유기화학, 그 세 번째 이야기 | 사이클로알케인의 안정성과 형태

지난 두 포스팅에서는 알케인의 입체화학에 대해서 다루었다. 이번 포스팅에서는 사이클로알케인, 즉 고리형 알케인의 안정성과 그 형태에 대해서 알아볼 것이다.

 

우선 사이클로알케인의 안정성에 대해서 알아보도록 하자. 과거의 화학자들은 사이클로알케인의 결합각이 sp3 혼성 탄소의 결합각인 109.5도와 가장 가까워질 때 안정해진다고 생각했다. 즉, 오각형 고리일 때가 가장 안정한 고리형 탄화수소일 것이라고 생각했다.  당시의 화학자들은 이렇게 109.5도에서 벗어날 때 생기는 에너지를 각 무리라고 하였다. 당시의 과학자들이 예측한 바와는 다르게, 실제의 안정도는 이와 상이한 모습을 보여준다.

 

<Figure 1> 사이클로알케인 탄소 수에 따른 고리 무리 에너지 도표.

 

위 그림에서 볼 수 있듯이 3각형 고리와 4각형 고리가 5각형 고리보다는 불안정하지만, 6각형 고리의 경우 무리 에너지 값이 0인 것을 볼 수 있고, 7각형 이상에서는 무리 에너지가 있으나 규칙성을 찾을 수 없고, 14개 이상의 탄소를 가지는 경우 구조적으로 무리가 없다. 그렇다면 왜 이런 현상이 일어나는 것일까? 바로 cyclopropane을 제외한 모든 사이클로알케인들은 탄소 원자들이 한 평면이 아닌, 입체적으로 배치되어 가능한 한 109.5도에 가까운 결합각을 가지려고 하고 각 무리와 비틀림 무리를 줄이려고 하기 때문이다. 무리 에너지를 줄이기 위하여 탄소 원자들이 어떻게 배치되어 있는지 지금부터 살펴보자.

 

<Figure 2, 3> cyclopropane의 입체 모형과 뉴먼 투영도

 

위 그림은 cyclopropane의 구조를 보여 준다. 한 눈에 보기에도 각 무리와 비틀림 무리가 매우 큰 것을 볼 수 있다. 정상적 sp3 오비탈의 결합각인 109.5도보다 작은 60도의 결합각을 가지며, 이는 cyclopropane이 굽은 결합을 가지기 때문이다. 이러한 구조적 특징 때문에 cyclopropane에서의 C-C 결합은 보통의 알케인의 C-C 결합보다 약하며, 그 결과 반응성이 커진다.

 

<Figure 4, 5> cyclobutane의 입체 모형과 뉴먼 투영도.

 

cyclobutane의 경우, cyclopropane보다 각 무리는 작아지지만, 수소 수가 많아진 관계로 비틀림 무리의 크기는 cyclopropane보다 크다. 커진 비틀림 무리를 최소화하기 위해서, cyclobutane도 굽은 결합을 하여 비록 각 무리는 조금 증가할지라도 비틀림 무리를 감소시킨다. 그 결과 4개의 탄소가 한 평면 위에 있는 것이 아닌 한 탄소가 다른 세 탄소에 대해서 25도 정도 위쪽으로 놓여 있는 구조를 가진다.

 

 

<Figure 6, 7> cyclopentane의 입체 모형과 뉴먼 투영도.

 

cyclopentane의 경우에는 평면 형태에서는 각 무리가 없으나, 많은 양의 비틀림 무리를 가지고 있다. 이러한 비틀림 무리를 줄이기 위해 각 무리를 증가시키더라도 약간 꺾인 결합을 취해서 비틀림 무리를 줄이는 입체 구조를 가지게 된다. 따라서 평면 오각형이 아닌 비평면 구조를 취하게 된다.

 

다음 포스팅에서는 사이클로알케인 중 가장 중요하고 빈번하게 다루는 cyclohexane에 대하여 다룰 것이다.