거울상 이성질체와 카이랄성편집자 확인

카이랄성은 어떤 물체가 자신의 거울상과 완전히 겹쳐지지 않는 성질을 말한다. 이는 물체가 비대칭성을 가지고 있다는 것을 의미한다. 가장 간단한 예로 왼손과 오른손을 들 수 있다. 두 손은 서로의 거울상이지만, 회전시켜도 완전히 일치시키는 것이 불가능하다.

화학에서 카이랄성은 주로 분자 수준에서 논의된다. 카이랄 분자는 분자 내에 비대칭 중심이나 비대칭 축과 같은 요소를 가지고 있어, 분자 전체가 대칭면을 갖지 않는다. 이러한 비대칭성은 분자가 광학 활성을 나타내는 근본적인 원인이 된다. 즉, 카이랄 분자는 평면 편광된 빛의 진동면을 회전시키는 능력을 가진다.

반면, 아카이랄성을 가진 분자는 자신의 거울상과 완전히 겹쳐질 수 있다. 이러한 분자들은 대칭면을 가지며, 광학 활성을 나타내지 않는다. 따라서 카이랄성과 비대칭성은 동의어로 사용되기도 하지만, 엄밀히 말하면 카이랄성은 '거울상 비중첩성'이라는 더 구체적인 기하학적 속성을 설명하는 개념이다.

분자의 카이랄성 유무는 대칭 요소의 존재 여부로 판단할 수 있다. 가장 흔한 기준은 분자에 반전 중심이나 거울면과 같은 비고유 회전축이 있는지 확인하는 것이다. 이러한 대칭 요소가 하나라도 존재하면 분자는 아카이랄하다.

광학 활성은 거울상 이성질체 중 하나가 편광면을 회전시키는 성질을 가리킨다. 이 성질을 나타내는 화합물을 광학 활성 화합물이라고 부른다. 광학 활성은 카이랄성을 가진 분자의 가장 특징적인 물리적 성질 중 하나이며, 이를 측정하는 도구가 편광계이다.

편광면을 시계 방향으로 회전시키는 이성질체는 (+)-형 또는 데스트로회전성(dextrorotatory)이라고 하며, 반시계 방향으로 회전시키는 이성질체는 (-)-형 또는 레보회전성(levorotatory)이라고 한다. 회전 방향과 정도는 비대칭성을 가진 분자의 구조와 측정에 사용된 빛의 파장, 온도, 용매 종류에 따라 달라진다. 특정 조건에서 측정된 회전 각도는 비회전 [α]로 표시되며, 이는 물질의 고유한 상수 역할을 한다.

한 쌍의 거울상 이성질체는 크기가 같고 방향이 반대인 광학 회전을 나타낸다. 예를 들어, (R)-형이 (+) 값을 가진다면, (S)-형은 (-) 값을 가진다. 그러나 광학 활성의 유무가 카이랄성의 존재를 증명하는 절대적 기준은 아니다. 메소 화합물처럼 분자 전체가 비카이랄하여 광학 활성을 나타내지 않는 경우도 있으며, 라세미 혼합물처럼 서로 반대 방향으로 회전하는 이성질체가 균등하게 섞여 있어 전체적으로 회전이 상쇄되는 경우도 있다.

거울상 이성질체는 서로의 거울상과 같아 중첩될 수 없는 두 분자 형태를 가리킨다. 이들은 카이랄성을 지니며, 일반적인 물리적 성질(녹는점, 끓는점, 밀도, 용해도 등)과 대부분의 화학적 성질은 동일하다. 그러나 편광을 평면에서 회전시키는 방향이 반대라는 결정적인 차이를 보인다. 이 특성은 광학 활성으로 알려져 있으며, 한 거울상체는 편광면을 시계 방향으로(+), 다른 하나는 반시계 방향으로(-) 회전시킨다.

두 거울상체의 가장 중요한 물리적 성질 차이는 광학 활성에서 비롯된다. 이들은 서로 반대 방향으로 동일한 크기의 광학 회전을 나타내며, 이 특성을 이용해 서로를 구별하고 정량할 수 있다. 이러한 광학적 차이는 분자가 편광된 빛과 상호작용할 때, 분자의 3차원 구조가 빛의 전기장 벡터에 비대칭적인 영향을 미치기 때문에 발생한다.

거울상 이성질체는 카이랄 환경과 상호작용할 때 다른 성질을 나타낸다. 예를 들어, 다른 카이랄 물질과 반응하거나 카이랄성을 가진 용매에 용해될 때는 그 거동이 달라질 수 있다. 그러나 대칭적인(아카이랄) 환경, 예를 들어 일반 용매나 비활성 기체 분위기에서는 거의 동일한 물리화학적 성질을 유지한다.

거울상 이성질체는 물리적 성질(녹는점, 끓는점, 밀도 등)과 대부분의 화학적 성질이 동일하지만, 생물학적 시스템과 상호작용할 때는 종종 현저히 다른 활성을 보인다. 이 차이는 생체 내에서 중요한 역할을 하는 대부분의 생체 분자(예: 아미노산, 당류, 핵산)와 수용체, 효소, 항원 등이 카이랄성을 띠기 때문에 발생한다. 이러한 생체 분자들은 특정한 입체구조(절대 배치)를 인식하고 결합하기 때문에, 한 거울상체는 정확히 맞아떨어져 생리적 반응을 일으키는 반면, 다른 거울상체는 제대로 결합하지 못하거나 전혀 다른 반응을 유발할 수 있다.

가장 유명한 사례는 1950년대 말과 1960년대 초에 발생한 탈리도마이드 비극이다. 이 약물의 (R)-거울상체는 진정 및 구토 억제 효과를 가졌지만, (S)-거울상체는 강력한 기형 유발 물질로 작용하여 심각한 선천성 기형을 초래했다[4]. 이 사건은 제약 산업에 카이랄성의 중요성을 각인시키는 계기가 되었다. 다른 예로, 천연 L-아미노산은 인체 단백질의 구성 성분이지만, 그 거울상체인 D-아미노산은 대부분 생체 내에서 이용되지 않는다. 또한, 페니실라민의 경우, L-거울상체는 독성을 나타내는 반면 D-거울상체는 류마티스 관절염 치료제로 사용된다.

이러한 생물학적 활성의 차이는 약물 개발에서 결정적인 고려 사항이 되었다. 현대의 신약 개발 과정에서는 단일 거울상체를 목표로 하는 비대칭 합성 기술이 중요하게 활용되며, 라세미 혼합물을 분리하는 거울상체 분리 기술도 필수적이다. 단일 거울상체 약물은 원하지 않는 부작용을 줄이고 효능을 높일 수 있어, 더 안전하고 효과적인 치료를 가능하게 한다.

단일 카이랄 중심 분자는 하나의 카이랄 중심을 가지는 분자를 말한다. 카이랄 중심은 주로 네 개의 서로 다른 작용기나 원자와 결합한 탄소 원자(비대칭 탄소)를 의미하지만, 규소나 인과 같은 다른 원자가 중심이 될 수도 있다. 이러한 분자는 그 중심의 입체 배열에 따라 두 개의 거울상 이성질체를 형성한다. 이 두 이성질체는 서로의 거울상이며, 중첩될 수 없다.

단일 카이랄 중심 분자의 가장 간단한 예는 젖산이다. 젖산의 중심 탄소 원자는 수산기, 카르복실기, 메틸기, 그리고 수소 원자와 결합한다. 이 네 개의 작용기는 모두 다르기 때문에 이 탄소는 카이랄 중심이 되며, (R)-젖산과 (S)-젖산이라는 두 개의 거울상 이성질체가 존재한다. 다른 대표적인 예로는 알라닌과 같은 많은 아미노산, 그리고 글리세르알데하이드가 있다.

이러한 분자들은 일반적으로 광학 활성을 나타낸다. 즉, 편광된 빛의 진동면을 회전시키는 능력을 가진다. 한 거울상 이성질체는 빛을 시계 방향으로 회전시키고(우회전성, +), 다른 하나는 같은 각도로 반시계 방향으로 회전시킨다(좌회전성, -). 두 거울상 이성질체의 혼합물을 라세미 혼합물이라고 하며, 이는 광학 활성을 나타내지 않는다.

단일 카이랄 중심 분자의 입체화학적 배열은 R/S 명명법을 통해 명확하게 표시된다. 이 명명법은 카이랄 중심에 결합한 네 개의 작용기에 우선순위를 부여하고, 분자의 3차원적 배열을 관찰하여 'R'(라틴어 rectus, 오른쪽) 또는 'S'(라틴어 sinister, 왼쪽)로 지정한다. 이는 분자의 절대 배열을 나타내는 표준 방법이다.

분자가 둘 이상의 카이랄 중심을 가질 경우, 가능한 거울상 이성질체의 수는 2^n개이다. 여기서 n은 카이랄 중심의 개수를 나타낸다. 예를 들어, 두 개의 카이랄 중심을 가진 분자는 최대 4개의 입체이성질체를 가질 수 있다.

이들 입체이성질체는 서로의 관계에 따라 거울상체와 비거울상체로 구분된다. 거울상체 관계는 분자 전체가 거울상이 되는 한 쌍을 의미한다. 반면, 비거울상체 관계는 거울상이 아니면서 입체구조가 다른 이성질체 사이의 관계이다. 두 개의 카이랄 중심이 모두 동일한 치환기를 가질 경우, 분자 내부에 대칭면이 존재하여 입체이성질체의 수가 줄어들 수 있다. 이러한 분자를 내부 보상성 분자 또는 메소 화합물이라고 부른다. 메소 화합물은 광학적으로 비활성이며, 분자 내에서 서로 다른 카이랄 중심의 광학 회전이 상쇄된다.

다중 카이랄 중심 분자의 입체화학적 배열은 각 중심의 절대 배치를 R 또는 S로 지정하여 기술한다. 복잡한 분자의 경우, 입체이성질체들 간의 관계를 명확히 하기 위해 다음과 같은 표가 유용하게 사용된다.

자연계에서 발견되는 많은 생체 분자, 예를 들어 탄수화물과 아미노산은 다수의 카이랄 중심을 가지고 있으며, 이는 그들의 복잡한 3차원 구조와 생물학적 기능의 기초가 된다.

R/S 명명법은 카이랄 중심을 가진 분자의 절대 배치를 명확하게 지정하기 위해 로버트 시드니 케인, 크리스토퍼 켈크 잉골드, 블라디미르 프렐로그가 개발한 체계적 규칙이다. 이 방법은 카이랄 중심에 결합한 4개의 치환기 또는 원자에 우선순위를 부여하여 공간적 배열을 R(rectus, 오른쪽) 또는 S(sinister, 왼쪽)로 지정한다.

우선순위는 캐인-잉골드-프렐로그 순위 규칙에 따라 결정된다. 기본적으로 카이랄 중심에 직접 결합한 원자의 원자 번호가 높을수록 높은 우선순위를 가진다. 원자 번호가 같으면, 그 원자에 결합한 다음 원자들의 원자 번호를 비교하여 순위를 정한다. 이중 결합이나 삼중 결합이 있는 경우, 해당 원자는 동일한 원자가 두 번 또는 세 번 결합된 것으로 가정하여 처리한다[6].

우선순위가 결정되면, 가장 낮은 우선순위(4위)를 가진 치환기가 뒤로 가도록 분자 모형을 배치한다. 나머지 세 개의 치환기(1, 2, 3위)를 우선순위가 높은 순서대로 관찰한다. 이 세 치환기가 시계 방향으로 배열되어 있으면 R 배치, 반시계 방향으로 배열되어 있으면 S 배치로 지정한다. 만약 가장 낮은 우선순위 치환기가 앞에 있는 경우, 방향 판단 후 결과를 반대로 뒤집어야 한다.

이 명명법은 D/L 명명법과 달리 분자의 실제 3차원 구조에 기반하여 절대적인 지정이 가능하며, 복잡한 분자에도 광범위하게 적용된다. 따라서 현대 입체화학과 약물 개발 분야에서 표준적으로 사용된다.

D/L 명명법은 주로 탄수화물과 아미노산과 같은 천연물의 절대 배치를 상대적으로 표시하기 위해 개발된 초기의 명명 체계이다. 이 방법은 기준물질인 글리세르알데히드의 절대 배치를 임의로 정한 후, 다른 분자의 배치를 그것과 비교하여 'D'형 또는 'L'형으로 지정한다.

구체적으로, 글리세르알데히드 분자에서 가장 먼 카이랄 중심을 가진 탄소(가장 높은 산화 상태의 탄소)의 배치를 기준으로 삼는다. 피셔 투영식으로 나타냈을 때, 하이드록시기(-OH)가 오른쪽에 위치하면 D-글리세르알데히드, 왼쪽에 위치하면 L-글리세르알데히드로 정의한다. 다른 당이나 아미노산은 이 기준과의 구조적 유사성, 특히 피셔 투영식에서 말단에 가까운 카이랄 탄소의 하이드록시기 또는 아미노기의 방향을 비교하여 D 또는 L로 분류한다.

이 명명법은 분자의 실제 3차원 구조를 완전히 명시하지 않는 상대적 표기법이라는 한계가 있다. 또한 분자에 여러 개의 카이랄 중심이 있을 경우 적용이 모호해질 수 있다. 이러한 이유로 보다 체계적이고 명확한 R/S 명명법이 개발되었으며, 현재는 D/L 명명법은 주로 생화학 분야에서 당류와 아미노산의 일반적인 계열을 지칭하는 데 제한적으로 사용된다. 예를 들어, 천연에 존재하는 대부분의 당류는 D형이며, 단백질을 구성하는 아미노산은 L형이다.

편광계는 광학 활성 물질이 편광면을 회전시키는 정도를 측정하는 장치이다. 이 장비를 통해 특정 파장의 빛에서 물질의 고유 광회전성을 정량적으로 결정할 수 있으며, 이는 거울상 이성질체를 식별하고 그 순도를 평가하는 데 핵심적인 역할을 한다.

편광계의 기본 구성 요소는 광원, 편광자, 시료 셀, 검광자, 검출기로 이루어져 있다. 광원(보통 나트륨 램프의 D선)에서 나온 빛은 편광자를 통과하여 한 방향으로 진동하는 평면 편광광이 된다. 이 빛이 광학 활성 물질이 들어 있는 시료 셀을 통과하면 편광면이 회전한다. 검광자는 이 회전된 각도를 측정하기 위해 사용되며, 검광자를 회전시켜 최대 투과광 강도를 찾아 그 각도를 읽는다. 이렇게 측정된 각도를 광회전도라고 한다.

측정된 광회전도(α)는 시료의 농도(c, g/mL)와 빛이 통과하는 경로 길이(l, dm)에 비례한다. 이 관계는 특정 물질의 고유한 특성인 비회전력([α])으로 표현된다. 비회전력은 다음과 같은 식으로 계산된다: [α] = α / (c * l). 이 값은 온도와 빛의 파장에 의존하므로, 보고 시에는 표준 조건(예: 20°C, 나트륨 D선)을 명시한다. 편광계 측정은 광학 이성질체의 혼합물에서 한 거울상체가 다른 것에 비해 얼마나 과량으로 존재하는지를 나타내는 광학 순도를 계산하는 데도 사용된다.

자동 편광계는 검광자를 수동으로 조정하는 대신 전자적으로 회전각을 측정하여 정확도와 재현성을 높였다. 현대에는 원편광 이색성(CD) 분광법과 같은 더 정교한 기법도 개발되었지만, 편광계는 여전히 카이랄성 분석의 기본적이고 실용적인 도구로 널리 사용된다.

크로마토그래피는 혼합물을 구성하는 성분들을 분리하고 분석하는 기술로, 거울상 이성질체를 분리하고 분석하는 데 널리 사용된다. 특히 카이랄성을 가진 분자들의 거울상체를 분리하는 데 특화된 방법을 카이랄 크로마토그래피라고 한다. 이 방법은 고정상에 카이랄 선택제를 포함시켜 두 거울상체가 서로 다른 상호작용을 하도록 하여 분리한다.

주요 카이랄 크로마토그래피 기술은 다음과 같다.

분리 효율은 고정상의 카이랄 선택제, 이동상의 조성, 온도 등 여러 조건에 의해 결정된다. 분석 목적뿐만 아니라, 거울상체 분리를 위한 준비 규모의 분리에도 적용된다. 이 기술은 광학 활성 물질의 순도를 확인하고, 비대칭 합성의 효율을 평가하며, 생체 내에서의 거울상체별 거동을 연구하는 데 필수적이다.

많은 약물 분자는 카이랄성을 가지며, 이는 그들의 생물학적 활성에 결정적인 영향을 미친다. 생체 내의 수용체, 효소, 운반체와 같은 표적 분자들은 대부분 카이랄성을 띠기 때문에, 약물 분자의 한 거울상 이성질체만이 원하는 치료 효과를 나타내는 경우가 흔하다. 다른 거울상체는 약효가 훨씬 낮거나, 전혀 없을 수 있으며, 심지어 유해한 부작용을 일으킬 수도 있다.

대표적인 사례는 1960년대에 처방된 진정제 탈리도마이드이다. 이 약의 (R)-거울상체는 진정 효과를 가졌지만, (S)-거울상체는 기형 유발성이 있었다. 당시 약물은 두 거울상체의 혼합물(라세미체)로 판매되었고, 이로 인해 심각한 선천성 기형이 발생하였다[10]. 이 사건은 약물 개발에서 카이랄성의 중요성을 일깨우는 계기가 되었다.

이러한 교훈으로 인해 현대의 신약 개발 과정에서는 카이랄성에 대한 평가가 필수적이다. 규제 기관들은 단일 거울상체 약물의 개발을 장려하며, 라세미체 약물을 허가할 경우에도 각 거울상체의 약동학, 약력학, 독성을 별도로 증명하도록 요구한다. 이는 더 안전하고 효과적인 치료를 보장하기 위함이다.

결과적으로, 카이랄성은 약물의 효능과 안전성을 결정하는 핵심 요소이다. 단일 거울상체 약물의 합성(비대칭 합성) 또는 분리(거울상체 분리) 기술의 발전은 부작용을 줄이고 치료 지수를 높이는 데 기여한다.

생명체를 구성하는 주요 거대분자는 대부분 카이랄성을 지니며, 특정한 절대 배치를 가진 단위체로 구성된다. 예를 들어, 단백질을 이루는 아미노산은 거의 예외 없이 L-형이다. 자연계에 존재하는 당류의 대부분, 특히 리보스와 같은 오탄당 및 글루코스와 같은 육탄당은 D-형이다. 이처럼 생체 분자가 한쪽 거울상 이성질체만을 선택적으로 사용하는 현상을 생체분자 카이랄성 또는 생물학적 동형성이라고 한다.

이러한 카이랄적 순수성은 생체 분자의 구조와 기능에 결정적이다. 효소의 활성 부위는 특정 입체구조의 기질과 정확히 결합하도록 설계되어 있다. 만약 효소가 L-아미노산으로만 구성되어 있다면, 그 기질도 대응하는 L-형이어야 정확히 결합할 수 있다. D-아미노산으로 구성된 단백질은 자연적으로 접히는 방식이 달라 제대로 된 3차 구조를 형성하지 못하거나, 생물학적 기능을 상실하는 경우가 많다.

생체 분자의 카이랄성은 DNA의 이중 나선 구조에서도 핵심 역할을 한다. DNA의 골격을 이루는 디옥시리보스 당은 모두 D-형이며, 이는 나선이 오른손 방향으로 꼬이는 안정적인 구조를 가능하게 한다[11]. 만약 당이 L-형으로 구성된다면, 전체적인 나선의 감김 방향이 반대가 되어 DNA 중합효소와 같은 효소들이 인식하고 복제하는 데 심각한 장애를 초래할 것이다.

생명의 기원과 관련하여, 왜 지구상 생명체가 L-아미노산과 D-당을 선택하게 되었는지는 여전히 활발한 연구 주제이다. 일부 가설은 편광된 빛이나 점토 광물의 비대칭 표면과 같은 초기 지구 환경 요인의 영향을 제시한다. 이 현상은 생명 현상이 단순한 화학 반응의 집합이 아니라, 깊은 수준에서 입체화학에 의존하고 있음을 보여준다.

비대칭 합성은 카이랄한 출발 물질이나 카이랄 촉매, 카이랄 보조제 등을 사용하여 특정 거울상 이성질체가 우세하게 생성되도록 화학 반응을 유도하는 방법이다. 이는 광학적으로 순수한 물질을 효율적으로 얻기 위한 핵심 전략이다. 비대칭 합성의 핵심은 반응 과정에서 입체 선택성을 높이는 것으로, 생성물의 절대 배치를 제어할 수 있다.

주요 접근법은 다음과 같다. 첫째, 이미 카이랄성을 가진 천연물(예: 당류, 아미노산)을 출발 물질로 사용하는 '카이랄 풀' 접근법이 있다. 둘째, 반응에 카이랄 촉매를 첨가하여 비대칭 촉매 반응을 진행하는 방법이다. 대표적인 예로 비대칭 수소화 반응에 사용되는 BINAP-로듐 착물 촉매가 있다[13]. 셋째, 반응물에 일시적으로 결합했다가 떨어지는 카이랄 보조제를 사용하는 방법도 있다.

비대칭 합성의 효율은 입체 선택도로 평가되며, 이는 목표하는 거울상체가 얼마나 순수하게 생성되는지를 나타낸다. 높은 입체 선택도를 달성하기 위해서는 촉매의 구조, 반응 조건, 용매 등 여러 요소를 정밀하게 조절해야 한다. 이 분야의 발전은 특히 약물 개발에서 광학 활성 이성질체를 경제적으로 대량 생산하는 데 기여했다.

거울상체 분리는 라세미 혼합물과 같은 거울상 이성질체의 혼합물로부터 한쪽 거울상 이성질체를 순수하게 분리해내는 과정이다. 이는 카이랄성을 가진 화합물, 특히 약물이나 향료 등을 제조할 때 매우 중요한 공정이다. 라세미 혼합물은 광학적으로 비활성이지만, 그 구성 성분인 개별 거울상체는 각각 고유한 생물학적 활성을 가지기 때문에 분리가 필수적이다.

분리 방법은 크게 물리적 방법과 화학적 방법으로 나눌 수 있다. 대표적인 물리적 방법으로는 크로마토그래피가 있다. 카이랄 고정상 크로마토그래피는 카이랄성을 가진 고정상을 사용하여 두 거울상체가 서로 다른 속도로 이동하게 만들어 분리한다. 결정화법은 거울상체와 카이랄 선택적 첨가제를 반응시켜 생성된 염이나 복합체의 용해도 차이를 이용해 한쪽을 선택적으로 침전시킨다.

화학적 방법의 핵심은 거울상체 선택적 반응을 이용하는 것이다. 라세미 혼합물을 카이랄이 아닌 시약과 반응시켜도 분리되지 않지만, 카이랄 보조제나 효소와 같은 카이랄 시약을 사용하면 두 거울상체가 서로 다른 반응 속도를 보인다. 예를 들어, 효소는 특정 거울상체에 대해 높은 선택성을 가지므로, 효소를 이용한 가수분해나 에스터화 반응을 통해 한쪽 이성질체를 선택적으로 변환시킬 수 있다.

분리 방법의 선택은 목표 물질의 특성, 경제성, 원하는 순도에 따라 결정된다. 최근에는 비대칭 합성 기술이 발달하여 원하는 거울상체를 직접 합성하는 경향이 강하지만, 여전히 거울상체 분리는 실험실 및 산업 현장에서 널리 사용되는 필수 기술로 자리 잡고 있다.