분자는 어떻게
‘가족’과 ‘모양’을 갖는가

복잡성은 분자의 개수가 아니라 반복되는 패턴으로 다룬다

교재는 당시 알려진 유기화합물이 3,700만 개를 넘는다고 서두를 연다. 각 화합물은 녹는점과 반응성이 서로 다르지만, 구조적 특징을 기준으로 가족을 만들면 “임의적인 수천만 개”가 아니라 비교적 예측 가능한 몇십 개의 화학적 유형으로 바뀐다. 이 수치는 2011년 판의 역사적 규모이며 현재 데이터베이스 개수로 해석해서는 안 된다.

기능기는 분자 안에서 특징적인 화학적 거동을 나타내는 원자 또는 원자군이다. ethylene과 훨씬 복잡한 menthene은 모두 C=C 이중결합을 가지고 있기 때문에 Br₂가 이중결합 탄소에 첨가되는 동일한 유형의 반응을 보인다. 교재가 강조하는 포인트는 분자의 크기보다 기능기의 존재가 반응 패턴을 강하게 결정한다는 점이다.

기능기는 크게 세 가지 전자 구조로 읽을 수 있다

교재는 carbonyl group이 매우 많은 유기화합물과 사실상 모든 생물학적 분자에서 중요하게 등장한다고 설명한다. carbonyl 자체는 공통이지만 carbonyl carbon에 붙은 H, C, OH, OR, N, Cl 등의 정체성에 따라 가족이 달라진다.

알케인은 최대한 수소로 포화된 탄화수소다

알케인은 탄소와 수소만으로 이루어진 hydrocarbon이며 C–C와 C–H 단일결합만 가진다. 그래서 각 탄소가 가능한 최대 수의 수소를 갖는다는 뜻에서 saturated hydrocarbon이라 부른다.

methane, ethane, propane까지는 주어진 분자식으로 가능한 연결 방식이 하나뿐이지만 C₄H₁₀부터는 상황이 바뀐다. butane처럼 일렬로 연결할 수도 있고, isobutane(2-methylpropane)처럼 가지를 만들 수도 있다. C₅H₁₂에는 pentane, 2-methylbutane, 2,2-dimethylpropane의 세 연결 구조가 있다.

분자식은 같지만 원자의 연결 방식이 다르면 constitutional isomer이다. 같은 butane도 화면에 지그재그로 그리든 직선으로 그리든 연결이 같으면 같은 분자이며, 그림의 방향 자체가 새로운 이성질체를 만들지는 않는다.

수소 하나를 떼면 ‘분자의 나머지’에 붙는 조각이 된다

알케인에서 H 하나를 제거한 부분 구조를 alkyl group이라 하며 parent alkane의 -ane을 -yl로 바꿔 이름을 만든다. methane→methyl(Me), ethane→ethyl(Et), propane→propyl(Pr), butane→butyl(Bu)처럼 이어진다. 내부 탄소에서 H를 떼면 isopropyl, sec-butyl, isobutyl, tert-butyl 같은 가지형 alkyl group이 생긴다.

기호 R은 특정하지 않은 일반적인 alkyl group, 즉 “Rest of the molecule”을 나타낸다. 예를 들어 R₃COH는 tertiary alcohol의 일반형이고 citric acid의 특정 탄소 환경을 이 추상 표기로 연결할 수 있다.

이름은 prefix + parent + locant + suffix로 구성된다

초기 유기화학에서는 발견자가 이름을 정한 사례가 많았다. urea는 urine에서, morphine은 꿈의 신 Morpheus에서 이름이 왔다. 알려진 화합물이 늘어나면서 체계적 nomenclature가 필요해졌고, 교재는 IUPAC 체계를 사용한다.

가지형 alkane은 이 원리를 네 단계로 적용한다.

iso-는 알파벳 정렬에서 이름 일부로 취급하지만 sec-와 tert-는 정렬에서 무시한다. Worked Example 2.2는 구조를 2,6-dimethyloctane으로 명명하고, Worked Example 2.3은 3-isopropyl-2-methylhexane이라는 이름에서 구조를 복원한다. Problems 2.9–2.11은 양방향 변환을 검사한다.

화학적으로 조용한 알케인은 에너지와 원료의 세계에서 매우 크다

자연계에서는 cabbage leaf wax의 nonacosane(C₂₉H₆₀), Jeffrey pine wood oil의 heptane(C₇H₁₆)처럼 알케인이 발견된다. 그러나 가장 큰 공급원은 natural gas와 petroleum이다. natural gas는 주로 methane이며 ethane, propane, butane도 포함한다.

알케인은 paraffin(parum affinis, “little affinity”)이라는 오래된 이름처럼 대부분의 실험실 시약에 둔감하다. 그러나 산소와 연소하거나 UV 아래 염소와 반응할 수 있다.

methane의 chlorination은 자외선 아래 단계적으로 H가 Cl로 치환되어 CH₃Cl, CH₂Cl₂, CHCl₃, CCl₄ 혼합물로 이어질 수 있다.

탄소와 수소를 숨기면 오히려 구조가 더 잘 보인다

skeletal structure는 모든 결합과 원자를 그리는 부담을 줄인다. 규칙은 간단하다. 선의 끝과 교차점에는 탄소가 있다고 가정하고, 탄소에 붙은 수소는 원자가 4가 되도록 마음속으로 채우며, C와 H 이외 원자는 모두 표시한다.

–CH₃, –OH, –NH₂ 같은 짧은 그룹은 결합 방향을 분명히 하기 위해 H₃C–, HO–, H₂N–처럼 뒤집어 쓰기도 한다. 그러나 큰 –CH₂CH₃ 단위는 의미가 흐려질 수 있어 임의로 역순 표기하지 않는다.

단일결합은 회전하지만 ‘완전히 자유로운’ 것은 아니다

C–C 단일결합은 두 오비탈의 정면 중첩으로 형성되므로, 주변 원자의 상대적 배치가 바뀌어도 중첩 자체는 유지되어 회전이 가능하다. ethane에서 회전으로 생기는 여러 배열을 conformations, 서로 다른 배열을 conformers라 한다. 대개 너무 빠르게 상호전환되어 constitutional isomer처럼 분리되지 않는다.

sawhorse representation은 C–C를 비스듬히 보고, Newman projection은 C–C 축을 정면에서 본다. Newman에서 앞 탄소는 중심 점, 뒤 탄소는 원으로 나타내며 각 탄소의 세 결합을 방사형으로 배치한다.

ethane 회전 장벽은 12 kJ/mol(2.9 kcal/mol)이다. C–H 결합이 최대한 떨어진 staggered가 가장 안정하고, 서로 겹쳐 보이는 eclipsed가 가장 불안정하다. 교재는 임의의 순간 약 99%가 대략 staggered, 약 1%가 eclipsed에 가깝다고 설명한다. 더 큰 alkane도 인접 결합이 staggered이고 큰 그룹끼리 멀리 떨어진 fully extended 형태가 선호된다.

포화 고리 탄화수소의 일반식은 C_nH_2n

cyclopropane, cyclobutane, cyclopentane, cyclohexane은 skeletal drawing에서 삼각형, 사각형, 오각형, 육각형으로 나타낼 수 있다. 치환 cycloalkane의 parent를 정할 때는 ring 탄소 수와 가장 큰 substituent chain 탄소 수를 비교한다. ring이 같거나 더 크면 alkyl-substituted cycloalkane, 사슬이 더 크면 cycloalkyl-substituted alkane으로 이름을 만든다.

고리 번호는 치환기가 붙은 곳에서 시작하고, 두 개 이상일 때는 alphabetically 우선인 치환기를 기준으로 시작한 뒤 다음 치환기의 locant를 가능한 낮게 만든다. Problems 2.18–2.19는 이름↔구조 변환을 연습한다.

연결은 같아도 고리의 ‘위’와 ‘아래’가 다르면 다른 물질이다

open-chain alkane은 C–C 단일결합을 중심으로 상당한 회전이 가능하지만, 고리에서는 회전이 구조적으로 제한된다. cyclopropane의 C–C를 단순히 돌리려면 고리를 깨야 한다. 그래서 1,2-dimethylcyclopropane처럼 두 치환기가 고리의 같은 쪽에 있으면 cis, 반대쪽이면 trans라는 두 안정한 형태가 생긴다.

butane/isobutane은 atom connectivity가 다른 constitutional isomers지만 cis/trans cycloalkane은 connectivity는 같고 3차원 배치가 다르다. 이런 관계가 stereoisomers이며 3차원 구조와 반응성을 다루는 관점이 stereochemistry다.

고리는 109.5°와 eclipsing을 동시에 만족시키기 어렵다

sp³ 탄소는 약 109.5°의 정사면체 결합각을 선호한다. cyclopropane은 평면 삼각형이라 C–C–C 각이 약 60°이고, 이 큰 편차가 angle strain을 만든다. 게다가 여섯 C–H가 모두 eclipsed 관계에 놓인다. 그래서 일반적인 strain-free alkane보다 에너지가 높고 반응성이 커진다.

cyclobutane과 cyclopentane은 완전한 평면이 아니라 살짝 puckered 된다. 이렇게 하면 일부 결합각 왜곡은 늘 수 있지만 평면일 때의 심한 eclipsing interaction을 줄일 수 있다. 즉 분자 형태는 하나의 기하 조건이 아니라 angle strain과 eclipsing strain 사이의 절충으로 결정된다.

cyclohexane은 평평하지 않기 때문에 안정하다

cyclohexane은 자연계에서 매우 흔하고 steroid와 여러 pharmaceutical agent의 골격에도 나타난다. menthol도 세 치환기를 가진 six-membered ring의 예다. cyclohexane은 평면이 아니라 lounge chair와 비슷한 chair conformation을 취한다. 모든 C–C–C 각이 약 109°에 가깝고, 이웃 C–H 결합이 staggered라 거의 strain-free이다.

교재는 시각적 착시를 피하기 위해 lower bond가 앞, upper bond가 뒤라는 관례를 명시한다. chair를 2차원 그림으로 읽을 때 이 앞/뒤 관계를 먼저 고정해야 한다.

각 탄소에는 축 방향 하나와 적도 방향 하나가 있다

chair cyclohexane에는 치환기가 놓일 수 있는 두 종류 위치가 있다. axial은 ring axis에 평행하며 위/아래로 번갈아 6개가 있고, equatorial은 ring equator 주변의 대략적인 평면 방향으로 뻗어 역시 6개가 있다. 각 탄소는 axial 1개와 equatorial 1개를 가진다.

중요한 점은 axial/equatorial과 cis/trans는 같은 분류가 아니라는 것이다. cis/trans는 ring의 같은 면/반대 면이라는 관계이고, axial/equatorial은 특정 chair conformer 안에서의 방향이다. 같은 면의 두 치환기는 하나가 axial이고 하나가 equatorial이어도 cis일 수 있다.

교재는 glucose가 cyclohexane chair에 기반한 conformation을 채택하며 그 화학이 공간 구조에 영향을 받는다는 연결을 미리 보여준다. Problems 2.24는 methylcyclohexane을 axial methyl과 equatorial methyl 두 chair로 그리게 한다.

ring flip은 axial을 equatorial로 바꾸지만 cis/trans는 바꾸지 않는다

cyclohexane chair는 상온에서 고정되어 있지 않고 빠르게 ring flip한다. 가운데 네 탄소를 대략 유지한 채 양 끝을 반대 방향으로 접으면 한 chair가 다른 chair로 바뀐다. 그때 모든 axial position은 equatorial로, 모든 equatorial은 axial로 바뀐다. 그래서 monosubstituted cyclohexane은 axial/equatorial 두 “분리 가능한 이성질체”가 아니라 빠르게 오가는 두 conformer를 가진다.

하지만 두 conformer의 에너지는 같지 않다. methylcyclohexane에서 equatorial methyl 형태가 axial보다 7.6 kJ/mol(1.8 kcal/mol) 안정하며, 교재는 임의의 순간 약 95%가 equatorial이라고 제시한다. axial methyl은 C1의 CH₃가 C3, C5의 axial H와 가까워지는 1,3-diaxial steric interaction을 겪기 때문이다.

Chapter 2를 여덟 문장으로 압축하면

1. 기능기는 분자 전체가 달라도 반복되는 특징적 반응성을 제공한다.
2. alkane은 \(C_nH_{2n+2}\)의 saturated hydrocarbon이며 straight-chain 또는 branched 구조를 갖는다.
3. 같은 분자식에서 atom connectivity가 다르면 constitutional isomer이다.
4. IUPAC nomenclature는 longest parent chain, numbering, substituent locant, alphabetization을 조합해 구조를 이름으로 압축한다.
5. C–C 단일결합 회전은 여러 conformer를 만들고 staggered가 eclipsed보다 안정하다.
6. cycloalkane은 \(C_nH_{2n}\)의 고리 구조로 회전 자유도가 제한되어 cis/trans stereoisomerism이 생긴다.
7. 작은 고리는 angle/eclipsing strain을 가지지만 cyclohexane은 chair를 통해 약 109°와 staggered 배치를 동시에 만족한다.
8. chair에서는 axial/equatorial이 ring flip으로 교환되며 큰 substituent는 steric strain을 피하려 equatorial을 선호한다.

이 장에서 반드시 구분해야 할 어휘

이 장이 분자 AI 표현에 주는 힌트

이 부분은 교재의 직접 주장이 아니라 AI for Science 관점의 해석이다. Chapter 2의 개념은 분자 representation에서 서로 다른 정보층을 구분해야 한다는 점을 보여준다. functional group은 local chemical motif, constitutional isomer는 molecular graph topology, cis/trans는 stereochemical label, conformation은 같은 graph가 취할 수 있는 3D state, steric strain은 특정 3D state의 상대 에너지와 연결된다.

따라서 drug discovery용 AI가 분자를 다룰 때 “원자와 결합만 있으면 충분하다”는 단순화는 과제에 따라 부족할 수 있다. 이 장의 고전적 화학 언어는 graph, substructure, stereochemistry, conformer ensemble 같은 현대 분자 데이터 표현이 왜 구분되는지 이해하는 기초가 된다.