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입체 이성질체

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1. 개요

입체 이성질체는 원자 간의 연결 방식은 같지만, 3차원 공간에서의 배열이 다른 이성질체를 의미한다. 입체 이성질체는 거울상 이성질체와 부분 입체 이성질체로 분류되며, 부분 입체 이성질체에는 시스-트랜스 이성질체 등이 포함된다. 거울상 이성질체는 서로 겹쳐지지 않는 거울상 관계에 있는 분자이며, 부분 입체 이성질체는 서로 거울상 관계가 아닌 입체 이성질체를 의미한다. 또한, 배좌 이성질체, 아노머, 아트롭 이성질체 등도 입체 이성질체의 종류에 속한다. '광학 이성질체'와 '기하 이성질체'라는 용어는 IUPAC에서 권장하지 않는다. 르 벨-반트 호프 규칙은 n개의 비대칭 탄소 원자를 가진 구조에 대해 최대 2n개의 입체 이성질체가 존재할 수 있다고 설명한다.

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입체 이성질체
개요
정의분자식과 결합 구조는 같지만 3차원 배열이 다른 분자들의 이성질 현상
종류거울상 이성질체
부분입체 이성질체
회전 이성질체
역사
발견1848년 루이 파스퇴르가 타타르산 염의 결정에서 발견
중요성 인식1874년 야코부스 헨리쿠스 반트 호프와 조제프 르 벨이 탄소 원자가 4개의 다른 원자 또는 원자단과 결합할 때 사면체 구조를 가지며, 이로 인해 입체 이성질체가 발생한다는 것을 독립적으로 제안
거울상 이성질체 (Enantiomer)
특징서로 거울상 관계에 있는 이성질체
키랄성 탄소 원자를 가짐
물리적, 화학적 성질은 동일하지만, 편광된 빛을 회전시키는 방향이 다름
명명법R/S 명명법: CIP 규칙에 따라 결정
D/L 명명법: 글리세르알데히드를 기준으로 결정 (아미노산, 탄수화물에 사용)
부분입체 이성질체 (Diastereomer)
특징거울상 관계가 아닌 입체 이성질체
두 개 이상의 카이랄 중심을 가짐
물리적, 화학적 성질이 다름 (녹는점, 끓는점, 용해도 등)
종류기하 이성질체
에피머
회전 이성질체 (Conformer)
특징단일 결합의 회전에 의해 생성되는 이성질체
에너지 장벽회전에 필요한 에너지가 낮아 상온에서 쉽게 상호 전환 가능
종류엇갈린 형태
가리워진 형태
기타
중요성의약품, 농약 등 생리 활성 물질의 활성에 큰 영향
분리 방법분별 결정
크로마토그래피 (카이랄 컬럼 사용)

2. 이성질체의 분류

이성질체는 크게 구조 이성질체와 입체 이성질체로 나눌 수 있다. 구조 이성질체는 원자 간의 결합 순서가 다른 경우이며, 입체 이성질체는 결합 순서는 같지만 공간적인 배열이 다른 경우이다.

2. 1. 입체 이성질체

입체 이성질체는 원자들의 연결 방식은 같지만 공간상에서의 배열이 다른 이성질체이다. 입체 이성질체는 크게 거울상 이성질체와 부분 입체 이성질체로 나뉜다.[22][23][24][25][26]

유기 분자의 이성질체 분류

  • 거울상 이성질체: 서로 겹쳐지지 않는 거울상 관계에 있는 두 입체 이성질체이다.
  • 부분 입체 이성질체: 거울상 이성질체가 아닌 모든 입체 이성질체를 말한다. 사이클로 화합물의 시스-트랜스 이성질체와 이중 결합의 시스-트랜스 이성질체가 여기에 포함된다.


광학 이성질체기하 이성질체라는 용어는 현재 권장되지 않는다.

어떤 분자 R을 거울에 비춘 구조의 분자 S가 3차원 공간 내에서 아무리 움직여도 원래 분자 R과 정확히 겹쳐지지 않을 때, 분자 R과 분자 S는 서로 거울상 이성질체 관계에 있다.

2. 1. 1. 거울상 이성질체 (Enantiomers)

'''거울상 이성질체'''는 '''광학 이성질체'''라고도 하며, 반사에 의해 서로 연관된 두 개의 입체 이성질체이다. 즉, 서로 겹쳐지지 않는 거울상 관계에 있다. 사람의 손은 이러한 관계의 거시적 유사체이다. 한 거울상 이성질체의 모든 입체 중심은 다른 거울상 이성질체에서 반대 배치를 갖는다. 서로 거울상 이성질체 관계에 있는 두 화합물은 편광된 빛을 회전시키는 방향과 다른 화합물의 서로 다른 거울상 이성질체와 상호 작용하는 방식을 제외하고는 동일한 물리적 특성을 갖는다. 결과적으로, 화합물의 서로 다른 거울상 이성질체는 실질적으로 다른 생물학적 효과를 가질 수 있다. 순수한 거울상 이성질체는 또한 광학 활성 현상을 나타내며, 키랄 시약을 사용해야만 분리할 수 있다. 자연계에서는 대부분의 키랄 생물학적 화합물, 예를 들어 아미노산 (키랄성이 없는 글리신 제외)의 한 거울상 이성질체만 존재한다. 광학 활성 화합물은 두 가지 형태, 즉 D-(+) 형태와 L-(−) 형태를 나타낸다.[22][23][24][25][26]

2. 1. 2. 부분 입체 이성질체 (Diastereomers)

부분 입체 이성질체는 반사 작용을 통해 관련되지 않은 입체 이성질체이다.[4] 서로의 거울상이 아니다. 여기에는 메조 화합물, 시스-트랜스 이성질체, E-Z 이성질체, 그리고 비-거울상 관계인 광학 이성질체가 포함된다. 부분 입체 이성질체는 드물게 동일한 물리적 성질을 갖는다. 아래 예시에서, 타르타르산의 메조 형태는 레보- 및 덱스트로-타르타르산 모두와 부분 입체 이성질체 쌍을 형성하며, 이는 거울상 이성질체 쌍을 형성한다.

--]]--
(자연) 타르타르산
L-타르타르산
L-(+)-타르타르산
레보-타르타르산
D-타르타르산
D-(-)-타르타르산
덱스트로-타르타르산
메조-타르타르산
(1:1)
DL-타르타르산
"라세미산"



위에 나타난 이성질체의 D- 및 L- 표기는 더 일반적으로 사용되는 ''d''- 및 ''l''- 표기와 다르므로, 후자의 명명법에 익숙한 사람들에게는 반대로 보일 수 있다.

피셔 투영식은 L- 및 D- 분자를 카이랄성과 구별하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 정의에 따르면, 피셔 투영식에서 D-당의 마지막에서 두 번째 탄소는 수소가 왼쪽에, 수산기가 오른쪽에 있는 것으로 묘사된다. L-당은 수소가 오른쪽에, 수산기가 왼쪽에 있는 것으로 표시된다.

같은 입체 이성질체끼리 거울상 이성질체 이외의 입체 이성질체를 부분 입체 이성질체라고 부르기도 한다.

2. 1. 3. 시스-트랜스 이성질체와 E-Z 이성질체 (Cis–trans and E–Z isomerism)

이중 결합에 대한 입체 이성질체는 이중 결합 주위의 회전이 제한되어 치환체가 서로에 대해 고정된 상태를 유지하기 때문에 발생한다.[5] 이중 결합의 적어도 한쪽 끝에 있는 두 치환체가 동일한 경우, 입체 이성질체는 존재하지 않으며 이중 결합은 입체 중심이 아니다. 예를 들어, 프로펜(CH3CH=CH2)은 한쪽 끝에 두 개의 치환체가 모두 H이다.[6]

전통적으로, 이중 결합의 입체 화학은 이중 결합의 양쪽에 있는 치환체의 상대적 위치를 나타내는 ''시스''(라틴어, 이쪽) 또는 ''트랜스''(라틴어, 반대쪽)로 설명되었다. ''시스''–''트랜스'' 이성질체의 간단한 예는 1,2-이치환 에텐인 디클로로에텐(C2H2Cl2) 이성질체이다.[7]

디클로로에텐 이성질체


분자 I은 ''시스''-1,2-디클로로에텐이고 분자 II는 ''트랜스''-1,2-디클로로에텐이다. 간혹 모호성이 발생하기 때문에, IUPAC는 이중 결합의 각 끝에 있는 치환체에 원자 번호를 기준으로 우선 순위를 지정하는 더 엄격한 시스템을 채택했다. 우선 순위가 높은 치환체가 결합의 같은 쪽에 있으면 Z (zusammen|함께de)로 지정한다. 반대쪽에 있으면 E (entgegen|반대de)로 지정한다.[8] 염소는 수소보다 원자 번호가 더 크므로 우선 순위가 가장 높은 그룹이다.[9] 위의 분자를 명명하기 위해 이 표기법을 사용하면, 분자 I은 (''Z'')-1,2-디클로로에텐이고 분자 II는 (''E'')-1,2-디클로로에텐이다. Z와 ''시스'', 또는 E와 ''트랜스''가 항상 상호 교환 가능한 것은 아니다. 다음 플루오로메틸펜텐을 고려해 보자.

플루오로메틸펜텐


이 분자의 적절한 이름은 ''트랜스''-2-플루오로-3-메틸펜트-2-엔이다. 그 이유는 골격 사슬을 형성하는 알킬기(예: 메틸 및 에틸)가 서로 이중 결합 반대편에 위치하기 때문이거나, (''Z'')-2-플루오로-3-메틸펜트-2-엔이다. 이중 결합의 각 측면에 있는 우선 순위가 가장 높은 그룹이 이중 결합의 같은 쪽에 있기 때문이다. 플루오로는 이중 결합의 왼쪽에 있는 가장 높은 우선 순위 그룹이고, 에틸은 분자의 오른쪽에 있는 가장 높은 우선 순위 그룹이다.

''시스''와 ''트랜스''는 고리에서 두 치환체의 상대적 위치를 설명하는 데에도 사용된다. 같은 쪽에 있으면 ''시스'', 그렇지 않으면 ''트랜스''이다.[10][11]

2. 1. 4. 배좌 이성질체 (Conformers)

배좌 이성질체는 동일한 구조식을 갖지만 하나 이상의 결합 주위의 회전에 의해 모양이 다른 분자의 현상을 설명하는 이성질체의 한 형태이다.[12][13] 서로 다른 배좌는 서로 다른 에너지를 가질 수 있으며 일반적으로 상호 변환될 수 있고, 격리되는 경우는 매우 드물다. 예를 들어, 사이클로헥세인 배좌에는 ''의자 배좌''(4개의 탄소 원자가 의자의 "좌석"을 형성하고, 하나의 탄소 원자가 의자의 "등받이"가 되며, 하나의 탄소 원자가 "발 받침대"가 되는 형태) 및 ''배 배좌''(두 개의 동일한 의자 형태 사이의 배좌 이동 경로에서 에너지 최대값을 나타냄) 등 다양한 종류가 있다. 그러나 이것은 이 과정의 전이 상태를 나타내지 않는데, 왜냐하면 더 낮은 에너지 경로가 있기 때문이다. 치환된 사이클로헥세인의 배좌 반전은 실온에서 반감기가 0.00001초인 매우 빠른 과정이다.[14]

서로 다른 배좌 간에 큰 에너지 장벽이 있기 때문에 몇 가지 배좌로 분리될 수 있는 분자들이 있다. 2,2',6,6'-테트라치환 바이페닐은 이 후자의 범주에 속할 수 있다. 액상이나 기상에서는 단일 결합 주위의 회전이 보통 자유로우며, 다수의 서로 다른 형태(입체 배좌)를 취할 수 있다. 따라서 이러한 입체 배좌 중 어느 하나가 일치하는 분자는 동일한 입체 이성질체이다. 그러나 큰 입체 장애 등의 원인으로 단일 결합 주위의 회전 장벽이 커지면, 서로 다른 입체 배좌를 가진 분자끼리 분리할 수 있게 된다. 이렇게 분리된 분자끼리는 서로 배좌 이성질체(atropisomer/conformer) 또는 회전 이성질체(rotamer/rotational isomer)라고 한다. 전형적인 예는 오르토 치환 비페닐 유도체이다.

일반적이지는 않지만, 이중 결합의 시스-트랜스 이성질체는 매우 회전 장벽이 높은 배좌 이성질체라는 견해도 있다.[27]

2. 1. 5. 아노머 (Anomers)

아노머 현상은 "시스" 또는 "Z"와 "트랜스" 또는 "E"(기하 이성질체)가 입체 중심의 정체성을 나타내는 단일 결합 고리 구조에 대한 정체성이다. 아노머는 고리의 하나 이상의 탄소에 기하 이성질체와 광학 이성질체(거울상 이성질체)를 갖는 탄소 원자를 가지고 있다.[15][16] 아노머는 고리 탄소 원자 사이에 단일 결합을 갖는 고리 구조(예: 하이드록실기, 메틸 하이드록실기, 메톡시기 또는 다른 피라노스 또는 푸라노스기)를 치환할 때 "알파" 또는 "축 방향"과 "베타" 또는 "적도 방향"으로 명명된다. 이는 전형적인 단일 결합 치환이지만 여기에 국한되지 않는다.[17] 축 방향 기하 이성질체는 기준 평면에 수직(90도)하고, 적도 방향은 축 방향 결합에서 120도 떨어져 있거나 기준 평면에서 30도 벗어난다.[18]

2. 1. 6. 아트롭 이성질체 (Atropisomers)

아트롭 이성질체는 공유 결합에 대한 회전이 방해를 받아 발생하는 입체 이성질체이며, 회전에 대한 입체 변형 장벽이 높아 이성질체의 분리가 가능하다.[19]

액상이나 기상에서는 단일 결합 주위의 회전이 보통 자유로우며, 다수의 서로 다른 형태(입체 배좌)를 취할 수 있다. 따라서 이러한 입체 배좌 중 어느 하나가 일치하는 분자는 동일한 입체 이성질체이다. 그러나 큰 입체 장애 등의 원인으로 단일 결합 주위의 회전 장벽이 커지면, 서로 다른 입체 배좌를 가진 분자끼리 분리할 수 있게 된다. 이렇게 분리된 분자끼리는 서로 배좌 이성질체(atropisomer/conformer) 또는 회전 이성질체(rotamer/rotational isomer)라고 한다. 전형적인 예는 오르토 치환 비페닐 유도체이다.

일반적이지는 않지만, 이중 결합의 시스-트랜스 이성질체는 매우 회전 장벽이 높은 배좌 이성질체라는 견해도 있다.[27]

3. 용어 관련 주의사항

IUPAC에서는 '''광학 이성질체(optical isomer)'''라는 용어를 권장하지 않으며, 대신 거울상 이성질체 및 부분 입체 이성질체라는 용어를 사용하는 것이 권장된다.[33] 광학 이성질체라는 말은 거울상 이성질체의 동의어로 사용되기도 하고,[28][29][30] 거울상 이성질체와 부분 입체 이성질체를 합친 분류로 사용되기도 했다.[31][32]

'''기하 이성질체(geometrical isomer)'''라는 용어는 넓은 의미로는 시스-트랜스 이성질체의 동의어이지만, 좁은 의미로는 이중 결합의 시스-트랜스 이성질체만을 가리킨다.

고등학교 화학에서는 광학 이성질체가 거울상 이성질체의 동의어로 정의되지만, 부분 입체 이성질체는 자세히 다루지 않는다.

4. 르 벨-반트 호프 규칙 (Le Bel-van't Hoff rule)

르 벨-반트 호프 규칙은 ''n''개의 비대칭 탄소 원자를 가진 구조에 대해 최대 2''n''개의 서로 다른 입체 이성질체가 존재할 수 있다고 명시한다. 예를 들어, D-글루코스는 알도헥소스이며 화학식은 C6H12O6이다. 6개의 탄소 원자 중 4개가 입체 발생 중심이므로 D-글루코스는 24=16개의 가능한 입체 이성질체 중 하나이다.[20][21]

참조

[1] 간행물 stereoisomerism
[2] Encyclopedia Stereoisomers http://www.encyclope[...] Encyclopedia.com 2005
[3] 웹사이트 Optical isomerism https://www.chemguid[...] 2012-11
[4] 웹사이트 Basic Terminology of Stereochemistry (IUPAC Recommendations 1996): Diastereoisomerism https://iupac.qmul.a[...]
[5] 웹사이트 Geometric Isomers Definition And Examples https://chemdictiona[...] 2022-06-20
[6] 웹사이트 geometric (cis / trans) isomerism https://www.chemguid[...] 2020-02
[7] 웹사이트 Geometric Isomer Definition (Cis–Trans Isomers) https://www.thoughtc[...]
[8] 서적 Basic Principles of Organic Chemistry https://chem.librete[...] W. A. Benjamin, Inc.
[9] 서적 Basic Principles of Organic Chemistry https://chem.librete[...] W. A. Benjamin, Inc.
[10] 웹사이트 Cis–trans isomerism | NAL Agricultural Thesaurus https://agclass.nal.[...]
[11] 웹사이트 E–Z notation for geometric isomerism https://www.chemguid[...] 2012-11
[12] 웹사이트 What are Conformational Isomers? https://www.chem.uca[...]
[13] 웹사이트 Isomerism - Conformational isomers | Britannica https://www.britanni[...]
[14] 웹사이트 Stereoisomers https://www2.chemist[...] 2013-05-05
[15] 웹사이트 What do the α- and β- forms look like? https://www.chem.uca[...]
[16] 웹사이트 The Big Damn Post Of Carbohydrate-Related Chemistry Definitions https://www.masteror[...] 2022-08-03
[17] 웹사이트 Stereoisomers https://www2.chemist[...]
[18] 서적 Morrison and Boyd Organic Chemistry Sixth ed.
[19] 웹사이트 Atropisomers https://knowleslab.p[...] 2018-06-09
[20] 논문 The Origin of Biological Homochirality
[21] 논문 The German Chemical Myth https://www.jstor.or[...]
[22] 문서 Basic Terminology of Stereochemistry(IUPAC Recommendations 1996) 外部リンク参照
[23] 서적 標準-化学用語辞典-第2版 丸善 2005/03
[24] 서적 化学大辞典 東京化学同人 1989/10
[25] 서적 マクマリー有機化学〈上〉 東京化学同人 2001/03
[26] 서적 ボルハルト・ショアー現代有機化学〈上〉 化学同人 2004/03
[27] 서적 立体化学-第4版 東京化学同人 2002/02
[28] 서적 標準-化学用語辞典-第2版 丸善 2005/03
[29] 서적 化学大辞典 東京化学同人 1989/10
[30] 서적 ボルハルト・ショアー現代有機化学〈上〉 化学同人 2004/03
[31] 서적 岩波理化学辞典-第5版 1998/02
[32] 서적 化学大辞典-第3版 共立 2001/09
[33] 문서 Basic Terminology of Stereochemistry(IUPAC Recommendations 1996) 外部リンク参照
[34] 간행물 stereoisomerism
[35] Encyclopedia Stereoisomers http://www.encyclope[...] Encyclopedia.com 2005



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