분자의 구조

제 9장 분자의 구조

사진: 염화메틸 분자

* 원자 → 물질의 성분 → 실험식 → 분자식(화학식) → Lewis 구조 → 분자 구조 → 분자 화합물의 성질

예) C₂H₆O → CH₃CH₂OH(ethanol) CH₃OCH₃(dimethyl ether)

ethanol과 dimethylether 구조식

9.1 분자 모형

* 분자의 3차원 구조를 이해하는데 도움 (예, DNA 이중 나선모형)

* 물 분자의 모형

사진: 물 분자의 모형

분자의 삼차원 투시도

그림 9.1 에테인 분자(C₂H₆)의 회전

* 컴퓨터 그래픽의 발전으로

① 분자들 사이의 상호관계를 연구

② 매우 복잡한 분자들의 정확한 구조를 그림

그림 9.2 헤모글로빈

9.2 분자모양의 예측: VSEPR

* 원자가 껍질 전자쌍 반발(valence-shell-electron-pair-repulsion)

→ 원자의 결합전자쌍이나 고립전자쌍들간의 반발이 그 원자를 둘러싸고 있는 원자와 원자간의 결합각을 결정

→ 분자나 다원자 이온의 기하구조는 고립전자쌍과 결합전자쌍의 수에 의존

그림 9.3 VSEPR에 의해 예상되는 기하구조를 나타낸 풍선 모형

결합전자쌍만을 갖는 중심원자들

그림 9.4 단일 공유결합만을 포함하는 AX₂E₀부터 AX₆E₀ 형태의 분자들에 대한 VSEPR 모형에 의해서 예측된 기하구조

표 9.1 VSEPR 모형에 의해 예측된 전자쌍 기하구조와 분자 기하구조의 예

* ① 전자쌍 기하구조: 중심원자가 가지는 전자쌍들의 공간적 위치

② 분자 기하구조: 원자들의 배치된 형태

→ 결합전자쌍만을 가지고 있는 분자: 전자쌍 기하구조 = 분자 기하구조

* 결합각(bond angle) CH₄, SiCl₄

SiCl₄의 기하구조

예제 9.1 (a) BeCl₂, (b) CF₄의 전자쌍 기하구조와 분자 기하구조, 결합각을 VSEPR 모형을 사용하여 예측하라.

다중결합과 분자 기하구조

* 이중결합, 삼중결합 → 분자모양 예측에 영향을 주지 않음

→ ∵ 전자쌍들이 같은 두 핵사이에 모두 공유되어 있기 때문

* BeF₂, CO₂

CO₂ 분자구조

* 공명구조, CO₃^2-

공명구조

결합전자쌍과 고립전자쌍을 갖는 중심원자들

* 분자 또는 다원자 이온의 모양을 예측하는 단계(예, NH₃)

① Lewis 구조를 그린다

NH₃의 Lewis 구조

② 원자 주위의 결합수와 고립전자쌍의 수를 결정한다

③ 전자쌍 기하구조와 분자모양을 선택한다

NH₃의 입체 구조

④ 결합각을 예측한다.

고립쌍-고립쌍 > 고립쌍-결합쌍 > 결합쌍-결합쌍

→ 요약

NH₃의 분자 기하구조

분자 기하구조

* 알케인은 직선이 아니다 → ∵ 단위체인 메테인이 정사면체이기 때문

프로페인과 헥사데카인의 구조

그림 9.5 중심원자에 3개와 4개 전자쌍을 갖는 분자모양

예제 9.1 (a) PH₄⁺ (b) OCl₂ (c) SO₃ 와 (d) H₂CO 전자쌍 기하구조와 분자 기하구조를 VSEPR 모형을 사용하여 예측하라

Lewis 구조

확장된 팔면체: 5개 또는 6개의 전자쌍을 갖는 중심원자들

그림 9.6 중심원자에 5개와 6개 전자쌍을 갖는 분자모양

* 5개의 전자쌍을 가지고 있는 경우(삼각 이중피라미드)

→ 적도방향(equatorial) 자리, 수직방향(axial) 자리

→ 90°각도에 있는 전자쌍의 수: 적도방향은 2개, 수직방향은 3개

→ ∴ 특정 고립쌍이 수직방향보다 오히려 적도방향을 더 좋아함

삼각 이중피라미드

예) ClF₃

* 6개의 전자쌍을 가지고 있는 경우(팔면체) → 모두 90°로 배열

예) BrF₅, ICl₄^-, XeF₄

* 더 복잡한 분자의 기하구조로 예측

예) 젖산(lactic acid)

젖산의 분자구조

젖산과 피루브산의 분자구조

예제 9.3 (a) SeF₆ (b) IF₃ (c) TeBr₄ 의 전자쌍 기하구조와 분자 기하구조를 VSEPR 모형을 사용하여 예측하라.

Lewis 구조

9.3 분자모양과 일치하는 궤도함수: 혼성화

* Lewis 구조: 분자모양 예측,

but, 결합전자쌍과 고립전자쌍의 궤도함수에 대한 정보를 주지 못함

* 원자가 결합 이론 (valence bond theory, VBT),

분자궤도함수 이론(molecular orbital theory, MOT)

예) H₂ 결합

H₂ 공유결합

HF HF 공유결합

but, Be, B 및 C와 같은 중심원자 사이의 결합은 수정된 원자결합이론 으로 설명해야만 함

표: Be, B, 및 C의 전자 분포

* BeF₂, BF₃, CF₄

혼성 궤도함수: sp, sp², sp³

* 혼성 궤도함수(hybrid orbital)

→ 각 원자 궤도함수가 혼합되어 같은 수의 혼성 궤도함수 형성

→ 같은 모양과 에너지를 갖는다

① sp 혼성궤도함수

1개의 s 궤도함수 + 1개의 p 궤도함수 = 2개의 sp 혼성궤도함수

그림 9.7 두 개의 sp 혼성궤도함수의 형성

예) BeF₂

BeF₂ 혼성화 결합

② sp² 혼성궤도함수

1개의 s 궤도함수 + 2개의 p 궤도함수 = 3개의 sp² 혼성궤도함수

그림 9.8 세 개의 sp² 혼성궤도함수의 형성

예) BF₃

BF₃의 혼성화 결합

③ sp³ 혼성궤도함수

1개의 s 궤도함수 + 3개의 p 궤도함수 = 4개의 sp³혼성궤도함수

그림 9.9 네 개의 sp³ 혼성궤도함수의 형성

예) CF₄

CF₄의 혼성화 결합

예) NH₃, H₂O

그림 9.10 암모니아에 있는 질소와 물에 있는 산소의 혼성

* 요약

표 9.2 혼성 궤도함수와 그들의 기하학적 구조

* 시그마(σ) 결합 → 축 상 결합

암모니아와 물분자

* 겹침 효율성 :

혼성 원자궤도함수 > s 원자 궤도함수 또는 p 원자궤도함수

→ ∴ 더 많은 결합과 더 강한 결합

다중결합을 갖는 분자에서의 혼성화

* 다중결합을 형성한 전자쌍은 혼성궤도함수를 점유하지 않는다고 가정

→ 분자 모양을 설명할 때 포함하지 않음

* 다중결합 분자에 포함된 혼성궤도함수

① 단일결합을 형성하는 전자쌍

② 모든 고립전자쌍

③ 이중결합 또는 삼중결합에 있는 공유전자쌍 중 한 쌍

* 혼성화되지 않은 궤도함수: 파이(π) 결합 형성 → 면 상 결합

그림 9.11 파이 결합

* 예) 폼알데히드(formaldeyde), H₂CO

폼알데히드 구조식

그림 9.12 폼알데히드의 시그마 결합과 파이 결합

* 결합 세기: ㉠ 파이결합 < 시그마 결합, → ∵ 시그마 결합의 더 많이 겹치기 때문

㉡ 단일결합 < 이중결합 < 삼중결합

예제 9.4 혼성 궤도함수 및 시그마와 파이결합을 이용하여 (a) 에테인(C₂H₆); (b) 에틸렌(C₂H₄); (c) 아세틸렌(C₂H₂)에서의 결합을 설명하라

세 화합물의 구조식

그림 9.13 아세틸렌의 시그마 결합과 파이결합

확장된 팔전자계의 혼성화

* 제 3주기와 그 아래 주기 원소 → d 궤도함수 사용 가능(sp³d, sp³d²)

① sp³d 혼성 궤도함수

1개의 s 궤도함수 + 3개의 p 궤도함수 + 1개의 d 궤도함수 = 5개의 sp³d 혼성 궤도함수

sp³d 혼성 궤도함수

② sp³d² 혼성 궤도함수

1개의 s 궤도함수 + 3개의 p 궤도함수 + 2개의 d 궤도함수 = 6개의 sp³d² 혼성 궤도함수

sp³d² 혼성 궤도함수

그림 9.14 (a) sp³d 와 (b) sp³d² 혼성 궤도함수를 형성하기 위해 d 궤도함수를 사용한 혼성화

표 9.3 혼성 궤도함수와 그들의 기하학적 구조

예제 9.5 SF₄와 SF₆의 중심원자 황 주위의 혼성궤도함수와 결합을 설명하라

Lewis 구조

9.4 분자의 극성

* 비극성(nonpolar) 분자, 극성(polar) 분자

그림 9.15 극성(HCl)과 비극성(Cl₂) 분자들

→ 전기장에서의 실험

→ 극성분자: 잘 정렬 → 쌍극자 모멘트에 의존

그림 9.16 전기장에서의 극성분자

* 쌍극자 모멘트(D) = 부분전하(δ, coulomb) x 전하 분리거리(m)

1 D(debye) = 3.34 x 10^-30 C·m

표 9.4 몇 가지 선택된 분자들의 자기 모멘트

→ 비극성 분자: 0

극성 분자: 항상 0보다 큼. 극성이 커질수록 증가

* 극성결합의 배열에 따라 극성 또는 비극성 분자

① 비극성 분자

㉠ 모든 말단 원자들(또는 기들)이 동일하고

㉡ 중심원자 주위로 대칭적으로 배열하고

㉢ 말단 원자들(또는 기들)이 같은 부분전하를 가진다

② 극성 분자

㉠ 한 개 또는 그 이상의 원자들이 서로 다르다

㉡ 말단 원자들이 대칭적으로 배열되어 있지 않다

예) CO₂(μ= 0 D), H₂O(μ= 1.85 D)

CO₂ 분자의 극성

그림 9.17 물은 극성 분자이다

예) CF₄(μ= 0 D), CHF₃(μ=1.60 D)

CF₄와 CHF₃ 분자의 극성

* 물 분자의 회전 → 전자레인지를 이용

예제 9.6 dichloromethane(CH₂Cl₂)와 boron trifluoride(BF₃)는 극성인가 비극성인가? 극성이면 알짜 쌍극자의 방향을 표시하라

CH₂Cl₂ 분자의 극성

BF₃ 분자의 극성

9.5 비공유 상호작용과 분자간 힘

* 분자내의 원자들: 화학결합 → 150∼1000kJ/몰

메테인 분자의 해리에너지

분자간의 인력: 액체 ↔ 기체 : 더 약한 에너지

메테인 분자간의 인력

* 분자간 힘(intermolecular force) 또는 분자간 인력(attraction)

→ 비공유 상호작용

→ 녹는점, 끓는점, 다른 특성(DNA 이중 나선형 구조)

그림 9-18 키모트립신 분자의 공간채움 모형(a)과 리본 모형(b)

그림: 비공유 상호작용의 종류

London 힘 (0.05∼40kJ/mol)

* 분산력(dispersion force)

* 모든 분자 화합물에서 발생

* 순간 쌍극자 - 유도 쌍극자

그림 9.19 London 힘의 근원

* 쌍극자가 유발되는 과정 → 분극(polarization)

* London 힘의 세기

① 분자내의 전자들이 얼마나 쉽게 분극되는가?

㉠ 전자의 수(즉, 분자량), F₂, N₂, O₂ < Br₂, I₂

㉡ 이 전자들에 대한 핵의 인력

표 9.5 전자수가 비극성 분자 물질들의 끓는점에 미치는 영향

액체 Br₂ 분자의 증발

② 분자의 모양

→ 예) pentane과 2,2-dimethylpropane

구조와 끓는점

쌍극자-쌍극자 인력 (5∼25kJ/mol)

* 영구 쌍극자 사이의 인력

그림 9.20 HCl 분자사이에서의 쌍극자-쌍극자 인력

표 9.6 비극성 분자와 극성 분자에서 전자수와 끓는점과의 관계

* London 힘이 같다면 극성이 크면 클수록 인력이 더 세다

F ∝ q₁q₂/d²

극성 ICl (bp 97℃) > 비극성 Br₂ (bp 59℃)

* but, London 힘이 더 클 수도 있다

극성 HCl > HI 끓는점 HI(-36℃) > HCl(-85℃)

예제 9.7 다음 변화를 극복하기 위한 힘의 주요 형태는 무엇인가?

(a) 고체 I₂의 승화 (b) 프로페인의 녹음

수소결합(hydrogen bond) (10∼40kJ/mol)

* 서로 다른 분자에 있는

전기음성도가 큰 원자(F, O, N)와 수소(H) 원자 사이의 인력

수소결합

* 수소결합은 두 개의 다른 분자 또는 큰 분자(예, 단백질) 내에서 다리역할을 함

수소결합

* 센 쌍극자-쌍극자 인력이라고도 할 수 있음

→ C₂H₆O (CH₃CH₂OH 또는 CH₃OCH₃)

끓는점과 녹는점 차이

표: 힘의 종류 및 크기

* 할로겐화수소 화합물의 끓는점 비교

그림 9.21 수소를 포함하는 몇 가지 단순한 이성분 화합물의 끓는점

HF >> HCl < HBr < HI

HF의 수소결합

* 물의 끓는점

그림 9.22 한 물 분자와 그 이웃사이의 수소결합

예제 9.6 다음 변화에서 극복해야 하는 힘의 형태는 무엇인가?

(a) 액체 메탄올(CH₃OH)의 증발,

(b) 과산화수소(H₂O₂)를 물과 산소로 분해

(d) 액체 HCl의 끓음

살아있는 세포내에서의 비공유 인력

* 세포막 구조 → 인지질(phospholipids)의 두 개의 층으로 나란히 배열

그림 9.23 세포막에서 지질의 이중층

→ 인지질의 극성부분: 친수성(hydrophilic)

비극성 지방산 부분: 소수성(hydrophobic)

→ ∴ 세포 내부 용액과 외부 용액을 분리

→ 세포 안으로 들어오는 이온과 분자들을 조절: 화학반응 조절

9.6 생체분자 : DNA와 분자구조의 중요성

* DNA: 유전암호를 저장하는 물질

* 모든 신체의 특성: 세포 → 핵 → 23개의 이중가닥 염색체(약 1.8m)를 구성하는 DNA 조성에 의해 결정

DNA내의 누클레오타이드

* 누클레오타이드(nucleotide) : DNA의 작은 각 반복단위

그림 9.24 뉴클레오타이드와 DNA

* 1개의 당단류기(deoxyribose), 1개의 인산기 및 1개의 질소 염기

→ 염기: adenine(A), thymine(T), guanine(G), cytosine(C)

이중 나선구조: Watson-Crick 모델

* 각 생명체마다 A/T와 G/C의 존재비율이 일정하다

① 염기의 조성은 한 생명체의 모든 세포에서 동일하고, 이 조성이 개체의 특성을 나타낸다

② A과 T의 양 그리고 G과 C의 양도 항상 같다

③ 염기 A + G의 양은 T + C의 양과 같다

* Franklin과 Wilkins: A-T와 C-G 염기쌍 개념 밝힘

사진: Rosalid Franklin

* Watson과 Crick: 이중나선 구조 제안

사진: Francis H. C. Crick과 James Wadson

사진: 이중 나선 구조의 DNA에 대한 주사 전자 현미경 사진

그림 9.25 이중 가닥 DNA의 도해

* 상보성 염기쌍 : A는 T와 그리고 G는 C와 수소결합을 형성

그림 9.26 DNA의 T-A와 C-G 염기쌍 사이의 수소결합

유전암호와 DNA 복제

* DNA의 염기쌍 배열

→ ㉠ 유기체 대부분의 생존과정 표현

㉡ 차세대의 유전적 특성을 지배하는 유전암호를 표현

* 특별한 유전적 특징을 떠맡고 있는 유전자(gene)는 항상 같은 염색체의 같은 위치에 자리잡고 있다.

→ 각 유전자는 체내에서 단일 단백질을 합성하도록 암호화된 염기들의 배열에 의해 구별

* 복제(replication)

그림 9.27 DNA 복제

* 인류 게놈 계획(Human Genome Project)

→ 32,000개의 유전자와 이들의 약 30억 개의 염기쌍의 특성을 완전히 밝힘

9.7 키랄 분자

* 키랄(chiral) : 거울상과 겹쳐지지 않는 한 물체

비키랄(achiral) : 거울상과 겹치는 물체

그림 9.28 겹쳐지지 않는 거울상

* 식물과 동물에 존재하는 많은 분자들: 키랄성

→ 20개 아미노산중 19개

* 거울상 이성질체(enantiomer)

→ 키랄 분자와 그의 겹쳐지지 않는 거울상

→ 분자구조가 비대칭(asymmetrical)이어야 함

예) 네 개의 원자나 작용기가 모두 다른 사면체 구조의 탄소 원자

→ 키랄 중심 → 키랄 분자

예) 젖산

그림 9.29 젖산의 거울상 이성질체

* 거울상체의 방향성(handedness): 평면편광을 돌리는 방향

우회전성, D(dextro), 좌회전성, L(levo)

젖산의 D형: 부패된 우유 L형: 근육조직에서 발견

* 한 분자 내에 키랄 탄소가 n개라면 가능한 분자구조의 수는 2ⁿ 개

㉠ 인공감미료 aspartame: 거울상체 2개

하나는 쓴맛, 다른 하나는 단맛

㉡ 글루코오스 키랄탄소 4개 분자수 16개

D형: 달고 영양을 공급 L형: 무미, 인체내에서 대사 안함

예제 9.9 Asparagine은 아스파라거스 액에서 처음으로 분리한 천연 아미노산으로 쓴 맛을 내는 흰색 분말이다. 후에 살갈퀴의 싹에서

asparagine의 다른 형태인 단 맛을 내는 분자를 분리하였다. D-asparagine은 쓰며, L-asparagine은 달다. 이는 우리의 미뢰가 다른 수용

자리와 마찬가지로 키랄성임을 나타낸다. asparagine의 Lewis구조는 아래와 같다.

asparagine의 Lewis구조

위 구조에서 키랄 중심인 탄소(비대칭 탄소)를 나타내어라