피라노스
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1. 개요
피라노스는 6원자 고리 구조를 갖는 당의 일종으로, 주로 육탄당이 수용액 상태에서 형성하는 형태이다. 헤르만 에밀 피셔는 D-알도헥소스의 구조 연구로 노벨 화학상을 수상했지만, 피셔가 제안한 선형 구조는 수용액에서 소량 존재하며, 월터 하워드 연구진은 피라노스 구조를 밝혀냈다. 피라노스 고리는 당의 5번 탄소와 1번 탄소의 반응으로 형성되며, 다양한 입체구조를 가질 수 있다. 핵자기공명 분광학을 통해 피라노스 고리의 입체배치를 확인할 수 있으며, 글루코피라노스 등이 주요 피라노스에 속한다.
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피라노스 | |
---|---|
기본 정보 | |
![]() | |
분류 | 단당류, 탄수화물 |
화학식 | C5H10O5 |
분자량 | 150.13 g/mol |
IUPAC 명칭 | 2-(하이드록시메틸)옥산-3,4,5-트라이올 |
PubChem CID | 108324 |
SMILES | C([C@@H]1[C@@H]([C@@H]([C@H](O1)O)O)O)O |
InChI | InChI=1S/C6H12O6/c7-1-2-3(8)4(9)5(10)6(12-2)11/h2-5,7-11H,1H2/t2-,3-,4+,5-/m1/s1 |
특징 | |
구조 | 6원자 고리 (5개의 탄소 원자와 1개의 산소 원자로 구성) |
관련 화합물 | 푸라노스 (5원자 고리 당) |
이성질체 | 알파 피라노스 베타 피라노스 |
용해도 | 물에 용해됨 |
기타 정보 | |
발견 | 탄수화물 화학 |
중요성 | 자연에서 널리 발견됨 에너지원 생체 분자의 구성 요소 |
용도 | 식품 산업 제약 산업 화학 산업 |
2. 역사
헤르만 에밀 피셔는 D-알도헥소스의 구조를 결정하는 연구로 1902년 노벨 화학상을 수상했다.[8] 그러나 피셔가 제안한 선형 구조는 헥소스가 용액에서 채택하는 형태의 극히 일부만을 나타낸다. 월터 하워스 연구 그룹의 에드먼드 허스트와 클리포드 퍼브스는 헥소스가 우선적으로 6원자 고리 구조인 피라노스를 형성한다는 것을 밝혀냈다. 하워스는 하워스 투영식으로 피라노스 고리를 평면 육각형으로 나타냈다.[10]
1926년 스폰슬러와 도어는 6원환에 대한 삭세의 수학적 방법을 셀룰로스의 X선 구조에 적용할 수 있다는 것을 알아냈다.[10] 이를 통해 피라노스 고리의 탄소 원자들이 이상적인 사면체 형태에 가깝게 배열된다는 사실이 밝혀졌다.
2. 1. 헤르만 에밀 피셔의 연구 (1902년 노벨 화학상)
헤르만 에밀 피셔는 D-알도헥소스의 구조 결정에 대한 연구로 1902년 노벨 화학상을 수상하였다.[1] 그러나, 피셔가 제안한 선형 구조는 육탄당의 수용액에서 매우 작은 비율을 차지한다. 월터 하워스 연구실의 에드먼드 허스트와 클리포드 퍼브스는 수용액에서 육탄당이 6원자 고리 구조인 피라노스를 우선적으로 형성한다는 것을 결정적으로 밝혀냈다. 하워드는 고리 평면의 위, 아래의 작용기를 하워드 투영식[3]을 사용하여 고리를 평면 육각형으로 나타냈다.스폰슬러와 도어(1926년)는 6원자 고리에 대한 삭스의 수학적 방법을 셀룰로스의 X선 구조에 적용할 수 있음을 깨닫고, 피라노스 고리 구조에 대한 추가적인 개선을 하였다.[3] 주름진 피라노스 고리의 모든 탄소 원자가 기하학적으로 이상적인 사면체 구조에 가깝게 배열된 것으로 밝혀졌다.
2. 2. 월터 하워드 연구진의 연구
헤르만 에밀 피셔는 D-알도헥소스의 구조 결정에 대한 연구로 노벨 화학상(1902)을 수상하였다.[15] 그러나 피셔가 제안한 선형 구조는 육탄당의 수용액에서 매우 작은 비율을 차지한다. 월터 하워스 연구실의 에드먼드 허스트와 클리포드 퍼브스는 수용액에서 육탄당이 6원자 고리 구조인 피라노스를 우선적으로 형성한다는 것을 결정적으로 밝혀냈다. 하워드는 하워드 투영식[17]을 사용하여 고리를 평면 육각형으로 나타냈다.2. 3. 스폰슬러와 도어의 연구 (1926년)
스폰슬러와 도어(1926년)는 6원자 고리에 대한 삭스의 수학적 방법을 셀룰로스의 X선 구조에 적용할 수 있음을 깨달았다.[17] 이를 통해 피라노스 고리 구조를 더욱 정밀하게 규명하였는데, 주름진 피라노스 고리의 모든 탄소 원자가 기하학적으로 이상적인 사면체 구조에 가깝게 배열된 것으로 밝혀졌다.[17]3. 형성
피라노스 고리는 당의 5번 탄소(C-5)의 하이드록시기와 1번 탄소(C-1)의 알데하이드기가 반응하여 형성된다. 이 반응은 분자 내에 헤미아세탈을 형성한다. 4번 탄소(C-4)의 하이드록시기와 알데하이드기가 반응하면 푸라노스가 대신 형성된다.[15] 피라노스 형태는 푸라노스 형태보다 열역학적으로 더 안정하며, 수용액에서 이 두 가지 고리 형태의 분포를 통해 이를 확인할 수 있다.[16]
4. 입체구조
피라노스 고리의 주름으로 인해 2종류의 의자형, 6종류의 배형, 6종류의 비뚤어진 배형, 12종류의 반쪽의자형, 12종류의 봉투형과 같이 총 38종류의 서로 다른 피라노스 입체구조가 만들어진다.[18][4][11]
이들 입체구조는 서로 상호전환 할 수 있지만, 각 입체구조는 매우 다른 상대적 에너지를 가질 수 있으므로, 상호전환에는 상당한 에너지 장벽이 존재할 수 있다.[19][5][12] 이러한 입체구조의 에너지는 양자역학으로 계산할 수 있다.
피라노스 고리의 입체구조는 사이클로헥세인의 입체구조와 표면적으로 유사하다. 그러나 피라노스는 고리 안의 산소 원자와 하이드록시기의 입체 배치에 따라 특이적인 입체구조적, 입체화학적 효과를 가진다.
4. 1. 명명법

피라노스의 입체구조를 명명하기 위해서는 먼저 형태이성질체를 결정한다. 일반적인 형태이성질체는 사이클로헥세인에서 발견되는 것과 유사하며, 이들은 명칭의 기초를 제공한다. 일반적인 입체구조는 의자형(C), 배형(B), 비뚤어진 배형(S), 반쪽의자형(H), 봉투형(E)이다. 그 다음 고리의 원자에 번호를 매기는데, 아노머 또는 헤미아세탈 탄소가 항상 1번이다. 구조 내의 산소 원자는 일반적으로 비고리 형태로 부착된 탄소 원자에 의해 언급되며 O로 표시된다.
나머지 사항들은 다음을 참조한다.[20]
5. 핵자기공명 분광학
의자형은 가장 안정한 탄수화물 형태이다. 비교적 안정된 의자형은 피라노스 고리의 수소 원자가 서로에 대해 상대적으로 일정한 각도로 유지된다는 것을 의미한다. 탄수화물 핵자기공명은 이면각을 이용하여 고리 주위의 하이드록시기의 입체 배치를 결정한다.
6. 주요 피라노스
참조
[1]
서적
Essentials of Carbohydrate Chemistry
Springer
[2]
논문
Theoretical studies of the potential energy surfaces and compositions of the D-aldo and D-ketohexoses
[3]
서적
Conformation of Carbohydrates
CRC Press
[4]
논문
Conformational Pathways of Saturated Six-Membered Rings. A Static and Dynamical Density Functional Study
https://nrc-publicat[...]
[5]
논문
The Conformational Free Energy Landscape of β-D-Glucopyranose. Implications for Substrate Preactivation in β-Glucoside Hydrolases
[6]
서적
Glycoscience: Chemistry and Chemical Biology I–III
[7]
서적
Molecular and Supramolecular Chemistry of Natural Products and Their Model Compounds
CRC Press
[8]
서적
Essentials of Carbohydrate Chemistry
Springer
[9]
논문
Theoretical studies of the potential energy surfaces and compositions of the D-aldo and D-ketohexoses
[10]
서적
Conformation of Carbohydrates
CRC Press
[11]
논문
Conformational Pathways of Saturated Six-Membered Rings. A Static and Dynamical Density Functional Study
[12]
논문
The Conformational Free Energy Landscape of b-D-Glucopyranose. Implications for Substrate Preactivation in b-Glucoside Hydrolases
[13]
서적
Glycoscience: Chemistry and Chemical Biology I–III
[14]
서적
Molecular and Supramolecular Chemistry of Natural Products and Their Model Compounds
CRC Press
[15]
서적
Essentials of Carbohydrate Chemistry
https://archive.org/[...]
Springer
[16]
논문
Theoretical studies of the potential energy surfaces and compositions of the D-aldo and D-ketohexoses
[17]
서적
Conformation of Carbohydrates
CRC Press
[18]
논문
Conformational Pathways of Saturated Six-Membered Rings. A Static and Dynamical Density Functional Study
[19]
논문
The Conformational Free Energy Landscape of b-D-Glucopyranose. Implications for Substrate Preactivation in b-Glucoside Hydrolases
[20]
서적
Glycoscience: Chemistry and Chemical Biology I–III
[21]
서적
Molecular and Supramolecular Chemistry of Natural Products and Their Model Compounds
CRC Press
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