제15장 유기 화합물과 탄소 원자의 성질 15.1 탄소의 특별한 성질과 유기 분자의 특성 유기 분자의 구조적 복잡성 유기 분자의 화학적 다양성 15.2 탄화수소의 구조와 종류 탄소 골격과 수소 피부 알케인 알케인의 분산력과 물리적 성질 구조 이성질체 카이랄 분자와 광학 이성질 현상 알켄 기하(시스-트랜스) 이성질 현상 알카인 방향족 탄화수소 사슬고리 무기 수소화물 15.3 유기 반응의 주요 유형 유기 반응의 유형 유기 산화-환원 반응 15.4 흔한 작용기의 성질과 반응성 단일 결합만 가진 작용기 이중 결합을 가진 작용기 단일 및 이중 결합을 모두 가진 작용기 삼중 결합을 가진 작용기 15.5 단량체-고분자 I: 합성 고분자 첨가 고분자 축합 고분자 15.6 단량체-고분자 II: 생체 고분자 당류와 다당류 아미노산과 단백질 뉴클레오티드와 핵산 ➢ 유기화합물이란? (Organic Compounds) • 사전적 의미: “탄소의 화합물” But 무기화합물 • 탄산염: 탄산칼슘, 탄산칼륨, 탄산 나트륨 • 사이안화물: R-CN (HCN: 사이안화수소) • M-CN (NaCN: 사이안화소듐) • 카바이드 CaC2( 가스용접에 사용) • 사이안산염: K-SCN(사이안산칼륨) So 유기화합물은? 한 개 이상의 탄소나 수소 혹은 다른 원소와 결합한 탄소를 가진 화합물이다 15.1 탄소의 특별한 성질과 유기 분자의 특성 ♣ 유기 분자의 구조적 복잡성 1. 전자 배치, 전기 음성도와 공유 결합: • 모든 원소 상태와 화합물에서 공유 결합을 이룬다. • 탄소는 크기가 작고 4개의 원자가 전자 ([He]2s22p2) • C4+, C4- , 전기 음성도가 중간, EN=2.5 (Li, EN=1.0, F, EN=4.0의 중간) • 탄소는 전자들을 공유하여 외각(원자가) 껍질을 채운다. 2. 사슬고리화, 결합 성질, 분자 모양: • 탄소는 사슬을 형성하며 곧은 사슬, 가지 달린 화합물 및 고리 화합물 형성. • 최대 네 방향으로 향하는 강하고 안정한 결합 형성 • 탄소는 상대적으로 짧고 강한 결합 • 다중 결합 3. 분자의 안정: • 원자 크기와 결합 세기: C—C 결합(347 kJ/mol)은 Si ─Si결합 (226 kJ/mol)보다도 훨씬 더 강하다 • 상대적 반응 엔탈피: 비슷한 에너지를 가지므로 한 결합이 다른 결합으로 치환되어도 비교적 적은 열 발생 C—C (347 kJ/mol) C—O (358 kJ/mol) C—O (358 kJ/mol) Si─O (368 kJ/mol) ≫ Si─Si (226 kJ/mol) 그림 15.1 주기율표에서 탄소의 위치 • 반응할 수 있는 궤도함수 Si -낮은 에너지의 d 궤도함수 있다.다가오는 반응물들의 고립 전자쌍에 의하여 공격을 받을 수 있는 있음. CH3─CH3공기나 물에서 안정하나 SiH3─SiH3 불안정 ♣ 유기 분자의 화학적 다양성 1. 헤테로 원자와의 결합: 유기 화합물은 C 또는 H 이외의 다른 원자인 N 과 O와 같은 헤테로 원자(heteroatom)와 결합 . C4개, O1개 필요한 수의 H 원자들이 이룰 수 있는 분자 구조 23개 존재 2. 전자 밀도와 반응성: 한 분자 내의 전자 밀도가 높은 부분과 다른 분자의 전자 밀도가 낮은 부분이 만나면 새로운 결합 형성. • C - C 결합 EN = 0; 따라서 C-C 결합 비극성, 일반적으로 반응성이 없다. • C - H 결합 결합길이 짧고(109pm), H(2.1) C(2.5) EN ~ 0; 거의 비극성이고,거의 반응성이 없다. • C - O 결합 EN = 1; (O:3.5 C:2.5) , 극성이고 반응성 있다. 그림 15.2 헤테로 원자들과의 다양한 결합 배열이 유기 분자 들의 화학적 다양성을 만든다. • 다른 헤테로 원자들과의 결합 C-Br (∆EN=0.3) C-S(∆ EN=0) ∆EN ~ 0 일지라도 헤테로 원자가 크기 때문에 결합은 길고 약하며, 반응성 있다. 3. 작용기의 중요성: • 고유한 방식으로 반응하는 결합된 원자들의 조합 • 유기 화합물의 반응은 작용기에서 일어난다.(유기 화합물 반응의 시작점) • 탄소－탄소 다중 결합에서부터 C－헤테로원자 결합이 몇 개 조합을 이룬 경우까지 다양하며, 각 작용기는 고유한 반응성의 양상을 가지고 있다. 15.2 탄화수소의 구조와 종류 ♣ 탄소 골격과 수소 피부 • 탄소 원자 수와 배열 수 – 탄소 원자가 4개인 경우: - 4개 탄소 사슬, 또는 가운데 C에 1개 탄소 가지가 달린 3개 탄소 사슬이 둘 다 가능. 그림 5.3 몇 가지 탄소 5개짜리 골격 • 탄화수소 그리기 - 각 C 원자는 최대 4개의 단일 결합 또는 2개의 단일 결합과 1개의 이중 결합 또는 1개의 단일 결합과 1개의 삼중 결합을 이룰 수 있다 - C 원자의 곧은 사슬이나 구부러진 사슬이나 모두 같은 골격을 나타낸다. - 단일 결합으로 연결된 배열에서 아래로 향한 가지는 위로 향한 가지와 같다 - 이중 결합은 회전이 제한되므로 이중 결합에 연결된 다른 그룹은 서로 다른 배열임. - 탄소 골격을 수소 “피부”로 덮으면 탄화수소 완성!! 그림 15.4 C 원자 골격에 H 원자 피부 입히기. ♣ 알케인: 단일 결합만을 가지고 있는 탄화수소 • 알케인의 일반식은 CnH2n+2이며, n은 양의 정수. • 알케인에서 각 C는 sp3 혼성을 하고 있다 • 알케인에서 각 C는 최대 수(4)의 다른 원자(C 또는 H)와 결합하고 있기 때문에 포화 탄화수소(saturated hydrocarbon)라고 한다. •알케인의 명명: 한 화합물의 이름은 세 부분으로 구성 Examples 1 2 3 4 5 CH3-CH-CH3-CH2-CH3 CH3 parent alkane alkyl group → methylpentane 5 1 4 2 3 4 1 2 3 3 5 4 →2-methylpentane 6 3 4 2 1 2 1 Dimethylbutane 2,3-dimethylbutane Dimethylbutane 2,2-dimethylbutane 치환체에 부여되는 숫자가 작게 한다. • 화학식과 모형으로 알케인 그리기 - 확장 구조식(expanded formula)은 Lewis 구조이므로 각 원자와 결합을 표시한다. - 축약 구조식(condensed formula)의 한 유형에서는 각 C 원자와 여기에 결합된 H 원자들을 묶어서 표시. - 탄소-골격 구조식(carbon-skeleton formula)은 탄소-탄소 결합만을 그리며 하나 이상의 가지가 달린 지그재그 선으로 그린다. 그림 15.5 알케인 3-ethyl-2-methyl-hexane을 그리는 방법 • 고리형 탄화수소: 고리형 탄화수소(cyclic hydrocarbon)는 하나 이상의 고리를 가지고 있다. 사이클로알케인(cycloalkane)의 분자식은 CnH2n이다. 그림 15.6 사이클로알케인 그리기 ♣ 알케인: 단일 결합만을 가지고 있는 탄화수소 • 알케인은 거의 비극성이므로, 물리적 성질과 용해도는 분산력에 의하여 결정됨 • 체인이 길수록, 몰질량이 커지고 분자 간 접촉이 더 커지므로, 분산력이 증가 → 끓는점이 더 높아진다 그림 15.7 C가 10개 이하인 가지 없는 알케인의 화학식, 몰질량( , g/mol 단위), 구조식, 1 atm에서의 끓는점(°C 단위). ♣ 구조 이성질체 • 이성질체(isomer) : 분자식은 같으나 성질이 다른 두개 이상의 화합물 • 결합된 원자들의 배열이 다른 이성질체를 구조 이성질체[constitutional (or structural) isomer]라고 함 구조 이성질체 : 원자의 배열이 다름 이성질체 기하 이성질체 (cis-trans) 입체 이성질체: 원자의 배열은 같으나 배향이 다름 광학 이성질체 (거울상 이성질체) ♣ 카이랄 분자와 광학 이성질 현상 • 입체 이성질체(stereoisomer)는 원자들의 배열은 같으나 공간에서 원 자단들의 방향이 다른 분자임. • 광학 이성질 현상(optical isomerism)은 입체 이성질 현상의 한 종류. 두 물체가 서로 거울 상의 관계에 있고 서로 겹치지 않을 때 그들을 광학 이 성질체(optical isomer) 또는 거울상 이성질체(enantiomer)라함. 그림 15.8 광학 이성질체의 비유 • 비대칭성과 카이랄성: 광학 이성질체는 각각이 비대 칭적(asymmetric)이기 때문에 겹쳐 지지 않는다. 비 대칭 분자를 카이랄(chiral, 그리스어로 cheir은 ‘손’이라 는 의미)이라고 함. 중심 탄소를 카이랄 중심(chiral center) 혹은 비대칭 탄소(asymmetric carbon)라함. 그림 15.9 두 카이랄 분자. • 광학 이성질체의 성질. 광학 이성질체는 두 가지 점 이외의 모든 점에서 동일 1. 각 이성질체가 편광의 면을 회전시키는 방향만이 다르다 2. 카이랄성(비대칭적) 화학적 환경에서만 다르며, 분자가 오른손잡이(d,+)인지 왼손잡이(l,-)인지를 구별 그림 15.10 광학 활성 물질에 의한 평면 편광의 회전. • • d-글루코오스는 에너지를 내면서 대사되지만, l-글루코오스는 사용되지 않고 배설된다. l-알라닌은 세포내에서 단백질의 성분이 되나, d-알라닌은 그렇지 못하다. • 생명체와 의약에서 광학 이성질 현상의 역할. - 생명체는 효소 때문에 광학 이성질체 중 한쪽만 이용. 효소는 그의 결합 자리가 카이랄(비대칭)이기 때문에 한 광학 이성질체를 다른 이성질체로 부터 구별. - 대부분 약은 카이랄 분자이다. 한 광학 이성질체는 생리 활성(약효)을 가 지나 다른 것은 다른 형태의 활성을 가지거나 활성이 전혀 없다. 예) 소염진통제인 나프록센(Naproxen) ♣ 알켄: 이중 결합이 있는 탄화수소 • C=C 결합을 한 개 이상 갖는 탄화수소를 알켄(alkene)이라함. 일반식은 CnH2n • 이중 결합을 하는 C 원자는 sp2 혼성, • 삼각 평면 구조(trigonal planar)(120°), C=C 결합의 π 결합은 회전을 제한. • 탄소 원자에 최대로 가능한 4개의 원자보다 작은 수의 원자가 결합되어 있기 때문에,알켄을 불포화 탄화수소(unsaturated hydrocarbon)라함. • 명명법: 사슬은 C=C 결합에 가까운 끝부터 번호를 매기고, 이중 결합의 위치 는 이중 결합 내 첫 번째 C 원자의 번호로 표시. 알켄의 접미사는 -ene이다. 그림 15.11 효소 결합 부위. ♣ 제한된 회전 및 기하(시스-트랜스) 이성질체 • C=C 결합의 π 결합의 회전 제한 때문에 다른 종류의 입체 이성질 현상이 생긴다. • 기하 이성질체[geometric isomer, 시스-트랜스 이성질체(cis-trans isomer)라고도 함. • cis-2-butene에서 CH3기는 C=C 결합의 같은 쪽, trans-2-butene에서는 CH3기가 C=C 결합의 반대쪽에 있다 • 기하 이성질체와 시각의 화학; 빛은 레티날의 시스 이성질체를 이중 결합이 모두 트랜스인 화합물로 바꾸며 이과정에서 시각 반응 신호 를 뇌로 전달함. 그림 15.12 시각의 초기 화학적 변화와 레티날의 모양 변화. ♣ 알카인: 삼중 결합이 있는 탄화수소 • C≡C 결합을 한 개 이상 갖는 탄화수소를 알카인(alkyne)이라 함. 일반식은 CnH2n-2 • C≡C 결합의 탄소는 하나의 다른 원자와 결합할 수 있기 때문에, 각 C 원자 주위의 기하 구조는 선형(180°). • 각 C 원자는 sp 혼성. 알카인은 접미사가 –yne. 전자가 풍부하여 작용기로 거동, 반응성 큼. - 다음 쪽에 계속 ♣ 방향족 탄화수소: 비편재화된 π 전자를 갖는 고리 분자 • 방향족 탄화수소(aromatic hydrocarbon)는 여섯 개의 C 원자로 이루어진 고리를 하나 이상 가 진 평면 분자로, 흔히 단일 결합과 이중 결합을 번갈아 그려 나타낸다. 예) 벤젠 . • 벤젠이 어미 구조이며 붙어있는 치환기(substituents)는 접두사로 쓰임. 관용명도 널리 사용. 그림 15.11 벤젠의 표기. • 관용명에서는 두 기의 위치가 인접한 위치면 o-(오쏘, ortho), 하나 건너 있으면 m-(메타, metha), 반대편 에 있으면 p-(파라, para)로 표시 ♣ 주제의 전환: 사슬고리 무기 수소화물 • 붕소, 실리콘 및 황도 마찬가지로 사슬형 수소화물을 이루나 그들은 매우 불안정함. 15.3 유기 반응의 주요 유형 ♣ 유기 반응의 유형 • 3가지 중요한 유기 반응의 유형은 첨가(addition), 제거(elimination) 및 치환(substitution)반응으로, 반응물과 생성물에서 C에 결합한 결 합 수를 비교하여 확인 • 첨가 반응 (addition reaction): 불포화 반응물이 포화 생성물 로 변하는 반응. 예) HCl과 에텐(관용명 에틸렌)의 반응 그림 15.14 C=C 결합을 확인하는 변색 실험. • 제거 반응 (elimination reaction): 첨가 반응의 반대. • 치환 반응(substitution reaction): 반응물에 있는 원자(혹은 기)가 다른 반응물의 탄소에 결합하고 있는 원자 하나를 치환 하는 반응 예) 바나나 기름의 주 향기 성분의 치환 반응,O가 Cl을 치환. ♣ 유기 반응에서 산화-환원 과정 • 유기 반응물에 있는 C 원자가 O와 더 많은 결합을 이루거나 H와 더 적은 결합을 이루면 전자 밀도를 잃어 그 반응물은 산화되며 그 반응을 산화 반응(oxidation)이라 부른다. 예1) 연소반응 예 2) 산화제를 이용한 산화반응 • 유기 반응물에 있는 C 원자가 O와 더 적은 결합을 이루거나 H와 더 많은 결합을 이루면 전자 밀도를 얻어 그 반응물은 환원되며 그 반응을 환원 반응(reduction)이라 부른다. 예) 15.4 흔한 작용기의 성질과 반응성 - 결합 차수에 따라 분류한 작용기들은 반응성의 유형을 보임. • 단일 결합만 있는 작용기는 제거 혹은 치환 반응을 한다. • 이중 혹은 삼중 결합이 있는 작용기는 첨가 반응을 한다. • 단일 결합과 이중 결합이 모두 있는 작용기는 치환 반응을 한다 ♣ 단일 결합만 있는 작용기 예) 알코올(alcohol), 할로알케인(haloalkane),아민(amine) • 알코올: 일반식은 R-OH이다. 알코올은 어미 탄화수소 이름에서 끝의 -e를 지우고 접미사 -ol을 붙여 명명 • 알코올은 산화반응, 제거 반응(또는 탈수반응)과 치환 반응을 한다. 예1) 탈수반응(제거반응) 예2) 산화반응 예3) 치환반응 그림 15.15 알코올 작용기를 갖는 분자들 • 할로알케인: 일반식이 R-X인 화합물이다. 할로알케인(관용명으로 할로젠화 알킬(alkyl halide))은 탄화수 소의 이름에 접두사로서 할로젠의 치환기 이름을 붙이고, bromomethane, 2-chloropropane, 1,3-diiodohexane 처럼 할로젠이 붙어 있는 C 원자에 위치 번호를 매겨 명명. • 제거 반응과 치환 반응을 한다. 예1) 치환반응 예2) 제거반응 • 할로알케인은 중요한 용도로 많이 쓰이나, 염화플루오린화탄 소(chlorofluorocarbon) 같은 것들은 심각한 환경 문제를 일으킴. • 아민: 암모니아에 있는 한 개 또는 그 이상의 H 원자가 R기로 치환된 암모니아의 유도체. 삼각 피라미드 구조임. - 일차(primary, 1°) 아민은 RNH2이다. - 이차(secondary, 2°) 아민은 R2NH이다. - 삼차(tertiary, 3°) 아민은 R3N이다. 그림 15.16 209가지 폴리염화바이페닐 (PCB) 중 하나인 tetrachlorobiphenyl. 그림 15.17 아민의 일반적인 구조.. • 아민의 계통명은 ethanamine에서처럼 alkane의 끝 -e를 지우고 접미사 -amine을 붙여 만든다. 하지만 알킬 기의 이름 뒤에 접미사 -amine을 붙인 관용명이 아직도 넓게 쓰임. • 일차 아민과 이차 아민은 수소 결합을 형성할 수 있고 그 결과로 비슷한 몰질량을 갖는 할로젠화 알킬과 탄화수소보다 녹는점과 끓는점이 높으며 약한 염기성임. • 고립 전자쌍의 높은 반응성으로 치환 반응을 한다. 예) 치환반응 ♣ 주제의 전환: O, X, 또는 N의 단일 결합으로 이루어진 무기 화합물 • Si, P, S와 같은 큰 비금속들과 질소 사이의 결합은 상당한 이중 결합 성격을 가지고 있고 이는 반응성과 구조에 영향을 준다 ♣ 이중 결합을 가진 작용기 • 알켄의 C=C 그룹과 알데하이드와 케톤의 C=O 그룹. • 알켄: 전형적인 반응은 첨가 반응임. 그림 15.19 벤젠의 안정성 • 알켄과 방향족 화합물의 반응성 비교: 방향족 화합 물의 비편제화된 불포화 구조는 매우 안정하여 첨가 반응보다 치환반응이 일어남. • 알데하이드와 케톤: C=O 결합, 또는 카보닐 기(carbonyl group)는 화학적으로 가장 다양하게 반응하는 기 중의 하나 • 알데하이드(aldehyde) 작용기에서는 카보닐(carbonyl) C가 H에 결합. 알케인 이름에서 끝의 -e를 지우 고 -al을 붙여 명명. • 케톤(ketone) 작용기에서는 카보닐 C가 2개의 다른 C 원자들에 결합. 알케인 이름의 마지막 -e를 지우 고 -one(온)을 붙여 명명. • 알데하이드와 케톤은 알코올을 산화시켜 만든다 • 카보닐 화합물은 불포화되어 있기 때문에 반대로 첨가 반응을 할 수 있어 알코올로 환원 된다. 그림 15.19 몇 가지 일반적인 알데하이드와 케톤. • 카보닐 화합물은 불포화되어 있기 때문에 반대로 첨가 반응을 할 수 있어 알코올로 환원 된다. • 전자가 부족한 기는 카보닐의 O에 결합하여 첨가 반응이 일어 남. 금속 원자(일반적으로 Li 또는 Mg)를 가진 유기금속 화합물 (organometallic compounds)은 극성 공유 결합으로 알킬 기에 연결 되어, 카보닐 화합물을 다른 탄소 골격을 가진 알코올로 바꾼다. 그림 15.21 극성을 띤 카보닐 기. 예) ♣ 단일 결합과 이중 결합을 모두 가진 작용기 • 카복실산: 카복실산(carboxylic acid)은 알케인의 이름에서 -e를 지우고 -oic acid를 붙인다. 하지만 관용명이 많이 사용되고 있다. 예를 들면, 4C 산은 butanoic acid이고 상용명은 부티르산(butyric acid)이다. • 카복실산은 물에서 약산임. • 염의 음이온은 카복실산 이온(carboxylate ion)이며, 산의 이름 뒤에 이 온을 붙이거나 혹은 양이온의 이름 뒤에 알케인의 이름에서 -oic acid 대 신 -oate을 넣어 명명 • 카복실산의 치환 반응은 두 단계로 일어난다. 첨가 반응 더하기 제거 반응은 치환 반응과 같다. • 강하게 가열하면 탈수-축합 반응(dehydration-condensation reaction)을 통하여 산 무수물(acid anhydride)이 생성됨. 그림 15.22 극성을 띤 카보닐 기. • 에스터: 에스터(ester)는 알코올과 카복실산으로부터 만들어진다. 에스터 이름의 첫 부분은 알코올 부분, 그 다음에 카복실산 부분을 쓴다. 예를 들어, ethanol과ethanoic acid에서 생성되는 에스터는 ethyl ethanoate, 관용명은 ethyl acetate임. 그림 15.23 에스터 작용기를 가진 지질 분자들. • 에스터는 산 무수물처럼 탈수-축합 반응을 통하여 만든다. 이 경우에는, 이 반응을 에스터화 반응 (esterification)라고 부른다. • 에스터화 반응은 가역적임을 주목하라. 탈수-축합 반응의 역반응을 가수분해(hydrolysis)라고 함. • 아마이드: 에스터와 아민(또는 NH3) 사이의 치환 생성물은 아마이드이다. 아민의 부분적으로 음으로 하전된 N이 에스터의 부분적으로 양으로 하전된 C에 끌리게 되면, 알코올(ROH)이 떨어져 나가고 아마이드가 생성된다. • 아마이드는 알케인의 이름 뒤에 아마이드(amide)를 붙이고, 아민 부분은 N-(이탤릭체인 것에 유의)으로 나타내어 명명한다. 어미인 카복실산의 이름의 -oic acid를 -amide로 바꿔 명명한다. 그림 15.24 아마이드 작용기를 가진 분자들. • 환원 반응: 특정 무기 환원제(예로 LiAlH4 또는 NaBH4)는 카복실산이나 에스터를 알코올로 바꾸고, 아마이드를 아민으로 바꾼다. • 주제의 전환: 다른 비금속들의 산소산, 에스터, 아마이드 그림 15.25 산 무수물, 인산 무수물 및 황 무수물의 형성. 그림 15.26 인산염 에스터와 설폰아마이드. ♣ 삼중 결합이 있는 작용기 • 알카인과 나이트릴(nitrile)은 삼중 결합이 있는 유일한 두 가지 중요한 작용기. • 알카인: 전자가 풍부한 -C≡C- 기를 가지고 있는 알카인은 (H2O, H2, HX, X2 등과)첨가 반응을 일으켜 이중 결합 또는 포화 화합물을 만듬. • 나이트릴: 나이트릴(nitrile) 화합물(R-C:::N)은 나이트릴 기(-C ≡ N:)를 가지고 있으며 할로젠화 알킬과 의 반응에서 X−를 CN−(cyanide) 이온으로 치환시켜 만듬. • 탄화수소의 사슬을 C 원자 하나 만큼 늘리기 때문에 유용. 나이트릴은 아민으로 환원되거나 카복실산 으로 가수분해될 수 있기 때문에 쓸모가 다양함. • 주제의 전환: 삼중 결합을 가진 무기 화합물. 무기 화학 분야에서는 유기 화학 분야처럼 삼중 결합이 많지 않다. 일산화 탄소(:C ≡ O:), 질소 분자(:N ≡ N:), 사이안화 이온([:C ≡ N:]-) 정도가 일반적인 예. 15.5 단량체-고분자 주제 I: 합성 고분자 • 고분자의 명명은 폴리에틸렌(polyethylene) 또는 폴리스티렌(polystyrene)과 같 이 접두사 폴리(poly-)를 단량체 이름에 추가. • 고분자를 합성하는 반응 과정의 두 가지 주요 유형: 첨가 반응과 축합 반응. ♣ 첨가 고분자 • 첨가 고분자(addition polymer)는 단량체가 서로 첨가 반응. • 자유 라디칼 중합 반응(free-radical polymerization)에 의한 폴리에틸렌 (polyethylene)의 생성. 단계 1. 이 과정은 흔히 과산화물인 개시제(initiator)가 자유 라디칼을 생성하면서 시작된다. 단계 2. 이 자유 라디칼이 에틸렌 분자의 π 결합을 공격하여 하나의 p 전자와 σ 결합을 형성하며 다른 홀전자를 남기면서, 새로운 자유 라디 칼을 생성한다. 단계 3. 이 새로운 자유 라디칼은 다른 에틸렌 분자의 π 결합을 공격하 여, 이 에틸렌 분자가 사슬의 끝에 연결 되면서 고분자의 사슬이 한 단 위 더 길어지게 된다. 단계 4. 이 과정은 두 개의 자유 라디칼이 서로 결합하여 공유 결합을 이루거나 억제제(inhibitor) 분자를 넣어서 매우 안정한 자유 라디칼이 생길 때에 멈추게 된다. 그림 15.27 에틸렌(ethylene) 자유 라디칼 중합 반응 단계. ♣ 축합 고분자 • 축합 고분자(condensation polymer)의 단량체는 두 개의 작용기를 가지고 있어야 함. • 단량체를 A-R-B라고 쓸 수 있다. 가장 흔하게, 한 단량체의 A기가 다른 단량체의 B기와 탈수-축합 반응 으로 연결임. 예 1) 폴리아마이드 (polyamide) 예 2) 폴리에스터(polyester) • 주제의 전환: 무기 고분자. 고분자인 실리콘, 폴리포스파진(polyphosphazenes) 등. 그림 15.28 나일론-66(nylon-66)의 생성. 15.6 단량체-고분자 주제 II: 생체 고분자 • 다당류, 단백질, 핵산 같은 천연 고분자는 “생명의 재료”. • 고분자를 합성하는 반응 과정의 두 가지 주요 유형: 첨가 반응과 축합 반응. ♣ 당류와 다당류 • 단량체 구조와 연결: 단당류(monosaccharide), 두 단당류가 탈수-축합 반응을 하면, 이당류(disaccharide)가 생성 • 다당류의 세 가지 주요 종류: 셀룰로스 (cellulose), 녹말(starch), 글라이코젠 (glycogen) 그림 15.29 수용액에서 글루코스의 구조(A)와 이당류의 생성(B). ♣ 아미노산과 단백질 • 폴리아마이드인 단백질(protein)은 카복실 기와 아민 기를 다 가지고 있는 아미노산(amino acid)이라고 불리는 단량체로부터 생성. • 단량체 구조와 연결: 단량체인 아미노산간의 아마이드 결합으로 연결. 그림 15.30 일반적인 아미노산 • 단백질의 구조: 단백질은 세포에서 합성될 때 고유한 모양으로 접힌다. 단백질의 전체 구조를 다음과 같은 계층 구조로 정의 1. 일차(1°) 구조(primary structure)는 가장 기본적인 수준, 아미노산들의 서열을 의미. 2. 이차(2°) 구조(secondary structure)는 이웃하는 펩타이드 그룹들 사이의 수소 결합의 결과로 α-나선과 β-병풍이라고 부르는 모양을 취하는 사슬의 부분. 3. 삼차(3°) 구조(tertiary structure)는 대부분 분자간 힘들의 조합의 결과로 나타난 전체 폴리펩타이드 사 슬의 3차원 접힘을 나타냄. 4. 사차(4°) 구조(quaternary structure)는 가장 복잡한 수준으로, 몇 개의 폴리펩타이드 사슬(소단위)로 구 성된 단백질에서 나타나며, 분자간 힘을 통해서 사슬들이 다중-소단위 단백질로 조립되는 방식. 그림 15.31 단백질의 계층 구조 • 구조와 기능 사이의 관계: 단백질은 크게 두 종류로 분류할 수 있는데, 이들은 아미노산의 조성과 서열의 복잡성이 다르므로 그 구조와 기능도 다르다. 1. 1. 섬유상 단백질(fibrous protein): 콜라겐(collagen), 실크 피브로인(silk fibroin). 2. 구형 단백질(globular protein): 특정한 아미노산 R 기의 위치가 구형 단 백질의 기능에 결정적. ♣ 뉴클레오타이드와 핵산 • 단량체 구조와 연결: 핵산(nucleic acid)은 당, N-함유 염기, 인산 기로 구 성되어 있는 단일뉴클레오타이드(mononucleotide)라 불리는 단량체로 구성된 가지가 없는(unbranched) 고분자. 1. 당(sugar). 핵산의 2가지 형태는 단일뉴클레오타이드의 당 부분이 다 르다. 리보핵산(ribonucleic acid, RNA)은 5C-당의 일종인 리보스(ribose) 를 가지고 있으며, 데옥시리보핵산(deoxyribonucleic acid, DNA)은 리보 스의 2′ 탄소에 있는 -OH가 -H로 치환된 데옥시리보스(deoxyribose)를 가 지고 있다 그림 15.32 섬유상 단백질의 모양. 2. 질소 염기(Nitrogen base) 3. 인산 기(phosphate group): 당의 5′ 탄소에 결합 • 염기쌍의 중요성: 세포 핵에서 DNA는 이중 나선(double helix)으로 서로를 감싼 두 사슬로 존재. - 피리미딘 하나와 퓨린 하나는 항상 쌍을 이루어, 일정한 직경을 가진 이중 나선 구조를 만듬. - 각 염기는 항상 같은 상대 즉, A는 항상 T와, G는 항상 C 와 쌍을 이룸. • 각 DNA 분자가 얽힌 덩어리로 구겨져서 세포의 염색체 (chromosome) 중 하나를 형성 • DNA 사슬의 일부분은 생명체의 단백질을 합성하는데 필요한 화학적 정보가 들어 있는 유전자(gene)임. 그림 15.33 핵산 전구체와 그들의 연결. 그림 15.34 DNA 이중 나선과 염기 쌍들을 보여주는 단면 . • 단백질 합성: 유전자의 정보 내용은 염기 서열에 들어 있다. 예를 들면, C-A-C서열은 히스티딘이 라는 아미노산에 대한 암호이고, A-A-G는 라이신이라는 아미노산에 대한 암호임. 그림 15.35 단백질 합성의 주요 단계. • 단백질 합성은 전사와 번역이라는 두 가지 주요한 작업으로 일어남. - 전사(transcription)는 DNA 정보를 전달 RNA(messenger RNA, mRNA)로 복사하는 것. - 번역(translation)은 mRNA를 이용하여 단백질을 합성하는 것. • 본질적으로 단백질 합성은 DNA 3염기 단어를 3염기 단어의 RNA 메시지로 전사하고(transcribing), 그 단 어를 3염기 RNA 운반체를 통해 단백질을 구성하는 연결된 아미노산의 서열로 번역하는(translating) 것 • DNA 복제 DNA가 자기 자신을 복제하는 과정. 1. 이중 나선의 작은 부분이 풀리게 되고, 각 DNA 사슬은 새로운 사슬의 금형 역할. 2. 각 DNA 사슬에 있는 염기들은 상보적인 염기와 수소 결합을 하게 됨. 3. DNA 중합효소(DNA polymerase) 에 의한 새로운 단위체들이 인산이에스터 결합을 통해 연결. 점차 풀린 사슬들이 각각 이중 나선의 상보적인 반쪽을 생성하여, 결국 두 개의 이중 나선이 만듬. 그림 15.36 DNA 복제에서 주요 단계들.