기하 이성질체
"오늘의AI위키"의 AI를 통해 더욱 풍부하고 폭넓은 지식 경험을 누리세요.
1. 개요
기하 이성질체는 분자 내 원자 또는 치환기의 공간적 배열이 달라 발생하는 입체 이성질체의 한 종류이다. 탄소 이중 결합이나 고리 구조를 가진 유기 화합물에서 주로 나타나며, 치환기의 상대적 위치에 따라 시스(cis)와 트랜스(trans) 이성질체로 구분된다. 시스 이성질체는 치환기가 같은 방향을, 트랜스 이성질체는 반대 방향을 향한다. 이중 결합에 두 개 이상의 치환기가 있는 경우에는 E/Z 표기법을 사용한다. 무기화학에서는 배위 착물에서 리간드의 상대적 위치에 따라 시스-트랜스 이성질체가 나타나며, 특히 시스플라틴과 트랜스플라틴처럼 약효의 차이를 보이기도 한다.
더 읽어볼만한 페이지
- 이성질체 - 구조 이성질체
구조 이성질체는 동일한 분자식을 가지면서 원자 연결 방식이 달라 골격, 작용기, 또는 동위 원소의 위치에 따라 다양한 화학적, 물리적 특성을 나타내는 화합물이다. - 이성질체 - 입체 이성질체
입체 이성질체는 분자 내 원자들의 연결은 같지만 3차원 배열이 달라 물리적, 화학적 성질이 다른 이성질체로, 거울상 이성질체, 부분 입체 이성질체(시스-트랜스, E-Z, 메조 화합물 포함), 배좌 이성질체, 아노머, 아트롭 이성질체 등 다양한 종류가 있다. - 입체화학 - 배위수
배위수는 중심 원자에 직접 결합한 이웃 원자의 총 개수를 의미하는 개념으로, 배위 화합물의 성질과 원자 배열을 이해하는 데 중요하며, 결정 구조나 리간드 종류에 따라 다양한 값을 가지고 실험적 방법이나 계산 화학을 통해 결정될 수 있다. - 입체화학 - 카이랄성
카이랄성은 거울상과 겹쳐지지 않는 성질로, 물리학, 화학, 수학, 생물학 등 다양한 분야에서 분자, 결정, 도형 등에서 관찰되며, 특히 화학에서는 거울상 이성질체 관계, 생물학에서는 특정 분자의 생명체 내 흔한 발견, 의약품 개발에서 약효 개선 및 부작용 감소 연구와 관련된다.
| 기하 이성질체 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 유형 | 입체 이성질체의 한 종류 |
| 특징 | 분자식이 같지만 공간 배치가 다른 이성질체 쌍 |
| 조건 | 분자 내 회전 불가능한 부분 존재 (예: 이중 결합, 고리 구조) |
| 명칭 유래 | "시스(cis, 라틴어: 같은 쪽)", "트랜스(trans, 라틴어: 가로지르는 쪽)"에서 유래 |
| 시스-트랜스 이성질체의 조건 | |
| 조건 1 | 분자 내에 회전 불가능한 부분 (예: 이중 결합, 고리 구조)이 존재해야 함 |
| 조건 2 | 회전 불가능한 부분에 2개 이상의 서로 다른 치환기가 결합되어 있어야 함 |
| 명명법 | |
| 시스(cis) | 지정된 두 원자 또는 작용기가 분자의 같은 쪽에 위치함 |
| 트랜스(trans) | 지정된 두 원자 또는 작용기가 분자의 반대 쪽에 위치함 |
| E-Z 표기법 | 시스-트랜스 표기법의 확장으로, 치환기의 우선순위에 따라 결정됨 |
| E | 우선순위가 높은 두 치환기가 이중 결합의 반대쪽에 위치함 (독일어 "entgegen"에서 유래) |
| Z | 우선순위가 높은 두 치환기가 이중 결합의 같은 쪽에 위치함 (독일어 "zusammen"에서 유래) |
| 예시 | |
 | |
| 시스-2-부텐 | 메틸기 두 개가 이중 결합의 같은 쪽에 위치함 |
| 트랜스-2-부텐 | 메틸기 두 개가 이중 결합의 반대쪽에 위치함 |
| 시클로알케인 | 고리 구조에서 치환기의 상대적인 위치로 시스-트랜스 이성질체 구분 |
| 물리적 성질 | |
| 끓는점 | 일반적으로 시스 이성질체가 트랜스 이성질체보다 끓는점이 높음 (분자 극성 차이) |
| 녹는점 | 일반적으로 트랜스 이성질체가 시스 이성질체보다 녹는점이 높음 (분자 간 결합력 차이) |
| 추가 정보 | |
| 관련 용어 | 이성질체, 입체 이성질체, 구조 이성질체 |
2. 유기화학에서의 시스-트랜스 이성질체
유기화학에서 시스-트랜스 이성질체는 주로 이중 결합 또는 고리 구조를 가진 화합물에서 나타난다. 두 경우 모두 결합의 회전이 제한되거나 방지되기 때문이다.[4]
치환기가 같은 방향을 향하면 그 부분입체 이성질체는 '''시스'''(cis|키스la)라고 부르고, 치환기가 서로 반대 방향을 향하면 '''트랜스'''(trans|트란스la)라고 부른다. 시스-트랜스 이성질체를 나타내는 간단한 탄화수소의 예로는 2-뷰텐이 있다.
지방족 고리화합물에서도 시스-트랜스 이성질체가 존재한다. 고리 구조로 인한 이성질체의 예시로는 1,2-다이클로로사이클로헥세인을 들 수 있다. 고리 평면을 기준으로 두 치환기가 같은 쪽에 있으면 시스, 반대쪽에 있으면 트랜스 이성질체이다.
  |   |
| 트랜스-1,2-다이클로로사이클로헥세인 | 시스-1,2-다이클로로사이클로헥세인 |
이중 결합에 세 개 이상의 다른 치환기가 붙어 시스/트랜스만으로 구별하기 어려운 경우, IUPAC에서는 칸-인골드-프렐로그 순위 규칙에 기반한 '''E/Z 표기법''' 사용을 권장한다. ''Z''는 우선순위가 높은 치환기가 같은 쪽에 있는 경우(독일어 zusammen|추자멘de, 함께), ''E''는 반대쪽에 있는 경우(독일어 entgegen|엔트게겐de, 반대로)를 나타낸다.
탄소-질소(C=N) 또는 질소-질소(N=N) 이중 결합(옥심 등)에서는 시스/트랜스 대신 '''syn/anti''' 표기법을 사용하기도 한다.
고리 화합물에서는 주로 시스/트랜스 표기법을 사용하며(E/Z는 사용하지 않음), 이성질 중심이 여러 개 있는 복잡한 분자의 경우 (''R''), (''S'')의 절대 배치로 표기하는 것이 더 명확할 수 있다.
2. 1. 이중 결합을 가진 화합물
탄소-탄소 이중 결합은 단일 결합과 달리 자유롭게 회전할 수 없기 때문에, 이중 결합에 연결된 치환기의 공간적 배열이 다른 기하 이성질체가 나타날 수 있다.[4] 이중 결합 평면을 기준으로 주요 치환기가 같은 방향을 향하면 '''시스'''(cis|키스la, '같은 쪽'이라는 의미) 이성질체, 반대 방향을 향하면 '''트랜스'''(trans|트란스la, '가로지른'다는 의미) 이성질체라고 부른다. 예를 들어, 탄화수소인 2-뷰텐은 시스-트랜스 이성질체를 가진다. |  |
| 시스-2-펜텐 | 트랜스-2-펜텐 |
 |  |
| 시스-1,2-다이클로로에텐 | 트랜스-1,2-다이클로로에텐 |
'''시스 이성질체'''와 '''트랜스 이성질체'''는 종종 다른 물리적 성질을 나타낸다. 이러한 차이는 주로 분자의 모양이나 전체적인 쌍극자 모멘트의 차이 때문에 발생한다.
- 끓는점: 일반적으로 시스 이성질체가 트랜스 이성질체보다 끓는점이 높다. 이는 시스 이성질체에서 극성 결합의 결합 쌍극자 모멘트가 합쳐져 분자 전체의 극성을 증가시키고, 이로 인해 분자간 쌍극자-쌍극자 힘이 더 강해지기 때문이다. 예를 들어, 1,2-다이클로로에텐의 시스 이성질체는 끓는점이 60.3°C인 반면, 트랜스 이성질체는 쌍극자 모멘트가 상쇄되어 극성이 약하고 끓는점이 47.5°C로 더 낮다.[6][16] 하지만 2-펜텐과 같이 극성이 작은 분자에서는 그 차이가 미미하여 시스는 37°C, 트랜스는 36°C이다.[5][15]
- 녹는점: 일반적으로 트랜스 이성질체가 시스 이성질체보다 녹는점이 높다. 트랜스 이성질체는 분자 구조가 더 대칭적이고 곧기 때문에 고체 상태에서 더 규칙적이고 촘촘하게 쌓일 수 있어 결정 격자를 형성하기 유리하다. 예를 들어, 엘라이드산(트랜스)은 녹는점이 43°C로 실온에서 고체이지만, 올레산(시스)은 녹는점이 13.4°C로 실온에서 액체이다.
- 용해도: 트랜스 이성질체는 일반적으로 시스 이성질체보다 비활성 용매에 대한 용해도가 낮다.[8][17]
- 밀도: 트랜스 이성질체는 시스 이성질체보다 밀도가 낮은 경향이 있다.
- 안정성: 일반적으로 트랜스 이성질체가 시스 이성질체보다 더 안정하다. 이는 시스 이성질체에서 치환기들 사이의 공간적 방해(입체 무리)가 더 크기 때문이다. 따라서 트랜스 이성질체는 더 낮은 연소열을 가지며, 이는 더 높은 열화학적 안정성을 의미한다.[8] Benson의 생성열 그룹 가산성 데이터에 따르면, 시스 이성질체는 약 1.10 kcal/mol의 안정성 불이익을 받는다.
부텐다이오산의 두 이성질체인 말레산(시스)과 푸마르산(트랜스)은 이러한 물리적 성질 차이가 매우 커서 원래 다른 이름으로 불렸다.
| 특성 | 말레산 (시스) | 푸마르산 (트랜스) |
|---|---|---|
| 색상 | 흰색 | 흰색 |
| 녹는점 (°C) | 130 | 286 |
| 물 용해도 (g/L) | 788 | 7 |
| 산 해리 상수, pKa1 | 1.90 | 3.03 |
NMR 분광법으로 측정하는 인접 양성자 간의 결합 상수(3''J''HH) 값에서도 차이가 나타난다. 트랜스 이성질체의 경우 3''J''HH 값이 12-18 Hz (보통 15 Hz) 범위로, 시스 이성질체의 0-12 Hz (보통 8 Hz) 범위보다 크다.[18][9]
안정성 규칙에는 예외가 존재한다. 예를 들어, 1,2-다이플루오로에틸렌(1,2-difluoroethylene), 1,2-다이플루오로다이아젠(FN=NF) 및 일부 다른 할로젠이나 산소로 치환된 에틸렌에서는 시스 이성질체가 트랜스 이성질체보다 더 안정하다.[19][10] 이러한 현상을 '''시스 효과'''(cis effect)라고 부른다.[20][11]
2. 1. 1. E/Z 표기법
하나의 이중 결합에 서로 다른 치환기가 세 개 이상 붙어 있는 경우, 시스/트랜스 표기법만으로는 이성질체를 명확하게 구별하기 어렵다. 이러한 경우에는 E/Z 표기법을 사용해야 한다. E/Z 표기법은 IUPAC에서 권장하는 표준 표기법으로, 모든 경우에 모호함 없이 입체 배치를 나타낼 수 있어 특히 치환기가 세 개 또는 네 개 달린 알켄에 유용하다.
- '''Z'''는 독일어 'zusammen|추자멘de'(함께)에서 유래했으며, 우선순위가 높은 치환기들이 이중 결합 평면을 기준으로 같은 쪽에 있는 배열을 의미한다. 이는 ''시스''와 유사한 개념이다.
- '''E'''는 독일어 'entgegen|엔트게겐de'(반대)에서 유래했으며, 우선순위가 높은 치환기들이 이중 결합 평면을 기준으로 반대쪽에 있는 배열을 의미한다. 이는 ''트랜스''와 유사한 개념이다.
분자의 배열이 E인지 Z인지는 칸-인골드-프렐로그 순위 규칙에 따라 결정된다. 이 규칙에서는 원자 번호가 높은 원자가 더 높은 우선순위를 가진다. 이중 결합을 이루는 각 탄소 원자에 대해, 결합된 두 치환기 중 어느 것이 더 높은 우선순위를 갖는지 결정한다. 만약 우선순위가 높은 두 치환기가 이중 결합을 기준으로 같은 쪽에 있으면 ''Z'' 배열이고, 반대쪽에 있으면 ''E'' 배열이다.
주의할 점은, 시스/트랜스 표기법과 E/Z 표기법은 비교하는 대상 그룹이 다르기 때문에 ''Z''가 항상 ''시스''에 해당하고 ''E''가 항상 ''트랜스''에 해당하는 것은 아니라는 점이다. 예를 들어, ''트랜스''-2-클로로부트-2-엔(부트-2-엔 골격의 두 메틸기(C1, C4)가 서로 ''트랜스'' 위치에 있음)은 E/Z 표기법으로는 (''Z'')-2-클로로부트-2-엔이다. 이는 CIP 규칙에 따라 우선순위를 비교했을 때, 우선순위가 높은 염소(Cl) 원자와 C4 메틸기가 이중 결합의 같은 쪽에 있기 때문이다.
분자의 입체화학이 불확실하거나 여러 이성질체가 섞여 있는 경우, 물결 모양의 단일 결합으로 표시하는 것이 표준적인 방법이다. 과거에는 교차된 이중 결합이 사용되기도 했으나, 현재 IUPAC에서는 일반적인 사용을 권장하지 않는다. 다만, 특정 컴퓨터 소프트웨어에서는 여전히 필요할 수 있다.[12]
2. 2. 고리 화합물
지방족 고리화합물에서도 시스-트랜스 이성질체가 존재한다. 이는 고리 구조로 인해 결합의 회전이 제한되거나 방지되기 때문이다.[4] 고리 화합물에서 치환기가 고리 평면을 기준으로 같은 방향을 향하면 시스(la) 이성질체, 다른 방향을 향하면 트랜스(la) 이성질체라고 부른다.고리 구조로 인한 이성질체의 예시로 1,2-다이클로로사이클로헥세인(en)을 들 수 있다.
| 트랜스-1,2-다이클로로사이클로헥세인 | 시스-1,2-다이클로로사이클로헥세인 |
''시스''–''트랜스'' 이성질체 현상은 유기 화합물뿐만 아니라 무기 화합물, 특히 배위 착물에서도 나타난다. 팔면체 또는 정사각평면 구조를 가진 배위 착물에서, 중심 금속 원자 주위에 결합한 리간드들의 공간적 배치에 따라 이성질체가 구분된다. 비슷한 리간드들이 서로 가까이 인접해 있으면 '''시스(cis) 이성질체''', 서로 반대편에 멀리 떨어져 있으면 '''트랜스(trans) 이성질체'''라고 부른다. 이러한 구조적 차이는 화합물의 물리적, 화학적 성질, 심지어 생물학적 활성에도 영향을 미칠 수 있다.
환상 화합물에서 인접한 탄소가 모두 3급 탄소인 경우, 고리에 붙은 치환기의 방향이 고리 평면에 대해 같은 쪽인지 다른 쪽인지에 따라 ''시스''(''cis''), ''트랜스''(''trans'')를 사용한다. 이때는 ''E'', ''Z'' 표기법은 사용하지 않는다.
포화 축합 환 화합물의 경우에도 마찬가지로, 고리 평면에 대해 치환기가 같은 쪽인지 다른 쪽인지에 따라 ''시스'', ''트랜스''를 사용하며, ''E'', ''Z'' 표기법은 사용하지 않는다.
고리에 기하 이성질 중심이 여러 개 있어 구조가 복잡한 경우에는 ''시스'', ''트랜스'' 표기보다는 (''R''), (''S'')의 절대 배치로 표기하는 것이 더 명확하고 적절하다.
3. 무기화학에서의 시스-트랜스 이성질체
3. 1. 배위 착물
팔면체 또는 정사각평면 구조를 가진 무기 배위 착물에서도 기하 이성질 현상이 나타난다. 비슷한 리간드가 서로 가까이 있으면 '''시스(cis) 이성질체''', 서로 멀리 떨어져 있으면 '''트랜스(trans) 이성질체'''라고 한다.
예를 들어, 정사각평면 구조의 Pt(NH3)2Cl2에는 두 가지 이성질체가 존재하는데, 이는 1893년 알프레트 베르너가 처음 설명했다. ''시스'' 이성질체인 시스-디아민디클로로플라티넘(II)는 1969년 바넷 로젠버그에 의해 항암 효과가 발견되어 현재 시스플라틴이라는 이름의 화학요법 약물로 널리 사용된다. 반면, ''트랜스'' 이성질체인 트랜스플라틴은 항암 효과가 거의 없다. 각 이성질체는 합성과정에서 트랜스 효과를 이용하여 선택적으로 만들 수 있다.
화학식 MX4Y2 형태의 팔면체 착물에서도 두 가지 이성질체가 존재한다. (여기서 M은 중심 금속 원자, X와 Y는 서로 다른 종류의 리간드이다.) ''시스'' 이성질체에서는 두 개의 Y 리간드가 서로 90° 각도로 인접해 있다. 예를 들어 ''시스''-[Co(NH3)4Cl2]+ 착물(왼쪽 그림의 녹색 염소 원자)이 이에 해당한다. 반면, ''트랜스'' 이성질체에서는 두 개의 Y 리간드가 중심 금속 원자를 기준으로 서로 반대편(180°)에 위치한다(오른쪽 그림 참고).
또한, 팔면체 MX3Y3 착물에서는 안면–자오선 (fac–mer) 이성질체라는 또 다른 종류의 기하 이성질체가 존재한다. 이는 3개의 동일한 리간드가 팔면체의 한 면(face)을 차지하는지(fac), 아니면 중심 금속을 포함하는 평면(meridian) 주위에 배열되는지(mer)에 따라 구분된다.
3. 2. 다이아젠
다이아젠 및 관련 다이포스핀 화합물은 ''시스''–''트랜스'' 이성질 현상을 나타낼 수 있다. 일반적으로 유기 화합물에서와 같이 ''시스'' 이성질체가 ''트랜스'' 이성질체보다 반응성이 더 크다. ''시스'' 이성질체는 구조적으로 알켄과 알킨을 알칸으로 환원시키기에 적합한 형태를 가지고 있어 반응성이 더 크다. 반면 ''트랜스'' 이성질체는 수소를 적절히 배열하기 어려운 구조를 가져 알켄 환원에 참여하기 어렵다.
| 트랜스-다이아젠 | 시스-다이아젠 |
|---|---|
  |   |
탄소-질소 또는 질소-질소 이중 결합을 포함하는 화합물(옥심 등)의 기하 이성질체를 나타낼 때는 ''시스'' 와 ''트랜스'' 대신 ''syn''과 ''anti'' 표기법을 사용하기도 한다.
4. 시스-트랜스 이성질체의 중요성 (대한민국 관점)
(말레 산)
(푸마르 산)
