입체화학 Stereochemistry

키랄(chiral) 분자란 자신의 거울상(mirror image)과 겹칠 수 없는 분자를 말한다. 가장 흔한 키랄 원인은 4개의 서로 다른 치환기가 결합한 탄소, 즉 키랄 중심(stereocenter, stereogenic center)이다. 키랄 중심이 하나 있는 분자는 한 쌍의 거울상 이성질체(enantiomer)를 갖는다. 거울상 이성질체는 끓는점, 녹는점, 용해도, IR 스펙트럼 등 대부분의 물리적 성질이 동일하지만, 편광을 회전시키는 방향이 반대이고 키랄 환경(효소, 수용체 등)에서 반응성이 다르다. A chiral molecule is one that is non-superimposable on its mirror image. The most common source of chirality is a carbon bonded to four different substituents, called a stereocenter (stereogenic center). A molecule with one stereocenter has a pair of enantiomers. Enantiomers share identical physical properties such as boiling point, melting point, solubility, and IR spectra, but they rotate plane-polarized light in opposite directions and exhibit different reactivities in chiral environments (enzymes, receptors, etc.).

키랄 중심의 절대 배열(absolute configuration)은 Cahn-Ingold-Prelog (CIP) 우선순위 규칙으로 결정한다. 네 치환기에 원자 번호 순으로 우선순위 1 > 2 > 3 > 4를 부여한 뒤, 가장 낮은 우선순위(4)를 관찰자 반대편으로 향하게 하고 1-2-3의 순서를 읽는다. 시계 방향이면 R(rectus), 반시계 방향이면 S(sinister)이다. R과 S 표기는 광학 회전 방향(+/-)과는 독립적이므로, R-배열이 반드시 (+) 회전을 의미하지는 않는다. The absolute configuration of a stereocenter is determined by Cahn-Ingold-Prelog (CIP) priority rules. Assign priorities 1 > 2 > 3 > 4 to the four substituents by atomic number, then orient the lowest-priority group (4) away from the viewer and trace 1-2-3. Clockwise gives R (rectus); counterclockwise gives S (sinister). The R/S designation is independent of optical rotation direction (+/-), so R does not necessarily mean (+).

키랄 분자는 편광면을 회전시키는 광학 활성(optical activity)을 나타낸다. 편광계(polarimeter)로 측정한 관측 회전각($\alpha_\text{obs}$)은 시료의 농도($c$, g/mL)와 셀 길이($l$, dm)에 비례한다. 이를 표준화한 값이 비선광도(specific rotation) $[\alpha]$이며, 물질의 고유한 물리적 상수이다. 관측 회전각이 시계 방향이면 (+) 또는 d(dextrorotatory), 반시계 방향이면 (-) 또는 l(levorotatory)이다. Chiral molecules exhibit optical activity, the ability to rotate the plane of polarized light. The observed rotation ($\alpha_\text{obs}$) measured by a polarimeter is proportional to sample concentration ($c$, g/mL) and path length ($l$, dm). The standardized value is the specific rotation $[\alpha]$, an intrinsic physical constant of the substance. Clockwise rotation is designated (+) or d (dextrorotatory); counterclockwise is (-) or l (levorotatory).

거울상 이성질체 과잉률(enantiomeric excess, ee)은 혼합물에서 한 거울상 이성질체가 얼마나 우세한지를 나타내는 척도이다. 순수한 거울상 이성질체는 ee = 100%이고, 라세미 혼합물은 ee = 0%이다. ee는 광학 회전과 선형 관계를 가진다. 흥미롭게도 녹는점은 ee와 비선형 관계를 보이는데, 라세미 혼합물(ee = 0%)이 순수 거울상 이성질체보다 녹는점이 높거나(라세미 화합물 형성 시) 낮을 수(고용체 형성 시) 있다. 대부분의 유기 화합물은 라세미 화합물(racemic compound)을 형성하여 라세미 혼합물의 녹는점이 순수 이성질체보다 높다. Enantiomeric excess (ee) measures the predominance of one enantiomer in a mixture. A pure enantiomer has ee = 100%, and a racemic mixture has ee = 0%. Optical rotation scales linearly with ee. Interestingly, melting point has a nonlinear relationship with ee: a racemic mixture (ee = 0%) can have a higher melting point than the pure enantiomer (when a racemic compound forms) or a lower one (when a solid solution forms). Most organic compounds form racemic compounds, where the racemic mixture melts higher than the pure enantiomer.

키랄 중심이 2개 이상인 분자는 최대 $2^n$개의 입체 이성질체를 가질 수 있다(n = 키랄 중심 수). 거울상 관계가 아닌 입체 이성질체를 부분입체 이성질체(diastereomer)라 하며, 이들은 물리적 성질(녹는점, 끓는점, 용해도, 비선광도)이 모두 다르다. 메소 화합물(meso compound)은 키랄 중심을 갖지만 분자 내 대칭면이 존재하여 전체적으로 아키랄인 특수한 경우이다. 예를 들어, (2R,3S)-타르타르산은 C2와 C3가 각각 키랄 중심이지만, 분자 내부의 대칭면 때문에 광학 비활성이다. Molecules with two or more stereocenters can have a maximum of $2^n$ stereoisomers (n = number of stereocenters). Stereoisomers that are not mirror images are called diastereomers, and they differ in all physical properties (melting point, boiling point, solubility, specific rotation). A meso compound is a special case that contains stereocenters but possesses an internal mirror plane, making the molecule achiral overall. For example, (2R,3S)-tartaric acid has stereocenters at C2 and C3, but an internal mirror plane renders it optically inactive.