유기화학-이성질체

이성질체

이성질체는 분자식은 동일하지만 원자들이 다르게 배열되어 있는 분자를 말합니다. 이성질체인 분자들은 같은 분자식이지만 작용기, 골격, 위치, 입체 모양을 변형함으로써 서로 다른 물리,화학적 성질을 가질 수 있으므로 더 많은 다양성을 가집니다. 구조의 다양성이 증가하고 다양한 화합물의 증가는 동시에 화합물의 물리 화학적 기능의 다양성이 증가함을 의미합니다. 이성질체는 크게 구조 이성질체와 입체이성질체 두가지로 나뉩니다.

 

구조이성질체

분자식은 같지만, 분자 내 원자들의 연결 상태(결합의 종류, 수, 작용기의 종류 및 위치 등)가 다른 화합물을 말합니다.세부적으로 골격이 다르거나, 작용기가 다르거나, 같은 작용기의 위치가 다른것에 따라 사슬이성질체, 작용기 이성질체, 위치 이성질체로 나뉩니다. 

 

사슬이성질체

골격이성질체라고도 하며 같은 종류와 갯수의 재료들로 이루어져있으나 탄소 골격 자체가 달라서 구조가 다르게 형성된것을 말합니다. 대표적으로 펜테인(pentane)있습니다. 펜테인의 분자식은 C5H12 이지만 탄소 골격을 형성 할 때 가지를 돌출시킨 구조도 형성 할 수 있습니다.

사슬이성질체 대표적인 예

펜테인 이성질체는 간단한 물리적 성질인 끓는점, 녹는점, 밀도를 비교하면 서로 다름을 알 수 있습니다. 일반적으로 알케인에서 표면적이 증가하면 분자간 상호 작용하는 힘이 커져서 끓는점과 녹는점이 증가한합니다. 가지가 달린 알케인에서는 표면적이 감소하므로 끓는점은 감소합니다. 따라서 펜테인의 끓는점이 가지가 달린 다른 이성질체 보다 더 높습니다. 녹는점의 경우, 표면적보다 대칭성이 더 중요합니다. 이는 액체에서 고체가 될 때 분자들의 정렬이 더 중요하기 때문입니다. 대칭성이 높은 네오펜테인이 표면적이 크고 넓게 퍼져있는 페테인보다 높은 녹는점을 가집니다.

 

작용기이성질체

분자식은 같지만 화합물에 존재하는 작용기의 종류가 다른 이성질체입니다. 대표적으로 분자식 C3H6O가 있습니다. C3H6O는 3가지 화합물 아세톤(acetone), 프로필렌 옥사이드(propylene oxide), 프로피온알데하이드(propionaldehyde)]로 나타낼 수 있습니다. 아세톤, 프로필렌 옥사이드과 프로피온알데하이드가 가지고 있는 작용기는 각각, 케톤, 에폭사이드, 알데하이드입니다.

아세톤

프로필렌옥사이드

프로피온알데하이드

아세톤, 프로필렌 옥사이드와 프로피온알데하이드는 각각의 녹는점, 끓는점, 밀도가 다릅니다. 분자식은 같지만, 각각 다른 작용기를 가짐에 따라 물리적 성질도 달라짐을 알 수 있습니다.

 

위치이성질체

분자식과 화합물에 존재하는 작용기는 같지만 작용기의 위치가 다른 이성질체를 말합니다. 예를들에 프탈산(phthalic acid), 아이소프탈산(isophthalic acid), 테레프탈산(terephthalic acid)이 있는데, 이들 이성질체에는 -COOH 작용기가 각각 1과 2번, 1과 3번, 1과 4번 위치에 붙어 있습니다.

이들의 녹는점, 물에 대한 용해도와 -COOH 작용기의 산성도는 각각 다릅니다. 프탈산의 첫 번째 산도는 2.89로 다른 두 가지 이성질체의 산도(3.46/3.51)보다 높습니다. 프탈산의 첫번째 -COOH에서 H+가 떨어지면 -COO-로 이온화되고 이것이 바로 옆에 존재하는 -COOH의 수소와 수소결합을 하며 안정화 할 수 있기 때문에 H+가 떨어진 -COO-로 존재하는 것이 다른 이성질체에서 이온화된 것보다 안정하기 때문입니다. 위치 이성질체도 작용기의 위치에 따라 물리적 성질이 다르게 나타납니다.

 

입체이성질체

원자들의 연결 상태는 같지만, 공간 배열이 달라 서로 겹쳐지지 않는 화합물을 말합니다. 입체이성질체를 구분하는 접두사(cis-trans 또는 R-S)를 제외하면 같은 IUPAC 이름을 갖고 있습니다. 입체이성질체는 단지 원자의 3차원적 배열이 다르기 때문에 항상 같은 작용기를 가지고 있습니다. 입체이성질체는 다시 거울상이성질체(enantiomer)와 부분입체이성질체(diastreoisomer)로 나눌 수 있습니다. 거울상이 원래 화합물과 겹쳐지지 않는 입체이성질체를 거울상이성질체라고 하고, 거울상이성질체가 아닌 입체이성질체를 모두 부분입체이성질체라 합니다. 시스-트랜스 이성질체(cis-trans isomer)는 부분입체이성질체의 종류의 하나입니다.

 

거울상이성질체

광학 이성질체라고도 하며 두 분자 서로 거울 대칭성인 것으로 탄소에 결합한 4개의 서로 다른 원자나 원자단으로 구성되어 있습니다. L이성질체와 D이성질체가 있습니다. 이것은 둘 중 하난의 이성질체만이 생물학적 활성을 가집니다. 예를 들어 탄수화물 같은 경우에는 D이성질체만 생물학적 특성을 가지고, 아미노산의 경우에는 L이성질체만 생물학적 특성을 가집니다.

 

부분입체이성질체

부분입체이성질체는 거울상 이성질체(eanatiomer)가 아닌 입체이성질체입니다. 부분입체이성질체 현상은 두 개 이상의 카이랄 중심(chiral center)이 있는 화합물에서, 카이랄 중심의 배치가 일부만 같을 때 나타나고, 키랄 중심의 배치가 모두 반대이면 거울상 이성질체지만, 그 중 일부만 같으면 두 분자는 서로 부분입체이성질체 관계에 있습니다. 거울상 이성질체와는 달리, 부분입체이성질체 간에는 서로 다른 물리적 성질과 화학 반응성을 나타냅니다.

입체이성질체는 거울상 이성질체와 부분입체이성질체로 구분하며 부분입체 이성질체는 다시 배치(configuration)와 관련한 부분입체이성질체와 알켄의 시스(cis)-트랜스(trans) 이성질체로 나뉩니다. 배치 관련 부분입체이성질체 현상은 두 개 이상의 카이랄 중심이 있는데, 그 배치가 일부만 같을 때 나타냅니다. 카이랄 중심의 배치가 모두 반대이면 거울상 이성질체인 반면, 그 중 일부가 같으면 부분입체이성질체입니다.

 

기하 이성질체(geometric isomer, cis-trans isomer)

다이클로로에테인(dichloroethane) 분자의 경우 탄소 이중결합이 중심에 있고 두 개의 수소와 두 개의 염소가 공유결합을 합니다. (I) 화합물의 경우는 염소 치환기가 같은 가까운 방향에 위치하고, (II) 화합물의 경우는 염소 치환기가 반대의 먼 방향에 위치합니다. 이런 둘 간의 관계를 기하 이성질체라고 하고 각각을 시스(cis) 화합물, 트랜스(trans) 화합물이라고 합니다. 크기가 큰 치환기가 서로 같은 방향(시스)에 있으면 서로 입체장애(steric hindrance)가 생겨서 덜 안정하고, 일반적으로 트랜스 화합물이 안정합니다.

[1] cis              [2] trans