사이클로알케인과 스트레인

2016/03/29 - [유기화학] - 알케인의 성질과 형태, 그리고 힘

저번 글에서는 알케인에 대한 글을 썼으며 이번 글은 사이클로알케인 입니다

저번 글 링크를 위에다 첨부하였으니 클릭해서 참고하시면 될 듯합니다

유기화합물인 사이클로알케인은 고리형분자로써 단백질, 지방질, 탄수화물 및 핵산을 포함하며 이 유기화합물은 생체분자에서 자주 보인다

사이클로알케인은 포화 고리형 탄화수소 혹은 지방족 고리화합물이라고 표현할 수 있다(Alicyclic compound, aliphatic cyclic, saturated cyclic hydrocompound)

이 포화고리형 탄화수소는 (CH2)n, 혹은 CnH2n 을 가지게 된다

이러한 사이클로알케인의 이름짓기(Naming)은 첫번째로 모체를 찾는 것이다

모체를 찾는 방법은 치환기 탄소개수가 고리 탄소개수보다 많을시에는 치환기를 모체로 지정하며 치환기가 1번이 되게끔, 그리고 가장 낮은 번호로 오게끔 만드는 것이다

그리고 di, tri 등 접두사로 오는 것은 무시하며 2개 이상은 알파벳 순서대로 이름을 짓게되며 알킬기, 할로겐을 포함해서 짓게 된다

접두사로 입체이형태인 iso 같은 접두사는 무시하지 않고 포함시키는 것이 중요하다

이러한 사이클로알케인의 특징으로 시스-트랜스 이성질 현상(cis-trans isomerization)이 있다

시스와 트랜스

(이미지 출처 : https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Cis-trans_example.svg#/media/File:Cis-trans_example.svg)

이성질 현상을 isomerism, 입체이성질체(Stereoisomer)이라고도 하며 이 이유는 사이클로알케인은 고리형이라 위, 아래가 구별이 가능하기 때문에 생겨난 것이다

입체이성질체와 구성이성질체의 차이점으로 입체이성질체는 삼차원적 기하의 차이며 구성이성질체는 원자 사이의 연결 순서인 차이이니 주의해야한다

이러한 사이클로알케인에 대해 연구하였던 Baeyer(1895)는 고리의 각이 109도 이상이 될시에 에너지가 축적된다고 생각하여 큰 스트레인이 될 것이라 예상하였지만 이는 다각형들이 평면인줄 알아 나온 틀린 예측이 되었다

이러한 사이클로알케인의 안정성(Stability of Cycloalkanes)은 고리 스트레인(Ring strain)을 가지고 있었기 때문에 예측한 사실이라고 할 수 있다

하지만, 사이클로알케인이 가진 스트레인은 입체적 모양을 가진 사이클로알케인으로 인해 대략 3가지가 존재한다

첫째로 결합각 스트레인(Angle strain)이다.

결합각 스트레인은 결합각의 확대 및 축소에 의한 스트레인이다

둘째로 비틀림 스트레인(Torsional strain)이다

비틀림 스트레인은 이웃한 원자에서 가리움에 의한 스트레인이다

셋째, 마지막으로 입체 스트레인(Steric strain)이다

입체 스트레인은 원자가 서로 가까울때 상호반발하는 스트레인이다

이러한 스트레인을 가지고 있는 사이클로알케인들은 각각마다 특유한 성질이 있다

사이클로프로판(사이클로프로페인, cyclopropane)은 60도의 C-C-C 결합으로 인데 결합각 스트레인을 가지고 있으며, C-H 결합으로 인해 비틀림 스트레인이 생겨 굽은 결합(Bent bond)를 가지게 된다

따라서 오히려 작은 각으로 겹치게 되며 일반 propane의 에너지로는 370KJ/mol 인데, cyclopropane은 255KJ/mol 로 더 낮은 값을 가지게 되었다

사이클로부탄(사이클로뷰테인, cyclobutane)은 수소수가 cyclopropane보다 많아서 큰 비틀림 스트레인을 가지고 있다

이로써 수소 하나를 평면에서 어긋나게 하여 조급 굽은 결합이 있어 결합각 스트레인을 증가시키는 대신 비틀림 스트레인을 낮추었다

사이클로헥산(Cyclohexane)은 사이클로알케인에서 가장 중요한 것이다

이 모습은 리무진 버스의 의자 모습과 같다고 하여 Chair conformation 이라고 한다

사이클로헥사인같은 경우 2가지의 형태가 존재하는데 의자형태와 비틀림보트형태(Twist Boat Conformation)이 있다

비틀림 보트형태같은 경우 입체 스트레인과 비틀림 스트레인이 존재하기 때문에 의자형태의 사이클로헥산보다 상대적으로 불안정하다

사진상에 나온 것처럼 5.5Kcal/mol 이 차이나는 것을 알 수 있다

이러한 사이클로헥산의 특징으로 수소 결합이 축결합(Axis bond) 과 적도결합(Equatorial bond)를 각각 6개 가지고 있다는 것이다

이는 그릴때 해당하는 축과 평행하게 그려야한다

그림상에서 보이는 것처럼 빨간색은 axis, 축방향, 파란색은 equatorial, 적도방향이다