치환기

치환기(置換基, 영어: substituent)는 유기화학 및 생화학에서 탄화수소의 모체 사슬 상의 한 개 이상의 수소 원자를 대체하는 원자 또는 원자단으로, 생성된 새로운 분자의 부분이다. 치환기 및 작용기 뿐만 아니라 다른 것들(예: 곁사슬, 펜던트기)을 지칭하는 용어는 모체 구조에서 나온 분자를 설명하기 위해 거의 상호교환적으로 사용되지만,^[1] 고분자화학에서 맥락에 따라 일정한 차이가 있다.^[2] 중합체에서 곁사슬은 골격 구조로부터 연장되어서 나온 것이다. 단백질에서 곁사슬은 아미노산 골격의 α 탄소 원자에 결합되어 있다.

접미사 "−일(−yl)"은 하나의 수소를 대체하는 단일 결합을 포함하는 유기 화합물을 명명할 때 사용된다. 이중 결합을 가지고 있으면 "−일리덴(−ylidene)", 삼중 결합을 가지고 있으면 "−일리다인(−ylidyne)"을 사용한다. 또한 치환기를 가지고 있는 탄화수소를 명명할 때, 치환기가 어떤 탄소 원자와 결합하고 있는지를 나타내는 위치 숫자를 사용하여, 이성질체들을 구별할 필요가 있을 때 이러한 정보를 사용한다. 치환기에 의해 나타나는 극성 효과는 유도 효과 및 메소메리 효과의 조합이다. 치환기가 점유하고 있는 부피에 의해 추가적인 입체 효과가 발생한다.

가장 많이 치환되고 가장 적게 치환된 상태는 분자를 설명하고 그 생성물을 예측하는데 자주 사용된다. 이러한 용어에서 메테인은 비교 기준으로 사용된다. 메테인을 기준으로 하여 수소 원자가 다른 작용기로 치환될수록, 그 분자는 고도로 치환된 것으로 말할 수 있다. 예를 들면, 다음과 같다.

마르코브니코프의 법칙은 보다 많은 수소가 결합하고 있는(알킬 치환기가 적음) 탄소에 수소가 첨가된다고 예측한다.
자이체프의 법칙은 주요 반응의 생성물이 보다 치환된(보다 안정적인) 이중 결합을 가지고 있는 알켄인 것으로 예측한다.

명명법 편집

접미사 "−일(−yl)"은 유기화학에서 별도의 종(자유 라디칼이라고 함) 또는 분자에 화학적으로 결합된 일부(부분이라고 함)이라는 라디칼의 이름을 만드는데 사용된다. 이것은 메탄올의 옛 이름인 "메틸렌(methylene)" (그리스어로 "메티(methy)"는 포도주(wine)"라는 뜻이고, "hȳlē"은 "나무(wood)"라는 뜻임)에서 따온 것으로, 이는 화합물의 이름에서 "메틸(methyl)"로 단축되었다. 화학 명명법의 몇 차례의 개정 과정을 통해 결국 다른 유기 치환기에 대한 접미사의 사용을 일반화했다.

접미사의 사용은 치환기가 모체 화합물(및 일반적으로 치환기에서도)에서 치환되는 수소 원자의 수에 의해서 결정된다. 1993년의 IUPAC 지침은 다음과 같다.^[3]

"−일(−yl)"은 수소 원자 1개가 치환되었음을 의미한다.
"−일리덴(−ylidene)"은 수소 원자 2개가 치환되어 모체 화합물과 치환기 사이에 이중 결합이 형성되었음을 의미한다.
"−일리다인(−ylidyne)"은 수소 원자 3개가 치환되어 모체 화합물과 치환기 사이에 삼중 결합이 형성되었음을 의미한다.

접미사 "−일리딘(−ylidine)" ("−yne" 또는 "−ene" 대신에 "−ine"이 포함)이 산발적으로 사용되며 "−일리덴(−ylidene)"의 변형 철자로 나타난다.^[4] 이것은 IUPAC 지침에는 언급되어 있지 않다.

치환기를 모체 화합물에 연결하는 동일한 유형의 다중 결합의 경우, 접두사 "다이−(di−)", "트라이−(tri−)", "테트라−(tetra−)" 등을 사용한다. "−다이일(−diyl)"은 2개의 단일 결합, "−트라이일(−triyl)은 3개의 단일 결합, "−테트라일(−tetrayl)"은 4개의 단일 결합, "−다이일리덴(−diylidene)"은 2개의 이중 결합이 있음을 나타낸다.

서로 다른 결합 형태의 다중 결합의 경우, 복수의 접미사를 추가한다. "−일릴리덴(−ylylidene)"은 1개의 단일 결합과 1개의 이중 결합, "−일릴리다인(−ylylidyne)"은 1개의 단일 결합과 1개의 삼중 결합, "−다이일릴리덴(−diylylidene)"은 2개의 단일 결합과 1개의 이중 결합을 가지고 있음을 의미한다.

모체 화합물의 이름은 두 가지 방법으로 변경할 수 있다.

많은 일반적인 화합물의 경우, 치환기는 한쪽 끝(1번 위치)에 연결되어 있으며, 역사적으로 이름에 번호를 부여하지 않았다. 그러나 IUPAC 2013년 규칙^[5]은 IUPAC 우선명의 대부분의 치환기들에 대해 명확한 위치표시자(locant)를 요구한다. 치환기의 이름은 "−ane"을 제거하고 적절한 접미사를 추가하여 변경된다. 이러한 방법은 사슬형 포화 탄화수소와 단일고리 탄화수소 치환기 및 규소, 저마늄, 주석, 납, 붕소의 단일고리 모체 수소화물에만 권장된다. 따라서 "X-ic acid"라고 불리는 카복실산, "X-anol" (또는 "X-yl alcohol")로 끝나는 알코올 또는 "X-ane"이라고 불리는 알케인의 경우, "X-yl"은 일반적으로 이들 화합물의 말단 탄소 원자로부터 수소 원자를 한 개 제거하여 얻어지는 1가의 기를 지칭한다.
보다 일반적인 방법은 치환기의 이름 말단의 "−e"만 생략하지만, 1번 위치에서도(삼중 결합으로서 치환기 탄소 사슬을 종결해야 하는"−일리다인(−ylidyne)"은 제외하고), "−일(−yl)" 앞에 명시적인 번호를 부여해야 한다. "펜탄-1-일(pentan-1-yl)"은 이러한 방법에 의한 이름의 예이며, 이전 지침의 "펜틸(pentyl)"과 동의어이다.

"비닐"("폴리비닐"을 의미하는데 사용되는 경우)과 같은 일부 대중적인 용어들은 전체 화학 명칭들 중 일부에 불과하다는 점에 유의해야 한다.

접미사"−일(−yl)"은 "메틸(methyl)"이라는 단어로부터 추출되어 유래하였다.

메테인 치환기 편집

상기 규칙에 따라, 치환기로 간주되는 분자 내의 탄소 원자는 탄소 원자에 결합되어 있는 수소 원자의 수와 분자의 나머지와 형성되는 결합의 종류에 따라 다음과 같은 이름을 갖는다.

CH 4	메테인	결합 없음
−CH 3	메틸기	비수소 원자에 대한 단일 결합
=CH 2	메틸렌기 또는 메틸리덴기	1개의 이중 결합
−CH 2−	메틸렌 브릿지	2개의 단일 결합
≡CH	메틸리다인기	1개의 삼중 결합
=CH−	메틴기	1개의 단일 결합과 1개의 이중 결합
>CH−	메탄트라이일기	3개의 단일 결합
≡C−	메탄일릴리다인기	1개의 삼중 결합과 1개의 단일 결합
=C=	메탄다이일리덴기	2개의 이중 결합
>C=	메탄다이일릴리덴기	2개의 단일 결합과 1개의 이중 결합
>C<	메탄테트라일기	4개의 단일 결합

구조 편집

화학 구조식에서 메틸기, 에틸기, 아릴기와 같은 유기 치환기들은 R(또는 R¹, R² 등)로 나타낼 수 있다. "R"은 "radical" 또는 "rest"로부터 파생된 일반적인 위치 표시자이며, 작성자가 편리하다고 생각되는 화학식의 일부분을 대체할 수 있다. 1844년에 프랑스의 화학자 샤를 프레데릭 게라르트(Charles Frédéric Gerhardt)가 기호 "R"을 최초로 사용하였다.^[6]

기호 "X"는 종종 할로젠화물과 같은 전기음성의 치환기를 나타내기 위해 사용된다.^[7]^[8]

통계 분포 편집

어떤 화학정보학 연구에서는 탄소, 수소, 질소, 산소, 황, 인, 셀레늄, 할로젠 등 최대 12가지의 비수소 원자를 가지고 있는 3,043,941 분자들에서 849,574가지의 치환기들을 확인했다. 이 분자들의 1% 이상에서 발견되는 50가지의 치환기들은 일반적인 것으로 고려할 수 있고, 0.1% 이상에서 438종류의 치환기들이 발견된다. 치환기의 64%는 단 하나의 분자에서만 발견된다. 가장 일반적인 상위 5개의 치환기들은 메틸기, 페닐기, 클로로기, 메톡시기, 하이드록시기이다. 유기화학에서 유기 치환기들의 총 수는 3,100,000으로 추정되며, 총 6.7×10²³ 가지의 분자들이 생성된다.^[9] 예를 들어, 메틸기(−CH₃)와 펜틸기(−C₅H₁₁)에서처럼 탄소 사슬의 길이를 증가시킴으로써 무한한 수의 치환기들을 얻을 수 있다.

같이 보기 편집

작용기

각주 편집

↑ D.R. Bloch (2006). 《Organic Chemistry Demystified》. ISBN 978-0-07-145920-4.
↑ Jenkins, A. D.; Kratochvíl, P.; Stepto, R. F. T.; Suter, U. W. (1996). “PAC, 1996, 68, 2287. Glossary of basic terms in polymer science (IUPAC Recommendations 1996)”. 《Pure and Applied Chemistry》 68 (12): 2287–2311. doi:10.1351/pac199668122287. This distinguishes a pendant group as neither oligomeric nor polymeric, whereas a pendant chain must be oligomeric or polymeric.
↑ “R-2. 5 Substituent Prefix Names Derived from Parent Hydrides”. IUPAC. 1993.
↑ The PubChem database lists 740,110 results for "-ylidene", of which 14 have synonyms where the suffix is replaced by "-ylidine". Another 4 results contain "-ylidine" without listing "-ylidene" as a synonym.
↑ 《Nomenclature of Organic Chemistry : IUPAC Recommendations and Preferred Names 2013》. Favre, Henri A.,, Powell, Warren H., 1934-, International Union of Pure and Applied Chemistry. Cambridge, England: Royal Society of Chemistry. 2014. ISBN 9781849733069. OCLC 865143943.
↑
See:
- Charles Gerhardt, Précis de chimie organique (Summary of organic chemistry), vol. 1 (Paris, France: Fortin et Masson, 1844), page 29. From page 29: "En désignant, par conséquent, les éléments combustibles par R, sans tenir comptes des proportions atomiques de carbone et d'hydrogène, on peut exprimer d'une manière générale: Par R. — Les hydrogènes carbonés." (Consequently, by designating combustible components by R, without considering the atomic proportions of carbon and hydrogen, one can express in a general way: By R — hydrocarbons.)
- William B. Jensen (2010) "Ask the Historian: Why is R Used for Hydrocarbon Substituents?," Journal of Chemical Education, 87: 360-361. Available at: University of Cincinnati. Archived 2016년 3월 4일 - 웨이백 머신
↑ Jensen, W. B. (2010). “Why Is "R" Used To Symbolize Hydrocarbon Substituents?”. 《Journal of Chemical Education》 87 (4): 360–361. Bibcode:2010JChEd..87..360J. doi:10.1021/ed800139p.
↑
The first use of the letter X to denote univalent electronegative groups appeared in:
- Stanislao Cannizzaro (1858) "Sunto di un corso di filosofia chimica, fatto nella R. Universita di Genova" (Sketch of a course of chemical philosophy, offered at the Royal University of Genoa), Il Nouvo Cimento (The New Experiment), 7 : 321-366. From page 355: " … X indica tutto ciò che vi è nella molecola, oltre l'idrogeno metallico … " ( … X stands for all that is in the molecule, apart from metallic hydrogen … ).
↑ Ertl, P. (2003). “Cheminformatics Analysis of Organic Substituents: Identification of the Most Common Substituents, Calculation of Substituent Properties, and Automatic Identification of Drug-like Bioisosteric Groups”. 《Journal of Chemical Information and Modeling》 43 (2): 374–380. doi:10.1021/ci0255782. PMID 12653499.

[1] D.R. Bloch (2006). 《Organic Chemistry Demystified》. ISBN 978-0-07-145920-4.

[2] Jenkins, A. D.; Kratochvíl, P.; Stepto, R. F. T.; Suter, U. W. (1996). “PAC, 1996, 68, 2287. Glossary of basic terms in polymer science (IUPAC Recommendations 1996)”. 《Pure and Applied Chemistry》 68 (12): 2287–2311. doi:10.1351/pac199668122287. This distinguishes a pendant group as neither oligomeric nor polymeric, whereas a pendant chain must be oligomeric or polymeric.

[3] “R-2. 5 Substituent Prefix Names Derived from Parent Hydrides”. IUPAC. 1993.

[4] The PubChem database lists 740,110 results for "-ylidene", of which 14 have synonyms where the suffix is replaced by "-ylidine". Another 4 results contain "-ylidine" without listing "-ylidene" as a synonym.

[5] 《Nomenclature of Organic Chemistry : IUPAC Recommendations and Preferred Names 2013》. Favre, Henri A.,, Powell, Warren H., 1934-, International Union of Pure and Applied Chemistry. Cambridge, England: Royal Society of Chemistry. 2014. ISBN 9781849733069. OCLC 865143943.

[6] See:
Charles Gerhardt, Précis de chimie organique (Summary of organic chemistry), vol. 1 (Paris, France: Fortin et Masson, 1844), page 29. From page 29: "En désignant, par conséquent, les éléments combustibles par R, sans tenir comptes des proportions atomiques de carbone et d'hydrogène, on peut exprimer d'une manière générale: Par R. — Les hydrogènes carbonés." (Consequently, by designating combustible components by R, without considering the atomic proportions of carbon and hydrogen, one can express in a general way: By R — hydrocarbons.)

William B. Jensen (2010) "Ask the Historian: Why is R Used for Hydrocarbon Substituents?," Journal of Chemical Education, 87: 360-361. Available at: University of Cincinnati. Archived 2016년 3월 4일 - 웨이백 머신

[7] Charles Gerhardt, Précis de chimie organique (Summary of organic chemistry), vol. 1 (Paris, France: Fortin et Masson, 1844), page 29. From page 29: "En désignant, par conséquent, les éléments combustibles par R, sans tenir comptes des proportions atomiques de carbone et d'hydrogène, on peut exprimer d'une manière générale: Par R. — Les hydrogènes carbonés." (Consequently, by designating combustible components by R, without considering the atomic proportions of carbon and hydrogen, one can express in a general way: By R — hydrocarbons.)

[8] William B. Jensen (2010) "Ask the Historian: Why is R Used for Hydrocarbon Substituents?," Journal of Chemical Education, 87: 360-361. Available at: University of Cincinnati. Archived 2016년 3월 4일 - 웨이백 머신

[7] Jensen, W. B. (2010). “Why Is "R" Used To Symbolize Hydrocarbon Substituents?”. 《Journal of Chemical Education》 87 (4): 360–361. Bibcode:2010JChEd..87..360J. doi:10.1021/ed800139p.

[8] The first use of the letter X to denote univalent electronegative groups appeared in:
Stanislao Cannizzaro (1858) "Sunto di un corso di filosofia chimica, fatto nella R. Universita di Genova" (Sketch of a course of chemical philosophy, offered at the Royal University of Genoa), Il Nouvo Cimento (The New Experiment), 7 : 321-366. From page 355: " … X indica tutto ciò che vi è nella molecola, oltre l'idrogeno metallico … " ( … X stands for all that is in the molecule, apart from metallic hydrogen … ).

[11] Stanislao Cannizzaro (1858) "Sunto di un corso di filosofia chimica, fatto nella R. Universita di Genova" (Sketch of a course of chemical philosophy, offered at the Royal University of Genoa), Il Nouvo Cimento (The New Experiment), 7 : 321-366. From page 355: " … X indica tutto ciò che vi è nella molecola, oltre l'idrogeno metallico … " ( … X stands for all that is in the molecule, apart from metallic hydrogen … ).

[9] Ertl, P. (2003). “Cheminformatics Analysis of Organic Substituents: Identification of the Most Common Substituents, Calculation of Substituent Properties, and Automatic Identification of Drug-like Bioisosteric Groups”. 《Journal of Chemical Information and Modeling》 43 (2): 374–380. doi:10.1021/ci0255782. PMID 12653499.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]