키랄성 2: 거울상 이성질체 명명법: d(+)/l(-), D/R, R/S

거울상 쌍둥이를 구별하는 이름 

두 거울상이 오른손의 속성(right-handedness)과 왼손의 속성(left-handedness)을 갖는다는 것은 이해하겠지만 과연 오른쪽, 왼쪽으로 부르는 기준은 무엇인가 하는 생각이 들것이다. 이 둘을 구별할 필요가 있다. 하지만 마치 두 명의 쌍둥이를 연상하게 하는 거울상 이성질체들은 끓는점, 녹는점, 용해도 등과 같은 물리적 특징과 화학적 속성이 거의 같아 구별이 쉽지 않다. 지금처럼 X선 결정학 등과 같은 고도의 기술들이 존재하지 않던 시기에는 편광 측정법과 같은 비교적 간단한 장치의 도움을 받아 이 두 쌍둥이들을 구별해서 표시할 수 있었다. 

 

편광 측정법과 거울상 이성질체의 회전 방향

19세기 초 프랑스의 물리학자 장바티스트 비오(Jean-Baptiste Biot)는 특정 평면에 편광된 빛을 연구하던 중 특정 유기 분자들이 들어있는 수용액을 통과한 편광빛 들만이 편광면에서 회전하는 것을 관찰하게 된다. 그가 이용한 편광 측정법과 실험결과를 살펴보자.

 

우리가 보는 일반적인 빛은 전기장과 자기장이 수직을 이루는 전자기파의 일종이다. 전기장이 자기장보다 다루기가 상대적으로 쉽기 때문에 주로 전기장을 중심으로 설명하는데 전기장은 원래 모든 방향으로 고르게 분포하며 사방으로 진동한다. 하지만, 편광 필터 또는 편광기(polarizer)와 같은 장치를 이용하여 전기장을 하나의 특정한 방향으로만 진동하도록 즉, 전기장이 특정 평면에서만 진동하고 나머지 평면에서는 전부 차단되도록 설정할 수 있다. 이 방법을 통해 광학 활성(optical activity)을 테스트할 수 있는데, 실험할 유기 분자를 시료관(sample tube)에 넣은 후 여기에 편광된 빛을 쏘아 통과시킨다. 만일 샘플 물질이 키랄 분자라면, 앞선 글에서 살펴본 키랄성을 가진 물질이 갖는 비대칭적 구조 때문에 편광면을 한쪽 방향으로 회전시키게 된다. 그리고 키랄 분자가 아니라면(achiral) 이 편광빛은 들어오는 방향과 나가는 방향에 전혀 변화가 없으므로 아무런 회전은 일어나지 않는다. 오직 키랄 분자만 편광빛을 회전시킬 수 있다. 이렇게 회전이 일어나면 ‘광학적으로 활성화되어 있다’라고 표현하는데, 이러한 광학 활성은 거울상 이성질체들만이 가지는 고유한 특징이므로 거울상 이성질체를 다른 말로 '광학 이성질체'라고도 부른다. 또 하나 흥미로운 점은 두 거울상 쌍둥이 이성질체는 편광면을 서로 반대 방향으로 회전시킨다는 것이다. 평면 편광된 빛에 대한 회전각도는 같으나 그 회전방향들이 정반대로 나타난다. 

 

 

d(+) 또는 l(-) 표기법

19세기 초, 편광된 빛을 오른쪽으로 회전시키는 거울상 이성질체를 ‘dextrorotatory’ 또는 (+)로, 왼쪽으로 회전시키면 ‘levorotatory’ 또는 (-)로 표기하여 구별하였다. 관측자에 있어 빛을 시계방향으로 회전시킨다면, 해당 거울상 이성질체는 d 또는 (+), 반대는 l 또는 (-)로 구분한 것이다. 당시에는 비교적 간단한 장비로도 회전을 측정할 수 있어 물리적 분리 없이도 쌍둥이들을 간단히 구별할 수 있게 해주는 유용한 도구였을 것이다. 참고로 시료관에 두 형태의 거울상 이성질체를 1:1의 비율로 동일하게 넣는다면 서로 상쇄시켜 빛의 회전은 나타나지 않는다. 이렇게 동일한 양의 거울상 이성질체(enantiomers)를 섞어 놓은 혼합물을 라세미 혼합물(racemic mixture)이라고 하며, recemate라고도 한다. 라세미 혼합물에 대해서는 이후 다시 자세히 다루기로 한다.

 

D/L 명명법

광학 활성을 가지는 경우, 편광빛의 회전 방향에 근거한 l, d 또는(+), (-) 표기법은 비록 두 쌍둥이 분자에게 이름은 줄 수 있지만, 분자의 입체 배열에 대하여는 아무런 설명을 해줄 수 없다는 점이 한계였다. 이후, 주로 탄수화물의 3차원 구조를 2차원 평면에 투영하여 표현하기 위해 피셔 투영법(Fischer Projection)이 새로이 제시되었다. 키랄 탄소가 단 1개이므로 키랄 중심이 1개인 가장 작고 간단한 키랄 분자인 글리세르알데하이드(Glyceraldehyde)의 구조를 피셔 투영법으로 표현한 후, 이를 기준으로 삼아 거울상 이성질체를 구별하기 시작했다. 즉, 키랄 탄소를 기준으로 하이드록실기(OH)가 양 쪽 어디에 위치하는가에 따라 구별하였는데, OH기가  오른쪽에 위치하면 D-글리세르알데하이드, 왼쪽에 위치하면 L-글리세르알데하이드로 명명하였다. [1] D와 L은 각각 오른쪽을 의미하는 라틴어 dexter와 왼쪽을 의미하는 laevus에서 따온 것이다. 이러한 글리세르알데하이드 명명법을 표준으로 하여 탄수화물과 아미노산에도 같은 방법을 적용하여 D 형과 L형을 명시하게 되었다.

 

피셔 투영법은 일반적으로 탄수화물의 경우 카르보닐기(C=O)를, 아미노산의 경우 카르복실기(COOH)를 맨 위에 위치시키는데, 키랄 탄소가 여러 개 존재할 경우 이 작용기들로부터 가장 멀리 위치에 있는 키랄 탄소를 기준으로 그 오른쪽에 하이드록시기(OH)가 있으면 D형, 왼쪽에 있으면 L형으로 명명하였다. 아미노산의 경우 아민기(NH2)가 오른쪽에 있으면 D형이다. 하지만 D/L 명명법은 복잡하고 거대한 화합물을 기술하기에는 한계가 있었으며, 그 이전에 존재하던 광학 활성으로 구분하던 d, l 구별방법과도 직접적인 관련이 없어 혼선을 초래하기도 했다. 예를 들어 D 형 포도당은 (+) 우회전을 보이지만 같은 D 형인 과당(fructose)은 (-) 죄회전을 보인다.  따라서 이 명명법은 이후 거의 사용하지 않게 되었고 다만 현재까지도 탄수화물과 같은 일부 생분자들에서만 제한적으로 사용되고 있다(ex D-포도당). 특히 R/S 명명법이 등장하여 훨씬 체계적이고 명확한 구분이 가능해짐으로써 이 명명법은 자연스럽게 퇴화되었다.

 

 

R/S 명명법

최근에는 탄수화물뿐만 아니라 키랄 센터(chiral center)를 하나 이상 가진 모든 분자들의 입체 구조를 구별할 수 있도록 약속된 규칙이라고 할 수 있는 R/S 명명법이 고안되어 국제 표준이 되었다. 세명의 화학자 이름을 따서 Cahn-Ingold-Prelog (CIP) 규칙이라고도 부른다. 4개의 서로 다른 치환기의 원자번호를 기준으로 순서를 찾는다. 보통 원자번호가 높을수록 원자질량 역시 커진다. 순서상 가장 낮은 원자(보통은 수소 H)를 관찰자에게서 가장 먼 뒤쪽으로 일단 위치시킨 후, 나머지 3개의 치환기의 원자번호의 순서를 따져 우선순위를 정한다. 우선순위가 높은 그룹에서 낮은 그룹으로의 배열순서가 시계 방향(1 → 2 → 3)이면 R(Rectus, 오른쪽), 그리고 반시계방향(1 → 2 → 3)이면 S(Sinister, 왼쪽)으로 R인지 S인지를 결정하여 명명한다.

 

 

R/S 명명법은 원자번호를 기준으로 우선순위를 정하기 때문에 분자의 입체적 배치를 시각적으로 쉽게 이해할 수 있고, 복잡한 분자에도 객관적이고 재현 가능한 결과를 얻을 수 있어 유기/무기 화합물, 생체 분자 등 모든 분자에 제한 없이 적용할 수 있는 보편성을 가지며, 다른 분자와의 비교에 의존하지 않고 절대적인 규칙을 따르기 때문에 오류의 가능성이 적으며, 무엇보다도 국제 순수 응용 화학 연합(IUPAC)이 이 명명법을 표준으로 공식적으로 승인하게 됨으로써, 현재 화학과 생화학 분야의 전 세계 모든 학자들이 사용하고 있는 명명법이다. 

 

d(+)/l(-) 명명법이 실험을 통하여 나타나는 광학 활성의 방향을 기준으로 한 것이고, D/L 명명법이 피셔 투영식에서 표현되는 구조적인 위치를 기준으로 명명한 것과 달리, R/S 명명법은 CIP 규칙을 통해 절대적인 입체구조를 명명한다는 점이 다르다. 이 명명법은 거울상 이성질체 분자 내부의 절대적 입체 배열을 기술하기 때문에 절대 입체 화학구조를 나타낸다고 말한다. 이 이론적 명명법은 실제로 분자의 고체 결정구조를 분석하여 원자와 원자 간의 실제 공간적 배열을 시각적으로 확인할 수 있는 기술인 X-선 결정학(X-ray crystallography)이 보여주는 실험적 결과와 대부분 일치하는 것으로 신뢰할 수 있는 명명법으로 알려져 있다. 하지만, 그럼에도 불구하고 실험적 오류나 분석과정에서 두 방법 간의 해석 차이가 발생할 수 있기 때문에 입체 구조에 의한 반응 메커니즘이 매우 중요한 약물제조 시 합성과 분리와 같은 상황에서는 NMR(핵 자기 공명, Nuclear magnetic resonance)과 같은 다른 보완적 방법을 통해 구조를 반드시 재확인하여야 한다. 생화학적 및 약리학적 작용을 예측하는 데 있어 왜  정확한 입체구조 파악이 필수적인지는 뒤에서 다시 자세히 살펴보기로 한다. 

 

라세미  혼합물(racemic mixture)

앞에서 거울상 이성질체가 서로 반대방향으로 빛을 회전시키는 광학활성을 갖지만, 두 이성질체가 함께 공존할 경우에는 회전이 일어나지 않으며 이러한 혼합물을 라세미 혼합물 또는 라세미체(racemate)라고 함을 잠깐 언급했었다. 포도에서 발견되는 유기산인 타르타르산(tartaric acid, H2C4H4O6)은 포도주로 발효되는 과정에서 자연적으로 타르타르염으로 변환되는데 발효된 포도주스의 침전물에서 얻어지는 칼륨산염(potassium acid salt, KC4H5O6 )은 타르타르산의 수소 이온 중 하나가 칼륨 이온으로 치환되어 형성된 염(salt)으로서 크림 오브 타르타르(Cream of Tartar)로도 알려진 물질이다. 이후 타르타르산 제조업자가 칼륨산염을 정제하여 우연히 신비한 산을 제조하게 되는데, 타르타르산과 같은 화학 조성을 갖는 것으로 보이는 이 화합물을 ‘한 다발의 포도’를 의미하는 라틴어 racemus를 따서 라세믹산(racemic acid)이라고 부르기 시작했고, 이후 파스퇴르는 이를 파라타르타르산(paratartaric acid)으로 부르게 된다. 문제는, 1832년에 이미 비오(Biot)가 편광계를 이용하여 타르타르산에서 편광빛이 편광면을 오른쪽으로 회전하게 하는 것을 발견하여 이 물질이 광학 활성이 있음을 밝혔지만, 예상과 다르게 타르타르산에서 유래한 이 라세믹산은 수용액 상태에서 광학활성을 전혀 보이지 않았던 것이다.

 

이 흥미로운 상황을 설명하기 위해 여러 화학자들이 노력했으나 그들이 내놓은 해석이 썩 만족스럽지 않았던 파스퇴르는 앞선 결정학자 (crystallographer)들의 실험을 직접 반복해 보기로 하고 소듐 암모늄 타르타르산염(sodium-ammonium tartrate) 농축 용액을 28 °C 아래에서 결정화시켰다. 그 결과 매우 다른 두 가지 형태의 결정체를 얻게 되었는데 이 결정체들을 비교해 보면 서로 거울상의 형상을 하고 있으나 중첩되지는 않았다. 결정체들의 모양은 반쪽 모양 즉, 반면체(hemihedral)였다. 반면체 결정(hemihedral crystals)은 전체 대칭 요소의 절반만 반영된 결정으로 결정의 면 일부가 없어지거나 비대칭적으로 배열된 상태로 대칭성이 줄어든 특수한 결정 형태를 말한다. 확대경으로 이 파라타르타르산염을 들여다보면 반쪽면이 일부는 왼쪽으로 또 나머지는 오른쪽으로 기울어져 있음을 알게 되었고, 그는 조심스럽게 핀셋으로 하나씩 분리시켜 방향대로 두 그룹으로 나누었다. 신중하게 분리한 두 종류의 결정을 수용액 상태로 편광기에 넣어 회전이 일어나는지 테스트해 보니, 놀랍게도 반면이 왼쪽으로 기울어진 것은 왼쪽으로, 오른쪽으로 기운 것들은 오른쪽으로 각각 편광빛을 회전시켰다. 광학 활성을 보인 것이다. 더욱 놀라운 것은, 이 두 종류의 결정체를 같은 무게만큼 섞어서 합친 혼합물 용액은 서로 두 방향이 상쇄되어 빛에 대해 아무런 회전이 일어나지 않는 중립적 반응을 보였다. 

 

파스퇴르는 이 실험으로 두 가지 거울상 이성질체를 물리적으로 따로 분리해 내었을 뿐 아니라, 이 들이 같은 비율로 혼합되었기 때문에 광학 활성이 일어나지 않는다는 원리를 최초로 증명하였다. 또한 이 연구 결과는 분자의 3차원적 구조와 특성에 대한 이해를 크게 진전시켜 이후 입체화학을 발전시키는 중요한 계기가 된다. 키랄 구조가 분자의 비대칭 구조에서 비롯될 수 있다는 추론이 진행되었고, 분자 비대칭의 원리가 발견되어 분자 구조의 3차원적 특성을 이해하는 중요한 첫걸음이 되었다. 이 실험 후에도 파스퇴르는 비대칭성에 관한 연구를 계속하였고 부분입체이성질 현상과 부분입체이성질체 결정을 통한 라세미 혼합물의 분리등을 비롯하여 초기 입체화학 발달에 중요한 공헌을 하였다.  특히 그가 설명한 라세미혼합물은 생명과학에서 특히 대단히 중요한 개념인데 이는 이어서 호모키랄성과 연관시켜 다시 다루기로 한다. 

 

여기서 잠깐, 나는 파스퇴르에 대한 나의 존경심을 표현하고자 한다. 사실 예전에 면역 공부를 하다가 처음 이 과학자에 대해 좀 알게 되었는데, 그는 미생물이 질병의 원인임을 입증하고, 저온에서 미생물을 살균하는 방법을 찾아내어 수많은 어린이들이 안전하게 우유를 먹을 수 있는 길을 열었으며, 약화된 바이러스나 병원체를 주입하여 면역반응을 유도하는 방식으로 광견병과 탄저병 백신을 개발하여 면역학에도 기여하였다. 세균학의 아버지로도 불리는 그가 어느 대학 강연에서 “In the fields of observation chance favors only the prepared mind.”, 즉 관찰 분야에서 우연은 준비된 사람에게만 유리하다"라고 한 말은 무척 유명하다. 앞부분의 “관찰에 있어”라는 말은 생략하고 주로 인용되어 인생에 대한 좋은 조언으로 알려지기도 한 이 말은 누구보다도 관찰력이 뛰어났던 그를 잘 묘사한 말이 아닌가 싶다. 여기서 말하는 준비된 정신이란, 특이한 것을 인식하는 능력, 비판적으로 생각하는 능력, 해석을 상상하려는 능력과 함께 실패할 수도 있는 위험을 감수하고, 원래 계획에서 벗어나 새로운 것을 기꺼이 탐험할 수 있는 능력들이 모두 담은 말일 것이다. 과학에서 우연한 발견이란 과학적 관찰력과 우연한 발견 사이의 흥미로운 상호작용이 아닐까 한다. 파스퇴르가 실험에 소듐 암모늄 타르타르산염을 이용한 것은 우연이었을까. 라세미 혼합물 중에서 두 종류의 거울상 이성질체가 각각 독립된 결정체로 존재하는 콩글로머트(conglomerate) 형은 약 10% 미만으로 매우 드문데 소듐 암모늄 타르타르산염이 바로 그중 하나였던 것이다. 콩글로머레이트는 라세믹 혼합물의 특별한 형태를 가리키는 화학용어인데, R형과 S형의 두 이성질체가 각각 물리적으로 분리된 결정 상태로 존재하는 경우를 말한다. 반대로 R형과 S형이 동일한 결정 구조 안에 포함되어 있는 것을 라세메이트(racemate)라고 한다. 육안으로 구별할 수 있어 손(핀셋)으로 분리가 가능한 결정체로 형성되어 있었다는 것은 분명 신의 한 수였다. 파스퇴르는 또한 실험을 오전에 수행해야 한다고 강조했다고 한다. 낮 동안 온도가 올라가면 결정이 부분적으로 다시 용해되어 반면체의 면이 사라지기 때문이다. 실제로 소듐 암모늄 타르타르산염은 20°C에서 콩글로머트 형태로 결정화되지만 28°C 부터 탈수가 일어나기 시작하여 30°C가 되면 라세메이트(racemate)로 변한다 [2]. 이러한 중요한 디테일이 정말 우연이었는지는 알 수 없지만 나는 그가 분명 늘 준비된 정신을 가지고 있었을 것을 믿어 의심치 않는다.(나는 그의 팬이니까) 

 

다음글에 이어서 이 키랄성이 우리 생체과 관련하여 어떤 의미를 가지는지 본격적으로 탐구해보자.

 

 

[참고 자료]

[1] Biochemistry, Mary Campbell, Shawn O. Farrell, Owen McDougal. Ninth Edition

 

[2] Pasteur and chirality: A story of how serendipity favors the prepared minds

 https://doi.org/10.1002/chir.23349

 

Pasteur’s Resolution of Racemic Acid: A Sesquicentennial Retrospect and a New Translation

https://web.archive.org/web/20060117144722/http://192.129.24.144/licensed_materials/00897/papers/0003006/36kau897.pdf