하이드록실기

1. 개요

하이드록실기는 한 개의 수소 원자와 한 개의 산소 원자로 이루어진 원자단(-OH)으로, 무기 화합물에서는 수산화물로 이온화되어 염기성을 나타내고, 유기 화합물에서는 약한 산성을 나타낸다. 하이드록시기는 분자 간 수소 결합을 형성하여 끓는점과 녹는점을 높이며, 생화학적으로 탄수화물, 지질, 단백질, 핵산 등 다양한 분자에서 발견된다. 또한, 달, 금성, 화성, 외계 행성 등 천문학적 관측을 통해 우주 공간에서의 존재가 확인되었다. 하이드록실 라디칼(•OH)은 반응성이 큰 중성 라디칼로 생체 손상을 일으킬 수 있다.

2. 화학적 성질

하이드록시기는 산소 원자와 수소 원자의 전기음성도 차이(산소 3.5, 수소 2.1) 때문에 극성을 띤다. 이 때문에 하이드록시기를 포함하는 화합물들은 분자 간 수소 결합을 형성하여 분자 간 인력을 증가시킨다. 따라서 하이드록시기가 없는 화합물보다 끓는점과 녹는점이 더 높다. 물에 잘 녹지 않는 유기 화합물도 하이드록시기를 두 개 이상 포함하면 수용성을 띠는데, 설탕과 아미노산이 대표적인 예이다.

하이드록시기는 수소 결합을 제공할 수 있을 뿐만 아니라, 산소 원자에 고립 전자쌍이 있어 수소 결합을 받을 수도 있다. 이러한 성질 때문에 물과 같이 수소 결합을 하는 극성 용매와 친화성을 보인다.

하지만 하이드록시기는 주변 원자 배열에 따라 성질이 달라진다. 예를 들어 하이드록시기의 수소는 양성자로 떨어져 나갈 수 있지만, 알케인이나 알켄과 같이 탄화수소에 직접 결합된 하이드록시기에 비해 방향족 고리에 직접 결합된 하이드록시기가 양성자를 더 쉽게 내놓는다. 옥심의 경우도 질소에 하이드록시기가 직접 결합된 것처럼 보이지만, 일반적인 하이드록시기와는 다른 성질을 보인다.

2.1. 유도 효과 및 공명 효과

하이드록시기가 방향족 고리가 아닌 탄화수소에 직접 연결된 경우에는, 직접 연결된 탄소로부터 전자 끌개의 유도 효과를 일으킨다.

방향족 고리에 하이드록시기가 직접 연결된 경우에는, 탄소보다 산소의 전기 음성도가 높기 때문에 유도 효과에 의해 탄소 쪽에서 전자를 끌어내려고 하지만, 이와는 반대로, 방향족 고리에 전자 공여성을 나타내는 공명 효과가 더 우세하다. 이 때문에, 방향족 고리에 직접 연결된 하이드록시기는 방향족 고리에 전자 공여성을 나타낸다.

또한, 하이드록시기에 강염기가 작용하여 수소 이온이 제거된 형태 (-O^-)로 바뀌면, 산소 원자에 과도하게 음전하가 걸리게 되므로, 공명 효과로서도 유도 효과로서도 전자 공여성을 나타낸다.

3. 생화학적 역할

일반적으로 생화학에서 리보스나 글리코겐 등 단당류 및 다당류의 탄수화물에서 뿐만 아니라 지질, 단백질, 핵산에서도 매우 다양한 경우에 작용기로 하이드록실기를 확인할 수 있다.

하이드록실기는 단순한 생물학적 분자를 긴 사슬로 연결하는 탈수 반응에 참여한다. 지방산과 글리세롤을 결합하여 트리아실글리세롤을 형성하면 지방산의 카르복시 말단에서 −OH기가 제거된다. 두 개의 알데히드 당을 결합하여 이당류를 형성하면 한 당의 알데히드 말단에 있는 카르복시 그룹에서 −OH기가 제거된다. 두 개의 아미노산을 연결하여 단백질을 만드는 펩타이드 결합을 생성하면 한 아미노산의 카르복시 그룹에서 −OH기가 제거된다.

4. 천문학적 발견

지구의 밤하늘은 원자와 분자의 방사성 전이에 의해 생성되는 대기광이라고 하는 산광에 의해 밝게 빛난다. 지구의 밤하늘에서 관찰되는 가장 강렬한 특징 중 하나는 700 nm에서 900 nm 사이의 파장에서 일련의 적외선 전이인데, 1950년 에이든 마이넬은 이것이 하이드록실기 분자(OH)의 전이라는 것을 밝혀냈다.

2009년, 인도의 찬드라얀 1호 위성과 미국 항공우주국(NASA)의 카시니 탐사선 및 딥 임팩트 탐사선은 각각 달 표면에서 하이드록실기 조각의 증거를 통해 물의 증거를 감지했다. 리처드 커는 "분광계 [M3라고도 알려진 달 광물학 매퍼]가 3.0 μm 파장에서 물 또는 하이드록실기(수소와 산소가 결합된 것)만이 생성할 수 있는 적외선 흡수를 감지했다."라고 보도했다. NASA는 또한 2009년에 LCROSS 탐사선이 하이드록실기 존재와 일치하는 자외선 방출 스펙트럼을 밝혔다고 보고했다.

2020년 10월 26일, NASA는 성층권 적외선 천문대(SOFIA)에서 얻은 클라비우스 분화구 부근의 달 표면에서 물의 결정적인 증거를 보고했다. SOFIA 망원경용 SOFIA 희미한 물체 적외선 카메라(FORCAST)는 물에는 존재하지만 하이드록실기에는 없는 6.1 μm 파장에서의 방출 밴드를 감지했다. 달 표면의 물의 양은 달 토양 1m³당 12온스 물병의 내용물과 동일한 것으로 추정되었다.

2020년 12월 1일에 달에 착륙한 창어 5호 탐사선은 달 암석과 레골리스의 적외선 반사 스펙트럼을 측정할 수 있는 광물학 분광계를 탑재했다. 2.85 μm 파장에서의 암석 샘플의 반사 스펙트럼은 최대 180ppm의 국소화된 물/하이드록실기 농도를 나타냈다.

비너스 익스프레스 궤도선은 2006년 4월부터 2014년 12월까지 금성의 과학 데이터를 수집했다. 2008년 피치오니 외 연구진은 비너스 익스프레스에 탑재된 가시광선 및 적외선 열 영상 분광계(VIRTIS)를 사용하여 금성 대기 야간 대기광 방출을 측정했다고 보고했다. 그들은 1.40~1.49μm 및 2.6~3.14μm 파장 범위의 방출 띠를 OH의 진동 전이에 기인한다고 밝혔다. 이는 지구 외의 다른 행성의 대기에서 OH가 존재한다는 최초의 증거였다.

2013년, 화성 소형 정찰 영상 분광계(CRISM)를 사용하여 화성 극지방 겨울 대기의 야간 오로라에서 OH 근적외선 스펙트럼이 관측되었다.

2021년에 외계 행성 WASP-33b의 주간 대기 방출 스펙트럼에서 1~2μm 파장에서 OH에 대한 증거가 발견되었다. 이후 외계 행성 WASP-76b의 대기에서 OH에 대한 증거가 발견되었다. WASP-33b와 WASP-76b 모두 초고온 목성이며, 대기 중의 물은 해리된 이온 형태로 존재할 가능성이 높다.

5. 명칭

무기 명명법에 따라 수산화물(hydroxide)로 명명되며, 수산기라고도 불린다. 알칸이나 알켄 등 벤젠 고리 이외의 탄화수소의 탄소에 붙은 수소를 하이드록시기로 치환한 화합물을 알코올이라 하고, 벤젠 고리의 수소를 하이드록시기로 치환한 화합물을 페놀(류)라고 부른다.

중성 라디칼 •OH는 "히드록실 라디칼"이라고 불린다.

6. 하이드록실 라디칼

하이드록실 라디칼(•OH)은 반응성이 매우 커 짧은 수명을 갖는다. 하이드록실 라디칼에 생물학적 시스템이 노출되면, DNA, 지질, 단백질과 반응하여 인간을 포함한 세포에 손상을 입힐 수 있다.

7. 유사 구조 작용기

예를 들어 카복실기는 겉보기에는 탄소에 하이드록시기(-OH)가 직접 결합된 것처럼 보이지만, 이는 카복실기로서의 성질을 나타내며, 단순한 하이드록시기와는 다르다. 이와 같이, 단순히 '-OH'가 결합되어 있는 것처럼 보여도, 다른 작용기로 생각해야 할 경우도 있다.