유기화학 1,3-이축방향 스트레인

Question

질문이 좀 많습니다..(1,3-이축방향 스트레인에서 이해가 안가는 부분이 많아요ㅠ)

질문1

그림처럼 강의에서 강사님이 1,3-이축방향 스트레인은 고우시가 2개라고 생각하면 된다고 하셨는데요. 그 부분이 이해가 안가요. 1,3-이축방향 스트레인은 이름 그대로 1번에 있는 axial 치환기와 3번에 있는 axial 수소간의 입체장애를 말하는거 아닌가요?

강사님도 그렇고 다른 강의들도 5번에 있는 axial 수소를 그린 후 1번 치환기-3번 수소, 1번 치환기-5번 수소 간의 입체장애를 통틀어서 1,3-이축방향 스트레인 이라는 식으로 설명하더라구요.

결론은 1,3-이축방향 스트레인은 1번 axial 치환기와 3번 axial 수소간의 입체장애를 말하는 건가요? 아니면 1번 치환기-3번 수소, 1번 치환기-5번 수소 간의 입체장애를 통틀어서 말하는 건가요?

질문2

그림처럼 1번 치환기-3번 수소, 1번 치환기-5번 수소간 고우시라고 하는 부분도 이해가 잘 안가요. 뷰테인 고우시에서 ch3-ch3가 구조적으로 봤을 때 하나의 CH3의 H가 다른 CH3의 H랑 가까이 있으면서 입체장애가 생기는 형태가, 그림에 나와있는 1번 치환기의 원자가 3번 수소or 5번수소와 가까이 있으면서 입체장애가 생기는 형태와 같기 때문에 고우시라고 하는 건가요?

+추가 질문 : 그럼 분자 내에서 치환기의 원자와 다른 치환기의 원자가 가깝게 만나 입체 strain이 발생하거나,원자와 치환기 내의 원자가 가까이 만나 입체 strain이 발생하거나, 원자와 다른 원자가 가까이 만나 입체 strain이 발생하면 그것도 고우시라고 할 수 있는건가요?

질문3

질문2와 이어지는 질문인데요. 1번 치환기와 3번 수소는 실제로 고우시라고 이해해야하는건가요? 아니면 고우시랑 형태가 같기 때문에 고우시처럼 생각해야 하는거라고 이해해야 하는 건가요?

구조적으로 봤을때는 고우시에서 CH3의 H랑 다른 CH3의 H랑 가까이 있다는 점이 1번 치환기의 원자랑 3번 수소랑 가까이 있다는 점에서는 같지만, 고우시는 뉴먼 투영식에서 60도를 이루어야 하는데 1.3-이축방향 스트레인 그림에서는 1번 치환기랑 3번 수소를 지닌 탄소가 60도를 이루는게 아니잖아요..

• 

Answer 1

안녕하세요.

질문 1 : 1,3-이축방향 스트레인(1,3-diaxial strain)의 정의

1,3-이축방향 스트레인은 시클로헥세인 고리에서 동일한 축(axial) 방향에 있는 치환기 간의 입체 장애를 의미합니다. 따라서, 특정 치환기가 1번 탄소의 axial 위치에 있을 때, 3번 탄소와 5번 탄소에 위치한 axial 수소와의 입체 상호작용이 모두 고려됩니다.
즉, 1번 치환기와 3번 탄소의 axial 수소 간의 입체장애뿐만 아니라, 1번 치환기와 5번 탄소의 axial 수소 간의 입체장애를 모두 포함하여 1,3-이축방향 스트레인이라 합니다. 이는 치환기가 크면 클수록 두개의 axial 수소와의 충돌이 커지며, 분자의 불안정성이 증가하는 효과를 유발합니다.
결론적으로, 1,3-이축방향 스트레인은 단순히 1번 치환기와 3번 수소 사이의 입체 장애만을 의미하는 것이 아니라, 1번 치환기와 3번 수소 및 5번 수소와의 모든 입체 장애를 통틀어 정의됩니다.

질문 2 : 1,3-이축방향 스트레인과 고우시(Gauche) 상호작용의 관계

고우시 상호작용은 뉴먼 투영식에서 두 치환기가 60° 회전한 위치에서 발생하는 입체장애 입니다. 일반적인 뷰테인(butane)에서 CH₃−CH₃ 간의 고우시 상호작용을 예로 들면, 두 메틸기가 60° 회전한 상태에서 서로 가까이 위치하며 입체장애를 유발합니다.
시클로헥세인의 의자형(conformer) 구조에서 1번 탄소의 axial 치환기와 3번 탄소의 axial 수소(또는 5번 탄소의 axial 수소)는 입체적으로 고우시와 유사한 형태의 상호작용을 보이지만, 정확히 동일한 고우시 상호작용은 아닙니다.
즉, 1번 치환기의 원자가 3번 또는 5번 탄소의 axial 수소와 가까워지며 입체적인 충돌을 유발하는 형태가, 뷰테인에서의 CH₃-CH₃ 고우시와 유사한 입체적 배치를 보이므로 이를 '고우시 유사 상호작용(gauche-like interaction)'이라 해석할 수 있습니다. 하지만 뉴먼 투영식에서의 정확한 60° 고우시 배치를 형성하는 것은 아니기 때문에 완전히 같은 개념은 아닙니다.

+추가 질문 : 일반적으로, 분자 내에서 치환기와 다른 치환기 간에 입체 장애가 발생하는 경우는 많지만, 모든 입체장애를 고우시라고 부르지는 않습니다. 고우시는 뉴먼 투영식에서 60° 비틀린 형태에서 발생하는 입체 장애를 의미하며, 시클로헥세인의 1,3-이축방향 스트레인은 이러한 고우시와 유사하지만 정확히 동일한 개념은 아닙니다.

질문 3 : 1,3-이축방향 스트레인과 고우시의 실제 관계

1번 탄소의 axial 치환기와 3번 탄소의 axial 수소는 입체적으로 가까운 위치에 있기 때문에 고우시(gauche)와 유사한 상호작용을 하지만, 뉴먼 투영식에서의 정확한 60° 관계를 가지지는 않습니다.
뷰테인에서의 고우시 상호작용은 두 메틸기(CH₃-CH₃)가 60° 비틀림을 형성한 상태에서 발생하는 반면, 시클로헥세인의 1,3-이축방향 스트레인은 고리형 구조 내에서 axial 위치에 있는 원자들 간의 충돌로 인해 생기는 입체 장애입니다.
따라서, 1번 치환기와 3번 수소의 관계를 '고우시와 유사한 입체장애'로 이해할 수는 있지만, 고우시라고 직접적으로 부르지는 않습니다. 이는 뉴먼 투영식에서의 60° 회전 관계를 갖지 않기 때문입니다.
결론적으로, 1,3-이축방향 스트레인은 일반적인 고우시 상호작용과 유사한 입체 장애를 포함하지만, 뉴먼 투영식에서의 정확한 60° 고우시 배치를 의미하는 것은 아닙니다. 하지만 입체적으로 가까운 위치에서 발생하는 입체장애라는 점에서, 고우시와 유사한 입체 상호작용(gauche-like steric interaction)으로 해석할 수 있습니다.