편광된 빛을 회전시키는 '광학 활성'이 나타나기 위해 분자가 갖추어야 할 구조적 특징에는 어떤 것들이 있는지 상세하게 설명해주세요.

Question

편광된 빛을 회전시키는 '광학 활성'이 나타나기 위해 분자가 갖추어야 할 구조적 특징에는 어떤 것들이 있는지 상세하게 설명해주세요.

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

광학 활성이 나타나기 위한 핵심적인 구조적 특징은 분자가 자신의 거울상과 겹쳐지지 않는 비대칭성, 즉 치랄성을 가져야 한다는 점입니다. 마치 오른손과 왼손의 관계처럼 모양은 같지만 서로 포개어지지 않는 입체 구조를 가질 때 편광된 빛을 회전시킬 수 있습니다.

​가장 대표적인 특징은 치랄 탄소 원자의 존재입니다. 탄소 원자 하나에 네 개의 서로 다른 원자나 원자단이 결합하면 정사면체 구조상에서 대칭면이 사라지게 됩니다. 이 경우 거울에 비친 분자 구조는 원래의 구조와 아무리 회전시켜도 겹쳐지지 않는 거울상 이성질체가 되며, 두 이성질체는 편광을 서로 반대 방향으로 회전시키는 광학 활성을 보입니다.

​다만 치랄 탄소가 있더라도 분자 전체에 대칭면이나 대칭 중심이 존재한다면 광학 활성은 나타나지 않습니다. 분자의 한쪽 부분에서 일어나는 편광 회전을 다른 쪽 대칭 부분이 반대로 상쇄시키기 때문입니다. 따라서 분자 전체가 기하학적으로 비대칭이어야 한다는 조건이 필수적입니다.

​또한 탄소 원자에 네 개의 서로 다른 그룹이 붙지 않더라도, 분자 구조가 전체적으로 꼬여 있거나 회전이 제한되어 거울상과 겹쳐지지 않는 경우에도 광학 활성이 생길 수 있습니다. 결론적으로 광학 활성은 분자 내부에 대칭 요소가 전혀 없는 구조적 비대칭성이 확보될 때 발현되는 고유한 성질입니다.

Answer 2

안녕하세요.

빛은 일반적으로 여러 방향으로 진동하면서 진행하지만, 특정 방향으로만 전기장이 진동하도록 정렬된 빛을 편광된 빛이라고 하는데요, 어떤 분자들은 이런 편광된 빛이 통과할 때 진동면을 오른쪽이나 왼쪽으로 회전시키는 성질을 보이며 이를 광학 활성이라고 합니다. 분자가 광학활성을 나타내기 위한 구조적 조건은 키랄성을 가져야 한다는 점인데요, 키랄성이란 분자의 거울상이 서로 겹쳐지지 않는 성질을 말합니다. 이는 마치 인간의 왼손과 오른손이 모양은 비슷하지만 완전히 포개지지 않는 것과 같은 개념이며 분자가 자신의 거울상과 완전히 일치하지 않는다면, 그 분자는 광학 활성을 가질 가능성이 생깁니다. 이러한 키랄성은 분자가 편광된 빛과 상호작용할 때 빛의 전기장에 비대칭적으로 반응하게 만들고, 그 결과 편광면이 회전하게 됩니다.

또한 분자가 키랄성을 가지는 가장 대표적인 구조는 비대칭 탄소 원자를 포함하는 경우인데요, 탄소 원자는 일반적으로 네 개의 결합을 만들 수 있는데, 하나의 탄소 원자에 서로 다른 네 종류의 원자 또는 원자단이 결합되어 있다면, 이 탄소는 비대칭 중심이 됩니다. 하지만 광학 활성이 반드시 비대칭 탄소로만 결정되는 것은 아닌데요, 어떤 분자들은 비대칭 탄소가 없어도 분자 전체의 입체 배열 때문에 키랄성을 가질 수 있습니다. 예를 들어 나선형 구조를 가지는 분자나, 결합 축 주변의 회전이 제한되어 특정 입체 배열이 고정된 분자들도 광학 활성을 나타낼 수 있습니다. 일부 방향족 고리 화합물이나 복잡한 유기 분자에서도 이런 현상이 관찰되므로, 중요한 것은 특정 원자 하나가 아니라 분자 전체가 거울상과 겹쳐질 수 없는 비대칭 공간 구조를 가지는가입니다. 감사합니다.