광학 활성

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1. 개요

광학 활성은 물질이 편광된 빛의 편광면을 회전시키는 현상으로, 원형 복굴절에 의해 발생한다. 1811년 프랑수아 아라고에 의해 석영에서 처음 관찰되었으며, 루이 파스퇴르는 주석산 연구를 통해 광학 활성이 분자의 비대칭성과 관련 있음을 밝혀냈다. 광학 활성은 물질의 농도, 빛의 파장, 온도 등에 따라 달라지며, 선광계를 사용하여 측정한다. 우회전과 좌회전은 각각 시계 방향 및 반시계 방향으로 편광면을 회전시키는 것을 의미하며, 이러한 특성을 가진 화합물은 키랄 분자로 구성된다. 광학 활성은 화학 분석, 제약 산업, 재료 과학 등 다양한 분야에서 활용되며, 물질의 광학 순도를 결정하고, 약물의 효능 및 안전성을 평가하는 데 중요한 역할을 한다.

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광학 활성
개요
선형 편광된 빛이 키랄 물질을 통과할 때 편광면이 회전하는 것을 보여주는 다이어그램
정의	선형 편광된 빛이 키랄 물질을 통과할 때 편광면이 회전하는 현상
관련 용어	키랄성, 편광, 광학 활성, 키랄 분자
응용 분야	화학 약학 식품 산업
원리
설명	키랄 분자는 거울상 이성질체에 대해 서로 다른 굴절률을 가지므로, 선형 편광된 빛이 이를 통과할 때 편광면이 회전한다.
요인	물질의 종류 농도 용매 온도 빛의 파장
측정
장비	선광계
방법	빛을 편광시킨 후 샘플을 통과시킨다. 편광면의 회전 각도를 측정한다.
계산	비선광도 = (관찰된 회전 각도) / (경로 길이 * 농도)
응용
화학	키랄 분자의 식별 및 순도 결정 반응 메커니즘 연구
약학	약물의 품질 관리 및 분석
식품 산업	식품의 품질 평가 및 성분 분석
기타
주의 사항	비키랄 물질은 선광성을 나타내지 않는다.

2. 역사

광학 활성 현상은 19세기 초, 분자 구조에 대한 이해가 부족했던 시기에 이미 관찰되었다. 장바티스트 비오는 이 현상을 연구한 초기 과학자 중 한 명으로, 포도당과 같은 단순 당 용액의 농도를 측정하기 위해 간단한 편광계를 사용했다. 포도당의 한 종류인 덱스트로스(dextrose)는 직선 편광을 오른쪽(dexter)으로 회전시키는 성질에서 그 이름이 유래되었다. 마찬가지로, 과당(levulose)은 편광을 왼쪽(levo)으로 회전시켜 붙여진 이름이다. 과당은 포도당보다 좌회전성이 훨씬 강하며, 과당을 포도당 용액에 첨가하여 얻는 전화당은 이 반응으로 인해 편광 방향이 반대로 바뀌기 때문에 붙여진 이름이다.

1811년 프랑스 물리학자 프랑수아 아라고가 석영에서 선형 편광된 빛의 방향 회전을 처음 관찰했고, 1820년 영국 천문학자 존 F.W. 허셜 경은 결정 구조가 서로 거울상인 서로 다른 개별 석영 결정이 선형 편광을 같은 양으로 회전시키지만 반대 방향으로 회전시킨다는 것을 발견했다. 1822년 오귀스탱 장 프레넬은 광학 회전이 일종의 이중 굴절로 설명될 수 있다는 것을 발견했다. 1849년 루이 파스퇴르는 주석산 문제에서 결정이 서로 거울상인 두 가지 비대칭 형태로 나타난다는 것을 알아냈고, 1874년 야코부스 헨리퀴스 반트호프와 조제프 아킬르 르 벨은 탄소 화합물의 광학 활성 현상이 탄소 원자와 이웃 사이의 4개의 포화된 화학 결합이 정사면체의 모서리를 향한다는 가정으로 설명될 수 있다고 제안했다.

1945년 찰스 윌리엄 번은 비대칭 구조에서 광학 활성을 예측했고, 1950년 세르게이 바빌로프는 빛의 강도에 따라 광학 활성이 달라질 수 있다고 예측했다. 1979년 요오드산 리튬 결정에서 비선형 광학 활성 효과가 관찰되었으며, 1988년 M. P. 실버만은 키랄 물질에서 반사된 빛에서도 편광 회전이 발생할 수 있음을 발견했다. 1898년 자가디시 찬드라 보스는 꼬인 인공 구조물이 마이크로파의 편광을 회전시키는 능력을 설명했고, 21세기 초 인공 물질 개발을 통해 광학 스펙트럼에서 천연 매질보다 수십 배 큰 광학 활성을 가진 키랄 메타물질이 예측 및 실현되었다.

2. 1. 초기 발견

선형 편광된 빛의 방향 회전은 1811년 프랑스 물리학자 프랑수아 아라고에 의해 석영에서 처음 관찰되었다.^[7] 1820년, 영국 천문학자 존 F.W. 허셜 경은 결정 구조가 서로 거울상인 서로 다른 개별 석영 결정(그림 참조)이 선형 편광을 같은 양으로 회전시키지만 반대 방향으로 회전시킨다는 것을 발견했다.^[8] 장 바티스트 비오는 또한 테레빈유와 같은 유기 물질의 특정 액체^[9] 및 증기에서 편광축의 회전을 관찰했다.^[10]

2. 2. 비오의 연구

장 바티스트 비오는 테레빈유와 같은 유기 물질의 특정 액체^[9] 및 증기에서 편광축의 회전을 관찰하여,^[10] 광학 활성 연구의 기초를 다졌다.

2. 3. 파스퇴르의 공헌

1849년, 루이 파스퇴르는 주석산의 성질에 관한 문제를 해결했다.^[12] 살아있는 것(구체적으로는 와인 리스)에서 파생된 이 화합물의 용액은 이를 통과하는 빛의 편광 평면을 회전시키지만, 화학적 합성에 의해 파생된 주석산은 반응이 동일하고 원소 조성이 동일하더라도 이러한 효과가 없었다. 파스퇴르는 결정이 서로 거울상인 두 개의 비대칭 형태로 나타난다는 것을 알아차렸다. 손으로 결정을 정렬하면 두 가지 형태의 화합물이 얻어졌다. 한 형태의 용액은 편광된 빛을 시계 방향으로 회전시키고, 다른 형태는 빛을 반시계 방향으로 회전시킨다. 두 가지의 동일한 혼합물은 빛에 편광 효과가 없다. 파스퇴르는 문제의 분자가 비대칭적이며 왼손과 오른손 장갑과 유사하게 서로 다른 두 가지 형태로 존재할 수 있으며, 화합물의 유기적 형태는 순수하게 한 종류로 구성되어 있다고 추론했다.

2. 4. 반트 호프와 르 벨의 이론

1874년, 야코부스 헨리퀴스 반트호프^[13]와 조제프 아킬르 르 벨^[14]은 독립적으로 탄소 화합물의 광학 활성 현상은 탄소 원자와 이웃 사이의 4개의 포화된 화학 결합이 정사면체의 모서리를 향한다고 가정함으로써 설명될 수 있다고 제안했다. 만약 4개의 이웃 원자들이 모두 다르다면, 정사면체 주위에 이웃 원자들을 배열하는 두 가지 가능한 순서가 존재하며, 이 두 가지는 서로 거울상이 된다. 이들의 연구는 분자의 3차원적 특성에 대한 이해를 크게 발전시켰다.

2. 5. 20세기 이후의 발전

1945년, 찰스 윌리엄 번^[15]은 파동의 전파 방향과 비대칭 구조가 거울상과는 다른 실험적 배열을 형성하는 비대칭 구조에서 광학 활성이 나타날 수 있다고 예측했다. 이러한 외생 키랄성에 의한 광학 활성은 1960년대에 액정에서 관찰되었다.^[16]^[17]

1950년, 세르게이 바빌로프^[18]는 빛의 강도에 따라 광학 활성이 달라질 수 있다고 예측했으며, 1979년 요오드산 리튬 결정에서 비선형 광학 활성 효과가 관찰되었다.^[19]

일반적으로 광학 활성은 투과광에서 관찰되지만, 1988년 M. P. 실버만은 키랄 물질에서 반사된 빛에서도 편광 회전이 발생할 수 있음을 발견했다.^[20] 이후 키랄 매질은 왼쪽 및 오른쪽 원형 편광된 파동을 서로 다른 효율로 반사할 수 있다는 것이 관찰되었다.^[21] 이러한 거울상 원형 이중 굴절 및 거울상 원형 이색성 현상은 함께 거울상 광학 활성으로 알려져 있다. 천연 물질에서 거울상 광학 활성은 매우 약하다.

1898년 자가디시 찬드라 보스는 꼬인 인공 구조물이 마이크로파의 편광을 회전시키는 능력을 설명했다.^[22] 21세기 초부터 인공 물질 개발을 통해 광학 스펙트럼에서 천연 매질보다 수십 배 큰 광학 활성을 가진 키랄 메타물질이 예측^[23] 및 실현^[24]^[25]되었다. 이중 회전 대칭이 없는 메타표면의 사선 조명과 관련된 외생 키랄성은 투과^[26] 및 반사^[27]에서 큰 선형 광학 활성을 유발하고, 요오드산 리튬보다 3천만 배 큰 비선형 광학 활성을 유발하는 것으로 관찰되었다.^[28]

3. 원리

광학 활성은 키랄 분자로 구성된 물질이 편광된 빛의 편광면을 회전시키는 현상이다. 이러한 광학 활성은 원형 복굴절이라는 현상으로 설명된다.

오귀스탱 장 프레넬은 광학 회전이 일종의 이중 굴절로 설명될 수 있다는 것을 발견했다. 일반적인 이중 굴절은 서로 다른 두 개의 수직 평면으로 편광된 빛이 물질 내에서 서로 다른 속도로 진행하면서 발생하지만, 광학 회전은 오른쪽과 왼쪽 원형 편광된 빛의 속도 차이 때문에 발생한다.^[11]

물질 내에서 빛의 위상 속도는 굴절률 ''n''으로 표현된다. 굴절률은 진공에서의 빛의 속도를 물질 내에서의 빛의 속도로 나눈 값이다. 원형 복굴절은 두 원형 편광, 즉 우원 편광과 좌원 편광 간의 굴절률 차이( $\Delta n=n_{RHC}-n_{LHC} \,$ )로 정량화된다. 여기서 $n_{RHC}$ 는 우원 편광의 굴절률, $n_{LHC}$ 는 좌원 편광의 굴절률이다.

선형 편광된 빛은 좌원 편광과 우원 편광의 중첩으로 표현할 수 있다. 이 두 원형 편광 성분의 위상차에 따라 선형 편광의 방향이 결정된다. 광학 활성 물질을 통과하면 두 원형 편광의 굴절률 차이로 인해 추가적인 위상차( $2\Delta \theta$ )가 발생하고, 이는 결국 선형 편광면을 $\Delta \theta$ 만큼 회전시킨다.

광학 활성 물질의 길이 ''L''을 통과할 때 발생하는 위상차 $2\Delta \theta$ 는 다음 식으로 주어진다.

: $2\Delta \theta=\frac{\Delta n L2\pi}{\lambda}$

여기서 $\lambda$ 는 빛의 파장(진공)이다.

굴절률은 빛의 파장에 따라 달라지며(분산 참조), 굴절률 차이 $\Delta n$ 역시 파장에 따라 달라진다. 이러한 파장에 따른 회전 변화를 광학 회전 분산(ORD)이라고 한다. ORD 스펙트럼과 원형 이색성 스펙트럼은 크라머스-크로니히 관계를 통해 서로 연관되어 있다.

결론적으로, 편광면의 회전 정도는 빛의 색상(파장), 물질을 통과하는 경로 길이 ''L'', 그리고 물질의 원형 복굴절( $\Delta n$ )에 비례한다.

3. 1. 원형 복굴절

광학 활성은 좌우 원편광된 빛이 물질 내에서 서로 다른 속도로 진행하면서 발생하는 현상이다. 오귀스탱 장 프레넬은 광학 회전이 일종의 이중 굴절로 설명될 수 있다는 것을 발견했다. 이전의 이중 굴절 사례가 두 수직 평면에서 편광된 빛의 서로 다른 속도 때문이었던 반면, 광학 회전은 오른쪽 및 왼쪽 원형 편광된 빛의 서로 다른 속도 때문이었다.^[11]

매질에서 빛의 위상 속도는 일반적으로 굴절률 ''n''을 사용하여 표현되며, 이는 빛의 속도(자유 공간)를 매질에서의 속도로 나눈 값으로 정의된다. 두 원형 편광 간의 굴절률의 차이는 원형 복굴절(편광 회전)의 강도를 정량화한다.

:

\Delta n=n_{RHC}-n_{LHC} \,

.

여기서

n_{RHC}

는 우원 편광의 굴절률,

n_{LHC}

는 좌원 편광의 굴절률이다.

자연 물질에서

\Delta n

은 작지만, 카이랄 메타 물질에 대해 하나의 원형 편광에 음의 굴절률을 초래하는 거대 원형 복굴절의 예가 보고되었다.^[30]^[31]

일반적으로 굴절률은 파장에 따라 달라지며(분산 참조), 차등 굴절률

\Delta n

도 파장에 따라 달라진다. 빛의 파장에 따른 회전의 이러한 변화를 광학 회전 분산(ORD)이라고 한다. ORD 스펙트럼과 원형 이색성 스펙트럼은 크라머스-크로니히 관계를 통해 관련된다. 하나의 스펙트럼에 대한 완전한 지식을 통해 다른 스펙트럼을 계산할 수 있다.

따라서 회전 정도는 빛의 색상(약 589 nm 파장 부근의 노란색 나트륨 D 선이 일반적으로 측정을 위해 사용됨)에 따라 달라지며, 물질을 통과하는 경로 길이

L

과 물질의 원형 복굴절

\Delta n

의 양에 정비례한다. 이는 용액의 경우 물질의 비선광도와 용액에서의 농도에서 계산될 수 있다.

광학 활성은 복굴절의 일종이다. 직선 편광^[33]은 우원 편광(RHC, 이 페이지에서는 우원 편광에 속하는 물리량에 아래첨자 또는 위첨자로

\,+

을 둔다)과 좌원 편광(LHC, 이 페이지에서는 좌원 편광에 속하는 물리량에 아래첨자 또는 위첨자로

\,-

을 둔다)의 합^[34]으로 표시된다.

:

\vec{E}_{\theta_0} = \vec{E}_+ + e^{i2\theta_0}\vec{E}_-

여기서

\vec{E}

는 빛의 전기장 벡터^[35],

\,\theta_0

는 xy 평면 내에 전기장 벡터가 존재하도록 서로 직교하는 x축, y축, z축을 두었을 때 x축을 시선으로 하는 전기장 벡터가 이루는 각도이다. 이때, 좌우 원편광의 좌우 굴절률을

n_-,\,n_+

로 하여 좌우 빛의 전기장의 x성분

E_x^-,\,E_x^+

, y성분

E_y^-,\,E_y^+

는 다음과 같다.

:

\begin{align}E_x^- &= E_0\cos{(\omega t-k_0n_- \mathrm{z})} \\E_x^+ &= E_0\cos{(\omega t-k_0n_+ \mathrm{z})} \\E_y^- &= - E_0\sin{(\omega t-k_0n_- \mathrm{z})} \\E_y^+ &= E_0\sin{(\omega t-k_0n_+ \mathrm{z})}\end{align}

로 나타낼 수 있으므로, 합성 전기장의 x성분

\,E_x

, y성분

\,E_y

는 다음과 같다.

:

\begin{align}E_x &= 2E_0\cos{\left( \frac{k_0(n_--n_+)}{2}z \right)}\cos\left({\omega t- \frac{k_0(n_++n_-)}{2}z }\right) \\E_y &= 2E_0\sin{\left( \frac{k_0(n_--n_+)}{2}z \right)}\cos\left({\omega t-\frac{k_0(n_++n_-)}{2}z}\right)\end{align}

두 원편광의 위상차

\,2\theta_0

에서 직선 편광의 방향은

\,\theta_0

가 된다.^[36]^[37] 광학 활성 물질 내에서는 두 원편광의 굴절률이 다르며, 이 차이가 광학 활성의 강도로 나타난다.

:

\,\Delta n = n_+ - n_-

굴절률의 차이는 물질 고유의 것이며, 용액의 경우 비선광도로 정의된다. 거리 ''L''의 물질을 통과한 후, 두 편광의 위상차는 다음과 같다.

:

2\Delta \theta = \frac{\Delta n L2\pi}{\lambda}

여기서

\,\lambda

는 진공에서의 빛의 파장이다. 결국, 편광은 각도

\,\theta_0 + \Delta \theta

만큼 회전한다.

3. 2. 편광 회전

선형 편광된 빛의 방향 회전은 1811년 프랑스 물리학자 프랑수아 아라고에 의해 석영에서 처음 관찰되었다.^[7] 1820년, 영국 천문학자 존 F.W. 허셜 경은 결정 구조가 서로 거울상인 서로 다른 개별 석영 결정이 선형 편광을 같은 양으로 회전시키지만 반대 방향으로 회전시킨다는 것을 발견했다.^[8] 장 바티스트 비오는 테레빈유와 같은 유기 물질의 특정 액체^[9] 및 증기에서 편광축의 회전을 관찰했다.^[10] 1822년, 오귀스탱 장 프레넬은 광학 회전이 일종의 이중 굴절로 설명될 수 있다는 것을 발견했다. 이전의 이중 굴절 사례가 두 수직 평면에서 편광된 빛의 서로 다른 속도 때문이었던 반면, 광학 회전은 오른쪽 및 왼쪽 원형 편광된 빛의 서로 다른 속도 때문이었다.^[11]

광학 활성 매질에서의 편광 회전은 근본적으로 원형 복굴절에 의해 발생한다. 선형 복굴절이 결정에서 서로 다른 두 선형 편광의 위상 속도의 작은 차이를 포함하는 반면, 원형 복굴절은 오른쪽 및 왼쪽 ''원형 편광'' 간의 속도의 작은 차이를 의미한다.^[11]

매질에서 빛의 위상 속도는 일반적으로 굴절률 ''n''을 사용하여 표현되며, 이는 빛의 속도(자유 공간)를 매질에서의 속도로 나눈 값으로 정의된다. 두 원형 편광 간의 굴절률 차이는 원형 복굴절(편광 회전)의 강도를 정량화한다.

:

\Delta n=n_{RHC}-n_{LHC} \,

.

''선형'' 편광 축의 회전은 선형 편광파가 왼쪽 및 오른쪽 원형 편광파의 중첩으로 동등하게 설명될 수 있다는 이해에 의존한다. 이 두 파동 간의 위상차는

\theta_0

라고 부르는 선형 편광의 방향에 따라 달라지며, 전기장은

2\theta_0

의 상대 위상차를 가지며 이는 선형 편광을 생성하기 위해 더해진다.

:

\mathbf{E}_{\theta_0}=  \frac{\sqrt{2}}{2}  (e^{-i\theta_0}   \mathbf{E}_{RHC}+e^{i\theta_0}\mathbf{E}_{LHC})  \, \, ,

여기서

\mathbf{E}_{\theta_0}

는 순 파동의 전기장이고,

\mathbf{E}_{RHC}

및

\mathbf{E}_{LHC}

는 두 개의 원형 편광된 기저 함수 (위상차가 0)이다.

광학 활성 물질을 통과하면 추가적인 위상차

2\Delta \theta

가 유도된다.

\theta

각도에서 원래 선형 편광된 파동이 이 매질을 통과한 결과는

\Delta\theta

만큼 회전한다.

광학 활성 물질에서 길이 ''L''을 통과하는 경우, 다음 식과 같이

2\Delta \theta

의 추가적인 위상차가 유도된다.

:

2\Delta \theta=\frac{\Delta n L2\pi}{\lambda}

,

여기서

\lambda

는 빛의 파장(진공)이다. 이는 편광의 선형 축을

\Delta \theta

만큼 회전시킨다.

일반적으로 굴절률은 파장에 따라 달라지며(분산 참조), 차등 굴절률

\Delta n

도 파장에 따라 달라진다. 빛의 파장에 따른 회전의 이러한 변화를 광학 회전 분산 (ORD)이라고 한다. ORD 스펙트럼과 원형 이색성 스펙트럼은 크라머스-크로니히 관계를 통해 관련된다. 하나의 스펙트럼에 대한 완전한 지식을 통해 다른 스펙트럼을 계산할 수 있다.

따라서 회전 정도는 빛의 색상(약 589 nm 파장 부근의 노란색 나트륨 D 선이 일반적으로 측정을 위해 사용됨)에 따라 달라지며, 물질을 통과하는 경로 길이

L

과 물질의 원형 복굴절

\Delta n

의 양에 정비례한다.

3. 3. 비선광도

비선광도는 용액의 농도, 온도, 빛의 파장 등에 따라 달라지는 물질 고유의 광학 활성 정도를 나타내는 값이다.^[43] 비선광도는 다음 식으로 정의된다.

:

\,[\alpha]_\lambda^t=\frac{\alpha}{l \cdot c}

$[\alpha]_\lambda^t$ : 비선광도
$\alpha$ : 실측 선광도 (observed optical rotation)
$l$ : 시료 셀의 길이 (dm)
$c$ : 용액의 농도 (g/cm³)
$\lambda$ : 빛의 파장 (nm)
$t$ : 온도 (°C)

비선광도의 차원은 L²/M이며, 단위는 10^-1 deg cm²/g이다. 하지만 실제로는 단위를 생략하고 표기하는 경우가 많다.^[42]

시료 농도를 나타내는

\,c

의 단위로 g/mL 대신 g/dL를 사용하는 경우도 있으며, 이때 비선광도의 식은 다음과 같이 표현된다.

:

\,[\alpha]_\lambda^t=\frac{100\alpha}{l \cdot c'}

$c'$ : 용액의 농도 (g/dL)

시료 셀의 길이를 나타내는

\,l

의 단위로 dm 대신 mm를 사용하는 경우도 있으며, 이때 비선광도의 식은 다음과 같이 표현된다.

:

\,[\alpha]_\lambda^t=\frac{100\alpha}{l' \cdot c}

$l'$ : 시료 셀의 길이 (mm)

시료 셀의 내용물이 순수한 액체인 경우에는 시료의 밀도

\,\rho

(g/cm³)를 사용하여 다음과 같이 나타낸다.

:

\,[\alpha]_\lambda^t=\frac{\alpha}{l \cdot \rho}

비선광도를 기술할 때는 용매의 종류와 농도를 명기해야 한다. 예를 들어, 20°C에서 나트륨 D선(파장 589 nm)을 사용하고, 에탄올 용매, 농도 1.00 g/cm³에서 측정한 비선광도가 +8.00 이라면 다음과 같이 표기한다.^[42]

:

\,[\,\alpha]_D^{20}+8.00(c\,1.00,

에탄올

\,)

다음은 몇 가지 광학 활성체의 비선광도

[\,\alpha]_D^{25}

예시이다. (할로알케인은 순수한 액체 상태, 카르복실산은 수용액에서 측정한 값)^[43]

화합물	비선광도 ( $[\,\alpha]_D^{25}$ )
(-)-2-브로모부탄	-23.1
(+)-2-브로모부탄	+23.1
(+)-2-아미노프로판산((+)-알라닌)	+8.5
(-)-2-히드록시프로판산((-)-젖산)	+3.8

4. 광학 이성질체

화학 및 물리학에서 편광의 광학 회전에서 관찰자의 시점을 기준으로 우회전은 시계 방향 또는 오른쪽 회전을, 좌회전은 시계 반대 방향 또는 왼쪽 회전을 의미한다. 우회전성을 띄는 화합물은 우선성을 가진다고 하며, 좌회전성을 띄는 화합물은 좌선성을 가진다고 한다. 이러한 특성을 가진 화합물은 키랄 분자로 구성되어 있으며 광학 활성을 갖는다.

광학 이성질체의 명명법에는 (+) / (-), d / l, D / L, (''R'') / (''S'') 등 다양한 방법이 있다. 이들은 각각 다른 기준과 특징을 가지며, 사용되는 분야도 조금씩 다르다.

'''(+) / (-) 및 d / l 표기법:''' 광학 회전 방향에 따라 (+) 또는 (-) 기호를 사용하며, d와 l은 각각 우회전(dextrorotatory)과 좌회전(levorotatory)을 의미한다. 하지만 d/l 표기법은 현재는 더 이상 사용되지 않는다.
'''D / L 표기법:''' 글리세르알데히드를 기준으로 한 절대 배치에 따라 D 또는 L로 표기하며, 주로 생화학에서 아미노산이나 탄수화물과 같은 유기 화합물의 명명에 사용된다.
'''(''R'') / (''S'') 표기법:''' 칸-인골드-프렐로그 우선순위 규칙에 따라 각 키랄 중심의 절대 배치를 나타내며, 분자 전체가 아닌 특정 부분의 입체화학을 나타낼 때 유용하다.

4. 1. 키랄성

키랄성은 분자가 거울상과 겹쳐지지 않는 성질을 의미하며, 광학 활성의 근본적인 원인이다.^[6] 유기 화학 또는 무기 화학 분야에서 생성된 카이랄 분자는 카이랄 시약을 동일한 반응에 사용하지 않는 한 라세미체이다. 분자의 구조는 거울상과 동일하지 않도록 되어 있으며, 나선과 같이 카이랄성을 띤다. 거울에 비친 사람은 심장이 오른쪽에 있는 것과 같이 카이랄성의 명백한 증거를 보여준다.^[12]

1849년, 루이 파스퇴르는 주석산의 본질에 관한 문제를 해결했다.^[12] 살아있는 것(구체적으로는 와인 리스)에서 파생된 이 화합물의 용액은 이를 통과하는 빛의 편광 평면을 회전시키지만, 화학적 합성에 의해 파생된 주석산은 반응이 동일하고 원소 조성이 동일하더라도 이러한 효과가 없다. 파스퇴르는 결정이 서로 거울상인 두 개의 비대칭 형태로 나타난다는 것을 알아차렸다. 손으로 결정을 정렬하면 두 가지 형태의 화합물이 얻어졌다. 한 형태의 용액은 편광된 빛을 시계 방향으로 회전시키고, 다른 형태는 빛을 반시계 방향으로 회전시킨다. 두 가지의 동일한 혼합물은 빛에 편광 효과가 없다. 파스퇴르는 문제의 분자가 비대칭적이며 왼손과 오른손 장갑과 유사하게 서로 다른 두 가지 형태로 존재할 수 있으며, 화합물의 유기적 형태는 순수하게 한 종류로 구성되어 있다고 추론했다.

1874년, 야코부스 헨리퀴스 반트호프^[13]와 조제프 아킬르 르 벨^[14]은 독립적으로 탄소 화합물의 광학 활성 현상은 탄소 원자와 이웃 사이의 4개의 포화된 화학 결합이 정사면체의 모서리를 향한다고 가정함으로써 설명될 수 있다고 제안했다.

4. 2. 광학 이성질체의 명명법

화학에서 편광의 광학 회전에서 관찰자의 시점을 기준으로 우회전은 시계 방향 또는 오른쪽 회전을, 좌회전은 시계 반대 방향 또는 왼쪽 회전을 의미한다. 우회전성을 띄는 화합물은 우선성을 가진다고 하며, 좌회전성을 띄는 화합물은 좌선성을 가진다고 한다. 이러한 특성을 가진 화합물은 키랄 분자로 구성되어 있으며 광학 활성을 갖는다.

광학 이성질체의 명명법에는 (+) / (-), d / l, D / L, (''R'') / (''S'') 등 다양한 방법이 있다. 이들은 각각 다른 기준과 특징을 가지며, 사용되는 분야도 조금씩 다르다.

'''(+) / (-) 및 d / l 표기법:''' 광학 회전 방향에 따라 (+) 또는 (-) 기호를 사용하며, d와 l은 각각 우회전(dextrorotatory)과 좌회전(levorotatory)을 의미한다. 하지만 d/l 표기법은 현재는 더 이상 사용되지 않는다.
'''D / L 표기법:''' 글리세르알데히드를 기준으로 한 절대 배치에 따라 D 또는 L로 표기하며, 주로 생화학에서 아미노산이나 탄수화물과 같은 유기 화합물의 명명에 사용된다.
'''(''R'') / (''S'') 표기법:''' 칸-인골드-프렐로그 우선순위 규칙에 따라 각 키랄 중심의 절대 배치를 나타내며, 분자 전체가 아닌 특정 부분의 입체화학을 나타낼 때 유용하다.

4. 2. 1. (+) / (-) 및 d / l 표기법

화합물은 "'''(+)'''" 또는 "'''d'''" 접두사를 사용하여 우선성(우회전)으로 표시할 수 있다. 마찬가지로, 좌선성(좌회전) 화합물은 "'''(−)'''" 또는 "'''l'''" 접두사를 사용하여 표시할 수 있다. 소문자 "''d''-" 및 "''l''-" 접두사는 더 이상 사용되지 않으며, 생화학에서 키랄 유기 화합물의 에난티오머(거울상 이성질체)를 지정하는 데 사용되는 D- 및 L- 접두사와는 다르다. D- 및 L- 접두사는 (+)-글리세르알데히드에 대한 화합물의 절대 배치를 기준으로 하며, 절대 배치를 나타내는 데 사용되는 접두사는 동일한 분자의 광학 회전을 나타내는 데 사용되는 (+) 또는 (−) 접두사와 직접적인 관련이 없다. 예를 들어, 단백질에서 자연적으로 발생하는 19개의 L-아미노산 중 9개는 L- 접두어에도 불구하고 실제로 우선성(우회전, 파장 589 nm에서)이며, D-과당은 좌회전성이기 때문에 "레불로스"라고도 한다.^[6]

4. 2. 2. D / L 표기법

D/L 표기법은 생화학에서 키랄 유기 화합물의 거울상 이성질체를 지정하는 데 사용되며, (+)-글리세르알데히드에 대한 화합물의 절대 배치를 기준으로 한다.^[6] D-글리세르알데히드는 우회전성을 나타낸다. 절대 배치를 나타내는 D/L 접두사는 광학 회전을 나타내는 (+) 또는 (−) 접두사와 직접적인 관련이 없다.^[6] 예를 들어, 단백질에서 자연적으로 발생하는 19개의 L-아미노산 중 9개는 L- 접두어에도 불구하고 실제로 우회전성(파장 589 nm에서)이며, D-과당은 좌회전성이기 때문에 "레불로스"라고도 한다.^[6]

4. 2. 3. R / S 표기법

칸-인골드-프렐로그 우선순위 규칙의 (''R'')- 및 (''S'')- 접두사는 분자 전체의 특성이 아닌, 분자의 각 특정 키랄 입체 중심의 절대 배치를 나타낸다.^[6] 비대칭 탄소 원자와 같이 정확히 하나의 키랄 입체 중심을 갖는 분자는 (''R'') 또는 (''S'')로 표시할 수 있지만, 여러 개의 입체 중심을 갖는 분자는 둘 이상의 표시가 필요하다. 예를 들어, 필수 아미노산 L-트레오닌은 두 개의 키랄 입체 중심을 포함하며 (2''S'',3''S'')-트레오닌으로 표기한다.

R/S, D/L 및 (+)/(−) 지정 사이에는 엄격한 관계가 없지만, 일부 상관관계는 존재한다.^[6] 예를 들어, 자연적으로 발생하는 아미노산은 모두 L이고, 대부분은 (''S'')이다. 일부 분자의 경우 (''R'')-거울상 이성질체가 오른 회전성(+) 거울상 이성질체이고, 다른 경우에는 왼 회전성(−) 거울상 이성질체이다. 이 관계는 실험적 측정이나 상세한 컴퓨터 모델링을 통해 사례별로 결정해야 한다.^[6]

5. 라세미 혼합물

거울상 이성질체는 평면 편광을 같은 크기만큼 반대 방향으로 회전시킨다. 따라서 1:1의 거울상 이성질체 혼합물은 선광성을 나타내지 않으므로 광학 불활성이라고 할 수 있다. 이러한 등량 혼합물을 '''라세미체''' 또는 '''라세미 혼합물'''이라고 한다.

과거에는 개별 결정이 어느 한쪽의 거울상 이성질체로 이루어진 라세미체의 결정(현재는 '''콩글로머레이트'''라고 부름)을 "라세미 혼합물"이라고 불렀지만, 현재는 "라세미 혼합물"은 "라세미체"와 같은 의미로 사용된다. 또한, 개별 결정이 등몰의 거울상 이성질체 쌍의 분자 화합물로 이루어진 라세미체의 결정을 콩글로머레이트와 구별하여 '''라세미 화합물'''이라고 부른다.

5. 1. 라세미화

거울상 이성질체는 평면 편광을 같은 크기만큼 반대 방향으로 회전시킨다. 한쪽의 거울상 이성질체가 다른 쪽의 거울상 이성질체로 변화하면서 평형에 도달하는 과정을 '''라세미화'''(racemization)라고 한다. 예를 들어, (+)-알라닌과 같은 광학 활성산은 화석 속에서 3급 C-H 결합이 해리됨으로써 매우 서서히 라세미화되어, 그 결과 광학 활성이 감소하는 것으로 알려져 있다.

6. 광학 순도

'''광학 순도'''란, 부호는 상관없이 순수한 에난티오머에 비해 그 광학 활성체가 어느 정도의 비선광도를 나타내는지를 퍼센티지로 나타낸 수치이다.

에난티오머의 등량 혼합물은 광학적으로 비활성이라는 것은 라세미체 항목에서 언급했다. 에난티오머의 혼합물이라도 서로의 양이 다를 경우에 한해서 광학 활성이 관찰된다. 따라서 비선광도를 알고 있다면, 실측 선광도로부터 혼합물의 조성을 구할 수 있다. 예를 들어, 어떤 화석에서 추출한 $\,(+)$ -알라닌 용액이 순수한 에난티오머의 절반의 비선광도만 나타냈다고 하면, 그 시료의 50%는 순수한 우선성 에난티오머이고, 나머지 50%는 라세미체라고 판단할 수 있다. 라세미체는 에난티오머가 같은 양으로 섞여 있는 것이므로, (＋) 이성체가 75%, (－) 이성체가 25%의 비율임을 알 수 있다.

이때, 광학 활성을 나타내는 에난티오머의 비율을 '''거울상 과잉률(enantiomer excess)'''이라고 한다.

6. 1. 거울상 과잉률 (ee)

거울상 이성질체 혼합물에서 한쪽 거울상 이성질체가 다른 쪽보다 얼마나 더 많이 존재하는지를 나타내는 값을 거울상 과잉률(enantiomer excess, ee)이라고 한다. 예를 들어, 어떤 화석에서 추출한 (+)-알라닌 용액이 순수한 거울상 이성질체의 절반에 해당하는 비선광도를 나타냈다면, 그 시료의 50%는 순수한 우선성 거울상 이성질체이고 나머지 50%는 라세미체라고 판단할 수 있다. 라세미체는 거울상 이성질체가 같은 양으로 섞여 있는 것이므로, (+) 이성질체가 75%, (-) 이성질체가 25%의 비율로 존재함을 알 수 있다. 이때 거울상 과잉률은 50%이다.

25%의 (-)체는 같은 양의 (+)체에 의한 선광을 상쇄하므로, 이 혼합물은 50%(75%-25%)의 광학 순도로 표현된다.

7. 측정

광학 활성은 '''선광계'''(polarimeter|폴라리미터^영어)를 사용하여 측정한다. 선광계는 광원, 편광자, 시료 셀, 검광자로 구성된다.^[38] 빛은 모든 방향으로 진동하는 파동이므로, 광학 활성 여부나 회전 정도를 파악하기 어렵다. 따라서 빛을 편광자(필터)에 통과시켜 특정 면에서 진동하는 빛만 남긴다. 이를 평면 편광이라고 한다. 평면 편광은 광학 활성 물질이 담긴 시료 셀을 통과하면서 회전하는데, 이는 바람에 의해 풍차 날개가 돌아가는 것과 유사하다. 시료 셀을 통과한 빛은 검광자에 부딪히며, 검광자를 통과하는 빛의 강도를 측정하여 선광도를 파악한다. 검광자는 회전하는 필터 역할을 하며, 이를 통과한 빛의 강도가 가장 높았을 때 검광자의 기울기를 측정하면 빛이 얼마나 회전했는지 알 수 있다.^[38]

8. 응용

자기장 중의 모든 분자는 광학 활성을 갖는다. 어떤 물질을 통과하는 빛의 방향으로 정렬된 자기장은 직선 편광의 편광면을 회전시키는데, 이를 패러데이 효과라고 한다. 이는 빛과 전자기장의 영향을 연결하는 최초의 발견 중 하나이다.

광학 활성과 원편광은 종종 혼동되기도 한다. 원편광은 직선 편광이 전파됨에 따라 회전하는 것으로 표현되곤 하는데, 이 개념에서는 편광이 파장에 해당하는 길이(약 1um)만큼 진행했을 때 정확히 한 바퀴 회전하며, 이는 진공에서도 일어날 수 있다. 반면, 선광은 물질 내에서만 나타나는 현상으로, 물질에 따라 다르지만 대개 1mm에서 수 미터의 길이를 진행해야 한 바퀴 회전한다.

8. 1. 화학 분석

용액 내 순수 물질의 경우, 색상과 통과 길이가 고정되어 있고 비선광도가 알려져 있다면, 관찰된 회전을 사용하여 농도를 계산할 수 있다. 이러한 사용법은 편광계를 대량의 설탕 시럽을 거래하거나 사용하는 사람들에게 매우 중요한 도구로 만든다.

광학 순도란, 부호는 상관없이 순수한 에난티오머에 비해 그 광학 활성체가 어느 정도의 비선광도를 나타내는지를 퍼센티지로 나타낸 수치이다.

에난티오머의 등량 혼합물은 광학적으로 비활성이다. 에난티오머의 혼합물이라도 서로의 양이 다를 경우에 한해서 광학 활성이 관찰된다. 따라서 비선광도를 알고 있다면, 실측 선광도로부터 혼합물의 조성을 구할 수 있다. 예를 들어, 어떤 화석에서 추출한

\,(+)

-알라닌 용액이 +4.255 (즉, 순수한 에난티오머의 절반의 비선광도)만 나타냈다고 하면, 그 시료의 50%는 순수한 우선성 에난티오머이고, 나머지 50%는 라세미체라고 판단할 수 있다. 라세미체라는 것은, 그 부분에는 에난티오머가 같은 양으로 섞여 있다는 것이므로, (＋) 이성체가 75%, (－) 이성체가 25%의 비율임을 알 수 있다.

이때, 광학 활성을 나타내는 에난티오머의 비율을 '''에난티오머 과잉률'''(enantiomer excess)이라고 한다. 이 경우, 에난티오머 과잉률은 50%이다.

25%의 (－)체는 같은 양의 (＋)체에 의한 선광을 상쇄하므로, 이 혼합물은 50% (즉, 75%-25%)의 ''광학 순도''로 표현된다.

화학에서는 광학 활성 화합물을 비대칭 합성했을 때 얻어진 생성물의 광학 순도를 결정하기 위한 방법 중 하나로 사용된다.

8. 2. 제약 산업

의약품 개발 과정에서 광학 활성은 약물의 효능 및 안전성과 밀접한 관련이 있으므로, 광학 이성질체의 분리 및 분석이 필수적이다. 화학에서는 광학 활성 화합물을 비대칭 합성했을 때 얻어진 생성물의 광학 순도를 결정하기 위한 방법 중 하나로 사용된다.^[1]

8. 3. 재료 과학

광학 활성은 재료 과학 분야에서 키랄 물질을 이용한 새로운 광학 소자 개발, 광학 활성 물질을 이용한 센서 개발 등에 활용된다.^[1]

9. 패러데이 효과와의 비교

빛의 편광면 회전은 정적 자기장과 관련된 패러데이 효과를 통해서도 발생할 수 있지만, 이는 "광학 활성"으로 분류되지 않는 별개의 현상이다.^[1] 광학 활성은 상호적이어서, 광학 활성 매질을 통한 파동 전파의 반대 방향에 대해 동일하다. 예를 들어 관찰자 입장에서 시계 방향의 편광 회전이 있다면, 광학 활성 등방성 매질의 경우 회전은 파동 전파의 모든 방향에 대해 동일하다. 반대로 패러데이 효과는 비상호적이다. 즉, 패러데이 매질을 통한 파동 전파의 반대 방향은 관찰자 입장에서 시계 방향 및 반시계 방향의 편광 회전을 초래한다.^[1] 패러데이 회전은 인가된 자기장의 방향에 대한 전파 방향에 따라 달라진다.^[1]

자기장 속에서는 모든 분자가 광학 활성을 갖는다. 어떤 물질을 통과하는 빛의 방향으로 자기장이 있으면 직선 편광의 편광면이 회전한다. 이것은 패러데이 효과라고 불리며, 빛과 전자기장의 영향을 연관시키는 최초의 발견 중 하나이다.^[3]

10. 한국의 광학 활성 연구

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참조

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