고분자

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1. 개요

고분자는 IUPAC 정의에 따르면, 상대 분자량이 매우 높은 분자로, 반복적인 구조를 갖는다. 고분자는 선형, 가지형, 가교형, 별형 등 다양한 형태를 가질 수 있으며, 천연, 합성, 반합성 고분자로 분류된다. 생명체 내에서는 DNA, RNA, 단백질과 같은 생체 고분자가 중요한 역할을 하며, 합성 고분자는 플라스틱, 섬유, 고무 등 다양한 분야에서 활용된다. 고분자의 크기는 분자량과 밀접한 관련이 있으며, 분자량은 수평균 분자량, 중량 평균 분자량 등으로 나타낸다. 고분자 합성은 쇄상중합, 단계 성장 중합 등의 방법을 통해 이루어지며, 고분자 연구는 여러 노벨상 수상으로 이어졌다.

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고분자
개요
"거대 분자 모식도"
정의	매우 큰 분자, 예를 들어 단백질과 같은 것
다른 이름	고분자
특징
크기	상대적으로 매우 큰 분자량
구성 단위	단량체 또는 반복 단위로부터 구성됨
형태	다양한 형태와 복잡한 구조를 가질 수 있음
일반적인 예시	단백질 핵산 (DNA, RNA) 탄수화물 (다당류) 지질 합성 고분자 (플라스틱, 고무)
분류
생체 고분자	단백질 핵산 탄수화물
합성 고분자	플라스틱, 고무, 섬유 등
구조 기반 분류	선형, 가지형, 고리형, 망상형
합성 방법
중합 반응	단량체들이 화학적으로 결합하여 고분자를 형성하는 과정
첨가 중합	불포화 단량체들이 직접 결합하여 고분자 형성
축합 중합	단량체들이 결합하며 작은 분자(예: 물)를 방출하면서 고분자 형성
기능 및 응용
생체 내 역할	구조적 지지 효소 촉매 작용 유전 정보 저장 및 전달 세포 신호 전달 에너지 저장
산업 응용	플라스틱 고무 섬유 접착제 코팅제 의료용 재료 전자 재료
물리적 성질
분자량	매우 높음
용해도	용매에 따라 다름
강도 및 유연성	분자 구조 및 구성에 따라 다름
열적 특성	유리 전이 온도, 녹는점 등이 존재
화학적 성질
반응성	특정 화학 반응에 참여 가능
분해	가수분해, 산화 등 다양한 방법으로 분해 가능
기타
연구 분야	고분자 화학, 고분자 물리학, 재료 과학 등
관련 학문	화학, 생물학, 물리학, 재료공학

2. 정의

IUPAC 정의에 따르면, 고분자는 상대 분자량이 높은 분자로, 그 구조는 본질적으로 상대 분자량이 낮은 분자로부터 실제로 또는 개념적으로 유도된 단위의 다중 반복으로 구성된다.^[4]

특히 합성 고분자의 경우, 하나 또는 몇 개의 단위를 추가하거나 제거해도 분자 특성에 미치는 영향이 무시할 수 있을 정도로 작다면 분자의 상대 분자량이 높다고 간주할 수 있다. 그러나 분자 구조의 미세한 세부 사항에 따라 특성이 크게 달라질 수 있는 특정 거대분자의 경우에는 적용되지 않는다.^[4]

분자의 일부 또는 전체가 이 정의에 맞는 경우, '거대분자' 또는 '중합체'로 설명하거나, 형용사로 사용되는 '중합체'로 설명할 수 있다.^[4]

2. 1. IUPAC 정의

IUPAC 정의에 따르면, 고분자 과학에서 사용되는 '거대분자'라는 용어는 단일 분자만을 가리킨다. 예를 들어, 단일 고분자 분자는 "고분자" 또는 "고분자 분자"라고 적절하게 설명하는 것이지, 거대분자로 구성된 물질을 의미하는 "중합체"라고 설명하는 것이 아니다.^[8]

2. 2. 다양한 관점

''거대분자''(''macro-'' + ''molecule'')라는 용어는 1920년대에 노벨상 수상자 헤르만 슈타우딩거가 만들었지만, 이 분야에 대한 그의 첫 번째 관련 출판물에서는 단지 ''고분자 화합물''(1,000개 이상의 원자)만 언급하고 있다.^[5] 당시 베르셀리우스가 1832년에 도입한 ''중합체''라는 용어는 오늘날의 의미와는 달랐다. 그것은 단순히 이성질체의 또 다른 형태였으며, 예를 들어 벤젠과 아세틸렌과 같은 것으로, 크기와는 거의 관련이 없었다.^[6]

다양한 학문 분야에서 큰 분자를 설명하기 위해 이 용어를 사용하는 방식이 다르다. 예를 들어, 생물학에서는 거대분자를 생명체를 구성하는 네 가지 큰 분자로 지칭하지만, 화학에서는 분자간 힘보다는 공유 결합에 의해 함께 결합된 두 개 이상의 분자의 집합체를 지칭할 수 있지만, 쉽게 해리되지는 않는다.^[7]

표준 IUPAC 정의에 따르면, 고분자 과학에서 사용되는 ''거대분자''라는 용어는 단일 분자만을 가리킨다. 예를 들어, 단일 고분자 분자는 "고분자" 또는 "고분자 분자"라고 적절하게 설명하는 것이지, 거대분자로 구성된 물질을 의미하는 "중합체"라고 설명하는 것이 아니다.^[8]

크기 때문에 거대분자는 화학량론만으로는 편리하게 설명할 수 없다. 단순한 거대분자, 예를 들어 호모폴리머의 구조는 개별 단량체 하위 단위와 총 분자량으로 설명할 수 있다. 반면에 복잡한 생체 거대분자는 단백질을 설명하는 데 사용되는 구조의 계층 구조와 같은 다면적인 구조 설명이 필요하다. 영국 영어에서는 "macromolecule"을 "'''고분자'''"라고 부르는 경향이 있다.

3. 특성

고분자는 작은 분자에서는 나타나지 않는 특이한 물리적 특성을 보인다. 예를 들어, DNA 용액을 빨대로 빨아들이면 DNA 조각이 둘로 나뉠 수 있는데, 이는 작은 분자에서는 불가능한 현상이다. 라이너스 폴링은 1964년 저서에서 자연 상태 DNA의 염기쌍이 5000쌍을 넘지 않는다고 주장했지만, 이는 실험 과정에서의 실수였다. 실제 염색체의 DNA는 10억 쌍 이상의 염기쌍을 가진다.^[15]

고분자는 유리 전이 온도라는 특이한 상변이 온도를 가지며, 물과 비슷한 용매에 잘 녹지 않고 거대 분자 군집 현상을 보이기도 한다.

3. 1. 유리 전이 온도

고분자는 다른 물질이 가지는 일정한 녹는점 이외에 유리 전이 온도라는 특이한 상변이 온도를 가진다. 대부분의 물질은 특정 기압에서 녹는점을 기준으로 고체, 액체의 구분이 가능한데, 고분자는 특정 온도 구간을 기준으로 딱딱한 고체인 유리상에서 점성과 탄성을 가지는 고무상으로 변화하게 된다. 이를 유리 전이 온도라고 한다.^[15]

3. 2. 용해도

작은 분자를 특징짓지 않는 또 다른 일반적인 거대분자의 특성은 물과 유사한 용매에 대한 상대적 불용성이며, 대신 콜로이드를 형성한다는 것이다. 많은 거대분자는 물에 용해되려면 염이나 특정 이온을 필요로 한다. 마찬가지로, 많은 단백질은 용액의 용질 농도가 너무 높거나 너무 낮으면 변성된다.

용액 내 거대분자의 고농도는 거대분자 혼잡이라고 알려진 효과를 통해 다른 거대분자의 반응 반응 속도와 평형 상수를 변경할 수 있다.^[9] 이는 거대분자들이 용액 부피의 상당 부분에서 다른 분자들을 배제하여 이러한 분자들의 유효 농도를 증가시키기 때문이다.^[15]

3. 3. 거대 분자 군집

용액에서의 고분자 농도가 너무 높으면 다른 고분자의 반응에서 평형상수와 반응 속도를 바꿀 수 있다. 이 현상은 거대 분자 군집이라 일컬어진다.^[15] 이러한 현상은 고분자가 다른 분자를 용액에서 큰 부피를 차지하지 못하도록 배제시킴으로써 발생되는데, 이것은 이러한 분자들의 유효 농도를 증가시킨다.^[9]

4. 종류

고분자는 가지의 정도에 따라 다음과 같이 분류된다.

선형 고분자(linear macromolecule^영어): 긴 사슬 형태로, 보통 용매에 녹는다. 일반적인 온도에서 고체 상태일 때는 고무, 유연한 물질, 또는 유리상의 열가소성 플라스틱으로 존재한다.
가지 고분자(branched macromolecule^영어): 선형 고분자에 가지가 붙은 형태로, 주 사슬과 같은 기본 구조를 가진다. 선형 고분자와 같은 용매에 녹으며, 가지가 많으면 특정 액체에 팽윤되기도 한다.
가교 고분자(망상 고분자, Crosslinked / Network Polymer^영어): 사슬 사이에 1차 결합이 있어 용매에 용해되지 않고 팽윤된다. 팽윤되는 양은 가교 밀도에 따라 다르며, 가교도가 높으면 다이아몬드처럼 단단하고 팽윤이 잘 안 되는 물질이 된다.
별형 고분자(star macromolecule^영어)와 덴드리머(dendrimer^영어)^[16]: 별형 고분자는 중심에서 팔이 뻗어 나오는 형태이다. 중심에서 팔이 자라거나, 미리 제조된 고분자를 중심에 연결시켜 만든다. 덴드리머는 3차원 구조로, 최종 외곽 형태가 구형이다. '중심 우선법'과 '팔 우선법'으로 제조하는데, '중심 우선법'은 3개 이상의 작용기를 갖는 단량체의 중심을 반응시켜 만든다. 각 세대에서 분자 외곽 쪽으로 작용기 수를 배가시킨다. '팔 우선법'은 가지 많은 팔을 먼저 합성하고 마지막에 중심에 연결한다. 덴드리머의 구형 모양은 분자 간 엉김을 제한하여 점도가 예상보다 작다.

4. 1. 기원에 따른 분류

고분자는 그 기원에 따라 자연계에서 생성되는 '''천연 고분자'''(natural macromolecule^영어), 인공적으로 합성된 '''합성 고분자'''(synthetic macromolecule^영어), 천연 고분자로부터 화학적으로 유도된 '''반합성 고분자'''(semisynthetic macromolecule^영어)로 분류된다. 더 나아가 고분자를 구성하는 분자에 따라 '''유기 고분자'''(organic macromolecule^영어)와 '''무기 고분자'''(inorganic macromolecule^영어)로 나뉜다. 천연 유기 고분자는 생물에 의해 합성되므로 생체 고분자라고도 불린다.

이러한 분류 방법과는 별도로, 특히 생체 고분자에서 반복 구조의 규칙성에 따른 분류도 있다. 단일 구성 단위가 단일 연결 방식으로 반복되는 구조를 가진 화합물을 규칙성 고분자(regular macromolecule^영어)라고 한다. 두 종류 이상의 구성 단위의 반복으로 구성되거나 구성 단위의 연결 방식이 단일하지 않은 구조를 가진 고분자를 불규칙성 고분자(irregular macromolecule^영어)라고 한다.

기원에 따른 고분자 분류
	유기 및 규칙성 고분자	유기 및 불규칙성 고분자	무기 및 규칙성 고분자	무기 및 불규칙성 고분자
천연 고분자	폴리아민, 일부 지질, 셀룰로스, 아밀로스, 전분, 키틴, 천연 고무 등	폴리펩타이드, 단백질, DNA, RNA, 일부 지질, 리그닌, 아스팔텐 등	이산화규소(수정, 석영), 운모, 장석, 석면, 천연 유래의 탄소 동소체(다이아몬드, 흑연), 섬아연석, 우르츠석 등	없음
합성 고분자	합성수지(플라스틱)(폴리염화비닐, 폴리에틸렌, 페놀 수지 등), 실리콘 수지(실리콘 고무, 실리콘 오일), 합성섬유(나일론, 비닐론, 폴리에스터, 폴리에틸렌테레프탈레이트 등), 합성 고무 등		폴리실록산, 폴리포스파젠, 폴리실란, 질화황 폴리머, 유리, 합성 루비, 합성된 탄소 동소체(인조 다이아몬드, 인조 흑연 등) 등
반합성 고분자	트리아세트산셀룰로스, 다이아세트산셀룰로스, 질산셀룰로스, 셀룰로이드, 재생 고분자(레이온 등)

또한, 공중합체의 단위 구조 배열에 따른 분류 방법도 있다.

랜덤 공중합체
교대 공중합체
블록 공중합체
그래프트 공중합체

4. 2. 구성 분자에 따른 분류

고분자는 그 기원에 따라 자연계에서 생성되는 '''천연 고분자'''(natural macromolecule^영어), 인공적으로 합성된 '''합성 고분자'''(synthetic macromolecule^영어), 천연 고분자로부터 화학적으로 유도된 '''반합성 고분자'''(semisynthetic macromolecule^영어)로 분류된다. 더 나아가 고분자를 구성하는 분자에 따라 '''유기 고분자'''(organic macromolecule^영어)와 '''무기 고분자'''(inorganic macromolecule^영어)로 나뉜다. 천연 유기 고분자는 생물에 의해 합성되므로 생체 고분자라고도 불린다.

이러한 분류 방법과는 별도로, 특히 생체 고분자에서 반복 구조의 규칙성에 따른 분류도 있다. 단일 구성 단위가 단일 연결 방식으로 반복되는 구조를 가진 화합물을 규칙성 고분자 (regular macromolecule^영어)라고 한다. 두 종류 이상의 구성 단위의 반복으로 구성되거나 구성 단위의 연결 방식이 단일하지 않은 구조를 가진 고분자를 불규칙성 고분자 (irregular macromolecule^영어)라고 한다.

	유기 및 규칙성 고분자	유기 및 불규칙성 고분자	무기 및 규칙성 고분자	무기 및 불규칙성 고분자
천연 고분자	폴리아민, 일부 지질, 셀룰로스, 아밀로스, 전분, 키틴, 천연 고무 등	폴리펩타이드, 단백질, DNA, RNA, 일부 지질, 리그닌, 아스팔텐 등	이산화규소(수정, 석영), 운모, 장석, 석면, 천연 유래의 탄소 동소체(다이아몬드, 흑연), 섬아연석, 우르츠석 등	없음
합성 고분자	합성수지(플라스틱)(폴리염화비닐, 폴리에틸렌, 페놀 수지 등), 실리콘 수지(실리콘 고무, 실리콘 오일), 합성섬유(나일론, 비닐론, 폴리에스터, 폴리에틸렌테레프탈레이트 등), 합성 고무 등		폴리실록산, 폴리포스파젠, 폴리실란, 질화황 폴리머, 유리, 합성 루비, 합성된 탄소 동소체(인조 다이아몬드, 인조 흑연 등) 등
반합성 고분자	트리아세트산셀룰로스, 다이아세트산셀룰로스, 질산셀룰로스, 셀룰로이드, 재생 고분자(레이온 등)

또한, 공중합체의 단위 구조 배열에 따른 분류 방법도 있다.

랜덤 공중합체
교대 공중합체
블록 공중합체
그래프트 공중합체

고분자의 가지의 정도에 따라 다음과 같이 나눈다.

'''선형 고분자''' (liner macromolecule^영어): 실질적 또는 개념적으로 상대 분자량이 작은 분자(단량체 등)에 유래하는 단위가 선형으로 많이 반복된 구조를 가진 고분자
'''별형 고분자''' (star macromolecule^영어): 1개의 분기점에서 선형 분자 사슬(팔)이 나와 있는 고분자. 별형 고분자의 팔이 구성(화학 구조) 및 중합도에 관하여 같을 경우, 그 고분자를 규칙성 별형 고분자 (regular star macromolecule^영어)라고 한다. 다를 경우 혼합 사슬 별형 고분자 (variegated star macromolecule^영어)라고 한다.
'''빗살형 고분자''' (comb macromolecule^영어): 선형 측쇄가 나와 있는 삼차 분기점 을 주쇄에 많이 가진 고분자. 주쇄 중의 분기점 간의 부분자 사슬 및 주쇄의 말단의 부분자 사슬이 구성(화학 구조) 및 중합도에 관하여 같고, 측쇄도 구성(화학 구조) 및 중합도에 관하여 같을 경우, 그 고분자를 규칙성 빗살형 고분자 (regular comb macromolecule^영어)라고 한다.
'''솔 형태 고분자''' (brush macromolecule^영어): 적어도 수 개의 분기점이 3개 이상 가지치기 되어 있는 고분자

4. 3. 반복 구조의 규칙성에 따른 분류

단일 구성 단위가 단일 연결 방식으로 반복되는 구조를 가진 화합물을 규칙성 고분자(regular macromolecule^영어)라고 한다. 두 종류 이상의 구성 단위가 반복되거나 구성 단위의 연결 방식이 단일하지 않은 구조를 가진 고분자를 불규칙성 고분자(irregular macromolecule^영어)라고 한다.

구분	유기/무기	규칙성	예시
천연 고분자	유기	규칙성	폴리아민, 일부 지질, 셀룰로스, 아밀로스, 전분, 키틴, 천연 고무 등
천연 고분자	유기	불규칙성	폴리펩타이드, 단백질, DNA, RNA, 일부 지질, 리그닌, 아스팔텐 등
천연 고분자	무기	규칙성	이산화규소(수정, 석영), 운모, 장석, 석면, 천연 유래의 탄소 동소체(다이아몬드, 흑연), 섬아연석, 우르츠석 등
천연 고분자	무기	불규칙성	없음
합성 고분자	유기	규칙성	합성수지(플라스틱)(폴리염화비닐, 폴리에틸렌, 페놀 수지 등), 실리콘 수지(실리콘 고무, 실리콘 오일), 합성섬유(나일론, 비닐론, 폴리에스터, 폴리에틸렌테레프탈레이트 등), 합성 고무 등
합성 고분자	무기	규칙성	폴리실록산, 폴리포스파젠, 폴리실란, 질화황 폴리머, 유리, 합성 루비, 합성된 탄소 동소체(인조 다이아몬드, 인조 흑연 등) 등
반합성 고분자	유기	규칙성	트리아세트산셀룰로스, 다이아세트산셀룰로스, 질산셀룰로스, 셀룰로이드, 재생 고분자(레이온 등)

4. 4. 가지의 정도에 따른 분류

선형 고분자 (Linear Polymer) : 긴 사슬로 이루어져 있다. 보통 용매에 녹으며, 일반적인 온도에서 고체 상태일 때 고무나 유연한 물질, 또는 유리상의 열가소성 플라스틱으로 존재한다.
가지 고분자 (Branched Polymer) : 선형 고분자에 가지가 붙어 있는 구조로서, 가지는 주 사슬과 동일한 기본 구조를 갖고 있다. 선형 고분자와 같은 용매에 녹으며, 가지가 많은 고분자의 경우 특정한 액체에 팽윤되기도 한다.
가교 고분자 (망상 고분자) (Crosslinked / Network Polymer) : 사슬 사이에 1차 결합이 존재한다. 따라서 용매에 의해 용해되지 않고 팽윤된다. 액체에 의해 팽윤되는 양은 가교 밀도에 따라 다르다. 가교도가 높으면 다이아몬드 같은 단단하고 팽윤이 잘 되지 않는 물질이 된다.
스타 고분자와 덴드리머 (star polymer & dendrimer)^[16] : 스타 고분자는 중심으로부터 팔을 뻗고 있는 형태의 고분자이다. 중심으로부터 팔이 자라면서 제조되거나 미리 제조된 고분자들을 중심에 붙는 식으로 연결시켜 제조한다. 원칙적으로 스타 고분자 내의 팔의 길이는 제한이 없다. 덴드리머 고분자들은 구조가 3차원이며 최종 외곽 형태가 구로 되어있다. 제조 방법은 '중심 우선법'과 '팔 우선법'으로 나뉘는데, '중심 우선법'은 3개 이상의 작용기를 갖는 단량체의 중심을 반응시켜 만들 수 있다. 연속된 층 또는 세대(generation)의 중심에서 더욱 멀리 움직이면서 분자의 성장이 일어나며 각 세대에서는 분자의 외곽쪽으로 작용기의 수를 배가시킨다. '팔 우선법'은 각각의 가지가 많은 팔을 먼저 합성하고 마지막 단계에서 팔을 중심에 연결시켜 제조한다. 덴드리머의 구형 모양은 분자간 엉김(entanglement)을 제한하여, 벌크와 용액의 점도는 예상치보다 작다.

4. 5. 공중합체의 단위 구조 배열에 따른 분류

공중합체는 단위체의 배열 구조에 따라 다음과 같이 분류할 수 있다.

랜덤 공중합체: 단위체들이 불규칙하게 배열된 구조이다. (―ABBABBBAAABA―)
교대 공중합체: 두 종류의 단위체가 번갈아 가며 배열된 구조이다. (―ABABABABABAB―)
주기 공중합체: 단위체들이 특정 주기를 가지고 반복되는 구조이다. (―AAABBAAABBAAA―)
블록 공중합체: 각 단위체가 블록 형태로 모여서 배열된 구조이다. (―AAAAAABBBBBB―)

또한, 블록 공중합체의 한 종류로 그래프트 공중합체가 있는데, 이는 주쇄가 되는 고분자 사슬에 다른 종류의 가지 고분자 사슬이 결합한 가지 구조를 가진다.

5. 구조

고분자는 그 구조에 따라 선형, 가지형, 가교형(망상형), 스타형, 덴드리머 등으로 분류할 수 있다.

선형 고분자: 긴 사슬 형태로, 보통 용매에 녹으며 고무나 유연한 물질, 또는 유리상의 열가소성 플라스틱으로 존재한다.
가지 고분자: 선형 고분자에 가지가 붙어 있는 구조로, 가지는 주 사슬과 같은 구조를 갖는다. 선형 고분자와 같은 용매에 녹으며, 가지가 많으면 특정 액체에 팽윤되기도 한다.
가교 고분자 (망상 고분자): 사슬 사이에 1차 결합이 있어 용매에 녹지 않고 팽윤된다. 가교도가 높으면 단단하고 팽윤이 잘 되지 않는다.
스타 고분자와 덴드리머^[16]:
스타 고분자: 중심에서 팔이 뻗어 나오는 형태이다.
덴드리머: 3차원 구조이며 최종 외곽 형태가 구형이다. '중심 우선법'과 '팔 우선법'으로 제조할 수 있는데, 중심 우선법은 3개 이상의 작용기를 갖는 단량체의 중심에서 반응시켜 만들고, 팔 우선법은 각각의 가지가 많은 팔을 먼저 합성하고 마지막에 중심에 연결시켜 제조한다. 덴드리머의 구형 모양은 분자간 엉김을 제한하여 벌크와 용액의 점도를 낮춘다.

5. 1. 1차 구조

고분자는 한 종류 또는 수 종류의 '''반복 단위'''(repeating unit)로 구성된다. 대부분의 경우, 반복 단위는 원료 단량체에서 유래한다. 고분자의 구조는 반복 단위의 화학 구조뿐만 아니라, 반복 단위의 결합과 중합도에 따라 다르다. 이러한 요소에 의해 결정되는 고분자의 구조를 1차 구조라고 한다.

1차 구조는 그 고분자가 생성된 반응의 기본 과정을 기록하고 있다. 생체 고분자의 한쪽 말단에는 개시제(의 단편)가 존재한다. 다른 한쪽 말단에는 중합의 정지 반응에 기인하는 단편, 예를 들어 정지제가 존재한다. 양 말단 사이는 성장 반응의 모습을 시사한다. 단량체가 공액 이중 결합이나 삼중 결합을 가지고 있을 경우, 시스-트랜스 이성질체 등 불포화 결합에 관한 기하 이성질체 정보를 고분자의 구조로부터 알 수 있다.^[1]

5. 2. 고차 구조

고분자의 부분이나 작용기는 분자간력(이온 결합, 수소 결합, 쌍극자-쌍극자 상호작용, 반데르발스 힘)으로 상호 작용한다. 이러한 상호 작용은 고분자 사슬의 골격을 따라 가까운 부분 사이뿐만 아니라 멀리 떨어진 부분 사이에도 발생한다. 가까운 부분 사이의 상호 작용을 근접 상호 작용, 멀리 떨어진 부분 사이의 상호 작용을 원격 상호 작용이라고 한다. 원격 상호 작용은 고분자가 구부러져 분자식상으로는 멀리 떨어져 있어도 공간적으로 가까워지기 때문에 발생한다. 용액의 경우, 용매나 다른 용질과도 분자간력이나 배위 결합으로 상호 작용한다.

이러한 상호 작용은 고분자의 입체 구조를 결정한다. 상호 작용이 없는 이상적인 사슬의 경우, 고분자는 각 결합이 자유롭게 회전할 수 있어 무수한 입체 구조를 취할 수 있다. 그러나 현실에서는 상호 작용에 의해 분자간 회전이 제한되어 고분자가 취할 수 있는 입체 구조는 제한된다. 고분자의 구조가 결정되어 있는 예로는 단백질이나 핵산의 4차 구조가 있다.

용액 중의 고분자는 열 운동하는 용매 분자와의 충돌 때문에 끊임없이 변화하며 운동한다. 이러한 고분자의 운동을 미세 브라운 운동이라고 한다.

고분자 사슬의 배열에는 위치 규칙성, 입체 규칙성, 기하 이성질체와 같은 규칙성이 나타날 수 있다.

5. 2. 1. 위치 규칙성

단량체가 알켄인 비닐 중합에서는 머리-꼬리 결합(head to tail)과 머리-머리 결합(head to head)의 두 가지 결합 방식이 치환기의 입체 장애와 전자적 특성에 따라 발생한다. 이것을 위치 규칙성이라고 한다. 한편 락톤이나 고리형 에테르와 같은 고리형 화합물을 단량체로 하는 개환 중합에서는, 개열이 일어나는 위치에 따라 머리-꼬리 결합과 머리-머리 결합이 일어나는 비율도 달라진다.

5. 2. 2. 입체 규칙성

프로필렌 등의 중합에서, 중합으로 생성된 사차 탄소는 키랄 중심이며, 중합 방법에 따라 이 키랄 중심의 절대 배열에 규칙성이 나타난다. 이것을 입체규칙성(タクティシティー, tacticity)이라고 한다. 모든 키랄 중심이 같은 절대 배열을 갖는 구조를 이소택틱(아이소택틱)이라 하고, 절대 배열이 교대로 배열되는 것을 신디오택틱이라고 한다. 또한, 완전히 무작위적인 구조를 아택틱이라고 한다. 입체규칙성은 NMR을 사용하여 평가할 수 있다.^[1]

치글러-나타 촉매로 합성된 폴리프로필렌은 이소택틱이지만, 일반적인 라디칼 중합으로 합성된 폴리프로필렌은 아택틱 구조이다.^[1]

5. 2. 3. 기하 이성질체

디엔계 단량체의 중합에서는 1,2-구조, 시스 1,4-구조, 트랜스 1,4-구조와 같은 이성질체 구조가 생성된다.

6. 생체 고분자

모든 생물체는 생물학적 기능을 위해 DNA, RNA, 단백질과 같은 세 가지 필수적인 생체 고분자에 의존한다.^[10] 각 분자는 세포에서 독특하고 필수적인 역할을 수행하며, DNA가 RNA를 만들고, RNA가 단백질을 만든다는 기본 원리에 따라 작동한다.

DNA, RNA, 단백질은 모두 구성 요소(DNA와 RNA는 뉴클레오타이드, 단백질은 아미노산)가 반복적으로 연결된 구조를 가진다. 이들은 대부분 가지가 없는 중합체이므로, 긴 사슬 형태로 나타낼 수 있다. 각 구성 요소는 공유 결합으로 연결되어 있으며, 사슬 내의 단량체는 서로 상호작용하는 경향이 있다. DNA와 RNA에서는 주로 왓슨-크릭 염기쌍(G-C 및 A-T 또는 A-U) 형태를 취하며, 더 복잡한 상호 작용도 일어날 수 있다.

DNA는 이중 나선 구조를 가지며, 각 뉴클레오타이드는 왓슨-크릭 염기쌍 형태로 상보적인 가닥과 결합한다. 반면 RNA와 단백질은 일반적으로 단일 가닥이며, DNA와 달리 규칙적인 구조에 제약받지 않고 서열에 따라 복잡한 3차원 구조로 접힌다. 이러한 다양한 형태는 결합 포켓 형성과 생화학 반응 촉매 능력을 포함하여 RNA와 단백질의 다양한 기능을 가능하게 한다.

	DNA	RNA	단백질
유전 정보를 암호화	예	예	아니오
생물학적 반응 촉매	아니오	예	예
구성 요소 (종류)	뉴클레오타이드	뉴클레오타이드	아미노산
구성 요소 (수)	4	4	20
가닥 수	이중 가닥	단일 가닥
구조	이중 나선	복잡	복잡
분해 안정성	높음	가변적	가변적
복구 시스템	있음	없음	없음

6. 1. 선형 생체 고분자

모든 생물체는 생물학적 기능을 위해 DNA, RNA, 단백질이라는 세 가지 필수 생체 고분자에 의존한다.^[10] 이들은 세포 내에서 각자 독특하고 필수적인 역할을 수행하며, DNA가 RNA를 만들고, RNA가 단백질을 만든다는 원리에 따라 작동한다.^[11]

DNA, RNA, 단백질은 모두 구성 요소(DNA와 RNA는 뉴클레오타이드, 단백질은 아미노산)의 반복적인 구조로 이루어져 있으며, 가지가 없는 중합체이므로 긴 사슬 형태로 나타낼 수 있다. 각 구성 요소는 공유 결합으로 연결되어 있다.

사슬 내의 단량체는 다른 아미노산이나 뉴클레오타이드와 상호 작용하는 경향이 있는데, DNA와 RNA에서는 주로 왓슨-크릭 염기쌍(G-C 및 A-T 또는 A-U) 형태를 취하며, 더 복잡한 상호 작용도 가능하다.

	DNA	RNA	단백질
유전 정보 암호화	예	예	아니오
생물학적 반응 촉매	아니오	예	예
구성 요소 (종류)	뉴클레오타이드	뉴클레오타이드	아미노산
구성 요소 (수)	4	4	20
가닥 수	이중 가닥	단일 가닥	단일 가닥
구조	이중 나선	복잡	복잡
분해 안정성	높음	가변적	가변적
복구 시스템	있음	없음	없음

DNA는 이중 나선 구조를 가지며, 각 뉴클레오타이드는 왓슨-크릭 염기쌍 형태로 상보적인 가닥과 결합한다. 반면 RNA와 단백질은 일반적으로 단일 가닥이며, DNA와 달리 규칙적인 구조에 제약받지 않고 서열에 따라 복잡한 3차원 구조로 접힌다. 이러한 다양한 형태는 결합 포켓 형성과 생화학 반응 촉매 능력을 포함하여 RNA와 단백질의 다양한 기능을 가능하게 한다.

6. 1. 1. DNA

모든 생물체는 생물학적 기능을 위해 세 가지 필수 생체 고분자인 DNA, RNA, 단백질에 의존한다.^[10] DNA는 모든 생명체를 조립, 유지 및 복제하는 데 필요한 완전한 지침(게놈)을 암호화하는 정보 저장 고분자이다.^[12]

DNA와 RNA는 모두 유전 정보를 암호화할 수 있는데, 그 이유는 DNA 또는 RNA 서열 내에 암호화된 정보를 읽고 이를 사용하여 특정 단백질을 생성하는 생화학적 메커니즘이 있기 때문이다. 반면, 단백질 분자의 서열 정보는 세포에서 유전 정보를 기능적으로 암호화하는 데 사용되지 않는다.^[1]

DNA는 유전 정보 암호화에 RNA보다 훨씬 더 적합하게 만드는 세 가지 주요 특성을 가지고 있다. 첫째, 일반적으로 이중 가닥이므로 모든 세포의 각 유전자를 암호화하는 정보의 사본이 최소 두 개 있다. 둘째, DNA는 RNA보다 훨씬 더 큰 안정성을 가지고 있는데, 이는 주로 DNA의 모든 뉴클레오티드 내에 2'-히드록시기가 없기 때문이다. 셋째, DNA의 손상을 모니터링하고 필요한 경우 서열을 복구하는 매우 정교한 DNA 감시 및 복구 시스템이 존재한다. 손상된 RNA 분자를 복구하는 유사한 시스템은 진화하지 않았다. 결과적으로 염색체는 특정 화학 구조로 배열된 수십억 개의 원자를 포함할 수 있다.

	DNA	RNA
유전 정보를 암호화	예	예
생물학적 반응 촉매	아니오	예
구성 요소 (종류)	뉴클레오타이드	뉴클레오타이드
구성 요소 (수)	4	4
가닥 수	이중 가닥	단일 가닥
구조	이중 나선	복잡
분해 안정성	높음	가변적
복구 시스템	있음	없음

6. 1. 2. RNA

모든 생물체는 생물학적 기능을 위해 세 가지 필수 생체 고분자: DNA, RNA, 단백질에 의존한다.^[10] 각 분자는 세포에서 독특하고 필수적인 역할을 하기 때문에 생명에 필요하다.^[11] 간단히 요약하면 DNA가 RNA를 만들고, RNA가 단백질을 만든다는 것이다.

RNA는 다양한 기능을 가지며, 세포의 DNA 내 지시사항에 따라 단백질을 암호화하는 것이 주요 기능이다.^[1] RNA는 진핵생물에서 단백질 합성의 여러 측면을 조절한다.

RNA는 유전 정보를 암호화하여 단백질의 아미노산 서열로 번역될 수 있으며, 이는 모든 세포 내에 존재하는 메신저 RNA 분자와 수많은 바이러스의 RNA 유전체에서 확인할 수 있다. RNA의 단일 가닥 구조와 빠른 분해 경향, 그리고 복구 시스템의 부족은 RNA가 DNA처럼 유전 정보의 장기 저장에 적합하지 않다는 것을 의미한다.

또한, RNA는 단일 가닥 중합체로서 단백질처럼 매우 많은 수의 3차원 구조로 접힐 수 있다. 이러한 구조 중 일부는 다른 분자에 대한 결합 부위와 결합된 분자에서 특정 화학 반응을 촉매할 수 있는 화학적으로 활성화된 중심을 제공한다. RNA의 제한된 수의 구성 요소(단백질의 20개 이상의 아미노산 대비 4개의 뉴클레오티드)와 그들의 화학적 다양성 부족은 촉매 RNA(리보자임)가 대부분의 생물학적 반응에 대해 단백질보다 일반적으로 효과가 떨어지는 촉매임을 의미한다.

RNA의 특징
고분자 (중합체)	구성 단위 (단량체)	결합
RNA	뉴클레오티드 (인산, 리보스, 그리고 염기 - 아데닌, 구아닌, 우라실, 시토신)	인산디에스터 결합

6. 1. 3. 단백질

모든 생물체는 생물학적 기능을 위해 세 가지 필수 생체 고분자: DNA, RNA, 그리고 단백질에 의존한다.^[10] 각 분자는 세포에서 독특하고 필수적인 역할을 하기 때문에 생명에 필요하다.^[11] 간단히 요약하면 DNA가 RNA를 만들고, RNA가 단백질을 만든다는 것이다.

DNA, RNA, 그리고 단백질은 모두 관련된 구성 요소(DNA와 RNA의 경우 뉴클레오타이드, 단백질의 경우 아미노산)의 반복적인 구조로 이루어져 있다.

	DNA	RNA	단백질
유전 정보를 암호화	예	예	아니오
생물학적 반응 촉매	아니오	예	예
구성 요소 (종류)	뉴클레오타이드	뉴클레오타이드	아미노산
구성 요소 (수)	4	4	20
가닥 수	이중 가닥	단일 가닥
구조	이중 나선	복잡	복잡
분해 안정성	높음	가변적	가변적
복구 시스템	있음	없음	없음

RNA와 단백질은 일반적으로 단일 가닥이다. 따라서 이들은 DNA 이중 나선의 규칙적인 기하학적 구조에 의해 제약을 받지 않으며, 그 서열에 따라 복잡한 3차원 구조로 접힌다. 이러한 다양한 형태는 특정 결합 포켓의 형성과 생화학 반응을 촉매하는 능력을 포함하여 RNA와 단백질의 많은 일반적인 특성을 담당한다.

단백질은 생명을 유지하는 생화학 반응을 촉매하는(촉매 작용) 기능성 거대분자이다.^[1] 단백질은 광합성, 신경 기능, 시각 및 운동과 같은 유기체의 모든 기능을 수행한다.^[13]

단백질 분자의 단일 가닥 특성과 20가지 이상의 서로 다른 아미노산 구성 요소는 다양한 삼차원 구조로 접히도록 하며, 다양한 분자와 특이적으로 상호 작용할 수 있는 결합 포켓을 제공한다. 또한, 서로 다른 아미노산의 화학적 다양성과 국소적인 3차원 구조에 의해 제공되는 화학적 환경은 많은 단백질이 효소로 작용하여 세포 내에서 광범위한 특정 생화학적 변환을 촉매할 수 있게 한다.

6. 2. 가지형 생체 고분자

탄수화물 거대분자(다당류)는 단당류의 중합체로 형성된다.^[1] 단당류는 여러 작용기를 가지고 있기 때문에 다당류는 선형 중합체(예: 셀룰로스) 또는 복잡한 가지달린 구조(예: 글리코겐)를 형성할 수 있다. 다당류는 생명체에서 에너지 저장(예: 녹말) 및 구조적 구성 요소(예: 절지동물과 균류의 키틴)로서 다양한 역할을 수행한다. 많은 탄수화물은 작용기가 치환되거나 제거된 변형된 단당류 단위체를 포함한다.

폴리페놀은 여러 페놀성 하위 단위체의 가지달린 구조로 구성된다. 이들은 구조적 역할(예: 리그닌)뿐만 아니라 신호 전달, 색소 형성 및 방어에 관여하는 이차 대사산물로서의 역할도 수행할 수 있다.

7. 합성 고분자

- 합성 고분자의 몇 가지 예로는 합성 플라스틱, 합성 섬유, 합성 고무, 그래핀, 탄소 나노튜브가 있다. 고분자는 무기 고분자 및 지오폴리머와 같이 무기 물질로부터도 제조될 수 있다. 무기 원소의 도입은 스마트 무기 고분자에서와 같이 특성 및/또는 반응성 거동의 조정을 가능하게 한다.

8. 크기

미세 브라운 운동으로 인해 형태가 끊임없이 변화하기 때문에, 고분자의 크기(분자량이 아님)도 변화한다. 고분자의 크기는 어떤 순간의 특정 입체 구조에서의 크기가 아니라, 가능한 모든 입체 구조의 크기를 평균한 값('''고분자 사슬의 퍼짐'''(average chain dimension))으로 평가된다. 고분자 사슬의 퍼짐은 평균 제곱 말단간 거리나 평균 제곱 회전 반지름 등으로 계산된다. 이러한 것들 외에도, 분자 내 또는 용매와의 상호 작용의 평균 퍼텐셜, 더 나아가 배제 부피 효과도 고려되는 경우가 있다.

9. 분자량

분자가 현탁(suspension)된 상태를 분산상이라고 한다. 이때 분자 크기가 균일하면 단분산(단분산계), 균일하지 않으면 다분산(다분산계)이라고 한다.^[1]

평균 분자량은 분자 하나당 평균 분자량으로 계산하는 수평균 분자량과 무게를 가중치로 계산하는 중량 평균 분자량 등으로 나뉜다.^[1]

생체 고분자나 천연 고분자 중에는 단일 분자량으로 이루어진 단분산이 많다.^[1]

9. 1. 분자량 측정법

합성 고분자는 같은 조성을 갖지만 분자량이 서로 다른 분자들의 혼합물인 다분산성을 나타낸다. 이러한 고분자의 분자량은 보통 수평균 분자량 또는 중량 평균 분자량으로 나타낸다. 분자량 분포는 분자량 자체만큼 중요하며, 물성 면에서는 분자량 분포가 좁은 것이 좋지만, 가공하기에는 분자량 분포가 넓은 것이 유리하다. 따라서 분자량뿐만 아니라 그 분포도 용도에 맞게 설계해야 한다. 중량 평균 분자량과 수평균 분자량의 비율을 분산도라고 하며, 이 값이 1에 가까울수록 분자량 분포가 좁다는 것을 뜻한다.^[1]

분자량 측정 방법은 다음과 같다.^[1]

'''크기 배제 크로마토그래피법(GPC법)'''

GPC(gel permeation chromatography)법은 겔 상태의 입자를 채운 컬럼에 고분자의 묽은 용액을 흘려 분자 크기에 따라 흘러나오는 시간이 다른 점을 이용한 측정법이다. 분자량 분포를 쉽게 알 수 있지만, 정확한 분자량 측정은 어렵다.^[1]

'''점도법'''

고분자 용액의 점도 η가 평균 분자량의 함수(''η'' = ''kM''^''α'', k 및 α는 고분자 고유 상수)임을 이용한 측정법이다. 이 방법으로 구한 평균 분자량을 점도 평균 분자량이라고 한다.^[1]

'''말단기 정량법'''

고분자 끝에 특정 작용기가 있는 경우 쓸 수 있다. 예를 들어 끝부분이 카르복실산인 고분자는 수산화나트륨 등의 염기로 중화 적정하여 고분자 개수를 알아낼 수 있다. 이를 통해 수평균 분자량을 계산할 수 있다. NMR 스펙트럼으로 말단기 비율을 측정하기도 한다.^[1]

'''묶음 성질을 이용한 방법(증기압법·삼투압법·끓는점 오름법)'''

용액의 증기압, 삼투압, 끓는점이 몰농도 및 질량 몰농도에 따라 달라지는 점을 이용한다. 이 방법으로 수평균 분자량을 구할 수 있다.^[1]

'''광산란법'''

용액 속 분자에 빛이 부딪히면 빛이 흩어지는 현상이 일어나는데, 이때 흩어지는 빛의 세기가 분자 질량에 비례하는 점을 이용한다. 이 방법으로 중량 평균 분자량을 구할 수 있다.^[1]

'''침강 속도법(초원심법)'''

강한 중력장에서는 무거운 입자가 가라앉는다는 점을 이용한다. 초원심 분리기를 써서 분자 분포 상태를 빛으로 감지하여 분자량을 측정한다. 이 방법으로 중량 평균 분자량을 구할 수 있다.^[1]

10. 합성법

분자 내에 반응점을 2개 이상 미리 도입하는 방법과 반응 중에 활성점을 연쇄적으로 생성하는 방법이 있다.

쇄상중합
* 첨가중합
** 라디칼 중합
** 카티온 중합
** 애니온 중합
** 배위중합
* 개환중합
** 라디칼 중합
** 카티온 중합
** 애니온 중합
** 배위중합
* 쇄상축합중합
단계 성장 중합
* 축합중합
* 첨가축합
* 첨가축합중합
리빙 중합

11. 고분자 관련 노벨상

연도	수상자	업적
1953년	헤르만 슈타우딩거	사슬 모양 고분자 화합물 연구
1963년	칼 자이글러, 줄리오 나타	새로운 촉매를 이용한 중합법 개발과 기초 연구
1974년	폴 플로리	고분자 화학의 이론 및 실험 양면에 걸친 기초 연구
1984년	로버트 브루스 머리필드	고상 반응을 이용한 펩타이드 합성법 개발
1991년	피에르 질 드 젠	단순한 계의 질서 현상을 연구하기 위해 개발된 방법이 더 복잡한 물질, 특히 액정과 고분자 연구에도 일반화될 수 있다는 발견
1993년	캐리 멀리스, 마이클 스미스	DNA 화학에서의 방법 개발에 대한 공헌
2000년	시라카와 히데키, 앨런 히거, 앨런 맥다이어미드	전도성 고분자의 발견과 개발
2002년	존 펜, 다나카 고이치, 쿠르트 뷔트리히	생체 고분자의 동정 및 구조 분석을 위한 방법 개발

참조

_[1] 서적 Biochemistry https://www.ncbi.nlm[...] W.H. Freeman
_[2] 웹사이트 Life cycle of a plastic product http://www.americanc[...] 2011-07-01
_[3] 저널 Nanotechnology: A Guide to Nano-Objects https://web.archive.[...] 2015-06-28
_[4] 저널 Glossary of basic terms in polymer science (IUPAC Recommendations 1996) https://web.archive.[...] 2013-07-27
_[5] 저널 Über Isopren und Kautschuk. 5. Mitteilung. Über die Hydrierung des Kautschuks und über seine Konstitution https://zenodo.org/r[...] 1922
_[6] 저널 The Origin of the Polymer Concept 2008
_[7] 서적 Principles of Physical Biochemistry Prentice Hall
_[8] 저널 Glossary of Basic Terms in Polymer Science https://web.archive.[...] 1996
_[9] 저널 How can biochemical reactions within cells differ from those in test tubes? 2006
_[10] 서적 Biochemistry, 7th ed. (Biochemistry (Berg)) W.H. Freeman & Company
_[11] 서적 Molecular Biology of the Cell (5th edition, Extended version) Garland Science
_[12] 서적 The Cartoon Guide to Genetics https://archive.org/[...] Collins Reference 1991-08-14
_[13] 서적 The Manga Guide to Molecular Biology No Starch Press
_[14] 저널 Single-Crystal Structures of Polyphenylene Dendrimers 2002
_[15] 저널 How can biochemical reactions within cells differ from those in test tubes?
_[16] 서적 Introduction http://dx.doi.org/10[...] 2005-05-12

고분자