알케인의 시그마 결합

 

 

 

 

σ (시그마) 결합의 회전

σ 결합(시그마 결합)은 원통형이다. 원통을 돌리듯이 결합축을 중심으로 회전시킬 수 있다.

유기화학 구조식에서 볼드하게 그려진 선은 해당 결합이 2차 평면을 기준으로 앞으로 튀어나와 있다는 것을 표현하는 것이고, 점선으로 그려진 선은 2차 평면을 기준으로 뒤에 있다는 것을 표현하는 것이다. 그 예로 들 수 있는 것에 sp3 오비탈의 정사면체 모양 구조가 있다. 실선으로 표현된 결합은 모두 2차 평면과 동일한 평면에 있다는 뜻이다.

 

그림 1: sp3 오비탈의 정사면체 모양 구조

 

 

그렇다면 이러한 입체성은 '회전' 을 거쳤을 때 어떤 양상을 보일까?

 

그림 2

 

 

위 그림을 빨간색 화살표의 방향으로 180° 회전시켜 보자. 그러면 평면보다 뒤에 있던 Hb가 앞으로 나오고, 평면 위에 존재하던 Ha는 그대로 평면 위에, 앞으로 튀어나와 있던 Hc는 평면 뒤로 옮겨 갈 것이다. 그림 3처럼 말이다.

 

그림 3

 

 

σ 결합을 통한 C-C 결합이 회전할 경우, 입체 구조로 인해 에너지 면에서의 불리함을 의미하는 Strain이 발생한다. 그러나 그 값은 미미해 상온(25°)에서의 에너지(80kJ/mol)로 문제없이 극복할 수 있다.

 

 

 

 

σ 결합을 통해 발생하는 이형태 구조체, 형태 이성질체 Conformational Isomer

'분자식' 은 동일하나, σ 결합의 회전만을 통해 서로 다른 형태를 가지게 되는 화합물들

Conformer(이형태체)라고도 한다.

 

형태 이성질체 개념은 세부적으로 Conformational Isomer와 Configurational Isomer로 나눌 수 있다.

Conformational Isomer 관계에 있는 화합물들은 σ 결합의 '회전' 만으로도 서로 동일한 모양으로 만들 수 있다. (그래서 conformational isomer 관계에 있는 두 화합물은 동일한 화합물로 치부하는 경우가 잦다. 돌리기만 하면 기존의 모양에서 이성질체의 모양을 이끌어낼 수 있기 때문이다.)

Configurational Isomer 관계에 있는 화합물들은 σ 결합의 '절단' 과 '재결합' 을 통해서라야만 서로 동일한 모양으로 만들 수 있다. 즉, 자르고 다시 붙이는 과정이 필요하다.

 

 

Conformer를 표현하는 방법은 두 가지로 나뉜다.

1. 톱질대 표현법 Sawhorse Representation

2. 뉴먼 투영도 Newman Projection ☆☆☆☆☆☆

 

그중 톱질대 표현법은 전혀 중요하지 않고, Newman Projection을 잘 알아두어야 한다. Newman Projection의 관점을 이렇다. 나란히 놓여 있는 탄소 결합과 평행하게 시야를 두는 것이다. 두 탄소와 내 눈이 같은 높이에 있게끔 말이다. 그러면 탄소의 차원과 내 시야는 같은 평면에 존재하게 된다.

구조를 옆에서 바라봤을 때, 어느 부분이 '오른쪽' 이 될 것이고 어느 부분이 '왼쪽' 이 될 것인지 생각한다.

 

 

입체 배열의 형태와 에너지

가려진 상태 (eclipsed) : 이면각이 0, 120, 240도일 때. 결합 전자쌍의 반발로 에너지가 높다.

엇갈린 상태 (staggered) : 이면각이 60, 180, 300도일 때. 결합 간 가림이 존재하지 않고 엇갈려 있어 안정하다. 에너지가 낮다. hyperconjugation(결합에 존재하는 전자들 간의 상호작용)이 크다.