S 명명법 및 피셔 투영도

S 명명법은 카이랄 분자의 절대 배열을 명명하기 위한 체계이다. 이 체계는 R 명명법과 함께 사용되며, 분자의 입체 배열을 고유하게 지정하는 데 필수적이다. S 명명법에서 'S'는 라틴어 'sinister'에서 유래했으며, '왼쪽'을 의미한다[1].

이 명명법의 핵심은 카이랄 중심에 결합한 네 개의 치환기에 캐언-인골드-프렐로그 규칙에 따라 우선순위를 부여하는 것이다. 우선순위가 가장 낮은 치환기를 멀리 보낸 후, 나머지 세 치환기의 우선순위가 감소하는 방향을 확인한다. 이 방향이 반시계 방향이면 그 카이랄 중심의 배열을 S로 지정한다.

S 명명법은 피셔 투영도와 밀접한 관련이 있다. 피셔 투영도는 3차원 분자 구조를 2차원 평면에 투영한 것으로, 수평선은 평면 앞쪽을, 수직선은 평면 뒤쪽을 향하는 결합을 나타낸다. 이 투영도를 올바르게 해석하고 변환하는 것은 R 또는 S 배열을 정확히 판정하는 데 중요하다.

따라서 S 명명법은 유기화학, 생화학, 약학 분야에서 광학 이성질체를 구별하고 그 특성을 연구하는 데 없어서는 안 될 도구이다.

S 명명법은 분자의 절대 배열을 명확하게 지정하기 위해 개발된 체계이다. 이 명명법의 핵심은 카이랄 중심에 연결된 네 개의 치환기를 특정 규칙에 따라 우선순위를 매긴 후, 그 배열이 시계 방향인지 반시계 방향인지에 따라 R/S 배열을 부여하는 것이다. 'S'는 라틴어 'sinister'(왼쪽을 의미)에서 유래하였으며, 우선순위가 높은 세 치환기가 반시계 방향으로 배열된 경우를 가리킨다.

이 체계는 1956년 로버트 S. 케이언, 크리스토퍼 잉골드, 블라디미르 프렐로그에 의해 제안되었다[2] 이들은 기존의 D/L 명명법이나 (+)/(-)와 같은 광학 회전 기호가 분자의 절대적인 입체 구조를 명시하지 못하는 한계를 극복하고자 했다. 특히 복잡한 분자나 여러 개의 카이랄 중심을 가진 분자에서 명확한 입체화학적 기술이 필요해지면서, 보편적이고 논리적인 규칙의 필요성이 대두되었다.

S 명명법은 그 동료인 R 명명법('R'은 라틴어 'rectus', 오른쪽을 의미)과 함께 케이언-잉골드-프렐로그 규칙의 핵심을 이룬다. 이 규칙은 원자 번호를 기준으로 한 우선순위 결정, 이중/삼중 결합의 처리, 추가적인 규칙들을 포함하여 모든 유기 분자에 체계적으로 적용할 수 있도록 설계되었다. 이로 인해 S 명명법은 현대 입체화학과 생화학, 의약품 명명에서 국제적으로 표준으로 채택되어 사용되고 있다.

절대 배열은 분자 내에서 카이랄 중심 주변의 4개 치환기가 공간에 배열된 실제 3차원적 배치를 의미한다. 이 배열은 분자의 광학 이성질체 중 어느 것인지를 고유하게 규정한다. 절대 배열을 결정하는 표준 방법은 R-S 계통 명명법을 사용하는 것이며, 이는 카이랄 중심에 연결된 원자나 원자단의 원자 번호에 기반한 우선순위 규칙에 따라 수행된다.

절대 배열을 결정하는 첫 단계는 카이랄 중심에 직접 결합된 4개의 원자들을 비교하여 우선순위를 매기는 것이다. 원자 번호가 높을수록 높은 우선순위를 가진다. 만약 직접 결합된 원자들이 동일하면, 그 원자들에 각각 결합된 다음 원자들의 원자 번호를 비교하여 우선순위를 결정한다. 이 과정은 차이가 나타날 때까지 계속된다. 이중 결합이나 삼중 결합을 가진 원자단은 각 결합을 단일 결합된 동일한 원자가 두 번 또는 세 번 반복된 것으로 간주하여 처리한다[3].

4개의 치환기에 1부터 4까지의 우선순위를 부여한 후, 가장 낮은 우선순위(4번)를 가진 치환기가 뒤쪽(또는 멀리)에 오도록 분자 모형을 배치하거나 정신적으로 회전시킨다. 나머지 세 개의 높은 우선순위 치환기(1, 2, 3번)를 카이랄 중심에서 바라보았을 때, 그 순서가 시계 방향으로 배열되어 있으면 R 배열(Rectus, 오른쪽), 반시계 방향으로 배열되어 있으면 S 배열(Sinister, 왼쪽)로 명명한다. 이렇게 결정된 R 또는 S 기호가 해당 카이랄 중심의 절대 배열을 나타낸다.

피셔 투영도는 3차원 구조를 가진 카이랄 분자의 절대 배열을 2차원 평면에 명확하게 표현하기 위해 고안된 도식법이다. 독일의 화학자 에밀 피셔가 1891년 당류의 입체화학 연구를 위해 개발하였다[6]. 이 투영도는 분자의 입체 배열을 표준화된 방식으로 기록하고 전달하는 데 필수적인 도구가 되었다.

투영도의 작성에는 엄격한 규칙이 따른다. 가장 기본적인 규칙은 카이랄 탄소 원자를 평면의 교차점으로 나타내고, 그 탄소에 결합된 네 개의 치환기를 상하좌우 방향의 선으로 표현하는 것이다. 수평선으로 연결된 두 치환기는 관찰자를 향해 튀어나온 방향(돌출 결합)을, 수직선으로 연결된 두 치환기는 관찰자로부터 멀어지는 방향(후퇴 결합)을 의미한다. 이는 분자를 특정 방향(가장 긴 사슬이 수직, 가장 산화된 탄소가 위쪽)으로 놓고 평면에 투영한 모습에 해당한다.

표준적인 피셔 투영도는 다음과 같은 관례를 따른다.

이러한 규칙 덕분에 단일한 2차원 도식만으로도 분자의 3차원 입체 배열을 명확하게 정의할 수 있다. 그러나 투영도를 해석하거나 조작할 때는 수평선과 수직선이 의미하는 방향을 정확히 이해하는 것이 중요하다. 이를 무시하고 도식을 단순한 2차원 그림으로 취급하면 입체화학적 배열을 완전히 잘못 해석할 수 있다.

피셔 투영도에서 R/S 명명법을 적용하기 위해서는 먼저 카이랄 중심에 연결된 네 개의 치환기에 우선순위를 부여해야 한다. 우선순위는 칸-인골드-프렐로그 순위 규칙에 따라 원자 번호가 높은 순서대로 1부터 4까지 매긴다. 투영도에서 수직선은 종이 평면 뒤쪽으로 향하는 결합을, 수평선은 종이 평면 앞쪽으로 향하는 결합을 나타낸다[7].

우선순위가 가장 낮은 치환기(보통 4번)가 수직선 상에 위치하면, 나머지 세 개의 치환기(1, 2, 3번)가 이루는 배열 방향을 직접 확인한다. 1→2→3의 순서가 시계 방향이면 R, 반시계 방향이면 S로 지정한다. 만약 가장 낮은 우선순위의 치환기가 수평선 상에 위치하면, 이 배열은 실제 3차원 배열에서 우선순위 판정을 위한 회전 방향이 반대로 보이는 상황을 만든다. 따라서 이 경우에는 1→2→3의 순서가 시계 방향이면 S, 반시계 방향이면 R이 된다.

가장 낮은 우선순위의 치환기가 편리한 위치에 있지 않을 때는 치환기 위치를 교환하는 방법을 사용한다. 피셔 투영도에서 한 쌍의 치환기를 두 번 교환하면 배열의 절대 배열을 바꾸지 않으면서 우선순위가 가장 낮은 치환기를 수직선 상으로 이동시킬 수 있다. 단, 한 쌍을 한 번만 교환하면 배열이 반전되어 에난티오머의 투영도가 되므로 주의가 필요하다. 아래는 간단한 판정 흐름을 보여준다.

하나의 분자가 둘 이상의 카이랄 중심을 가질 경우, 각 중심의 절대 배열을 독립적으로 지정해야 한다. 이는 분자의 입체화학적 구조를 완전히 기술하기 위한 필수 과정이다. 각 카이랄 중심에 대해 R/S 명명법 규칙을 개별적으로 적용하여 R 또는 S 지정자를 부여한다. 그 후, 지정자들을 숫자와 함께 접두사로 사용하여 분자명 앞에 나열한다. 숫자는 카이랄 중심이 위치한 탄소 원자의 번호를 나타내며, IUPAC 명명 규칙에 따라 분자의 주 사슬을 번호 매길 때 결정된다.

예를 들어, 2번과 3번 탄소가 카이랄 중심인 2,3-다이클로로뷰테인 이성질체를 고려해보자. 두 중심의 배열이 서로 반대인 경우, (2R,3S) 또는 (2S,3R)과 같이 명명한다. 만약 두 중심의 배열이 같다면 (2R,3R) 또는 (2S,3S)가 된다. 이 숫자 지정자는 분자의 전체 입체화학을 명확히 구분하는 데 핵심적이다. 피셔 투영도를 사용할 경우, 각 수직선 상의 카이랄 중심을 식별하고 각각에 대해 R/S 판정을 수행하면 된다.

다중 카이랄 중심 분자에서는 메소 화합물이라는 특별한 경우가 존재한다. 메소 화합물은 분자 내에 카이랄 중심을 가지고 있지만, 분자 전체가 내부 대칭면을 갖기 때문에 광학적으로 비활성인 화합물이다. 이러한 분자는 (R,S) 배열을 가진 동일한 분자 내의 카이랄 중심들이 서로의 광학 활성을 상쇄시키는 특징이 있다. 예를 들어, (2R,3S)-타르타르산은 메소 화합물이다. 명명 시에는 여전히 (2R,3S)로 표기하지만, 이는 단일 화합물을 지칭하며 한 쌍의 에난티오머를 의미하지는 않는다.

카이랄 중심이 세 개 이상인 복잡한 분자, 특히 탄수화물이나 알칼로이드의 경우 명명은 동일한 원칙을 따른다. 모든 카이랄 중심의 배열을 지정하는 것이 원칙이지만, 당류처럼 전통적으로 D/L 계열로 분류되는 체계가 병행 사용되기도 한다. 최종 명칭은 각 카이랄 중심의 번호와 R/S 지정자를 차례로 나열하여 완성한다. 예를 들어, (2R,3S,4R)-2,3,4-트라이하이드록시펜탄알과 같은 형태가 된다.

S 명명법은 분자의 절대 배열을 기술하는 체계이며, 광학 활성은 그 분자가 실제로 편광면을 회전시키는 물리적 성질을 가리킨다. 이 두 개념은 밀접하게 연관되어 있지만, 동일한 것은 아니다. S 배열을 가진 분자가 반드시 특정 방향(예: 시계 반대 방향)으로 편광면을 회전한다는 보장은 없다. 광학 활성의 방향과 크기는 실험적으로 측정되는 비회전도 값으로 결정되며, 이는 분자의 고유한 전자 구조와 입체 배치에 의해 복합적으로 영향을 받는다.

S 명명법은 단지 카이랄 중심 주변의 4개 치환기의 공간적 배열 순서를 규칙에 따라 기술한 것이다. 반면, 광학 활성은 분자 전체의 비대칭성에 기인하여 발생하는 현상이다. 따라서 S로 명명된 거울상 이성질체는 그 짝인 R 이성질체와 크기가 같고 부호가 반대인 비회전도를 가지지만, 그 절대값은 분자에 따라 다르다. 역사적으로, (+)-글리세르알데히드의 절대 배열이 임의로 R로 지정된 후, 이를 기준으로 다른 화합물의 절대 배열이 상대적으로 결정되었다[10].

결론적으로, S 또는 R 배열은 분자의 구조적 서술어이며, 광학 활성의 유무나 방향을 예측하는 지표는 아니다. 단, 하나의 카이랄 중심을 가진 거울상체 쌍은 항상 서로 반대되는 광학 활성(한쪽은 우회전, 다른 쪽은 좌회전)을 나타낸다. 다만, 어떤 것이 S이고 어떤 것이 R인지에 관계없이, 한 쌍은 서로 반대의 비회전도 값을 가진다. 복수의 카이랄 중심을 가진 meso 화합물의 경우, 내부 보상에 의해 광학 활성을 나타내지 않을 수 있다는 점이 이러한 구분을 명확히 보여준다.

피셔 투영도에서 수평 결합은 화면 앞쪽으로 나와 있고, 수직 결합은 화면 뒤쪽으로 들어가 있다는 기본 규칙을 간과하는 경우가 많다. 이로 인해 R/S 명명법을 적용할 때 3차원 배열을 잘못 해석하여 R과 S를 반대로 판정하는 오류가 빈번하게 발생한다. 특히, 우선순위가 가장 낮은 치환기가 수직선에 위치하지 않은 경우, 올바른 R/S 판정을 위해 필요한 정신적 조작(우선순위 순서 변경)을 생략하는 실수를 주의해야 한다.

카이랄 중심의 R 또는 S 배열은 분자의 절대적인 입체 배열을 나타내지만, 그것이 분자의 광학 활성의 크기나 방향(광학 회전의 +, -)을 직접적으로 예측할 수 있게 해주지는 않는다. R-배열을 가진 화합물이 반드시 우회전성(+)을 나타내는 것은 아니며, 이 둘 사이에는 직접적인 상관관계가 없다. 광학 회전의 부호와 크기는 실험적으로만 결정할 수 있다.

또한, 피셔 투영도를 회전시킬 때는 특정 규칙을 준수해야 한다. 피셔 투영도를 평면에서 90° 회전시키면 입체 배열이 반전되어 거울상 이성질체를 나타내게 된다. 그러나 피셔 투영도를 평면에서 180° 회전시키거나, 두 개의 치환기를 짝지어 동시에 교환하는 것은 원래의 입체 배열을 보존한다. 이러한 조작 규칙을 혼동하면 잘못된 배열을 도출할 위험이 있다.

• Wikipedia - S 명명법

• Wikipedia - 피셔 투영식

• Wikipedia - R/S 표기법

• IUPAC - Cahn–Ingold–Prelog priority rules

• Khan Academy - R,S system

• Master Organic Chemistry - The Cahn-Ingold-Prelog Rules

• Chemistry LibreTexts - Fischer Projection