광학 이성질체

3. 키랄 중심

비대칭 원자는 '''키랄 중심'''^[14][15]이라고 불리며, 이는 일종의 입체중심이다. 키랄 중심은 '키랄 중심'^[16][17][18] 또는 '비대칭 중심'^[19]이라고도 한다. 일부 자료에서는 '입체중심', '입체생성 중심', '입체생성 원자', '입체생성체'라는 용어를 키랄 중심만을 가리키는 데 사용하기도 하지만^[16][18][20], 다른 자료에서는 이 용어를 더 넓게 사용하여 부분입체이성질체 (거울상이 아닌 입체 이성질체) 생성을 유발하는 중심을 지칭하기도 한다.^[15][21][22]

정확히 하나(또는 홀수 개)의 비대칭 원자를 포함하는 화합물은 항상 키랄하다. 그러나 짝수 개의 비대칭 원자를 포함하는 화합물은 때때로 거울 대칭면을 가져 키랄성을 잃는 경우가 있으며, 이를 ''메조'' 화합물이라고 한다. 예를 들어, ''메조'' 타르타르산(오른쪽 그림 참고)은 두 개의 비대칭 탄소 원자를 가지고 있지만, 분자 내에 거울 대칭면이 존재하여 거울상 이성질체가 아니다. 반대로, 축 키랄성, 평면 키랄성, 나선 키랄성과 같이 비대칭 원자가 없어도 키랄성을 나타내는 형태도 존재한다.^[16]

키랄 분자는 반사 대칭(C_s)과 회전반사 대칭(S_2''n'')은 없지만, 다른 분자 대칭 요소는 가질 수 있다. 이러한 분자의 대칭성은 키랄 점군인 C_''n'', D_''n'', T, O, I 중 하나로 설명된다. 예를 들어, 과산화 수소는 키랄하며 C₂ (2중 회전축) 대칭을 갖는다. 가장 일반적인 키랄 분자는 C₁ 점군에 속하며, 이는 아무런 대칭 요소가 없음을 의미한다. 젖산이 이러한 경우에 해당한다.

4. 예시

• 탈리도마이드: 1957년부터 1961년까지 전 세계 여러 국가에서 판매된 진정제이다. 그러나 심각한 기형아 출산을 유발하는 부작용이 밝혀지면서 시장에서 퇴출되었다. 탈리도마이드의 한 거울상 이성질체는 원하는 진정 효과를 나타냈지만, 다른 거울상 이성질체는 기형을 유발하는 원인이었다.^[24] 당시 기술로는 두 이성질체를 분리하지 못하고 혼합물 형태로 판매되었기 때문에 비극적인 결과를 낳았다. 이 사건은 의약품 개발 및 허가 과정에서 광학 이성질체의 중요성을 인식하고 안전성 검증을 강화하는 중요한 계기가 되었다.

• 메코프롭: 제초제로 사용되는 화합물이다. 일반적으로 두 거울상 이성질체가 1:1로 섞인 라세미 혼합물 형태로 사용되지만, 실제 제초 활성을 나타내는 것은 (''R'')-(+)-거울상 이성질체("메코프롭-P", "두플로산 KV") 뿐이다.^[25]

• 에스시탈로프람과 시탈로프람: 항우울제로 사용되는 약물이다. 시탈로프람은 (''S'')-시탈로프람과 (''R'')-시탈로프람이 1:1로 섞인 라세미체이다. 반면 에스시탈로프람은 활성 형태인 (''S'')-시탈로프람만 분리하여 만든 순수 거울상 이성질체 약물이다. 이 때문에 에스시탈로프람은 시탈로프람의 절반 용량으로 비슷한 효과를 낼 수 있으며, (''S'')-시탈로프람은 시탈로프람의 키랄 스위치로 불린다.

5. 키랄 의약품

'''거울상 이성질체 순수 화합물'''은 두 거울상 이성질체 중 하나만으로 구성된다. 거울상 이성질체 순수성은 이러한 조성물이 향상된 치료 효과를 가질 수 있기 때문에 실제적으로 중요하다.^[26] 라세미 약물(두 거울상 이성질체가 섞여 있는 약물)에서 거울상 이성질체 순수 약물로의 전환을 키랄 스위치라고 한다.

많은 경우, 거울상 이성질체는 뚜렷한 효과를 나타낸다. 그 예시 중 하나는 프로폭시펜의 경우이다. 프로폭시펜의 거울상 이성질체 쌍은 일라이 릴리 앤 컴퍼니에 의해 별도로 판매된다. 한쪽은 덱스트로프로폭시펜으로, 진통제 (Darvon)이며, 다른 한쪽은 레보프로폭시펜으로, 효과적인 진해제 (Novrad)이다.^[27][28] 약물의 상품명인 DARVON과 NOVRAD는 화학적 거울상 관계를 반영한다는 점도 흥미롭다.

다른 경우에는 환자에게 임상적 이점이 없을 수 있다. 일부 관할권에서는 단일 거울상 이성질체 약물이 라세미 혼합물과 별도로 특허를 받을 수 있다.^[29] 두 거울상 이성질체 중 하나만 활성화될 수도 있고, 또는 둘 다 활성화될 수도 있다. 후자의 경우, 혼합물을 분리하는 것은 객관적인 이점이 없지만 약물의 특허성을 연장하는 데 이용될 수 있다.^[30]

6. 거울상 이성질체 선택적 제조

효과적인 거울상 이성질체 환경(키랄 전구체, 키랄 촉매 또는 속도론적 분해)이 없다면, 라세미 혼합물을 각각의 거울상 이성질체 성분으로 분리하는 것은 불가능하다. 하지만 일부 라세미 혼합물은 자발적으로 "라세미 집합체" 형태로 결정화되기도 하는데, 이 경우에는 각 거울상 이성질체의 결정이 물리적으로 분리되어 기계적인 분리가 가능하다. 그러나 대부분의 라세미체는 두 거울상 이성질체를 1:1 비율로 포함하는 단일 종류의 결정을 형성한다.

루이 파스퇴르는 선구적인 연구를 통해 타르타르산 암모늄 나트륨의 이성질체를 분리하는 데 성공했다. 이는 각 거울상 이성질체가 용액에서 별도의 결정으로 성장했기 때문이다. 물론 두 종류의 거울상 결정이 동일한 양으로 생성되지만, 족집게 등을 이용해 물리적으로 분리할 수 있었다. 하지만 이러한 방식으로 분리할 수 있는 경우는 드물다. 덜 일반적인 방법으로는 거울상 이성질체 자체 불균형화가 있다.

거울상 이성질체를 선택적으로 제조하는 주요 전략은 다음과 같다.

첫째, 비대칭 합성이다. 이는 높은 거울상 과잉으로 원하는 화합물만을 선택적으로 만드는 다양한 기술을 포함한다. 주요 방법으로는 키랄 출발 물질을 사용하는 키랄 풀 합성, 키랄 보조제나 키랄 촉매를 이용하는 방법, 비대칭 유도를 적용하는 방법 등이 있다. 효소(생물 촉매 작용)를 이용하는 것도 효과적인 방법 중 하나이다.

둘째, 거울상 수렴 합성이다. 이 방법은 라세미 혼합물 상태의 전구체에서 시작하여, 두 거울상 이성질체 모두를 활용해 원하는 하나의 거울상 이성질체만을 합성하는 전략이다. 주로 키랄 촉매를 사용하여 반응물의 두 거울상 이성질체 모두가 단일 생성물의 특정 거울상 이성질체로 전환되도록 유도한다.^[31]

한편, 특정 온도와 시간 조건에서 라세미화(거울상 이성질체끼리 서로 변환되어 라세미 혼합물을 만드는 과정)가 쉽게 일어날 수 있다면, 거울상 이성질체를 분리하는 것이 어려울 수 있다. 예를 들어, 세 개의 다른 치환기를 가진 아민은 키랄 구조를 가질 수 있지만, 일부 예외(예: 치환된 ''N''-클로로아지리딘)를 제외하고는 실온에서 우산 반전을 겪으며 빠르게 라세미화된다. 라세미화 속도가 매우 빠르면, 해당 분자는 사실상 비키랄성인 평균적인 구조로 취급되기도 한다.

7. 패리티 위반

일반적으로 한 쌍의 거울상 이성질체는 동일한 에너지를 갖는다. 그러나 이론 물리학에서는 패리티 위반 현상 때문에 약력의 약한 중성 전류 메커니즘을 통해 거울상 이성질체 사이에 미세한 에너지 차이가 존재한다고 예측한다.^[17][32][33] 이 에너지 차이는 약 10⁻¹² eV 또는 10⁻¹⁰ kJ/mol 이하로 매우 작다.^[17][32][33] 이는 분자 구조의 작은 변화로 인한 에너지 변화보다 훨씬 작으며, 현재 기술로는 측정하기 어려워 화학적으로는 무의미하다.^[17][32][33]

8. ''준''-거울상 이성질체

''준''-거울상 이성질체는 엄밀한 의미의 거울상 이성질체는 아니지만, 거울상 이성질체처럼 행동하는 분자 종을 말한다. ''준''-거울상 이성질체에서는 분자의 대부분이 거울상처럼 반사되지만, 분자 내의 특정 원자나 작용기가 유사한 다른 원자나 작용기로 바뀐 형태이다.^[34] 또한, 분자 내의 원자나 작용기를 특정 방식으로 치환했을 때 거울상 이성질체가 될 수 있는 분자로 정의하기도 한다.^[35] ''준''-거울상 이성질체의 예로는 (''S'')-브로모부탄과 (''R'')-아이오도부탄이 있다. 일반적으로 (''S'')-브로모부탄의 거울상 이성질체는 (''R'')-브로모부탄이고, (''R'')-아이오도부탄의 거울상 이성질체는 (''S'')-아이오도부탄이다. ''준''-거울상 이성질체는 '준-라세미체'를 형성하기도 하는데, 이는 일반적인 라세미 혼합물과 유사하게 ''준''-거울상 이성질체가 동일한 비율로 섞인 혼합물을 의미한다.^[34]

비록 실제 거울상 이성질체는 아니지만, ''준''-거울상 이성질체의 명명법은 카이랄성 중심의 입체 배치를 나타내는 (''R'') 및 (''S'') 표기법에서 거울상 이성질체와 동일한 규칙을 따른다. 이는 분자의 기하학적 구조를 기반으로 우선순위를 정하는 칸-인골드-프릴로그 우선순위 규칙에 따라 결정된다.

''준''-거울상 이성질체는 병렬 속도론적 분해 과정에 응용될 수 있다.^[36]

참조

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