화학 고3 탄소 화합물과 반응 심화

축합 중합

단위체들이 반응할 때 H₂O 등의 소분자가 빠져나오면서 중합되는 반응. 나일론(아마이드 결합), 폴리에스터(에스터 결합), 단백질·핵산이 해당한다.

단위체들이 이어질 때마다 물 같은 작은 분자가 하나씩 빠져나오면서 긴 사슬이 만들어지는 중합 반응입니다.

손을 잡을 때마다 장갑 한 짝씩을 벗어 던지며 줄을 서는 것과 같습니다. 그래서 완성된 줄의 무게는 사람들 무게의 합보다 벗어 던진 장갑만큼 가볍습니다.

쉽게 말하면

고분자 화합물을 만드는 두 가지 큰 길 중 하나입니다. 단위체 두 개가 결합할 때마다 $H_{2} O$ 같은 작은 분자가 빠져나오므로 '축합'이라는 이름이 붙었습니다.

핵심 조건이 하나 있습니다. 단위체가 반응할 수 있는 작용기를 양쪽 끝에 두 개 이상 갖고 있어야 합니다. 작용기가 하나뿐이면 두 분자가 붙은 뒤 더 이어 붙일 자리가 없어서 작은 분자 하나로 끝나 버립니다. 아세트산과 에탄올이 만나면 에스터 한 분자가 될 뿐 사슬이 되지 않는 이유가 이것입니다. 반대로 $- COOH$ 를 양 끝에 가진 분자와 $- OH$ 를 양 끝에 가진 분자를 섞으면, 붙고 나서도 양쪽 끝이 여전히 비어 있어 계속 이어집니다.

그래서 축합 중합체는 어떤 결합으로 이어졌느냐로 이름이 갈립니다. 에스터 결합으로 이어지면 폴리에스터, 아마이드 결합으로 이어지면 나일론입니다. 생명체가 만드는 고분자도 모두 이 방식입니다 — 아미노산이 물을 내놓으며 이어지면 단백질이 되고, 뉴클레오타이드가 물을 내놓으며 이어지면 핵산이 됩니다.

작은 분자가 빠져나갔다는 사실은 되돌릴 때도 그대로 드러납니다. 물을 다시 넣고 가수분해하면 사슬이 단위체로 끊어집니다. 소화가 바로 이 일입니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

폴리에스터 — 에스터 결합의 반복

$- COOH$ 를 양 끝에 가진 분자와 $- OH$ 를 양 끝에 가진 분자를 번갈아 이으면, 에스터 결합이 반복되는 긴 사슬이 됩니다. 옷에 쓰는 폴리에스터 섬유와 음료수 병(PET)이 같은 계열입니다.
예시 2

나일론 — 아마이드 결합의 반복

카복시기를 양 끝에 가진 분자와 아미노기를 양 끝에 가진 분자가 물을 내놓으며 이어지면 나일론이 됩니다. 사슬 사이의 $N - H$ 와 $C = O$ 가 수소 결합으로 서로를 붙들어, 가늘어도 잘 끊어지지 않는 섬유가 됩니다.
예시 3

단백질도 축합 중합체다

아미노산의 카복시기와 다른 아미노산의 아미노기 사이에서 물이 빠지며 펩타이드(아마이드) 결합이 생깁니다. 아미노산은 $- COOH$ 와 $- N H_{2}$ 를 양쪽에 하나씩 갖고 있어, 붙고 나서도 양 끝이 계속 비어 있습니다. 축합 중합의 조건을 완벽히 갖춘 단위체입니다.

축합 중합과 첨가 중합

구분	축합 중합	첨가 중합
단위체의 조건	작용기가 두 개 이상	이중 결합이 있음
빠져나오는 물질	$H_{2} O$ 등 작은 분자	없음
중합체의 분자량	단위체 총합보다 작음	단위체 분자량의 정수배
예	나일론, 폴리에스터, 단백질	폴리에틸렌, PVC
가수분해	비교적 잘 됨	잘 되지 않음

자주 하는 오해

작용기가 하나뿐인 단위체로도 중합이 된다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움아세트산과 에탄올도 물을 내놓으며 결합하니 축합 중합이다

실제로는그것은 축합이지만 중합은 아닙니다. 에스터 한 분자가 만들어지고 반응이 끝납니다.

중합이 되려면 붙고 난 뒤에도 양 끝에 반응할 손이 남아 있어야 합니다. 아세트산은

- COOH

가 하나, 에탄올은

- OH

가 하나뿐이라 결합하는 순간 두 손이 모두 사라집니다. '작용기 두 개 이상'이라는 조건은 외우는 규칙이 아니라, 사슬이 계속 자라려면 반드시 필요한 조건입니다.

중합체의 분자량을 단위체 분자량 × 개수로 계산하기

이렇게 생각하기 쉬움단위체

n

개가 이어졌으니 중합체의 분자량은 (단위체 분자량)

\times n

이다

실제로는빠져나간 물의 질량만큼 더 작습니다. 단위체

n

개가 사슬 하나로 이어졌다면 결합은

n - 1

개 생기고, 물도 그만큼 빠져나갑니다.

이 계산법은 첨가 중합에서만 맞습니다. 첨가 중합은 아무것도 떨어져 나가지 않으니 그대로 더하면 됩니다. 축합 중합은 결합이 생길 때마다 물을 하나씩 내보내므로 질량이 줄어듭니다. 반대로 말하면, 단백질을 가수분해할 때 아미노산의 질량 합이 원래 단백질보다 큰 이유도 이것입니다 — 물이 다시 들어갔기 때문입니다.