사이클로헥세인의 고리 뒤집기와 방향간 상호작용

2016/03/29 - [유기화학] - 사이클로알케인과 스트레인

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

이번 글은 사이클로헥세인(Cyclohexane)의 고리 뒤집기(Ring-Flip)과 1.3-이축방향 상호작용(1.3-diaxial interaction) 등 사이클로헥세인에 영향을 받는 입체 스트레인(steric  strain)에 관한 글이므로 위 두개의 링크를 확인해 스트레인이 어떤 것인지, 사이클로알케인에서 사이클로 헥세인은 어떻게 되어있는지 먼저 알아봐야 한다

사이클로헥세인의 고리 뒤집기는 자세히 보지 않았으면 거울 이성질체와 헷갈리기 쉬운 모델이라고 생각한다

사진상으로 간단히 보았을때는 단지 거울 이성질체라고 생각했을테지만 자세히 살펴보아야한다

C1 탄소가 C2 탄소로 가던가 C2 탄소가 C1 탄소의 위치로 움직인 것이 아니다

단지 양 끝 탄소들이 위, 아래로 꺾여 들어가는 것이다

사이클로헥세인의 고리 뒤집기.gif

(이미지 출처 : http://www.chem.gunma-ct.ac.jp/phys/jugyou/orgchem2k/ring_flipping.gif)

위 사진을 확인해보면 단순히 좌, 우 끝부분의 탄소가 위, 아래로 꺾여 올라가고 내려가는 것이다

끝의 수소등의 결합들도 위치가 꺾여 말려들어감으로써 축방향 수소들과 적도방향 수소들의 위치가 90도 정도가 탄소가 꺾인 반대방향으로 움직인 것을 볼 수 있다

이에 대한 에너지는 45KJ/mol 로 상온에서 쉽게 일어나는 것을 볼 수 있다

1.3 이축방향 상호작용 스트레인 에너지 표

(이미지 출처 : http://article.sapub.org/image/10.5923.j.jlce.20130103.01_004.gif)

알케인에서 가리움효과(Eclipse Effect) 가 있었으면, 사이클로헥세인에서는 입체 스트레인으로 대신한다고 생각하면 된다

원자가 서로 너무 가까울때 상호 반발하는 힘으로 서로 영향을 끼칠 정도로 가까이 있을때 측정되는 에너지이다

입체 스트레인의 양은 치환기의 부피에 따라서 달라지며 이는 이성질체로 축방향, 적도방향, 그리고 고리 뒤집기에 따라 에너지가 다르므로 알아두어야 한다

예시로 Cis-1,2-Dimethylcyclohexane 과 Trans-1,2-dimethylcyclohexane 이 있다고 하자

이들은 서로 각각 받는 입체 스트레인 에너지의 총량은 11.4KJ/mol 로 같으나, 그 내용은 다르다

(이미지 출처 : http://www6.miami.edu/chem/chm201c/notes/ch04/img031.gif)

시스 다이메틸사이클로헥세인같은 경우 축방향에서 CH3-H, 이축방향으로 2개와 CH3-CH3 고우시 하나로 3.8*2+3.8=11.4가 되었다

또한 고리 뒤집기를 한 상태에서도 똑같은 상황이 발생하였다

(이미지 출처 : http://www6.miami.edu/chem/chm201c/notes/ch04/img032.gif)

트랜스 다이메틸사이클로헥세인은 시스와는 다르게 고리 뒤집기를 하니 에너지가 변경되었다

적도방향에서는 CH3-CH3 고우시 하나로 3.8KJ/mol 의 에너지를 가지고 있었는데 축방향에서는 CH3 가 서로 멀어져 고우시 스트레인은 영향받지 않았고 대신 각 위 아래면에서 H-CH3 입체 스트레인이 2개씩, 총 4개로 3.8*4=15.2KJ/mol 을 가지게 되었다

따라서 3.8KJ/mol 이 15.2KJ/mol 보다 작으므로 자연상태에선 거의 99%가 위의 모델로 존재한다

이 뿐만 아니라 이 외에도 여러고리(Polycyclic) 분자 형태를 가진 Decalin 이나, Testosterone(스테로이드)나, 탄소 원자로 만들어진 다리를 3개나 가진 Norbornane(bicyclo[2.2.1]heptane), Camphor 등등이 있다