광학 이성질체

[ optical isomer ]

이성질체는 분자식은 같은데 구조 또는 입체적인 모습이 다른 것을 나타낸다. 광학 이성질체는 여러 가지 입체이성질체(stereoisomer) 중의 하나이고 거울상이성질체(Enantiomer)와 동의어로 사용한다. 어원은 그리스어로 ‘반대’를 뜻하는 ἐeνάντιος (enantios)와 ‘부분’ μέρος(meros)이 합쳐져 있다. 광학 이성질체는 광학 활성 값만 제외하고 녹는점, 끓는점, 밀도, 용해도 등의 물리적 성질이 같다.

그림1. 광학이성질체 예 (출처: 대한화학회)

어떤 물체를 거울에 비췄다고 가정해 보면 거울 속에 이 물체와 대칭적인 상이 나타난다. 거울 속에 나타난 상을 거울 밖으로 꺼낸다고 가정하면 거울 앞에 있는 상과 3차원적으로 동일한 모습으로 포개질 수 있는 것과 없는 것이 있다.

예를 들면 아무 표시 없는 지우개, 좌우 대칭인 컵, 연필, 복사 용지 등은 원래 상과 거울 속의 상을 겹치게 할 수 있다. 그러나 오른쪽 신발, 오른손, 오른발 등을 거울에 비추면 거울 속에서는 각각 왼쪽 신발, 왼손, 왼발 상이 나타날 것이다. 거울 속에 나타난 상을 꺼내서 원래 상과 3차원적으로 겹칠 수 없다.

이렇게 거울 앞의 상과 이것의 거울 속에 비친 상처럼 겹칠 수 없는 거울 대칭인 두 물체(화학에서는 화합물)를 광학 이성질체 또는 거울상이성질체라고 한다.

화합물에서는 모든 화합물이 거울상 대칭을 이루는 것이 아니다. 특별히 광학 활성을 가지고 있는 화합물을 거울에 비추면 거울 속에 대칭적인 상이 나타난다. 이들의 관계를 광학 이성질체(거울상이성질체)라고 부른다. 일반적으로 광학 활성을 갖기 위해 화합물은 입체 중심(stereogenic center)을 가지고 있어야 한다. 입체 중심과 같은 용어는 카이랄성 중심(chirality center), 카이랄 중심(chiral center), 카이랄 탄소(chiral carbon), 비대칭 중심(asymmetric center) 등이 있고, 이들을 대표하여 최근에는 입체 중심이라는 용어를 가장 많이 사용한다.

그림2. 이성질체 분류와 광학 이성질체 (출처: 대한화학회)

광학 이성질체 (거울상이성질체)가 될 조건

모든 화합물이 광학 이성질체 (거울상이성질체)를 가질 수 없다. 특정 조건을 갖는 화합물만이 광학 이성질체(거울상이성질체)를 가질 수 있다.

광학 이성질체를 가질 일반적인 조건은 화합물 분자 내에 입체발생 중심(stereogenic center)을 1개 이상 가지고 있어야 한다는 점이다. 입체발생 중심(stereogenic center)을 2개 이상 가지고 있어도 분자 내에 대칭면을 가지고 있으면 광학 이성질체(거울상이성질체)를 가질 수 없다. 이러한 입체이성질체를 메조(meso) 화합물이라 한다.

헬리센(helicene)과 트위스토플렉스(twistoflex)처럼 입체중심이 없지만 입체발생 평면(stereogenic plane), 입체발생 축 (stereogenic axis)을 가지거나 아다만테인(adamantane) 계통 화합물이 되면 카이랄하여 거울상을 가지는 화합물도 존재한다. 입체발생 중심(stereogenic center)은 탄소, 황, 인과 같은 원소가 가질 수 있다.

일반적으로 탄소 원소에 단일 결합을 이루는 모든 치환체가 다르면 이 탄소를 입체발생 중심이라 부른다. L-serine의 예를 들면 중심에 표시된 검은색 탄소에 결합하고 있는 치환기 4개가 모두 다른 것으로 되어 있다. 이렇게 탄소에 결합한 치환기 4개가 모두 다른 탄소를 입체중심 탄소라 부른다.

그림3 L-serine 입체발생 중심 (출처: 대한화학회)

분자 내에 입체발생 중심이 1개 이상 있으면 일반적으로 광학 이성질체를 가질 수 있다. 화합물 내에 n개의 입체발생 중심이 존재하면 최대 2ⁿ개의 입체 이성질체가 존재할 수 있다고, 2^(n-1)개의 광학 이성질체가 존재할 수 있다. 메조화합물인 경우는 예외임.

광학이성질체 분류

서로 쌍을 이루는 두 광학 이성질체를 표시하는 방법은 4가지가 있다.

1. 칸-인골드-프렐로그(Cahn-Ingold-Prelog) 체계에 따른 R 또는 S 법

화합물에 있는 입체발생 중심을 R 또는 S로 분류하는 것임

R은 ‘오른쪽’을 의미하는 라틴어 rectus에서 유래되었고, S는 ‘왼쪽’을 의미하는 라틴어인 sinister에서 비롯됨

2. 편광면의 회전 방향에 따르는 (+) 또는 (-)법

평면 편광(plane-polarized light) 또는 편광을 화합물이 들어 있는 용액에 통과시키면 편광면을 회전시키는 화합물이 있고 회전시키지 않는 화합물이 있다. 회전시키면 화합물을 광학 활성(optically active)이라고 하고 회전시키지 않으면 광학 비활성(optically inactive)이라 부르다.

광학 활성 물질에서 편광면 회전 방향이 시계 방향이면 (+)를 갖고 반 시계 방향이면 (-)를 붙인다.

이 (+) 또는 (-) 값은 실험값이므로 앞에서 표시한 칸-인골드-프렐로그(Cahn-Ingold-Prelog) 체계의 R과 S와 중복되지 않는다. 즉 R 형태라도 (+) 또는 (-)를 가질 수 있고, S 형태도 (+) 또는 (-) 값을 가질 수 있다.

3. 피셔 투영도에 따르는 D (Dextrorotatory) 또는 L (Levorotatory)법

아미노산 또는 탄수화물의 피셔 투영도(또는 십자가식(cross formula) 투영도)를 일정한 규칙에 따라 그릴 수 있다.

이 때 아미노산에서는 아미노기(NH2) 방향 그리고 탄수화물에서는 하이드록시기(OH)의 방향에 따라 왼쪽이면 L, 오른쪽에 있으면 D로 표시한다.

자연계에 존재하는 아미노산은 주로 L 형태이고 탄수화물은 D 형태이다.

그림3. 탄수화물과 아미노산 D, L 판정 예) D,L-글루코스, D,L-세린 구조 (출처: 대한화학회)

4. P/M 또는 Δ/Λ 용어 사용

입체발생 중심이 없는 화합물의 입체구조를 명명하기 위해 P (플러스)/ M (마이너스) 또는 Δ(우회전 나선)/Λ (왼손잡이 나선) 용어를 사용하기도 한다.

광학 이성질체 특징

1. 광학 활성: 광학 이성질체 한 쌍에서 하나가 광학 활성값을 가지면, 다른 하나는 절대값은 같지만 부호가 반대인 광학 활성값을 갖는다.

2. 비대칭 반응에 다르게 반응함 :

L-형태의 아미노산으로 구성된 효소반응이나 단백질 수용체에 결합하는 반응과 같이 비대칭적인 활성 구조를 가지고 있는 입체적인 화학 반응에서 광학이성질체 한 쌍은 서로 다른 반응성을 가질 수 있다.

즉, 특정 광학 이성질체가 상대 이성질체보다 효소와 더 빠르게 반응하거나 수용체에 더 잘 결합할 수 있다.

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