기의 우선순위에 따라 화살표를 그리고, 그 회전방향이 시계방향이면 R 배향, 시계반대 방향이면 S 배향을 가진다고 한다.
많은 연습이 필요하다.
5. 부분 입체이성질체 (diastereomer)
두 개의 키랄중심을 가지는 경우 4개의 입체이성질체가 가능하다. 이들 4개의 입체이성질체는 두 쌍의 거울이성질체로 분류될 수 있다. 이 때 거울상이 아닌 것들간의 관계가 부분입체이성질체이다. 즉, 겹칠 수도 없고, 거울상의 관계도 아닌 것들이다.
6. 메조 화합물 (meso compound)과 라세믹 화합물 (racemic mixture, 또는 라세믹체)
두 개의 키랄중심을 가지는 화합물에서 분자 내에 대칭면이 존재하는 화합물이 있을 수 있다 (tartaric acid). 이런 경우 키랄 중심이 두 개씩이나 있음에도 불구하고 비키랄성이다. 이러한 화합물을 메조화합물이라 한다. 즉, tartaric acid의 경우 두 개의 거울상 이성질체와 하나의 메조화합물이 존재한다.
라세믹 화합물은 두가지 거울상 이성질체가 절반씩 혼합된 것이다. 라세믹체는 광회전도가 영으로 (±)로 표시되기도 한다. 왜냐하면 우선성과 좌선성의 거울상 이성질체가 같은 양 존재하기 때문에 광회전도가 상쇄되기 때문이다.
7. 입체이성질체의 물리적 성질
거울상 이성질체는 다만 편광각의 부호가 다를 뿐 녹는점, 밀도, 용해도 등이 동일하다. 메조 이성질체는 완전히 다른 화합물이므로 다른 물리적 성질을 가진다.
8. 입체화학적 반응: HBr의 알켄첨가반응
R과 S 배열을 가진 racemic 화합물이 생성된다. 각각 50%씩의 확률로 re- 또는 si-face로의 결합이 진행되기 때문이다.
2장에서 언급한 이성질체의 종류를 다시 한번 기억하라.
이성질체: 분자식은 같으나 구조가 다를 경우 이성질체 (isomer)라 부른다.
구조이성질체 (constitutional isomer)- 원자가 다르게 연결되어 있을 때 (공유결합의 변형이 없이는 동일한 구조를 가질 수 없다)
형태이성질체 (이형태체, conformational isomer, confomer)- 형태 (conformation)란 단일결합을 축으로 회전할 때 원자의 배열이 달라지는 것을 말한다. 에탄의 형태 (eclipsed, staggered)를 참조
입체이성질체 (stereoisomer: cis-trans isomer, enantiomer, diastereoisomer, epimer)- 삼차원적인 공간배향이 다른 화합물을 가리킨다.
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