화학 고3 탄소 화합물과 반응 심화

기하 이성질체(시스-트랜스)

Q: 기하 이성질체는 구조 이성질체와 무엇이 다른가요?

구조 이성질체는 원자의 연결 순서 자체가 다릅니다. 기하 이성질체는 연결 순서가 완전히 같고 3차원 배치만 다릅니다. 그래서 구조식을 선으로만 그리면 구별되지 않고, 공간 배치를 나타내야 구별됩니다.

C=C 이중 결합이나 고리 구조로 회전이 제한될 때 나타나는 입체 이성질체. 시스(같은 방향)와 트랜스(반대 방향)로 구분하며 물성이 다르다.

이중 결합이나 고리 때문에 회전이 막혀, 원자단이 같은 쪽(시스)에 있느냐 반대쪽(트랜스)에 있느냐로 갈리는 입체 이성질체입니다.

단일 결합이 자유롭게 도는 경첩이라면, 이중 결합은 용접해 붙인 판입니다. 판을 돌릴 수 없으니 '위에 붙은 것'과 '아래에 붙은 것'이 영영 자리를 바꾸지 못합니다.

쉽게 말하면

이성질체 중에서 원자의 연결 순서는 완전히 같은데 3차원 배치만 다른 것을 입체 이성질체라 하고, 기하 이성질체는 그 대표입니다. 열쇠는 회전이 막혀 있다는 사실입니다.

단일 결합은 축을 중심으로 자유롭게 돌 수 있어서, 위아래로 뒤집힌 두 그림이 사실은 같은 분자입니다. 그런데 알켄의 $C = C$ 에는 $π$ 결합이 옆으로 겹쳐져 있어 돌리려면 이 결합을 끊어야 합니다. 실온에서는 그럴 에너지가 없으므로 회전이 사실상 잠깁니다. 고리 구조도 같은 이유로 회전이 제한됩니다.

다만 이중 결합이 있다고 무조건 시스–트랜스가 생기는 것은 아닙니다. 조건이 하나 더 필요합니다 — 이중 결합에 참여한 두 탄소가 각각 서로 다른 두 원자단을 갖고 있어야 합니다. 한쪽 탄소에 똑같은 것이 두 개 붙어 있으면, 위아래를 바꿔 봤자 같은 분자입니다.

시스형과 트랜스형은 연결이 같아도 엄연히 다른 물질입니다. 분자 모양이 달라 녹는점·끓는점·용해도가 다르고, 생체 안에서의 작용도 달라집니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

2-뷰텐은 되고 1-뷰텐은 안 되는 이유

$C H_{3} - CH = CH - C H_{3} vs C H_{2} = CH - C H_{2} - C H_{3}$

2-뷰텐은 이중 결합의 두 탄소가 각각 $- C H_{3}$ 와 $- H$ 를 하나씩 갖고 있어 시스형과 트랜스형이 존재합니다. 1-뷰텐은 왼쪽 탄소에 수소가 두 개 붙어 있어, 뒤집어도 원래와 같은 분자가 됩니다. 그래서 기하 이성질체가 없습니다.
예시 2

시스 지방과 트랜스 지방

불포화 지방산의 $C = C$ 가 시스형이면 사슬이 그 지점에서 꺾입니다. 꺾인 사슬끼리는 촘촘히 쌓이지 못해 실온에서 액체(식물성 기름)가 되기 쉽습니다. 트랜스형이면 사슬이 곧게 뻗어 서로 잘 포개지므로 더 단단한 고체에 가까워집니다. 같은 분자식, 같은 연결인데 배치 하나로 갈립니다.
예시 3

왜 물성이 다른가

트랜스형은 같은 원자단이 반대쪽에 있어 분자가 대칭적이고 곧아서 결정을 잘 이룹니다. 그래서 대체로 녹는점이 높습니다. 시스형은 한쪽으로 치우쳐 있어 극성이 조금 남고 모양이 꺾여, 결정을 이루기 불리합니다.

순서대로 하면

기하 이성질체가 있는지 판별하는 순서

1회전이 막힌 구조( $C = C$ 이중 결합 또는 고리)가 있는지 확인합니다. 없으면 여기서 끝입니다.
2이중 결합에 참여한 왼쪽 탄소를 봅니다. 그 탄소에 붙은 두 원자단이 서로 다른지 확인합니다.
3오른쪽 탄소도 같은 방식으로 확인합니다.
4양쪽 모두 '서로 다른 두 개'를 갖고 있을 때에만 시스형과 트랜스형이 존재합니다. 한쪽이라도 같은 것이 두 개면 기하 이성질체는 없습니다.

자주 하는 오해

이중 결합만 있으면 시스–트랜스가 있다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움

C = C

가 있으니 당연히 시스형과 트랜스형이 있다

실제로는회전이 막힌 것만으로는 부족합니다. 이중 결합의 두 탄소가 각각 서로 다른 두 원자단을 가져야 합니다.

C H_{2} = CH - C H_{2} C H_{3}

처럼 한쪽 탄소에 수소가 두 개 붙어 있으면, 위아래를 바꾸어 그려도 같은 분자를 다른 각도에서 본 것에 지나지 않습니다. '구별할 수 있는 두 배치가 실제로 생기는가'를 확인해야 합니다. 이 조건을 빼먹고 이성질체 개수를 세면 항상 많이 세게 됩니다.

시스형을 돌리면 트랜스형이 된다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움결국 같은 분자를 돌려 놓은 것이니 자연스럽게 서로 바뀐다

실제로는실온에서는 서로 바뀌지 않습니다. 시스형과 트랜스형은 병에 따로 담아 보관할 수 있는 다른 물질입니다.

돌리려면

C = C

의

π

결합을 끊었다가 다시 이어야 하는데, 그럴 만한 에너지가 실온에는 없습니다. 그래서 녹는점도 다르고 따로 분리해 낼 수도 있습니다. 반면 단일 결합만 있는 분자는 상온에서도 계속 회전하고 있어서, 꺾어 그린 두 그림이 같은 물질입니다. 회전이 되느냐 안 되느냐가 두 세계를 가릅니다.