거울상이성질체와 카이랄, 광학, 입체이성질체

거울상이성질체(enantiomers)에 대해 간단히 이야기 해보자면, 왼손을 거울에 대보는 것을 예시로 들어보자

왼손을 거울에서 봤을때 오른손으로 보일 것이다

이처럼 거울상과 동일하지 않는 것을 거울상이성질체라고 한다 (plane of symmetry)

대칭면이 없으며, 왼손과 오른손의 관계처럼 Handedness, 손잡이성이라고 부르기도 한다

이는 유기화합물로 이루어진 의약품들이 대부분이며 sp3 혼성 탄소의 치환 형태에 의하여 이루어지게 된다

거울상이성질체와 정사면체 탄소(Enantiomers and Tetrahedral Carbon)에 대해 간단히 이야기 해보자면, 한 탄소가 네 개의 서로 다른 치환기를 가진 분자로 겹치지 않는 거울상을 가지고 있으며 이를 거울상이성질체라고 하는 것이다

예를 들어 CH3X, CH2XY, CHXYZ 에 대해 이야기 해보자면, 어떻게 돌려봐도 CH3X와 CH2XY는 거울상에서 대칭이 된다

하지만, 중심인 탄소에 달라붙은 4개의 치환기, H, X, Y, Z 때문에 거울상에서 대칭이 되지 않는다

이런 분자 외부에서 비교하는 거울상이 있다면, 분자 내부에서 확인할 수 있는 손잡이성, 즉 카이랄성(Chirality)가 있다 (물론, 카이랄성은 외부에서 비교했을때도 이야기할 수 있지만, 대부분의 카이랄성 확인은 분자 내부에서 탄소 하나를 관찰하면서 하기 때문에 이렇게 설명하는 것이다)

손의 중심과 플라스크의 중심에 거울이 있다고 생각해보자

손은 대칭이 되지 않고, 플라스크는 대칭이 된다

이를 보고, 대칭이 안되는 손은 카이랄이라 하며, 대칭이 되는 플라스크는 비카이랄(Nonchiral), 혹은 아카이랄, 에이카이랄(Achiral) 이라고 한다

이에 대해 예시로 비카이랄은 Propanoic Acid가 있으며, 카이랄은 Lactic Acid가 있다

비카이랄을 가진 Propanoic Acid

카이랄을 가진 (+)-Lactic Acid와 (-)-Lactic Acid

카이랄을 가진 탄소의 중심, 즉 서로 다른 치환기를 4개 가지고 있는 탄소지점을 카이랄성 중심(Cirality StereoGenic Center)이라고 한다

물론 고리 분자에서도 가능하다

비카이랄인 Methylcyclohexane 과 카이랄인 2-Methylcyclohexane 가 그 대표적 예시이다

또한 카이랄 중심이 되지 않는 대표적 탄소 중심들은 CH2, CH3, C=O, C=C, Alkyane 등이 있지만 대부분이라고 한정하기에 안될 수 도 있다

이러한 탄소를 보고 카이랄 중심인지 아닌지 확인하라는 문제가 대다수로 나올텐데 푸는 방법으로 해당 탄소를 하나만 보고 주변에 있는 치환기 4개를 확인하는 것이다

그 후에 멀리서 보고 다른 점이 있나도 확인하고 나서야 카이랄인지 비카이랄인지 확인해야한다

광학 활성(Optical Activity) 에 대해서 이야기한다

광학 활성은 빛의 진동을 통해 해당 화합물이 어떠한 방향으로 구성된 물질인지 확인하는 방법이다

물론 카이랄인 거울상이성질체에만 해당되며 비카이랄성 화합물은 회전하지 않는다

가시광선은 모든 방향으로 진동하기 마련인데 이를 편광체(Polarizer)로 한쪽으로만 진동하는 빛을 필터링하며 이를 평면 편광(Plane-Polarized Light)라고 한다

그 후 광학 활성(Optically Active)를 지닌 화합물 용액을 통과시킨 빛은 평면 편광 회전을 한다

이를 편광계(Polarimeter)로 측정하여 회전도 α를 확인하는 방법이다

이로써 시계 방향(Dextrorotatory)로 회전하는 것은 +라 표시하며, 반시계 방향(Levorotatory) 으로 회전하는 것은 -으로 표시한다

이에 대한 대표적 예시는 이 본문 위에 있는  Lactic Acid 가 대표적이다

이로써 고유 광회전도 (Specific Rotation), [α]D 를 확인 할 수 있다

고유 광회전도는 관찰된 회전도/(통과 길이*농도) 이며, 이는 Degrees/(dm*g(cm^3) 이다

여기서 dm에 대해서는 예시로 5cm = 0.5dm 이다

이러한 식으로 거울상이성질체의 고유 광회전도를 확인해보면 부호만 반대이며 절대값을 통해 같게 된다

예시로 (+)-Lactic Acid는 +3.82 이고 (-)-Lactic Acid -3.82 이다

물론 위에서 말했던 것처럼 비카이랄은 0 이다

배열 설명에 관한 순차 결정 규칙(Sequence Rules For Specification Of Configuration) 에 대해 설명하자면, 이는 카이랄 중심의 삼차원적 배치, 혹은 배열에 있어 Cahn-Ingold-Prelog 규칙에 따라 치환기, 혹은 원자에 순차적으로 번호를 메기는 것이며 이로써 어디로 회전하는지 확인하는 것이다

이에 대한 규칙으로는 아래와 같다

첫번째, 카이랄성 중심에 직접 결합된 4개의 원자를 보고 원자 번호 순서대로(질량 순서대로) 높은 것에서 낮은 것으로 순서대로 번호를 메기며, H는 대부분 마지막로 4번째에 속하게 된다

두번째,  첫번째로 안되었을시에 그 카이랄 중심에서 직접 결합된 원자 다음의 두번째 원자로 번호가 메겨질때까지 반복하며, 비교한다

세번째, 다중결합, 즉 n중결합은 단일결합*n으로 생각한다

이로써, 배열 후 R 배열(R Configuration) 과 S 배열(S Configuration)을 확인할 수 있으며 R은 오른쪽으로 회전하며, S는 왼쪽으로 회전하는 것이다

이는 관측 시점에 따라, 즉 관측자의 시선에 따라 회전법이 달라지기 때문에, 3차원적에서 봤을때 R 배열인 줄 알았으나, 실상은 S 배열인 것일 수 있다

이를 방지하기 위해서는 공간 지각 능력을 높일 필요가 있으며 머릿속에서 3D로 회전하는 분자 모습이 관측되면 된다

필자의 글로는 어렵게 느껴지겠지만, 이에 대한 방법만 알게 된다면 쉬워진다

절대 어려운 파트가 아니다

카이랄성 중심인 탄소와 배열 후 확인된 4번째 치환기(대부분 H)를 잡고 올려서 관측자인 내가 그 아래를 확인한다고 생각해보자

1번 치환기, 2번 치환기, 3번 치환기가 120도의 각을 이루고 있으며 이에 대해 1번, 2번, 3번 순으로 회전하는 것으로 S 배열인지, R 배열인지 확인하면 된다

알고보면 굉장히 쉬운 파트이다

이러한 배열로 부분입체이성질체(Diastereomers)가 나오는데 이는 2개 이상, 즉 카이랄 중심이 여러 개인 것이다

카이랄이 n개 이라면 입체이성질체는 2^n개가 가능해진다

이로써, 카이랄이 여러 개인 만큼 S 배열과 R 배열의 확인법에 대해 무궁무진하게 문제로 나오므로 S 배열과 R 배열, 그 2개를 어떻게 결정되는 지 잘 알고만 있으면 된다

(더 설명이 필요하다면 댓글로 달아주시면 되겠습니다)