광학 이성질체

이성질체
종류	입체 이성질체	광학 이성질체 · 기하 이성질체
	구조 이성질체	사슬 이성질체 · 위치 이성질체
관련 용어	시스 · 트랜스 · 에피머 · 아노머
예시	트랜스 지방^기하, 아스파탐^광학, 탈리도마이드^광학, 포도당· 과당^구조

서로 거울상을 띠고 있는 메코프롭

1. 개요2. 카이랄3. 아노머4. 임상 및 약학5. 관련 문서

1. 개요

光學異性質體
Optical Isomer, Enantiomer(거울상 이성질체)

어원은 그리스어로 '반대의(opposite)'를 뜻하는 ἐναντίος(enantio).

1815년 프랑스의 장바티스트 비오(Jean-Baptiste Biot)가 광학활성도를 도입하여 선형편광된 빛을 수용액에 투과시켰을 때 편광면을 오른쪽으로 회전시키는 (+)형 수용액과 왼쪽으로 회전시키는 (-)형 수용액으로 분류한 것에서부터 시작된다.

그러다가 1848년 루이 파스퇴르가 현미경으로 타타르산과 라세미산[1]이 광학 이성질체임을 밝혀냈다. 정확히는 라세미산은 타타르산의 +형과 -형이 반반씩 섞여있던 것으로 이렇게 +형과 -형 이성질체가 반반 녹아 있다면 광학활성을 상쇄시켜 빛이 직선으로 나간다. 이러한 상태에 있는 혼합물을 라세미산의 이름을 따서 라세미혼합물이라고 부른다.

분자형을 놓고 본다면 서로의 모양이 자기가 거울을 봤을 때의 모습으로 나타나는 이성질체.[2] 탄소를 중심으로 4개의 연결부위에 모두 다른 구조를 가지고 있는 모든 탄소화합물에서 나타나며 아미노산에서는 유일하게 글리신만 광학이성질체가 없다. 이는 아미노산이 탄소를 중심으로 아미노기(-NH₂), 카복실기(-COOH), 수소(H), 작용기(R)가 결합된 형태인데 글리신의 작용기는 수소이기 때문이다.

화학적•물리적 성질이 동일하기 때문에 같은 이름을 쓰며[3][4] 구별하는 방법은 3가지로, 편광면의 회전 방향, 주요 치환기의 배열, 전체 분자의 배열에 따른다.

광학활성도에 따라, 수용액에 선형 편광된 빛을 투과시켰을 때 편광면을 시계방향으로 회전시키면 (+), 반시계방향으로 회전시키면 (-)이다.[5]
피셔 투영도에서 하이드록시기(OH^- )의 방향에 따라 또는 아미노산의 경우 카복시기(COOH)-작용기(R)-아미노기(NH₂)의 순서에 따라 D(Dextrorotatory오른쪽)/L(Levorotatory왼쪽)[6]
치환된 부분을 CIP(Cahn-Ingold-Prelog)체계의 내림차순으로 정리하고 그 방향에 따라 분류하는 R(Rectus, 라틴어로 '오른쪽')/S(Sinister, 라틴어로 '왼쪽')가 있다.

R/S 체계와 D/L, +/- 체계는 서로 무관한 체계다. 시스틴을 제외한 모든 단백질생성 아미노산에서 L-form이 S에 해당하긴 하지만, 분류하는 방식이 다르기에 대응되는 것이라고는 볼 수 없다. 그리고 +/-(혹은 d/l)은 구조와 무관하게 편광계를 통한 실험적 측정값으로 결정되는 것이다.

R/S 명명법은 거울상 이성질화가 가능한 자리에 모두 붙이기 때문에 복잡한 분자에서는 R과 S가 떼로 나올 수도 있으며 이때 서로 거울상 이성질체 관계에 있는 것은 모든 이성질성 중심의 라벨이 죄다 반대인 한 쌍이다. 예를 들면 아미노산 중 트레오닌은 거울상 중심 탄소가 2번, 3번 탄소 둘이며 가능한 배열은 (2S, 3S), (2S, 3R), (2R, 3R), (2R, 3S) 네 가지인데, 이 중 (2S, 3S)와 (2S, 3R)은 거울상 이성질체가 아닌 입체 이성질체다.[7] 그리고 이런 경우에는 통상 생명체에 가장 많은 이성질체를 L이라 부르고 다른 가능한 L은 거의 언급되지 않는다. 실제로 생명체에 거의 없어서 말이다.

앞서 언급한 바와 같이 체내에는 L형의 아미노산과 D형의 당이 대부분을 차지한다.

오스뮴을 촉매로 해서 한 쪽의 이성질체 형성을 억제할 수 있다.

탈리도마이드(Thalidomide)가 말썽을 일으키게 만든 원흉이기도 하다.

네이버캐스트에 관련 내용이 올라왔다. 링크

2. 카이랄

서로 거울상이지만 겹치지 않는, 즉 카이랄성(chirality)을 지닌 분자 구조. 그리스어로 '손(hand)'을 뜻하는 'cheir'에서 따왔다. 카이랄이 아닌 것은 비카이랄(nonchiral, achiral)이라고 한다.[8][9]

탄소의 경우 단일결합을 4개까지 만들 수 있는데, 탄소 원자를 중심으로 결합된 4종류의 원자단이 모두 다르면 카이랄이다. 이때의 탄소 원자를 카이랄 중심(chiral center[10])이라고 한다. 카이랄 중심은 카이랄성의 원인이 된다. 다중 결합을 가지거나 탄소 원자를 중심으로 결합된 4개의 원자단 중 같은 것이 있으면 비카이랄이 된다.

카이랄과 비카이랄을 구분하려면 먼저 다음의 개념을 알아야한다.

대칭면(symmetry plain): 물체 내부의 반쪽이 다른 반쪽의 거울상이 되는 면. 예를 들자면 ㅁ의 대칭면은 [|].
대칭중심: 한 점을 중심으로 물체의 같은 성분들이 동일한 거리만큼 정반대 방향에 존재하는 위치.
대칭요소: 대칭면 또는 대칭중심을 칭하는 것.

대칭요소가 있으면 비카이랄이다(대칭요소가 있으면 회전해서 겹칠 수 있기 때문이다). 그렇다고 모든 비카이랄이 대칭요소가 있는 것은 아니다.

비슷한 논리로 모든 카이랄 분자가 대칭요소가 있는건 아니다. 대표적인 예시로는 카이랄 중심이 없지만 치환기가 다름에 따라 카이랄 분자가 될 수 있는 allene [11][12], bulky한 치환기로 인해 회전을 못하는 BINAP과 같은 회전장애이성질체, 회전하는 방향에 따라 좌선성, 우선성으로 나뉘는 helicene과 같은 예시가 있다. 이들을 모두 통칭해서 axial chirality라고 한다.

무기화학에서 논하는 대칭성과 군론에 입각하여 다음과 같이 아주 심플하게 설명할 수도 있다.
"오직 Cn의 symmetry element를 갖는 분자는 카이랄하다."
이에 해당하는 점군으로는 C1, Cn, Dn이 있다.

분자 구조에서 카이랄 중심이 홀수인 경우 반드시 카이랄이지만, 짝수(0개 포함)인 경우는 카이랄일수도 비카이랄일수도 있다. 카이랄 중심이 있지만 비카이랄인 화합물을 메조 화합물이라고 한다. 카이랄 중심이 없는 경우 대부분은 비카이랄이지만, 알렌과 같은 예외가 존재한다.

3. 아노머

자세한 내용은 아노머 문서 참고하십시오.

4. 임상 및 약학

임상 및 약학에서는 통증, 염증, 해열에 사용하는 이부프로펜(ibuprofen)이나 호흡기 기관지계통에 사용하는 알부테롤(albuterol) 같은 거울상 이성질체에 대한 예시가 주로 다루어진다. 이부프로펜(ibuprofen)의 R형은 S형보다 효과가 현저히 낮으며 알부테롤(albuterol)은 R형은 S형에 의해 효과가 억제될수 있다.

5. 관련 문서

[1] 우리가 잘 알고 있는 포도 특유의 그 맛을 내는 물질이다. [2] 보다 쉽게 비유하자면 좌우 한쌍의 신발이나 장갑 같은 것을 생각해 보면 이해가 쉽다. 서로 대단히 유사하게 생겼지만 어떤 방향으로 회전시켜도 서로의 형태가 동일하게 겹치지 않는데 광학 이성질체 역시 그와 같은 구조를 하고 있는 것이다. [3] 다만 생화학적 성질은 대부분 다르게 나타난다. 이 때문에 일어난 사건이 그 유명한 탈리도마이드 사건. 똑같은 광학 이성질체에서 한쪽은 입덧 진정제로, 다른 한쪽은 혈관 생성 억제제로 작용하는 바람에 산모에서 사지가 덜 형성된 기형아를 태어나게 했다. 그러나 그 성질 때문에 암세포에 혈관이 생성되는 것을 억제해 사멸을 유도하는 원리로 항암제로도 작용할 수 있게 되었다. 물론 당연히 임산부에게는 처방이 불가능하다. [4] 단, 관용명 정도는 다를 수 있다. 관용명은 광학 이성질체가 발견되기 전에 붙여진 경우도 있으므로 말이다. [5] 편광면의 회전은, 선형편광된 빛은 기본적으로 회전방향이 반대인 두 원형편광 성분으로 나눌 수 있는데, 두 원형편광 성분에 대한 분자의 굴절률(=파의 위상속도와 진공에서의 광속의 비)이 서로 달라서 나타나는 현상이다. 관련 실험 결과 해설 [6] D/L분류는 하이드로기나 카복실기가 없으면 아예 분류할 수가 없는지라 생물학 외엔 인기가 없다. 생물학에선 지구상의 생명체는 대부분 L형 아미노산과 D형 탄수화물을 사용하는지라 다른 분류를 사용하면 불편하다. [7] 입체 이성질체 중에는 부분입체 이성질체에 속한다. [8] Femtosecond Vibrational Sum-Frequency Generation Spectroscopy of Chiral Molecules in Isotropic Liquid ,Taegon Lee, Hanju Rhee*, and Minhaeng Cho* Cite this: J. Phys. Chem. Lett. 2018, 9, 23, 6723– https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpclett.8b02947 [9] KSBI 거울상이성질체, 두개의 레이저로 판독한다. https://m.blog.naver.com/PostView.naver?isHttpsRedirect=true&blogId=open_kbsi&logNo=221428566626 [10] stereocenter, asymmetric center, stereogenic center [11] 이중 결합을 두 개 가진 가운데 탄소를 기준으로, 왼쪽 탄소의 두 치환기와 오른쪽 탄소의 두 치환기는 같은 평면에 놓이지 못하고 서로 수직이 되기 때문이다. [12] 이 화합물에 대하여 재미있는 일화가 있다. 이 물질이 카이랄함을 처음 주장한 사람은 제1회 노벨화학상 수상자로도 유명하고 총괄성에서 반트 호프 인자로도 유명한 그 반트 호프이다. 그는 물리화학자로 유명하지만 연구 초기에는 입체화학자였고, 사면체 화학을 연구했는데, 1875년에 알렌이라는 물질의 결합을 점과 선, 면으로서 사면체를 그려 설명한 바 있다. 이로써 그린 그림에 따르면 이중결합을 의미하는 선이 서로 수직이기 때문에 치환체의 위치에 따라 카이랄할 것이라고 예측하였고 이 예측은 60년이 지나 실험적으로 확인되었다. 이 실험이 공개된 논문에는 반트 호프가 언급되어 있기도 하다.