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2018 겨울호 / 지식더하기 Ⅰ/ 방향족 화합물과 관련한 특별한 안정성 방향족성

2019-01-23 198

방향족 화합물과 관련한 특별한 안정성 방향족성

탈취제로 쓰이는 나프탈렌, 폭약으로 쓰이는 TNT, 진통제로 사용되는 아스피린. 이들의 공통점은 무엇일까요? 이들은 모두 벤젠 고리를 포함하고 있는 방향족 화합물(Aromatic compound)입니다. 방향족이라는 이름은 향기를 내는 물질이라는 뜻에서 비롯되었는데요, 최근에는 벤젠 고리를 포함하는 화합물 그리고 그들과 비슷한 성질을 지닌 물질들을 총칭하는 단어입니다. 이러한 방향족 화합물들에게 공통적으로 나타나는 특별한 안정성을 바로 방향족성(Aromaticity)이라고 하지요. 예를 들어, 대표적인 방향족 화합물인 벤젠의 수소화열1은 예상되는 값보다 약 150kJ/mol 낮게 측정됩니다. 그렇다면 이러한 안정성은 어디서부터 오는 것일까요?

우선 공명 효과(Resonance effect)에 의해 방향족 화합물은 안정화됩니다. 공명이란 두 개 이상의 루이스 구조를 지니는 분자들의 전자 분포를 설명하는 방법입니다. 예를 들어, 벤젠은 그림 (A)와 같이 2개의 공명 구조를 지닙니다. 그렇기에 모든 탄소 간의 결합이 단일 결합도 아니고, 이중 결합도 아닌 약 1.5중 결합을 갖게 됩니다. 그 결과, 전자가 특정 결합에 치우치지 않고, 분자 전체에 퍼지게 되죠. 이를 전자가 비편재화(delocalization) 되었다고 합니다. 전자가 특정 결합에 치우쳐있지 않고 분자 전체에 퍼져있을 수록 분자는 안정해 지고, 이러한 효과를 ‘공명 안정화’라고 합니다. 벤젠은 이러한 공명 안정화 덕분에 일반적인 알켄(Alkene)보다 안정적이고 반응성이 낮습니다.

(A)

 원자 오비탈 이미지

그러나 공명만으로는 그 안정성을 전부 설명할 수 없습니다. 추가로 방향족 화합물의 안정성을 설명하기 위해서는 분자 오비탈(Molecular orbital)이라는 개념을 알아야 합니다. 우리가 흔히 아는 원자 오비탈(Atomic orbital)이 원자 내의 전자 분포를 설명하는 개념이라면, 분자 오비탈은 분자 내의 전자 분포를 설명하는 개념입니다. 분자 오비탈에 대한 자세한 내용은 너무 복잡하기에 여기서는 벤젠에 대해서만 다뤄보겠습니다. 벤젠의 6개의 탄소는 혼성2참여하지 않은 p오비탈을 하나씩 갖고 있고, 각각의 p오비탈에는 전자가 1개씩 남아있습니다. 그림 (B)와 같이 이 6개의 p오비탈은 서로 결합해 6개의 분자 오비탈을 구성하게 됩니다. 여기서 중요한 것은 원래 p오비탈보다 에너지 준위가 낮은 분자 오비탈(Bonding)이 3개, 높은 분자 오비탈(Antibonding)이 3개 생성된다는 것입니다. 하나의 오비탈에는 전자가 2개까지 채워질 수 있으므로, 원래 p오비탈에 있던 6개의 전자들은 낮은 에너지의 분자 오비탈 3개에 채워지게 됩니다. 그 결과, 원래보다 에너지 준위가 내려가게 되고, 분자가 안정화 됩니다. 처음에 p오비탈에 남아있던 전자들을 π전자라고 부르는데, 이 π전자의 개수가 4n+2개를 만족하면 벤젠과 같이 분자가 안정화되는 현상이 나타납니다. 따라서 방향족성을 나타내기 위해서는 4n+2개의 π전자가 필요하고, 이를 휘켈 규칙(Huckel’s Rule)이라고 합니다. 보다 자세한 내용은 대학교 유기화학에서 살펴볼 수 있습니다.

(B)

 휘켈 규칙(Huckel’s Rule)이미지

그림(B) 출처: McMurry, J. (2012). Organic chemistry.

             Belmont, CA: Brooks/Cole, Cengage Learning

지금까지 알아본 두 가지 효과로 인해 방향족 화합물들은 특별한 안정성, 즉 방향족성을 지니게 됩니다. 주변에서 흔히 볼 수 있는 물질들에게 이러한 복잡한 화학이 숨어 있다니, 실로 놀라울 따름입니다.

1. 수소화열: 어떤 물질을 수소화(Hydrogenation)시켰을 때 발생하는 반응열. 수소화열이 낮을수록 안정적인 물질.

2. 혼성: 화학결합을 설명하기 위해 원자 오비탈들을 섞어 새로운 에너지와 모양을 지니는 혼성 오비탈을 구성하는 것.

알리미 23기 김동윤 | 생명과학과 17학번

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