구조 이성질체

3. 작용기 이성질체

'''작용기 이성질체'''는 서로 다른 작용기를 가지고 있어 화학적 및 물리적 특성이 크게 다른 구조 이성질체이다.^[13]

작용기 이성질체는 서로 다른 화학적 특성 외에도 일반적으로 매우 다른 적외선 스펙트럼을 갖는다. 적외선 스펙트럼은 분자의 진동 모드에 의해 크게 결정되며, 하이드록실기 및 에스터와 같은 작용기는 매우 다른 진동 모드를 갖는다. 따라서 1-프로판올과 2-프로판올은 하이드록실기 때문에 비교적 유사한 적외선 스펙트럼을 가지며, 이는 메틸 에틸 에테르의 스펙트럼과는 상당히 다르다.

3. 1. 예시

4. 구조 아이소토포머

화학에서 일반적으로 동일한 원소의 동위 원소 간의 구별은 무시되지만, 라만, NMR, 마이크로파 분광법과 같은 일부 상황에서는 동일한 원소의 서로 다른 동위 원소를 다르게 취급할 수 있다. 이 경우, 각 동위 원소의 원자 수는 같지만 결합 방식이 다른 두 분자를 구조 아이소토포머라고 한다.

4. 1. 예시

5. 구조적 동등성과 대칭성

분자의 구조적 대칭성은 분자 구조를 변경하지 않으면서 최소 두 개의 원자를 교환하는 원자의 순열로 정의할 수 있다. 두 원자가 구조적으로 서로를 변환하는 구조적 대칭성이 있다면, 이들은 동치 관계에 있다고 할 수 있다.^[12]

예를 들어, 메테인의 네 수소 원자는 임의로 순서를 바꿔도 분자의 모든 결합이 보존되므로 모두 구조적으로 동등하다. 에테인(Ethane|에테인^영어)의 여섯 수소 원자와 두 탄소 원자 또한 마찬가지이다.

하지만 프로페인의 수소 원자는 모두 구조적으로 동등하지 않다. 첫 번째와 세 번째 탄소에 붙은 여섯 개의 수소는 에테인처럼 동등하며, 중간 탄소에 붙은 두 개의 수소는 서로 동등하지만, 이 두 동치류 사이에는 동등성이 없다.

모분자의 원자 간 구조적 동등성은 해당 원자를 다른 원소나 작용기로 치환하여 얻을 수 있는 위치 이성질체의 수를 줄여준다. 예를 들어 에테인의 수소 원자 간 구조적 동등성으로 인해 에탄올의 구조 이성질체는 하나뿐이다. 프로페인의 수소는 두 개의 구조적 동등성 부류로 나뉘어 1-프로판올과 2-프로판올 두 가지 위치 이성질체만 존재한다. 부탄올도 위치 이성질체가 2개, 펜탄올이나 헥산올은 3개뿐이다.

5. 1. 구조적 동등성

5. 2. 구조적 대칭성과 동등한 원자

5. 3. 치환에 의한 대칭성 파괴

5. 3. 1. 예시

오르토-다이클로로벤젠	메타-다이클로로벤젠	파라-다이클로로벤젠
1,2-다이클로로벤젠	1,3-다이클로로벤젠	1,4-다이클로로벤젠

같은 이유로 페놀 (하이드록시벤젠)은 하나만 존재하지만, 벤젠다이올은 세 개, 톨루엔 (메틸벤젠)은 하나지만, 자일렌은 세 개이다.

두 번째 치환(동일한 치환체)은 분자의 대칭성을 보존하거나 증가시킬 수 있으며, 따라서 다음 치환에 대한 등가 클래스 수를 보존하거나 줄일 수 있다. ''메타''-다이클로로벤젠의 나머지 4개의 수소는 여전히 세 개의 클래스로 분류되는 반면, ''오르토''-의 수소는 두 개의 클래스로 분류되고, ''파라''-의 수소는 다시 모두 동일하다. 그래도 이 3 + 2 + 1 = 6개의 치환 중 일부는 동일한 구조를 생성하므로 구조적으로 구별되는 트라이클로로벤젠은 1,2,3-, 1,2,4-, 1,3,5- 세 가지뿐이다.

1,2,3-트라이클로로벤젠	1,2,4-트라이클로로벤젠	1,3,5-트라이클로로벤젠

각 단계의 치환체가 서로 다른 경우 일반적으로 더 많은 구조 이성질체가 존재한다. 하나의 하이드록실 치환체와 두 개의 메틸 치환체를 가진 벤젠인 자일레놀은 총 6개의 이성질체를 갖는다.

2,3-자일레놀	2,4-자일레놀	2,5-자일레놀
2,6-자일레놀	3,4-자일레놀	3,5-자일레놀

6. 이성질체 열거 및 계산

구조 이성질체를 열거하거나 계산하는 것은 일반적으로 어려운 문제이다. 여러 결합 유형(비편재 결합 포함), 고리 구조, 원자가 또는 기하학적 제약으로 인해 실현될 수 없는 구조, 분리할 수 없는 호변이성질체 등을 고려해야 하기 때문이다.

예를 들어, 분자식 C₃H₆O를 가지는 구조 이성질체는 9가지가 있는데, 그중 7개는 상온에서 안정하다. 나머지 2개는 프로피온알데히드와 아세톤의 엔올 호변이성질체이지만 안정적이지 않다.

6. 1. 고려 사항

• 다양한 결합 유형 (비편재 결합 포함)
• 고리 구조
• 원자가 또는 기하학적 제약으로 인해 실현될 수 없는 구조
• 분리할 수 없는 호변이성질체

화합물	분자 구조	녹는점 (°C)	끓는점 (°C)	비고
알릴 알코올		–129	97
사이클로프로판올			101–102
프로피온알데히드		–81	48	시스와 트랜스 입체 이성질체 형태를 모두 갖는 프로프-1-엔-1-올과 호변이성질체 관계
아세톤		–94.9	56.53	프로펜-2-올과 호변이성질체 관계
옥세탄		–97	48
프로필렌옥사이드		–112	34	두 개의 거울상 이성질체 형태를 가짐
메틸 비닐 에테르		–122	6

두 개의 구조 이성질체는 카보닐 이성질체(프로피온알데히드와 아세톤)의 엔올 호변이성질체이지만, 이는 안정적이지 않다.

6. 2. 예시

참조

_[1] 서적 Dictionary of the History of Science https://archive.org/[...] 2014
_[2] 서적 CRC Handbook of Chemistry and Physics
_[3] 저널 Constitutional isomerism https://goldbook.iup[...] IUPAC 2014-07-19
_[4] 서적 IUPAC Compendium of Chemical Terminology 2006
_[5] 서적 Introduction to Organic and Biochemistry 2009
_[6] 서적 Useful Principles in Chemistry for Agriculture and Nursing Students 2018
_[7] 웹사이트 Structural isomerism http://www.chemguide[...] 2000
_[8] 서적 Stereochemistry and Stereoselective Synthesis: An Introduction Wiley-VCH 2016
_[9] 서적 Macmillan Dictionary of Chemistry 1987
_[10] 서적 Contemporary Theory of Chemical Isomerism https://books.google[...] 1986
_[11] 서적 General, Organic, and Biological Chemistry 2015
_[12] 서적 Handbook of Chemoinformatics Algorithms 2010
_[13] 서적 A Textbook of Science for the Health Professions 1997
_[14] 서적 岩波理化学辞典第5版 岩波書店 1998-02-20
_[15] 서적 岩波理화학사전 제 5판 岩波書店 1998-02-20