유기화학, 그 다섯 번째 이야기 | 치환된 cyclohexane

지난 포스팅에서는 cyclohexane의 구조와 에너지에 대해서 다루었다. 이번에는 수소 원자 대신 치환기가 들어간 cyclohexane의 구조와 에너지에 대해서 알아볼 것이다. 

 

일치환 cyclohexane의 경우, 치환기가 축 방향에 있는 경우와 적도 방향에 있는 경우 두 가지를 생각해볼 수 있다. 아래 그림의 methylcyclohexane으로 예를 들어 생각해보자.

figure 1. methylcyclohexane의 두 형태.

methylcyclohexane과 같은 일치환 cyclohexane의 경우, 축 방향에 메틸기가 있는 경우와 적도 방향에 메틸기가 있는 경우가 있으며, 두 가지 경우는 고리 뒤집기(Ring Flipping)을 통해서 상호 전환될 수 있다. 이 두 형태는 에너지 차이를 나타내는데, 그 이유는 축 방향에 결합이 있는 형태의 경우 1,3-이축방향 상호작용(1,3-diaxial interaction) 적도 방향에 결합이 있는 경우보다 높은 에너지를 가지게 되어 불안정하게 된다. 즉, 대부분의 methylcyclohexane은 축 방향 메틸기가 아닌 적도 방향 메틸기를 가진 형태로 존재하게 된다.

 

그렇다면 이치환 cyclohexane의 경우는 어떨까? 이 경우 상호작용은 더 복잡해지며, 여러 가지를 고려해야 한다. 한 예로 1,2-Dimethylcyclohexane의 경우를 살펴보자.

figure 2. 1,2-Dimethylcyclohexane의 이성질체: cis형과 trans형.

이 경우, 이성질체가 존재하며, 그 이성질체는 기하 이성질체인 시스-트랜스 이성질체이다. 우선 cis형의 경우, 고리 뒤집기를 통해서 결합의 방향이 바뀌어도 상호작용의 개수와 종류가 변하지 않는다. (두 개의 메틸-수소 이축방향 상호작용과 한 개의 고쉬 상호작용) 따라서 두 형태의 안정성은 동일하다. 반면, trans형의 경우 모든 메틸기가 축 방향에 있는 경우 4개의 메틸-수소 이축방향 상호작용이 존재하며, 모든 메틸기가 적도 방향에 있는 경우 단 하나의 고쉬 상호작용만 존재하므로 그 크기를 비교하면 모든 메틸기가 적도 방향에 있는 경우가 축 방향에 있는 경우보다 더 안정하게 되며, 따라서 trans-1,2-Dimethylcyclohexane은 모든 메틸기가 적도 방향에 있는 경우로 대부분 존재하게 된다.

 

사이클로알케인에 대한 마지막 이야기를 할 다음 포스팅에서는 여러고리 화합물에 대한 간단한 설명을 할 것이다.