유기화학, 그 두 번째 이야기 | 알케인의 입체화학 - propane과 butane

지난 글에서는 ethane의 입체화학에 대해서 다루었다. 이번 글에서는 propane과 butane의 입체화학에 대해서 다룰 것이다. 당연히 탄소 수가 많아진 만큼, 가지는 형태와 에너지 차이도 복잡해진다.

 

우선 propane을 살펴보면, ethane의 앞쪽 탄소의 수소 하나가 메틸기로 치환된 형태를 가진다. 그렇기 때문에 수소-수소 상호작용 한 쌍이 수소-메틸기 상호작용으로 변환된 것으로 생각할 수 있다. 이때의 비틀림 무리의 값은 약 14kJ/mol(수소-메테인 상호작용은 약 6.0kJ/mol)이고, 에너지 도표의 개형은 ethane과 같은 형태를 가지게 된다.

 

<Figure 1> propane의 엇갈린 형태와 가려진 형태.

 

그렇다면 butane은 어떨까? 이 경우 문제는 좀 더 복잡해진다. butane의 Newman 투영도를 그리게 되면, 두 탄소의 수소 1개가 메틸기로 치환된 형태를 띈다. 회전해서 같은 것을 한 가지로 고려할 때, butane이 가질 수 있는 입체적 상태는 3가지이다. 각각을 안티 형태, 가려진 형태, 고쉬 형태라고 한다. (원래대로라면 가려진 형태는 2가지로 나눌 수 있지만, 여기서는 같은 이름으로 불리운다.)

 

<Figure 2> butane의 회전에 따른 형태.

 

이중 가장 안정한 형태는 크기가 큰 두 메틸기가 가장 멀리 떨어져 있는 안티 형태이다. 이 안티 형태에서 뒤쪽 탄소를 시계방향으로 60도 회전하게 되면, 첫 번째 가려진 형태에 도달하고, 이는 안티 형태보다 약 16kJ/mol (수소-메틸기 상호작용 2개와 수소간 상호작용 1개에 해당하는 에너지 값)정도의 높은 에너지를 가진다.

 

이 상태에서 다시 뒤쪽 탄소를 60도 회전하게 되면 고쉬 형태에 도달한다. 고쉬 형태의 경우, 가려지는 것이 대한 비틀림 무리는 없지만 두 메틸기가 가까이 접근하여 그 수소 원자들 간에 반발력이 생기기 때문에 생기는 크기 약 3.8kJ/mol의 입체 무리 때문에 첫 번째나 세 번째 가려진 형태보다는 안정하지만 여전히 안티 형태보다는 불안정하다.

 

이제 다시 뒤쪽 탄소를 60도 회전하면 두 번째 가려진 형태에 도달한다. 이 경우, 두 메틸기는 가장 가까워지며, 이때 상당히 큰 비틀림 무리와 입체 무리가 존재한다. 그 크기는 11kJ/mol 정도이고, 여기에 두 쌍의 수소간 상호작용을 통해서 만들어지는 비틀림 무리 8kJ/mol(2 x 4kJ/mol) 을 더해주게 되면 총 19kJ/mol 정도의 에너지를 안티 형태보다 가지게 된다.

 

이 이후로는 앞의 구조들과 대칭을 이루므로, 앞에서 계산한 값들을 그대로 이용할 수 있다. 계산값들을 토대로 butane 에너지 도표를 그려보면 다음과 같다.

<Figure 3> butane의 회전에 따른 에너지 도표.