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, CO32-

                                       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 sp3 혼성궤도함수

                                                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   

(c) 물을 H2와 O2로 분해하는 것   (d) 액체 PCl3의 증발

 

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

(c) 요소(H2NCONH2)의 녹음,

(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

 ㉠ 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