구조식

화학식

1. 개요2. 저분자3. 중분자4. 고분자5. 관련 문서

1. 개요

構造式 / Structural Formula
가장 흔히 볼 수 있는 화학식. 화합물의 입체적 구조를 선으로 나타낸다.

왜 입체적 구조를 나타내는 식이 화합물의 이름이라고도 볼 수 있는 실험식, 분자식 등과 같이 취급되어야 하는지 의문이 들 수 있을 것이다. 이는 역사적으로 19세기에 사람들이 오늘날과 같은 형태로 처음 구조식을 그리기 시작한 19세기 중반에는 구조식이 말 그대로의 공간적인 구조라기보다는 물질의 분류를 나타내는 일종의 기호로서 간주되었기 때문이다.

한편 직선이 아닌 점을 사용한 루이스 전자점식도 있다.

2. 저분자

두 원소가 1개씩 붙는 경우, H一Cl 처럼 두 원소의 결합 방식을 살리는 경우가 있지만, 2~3원자 분자처럼 간단한 구조의 경우 HCl처럼 결합을 생략할 수도 있다. 특정 원소가 2개 이상일 경우, H₂O와 같이 해당 원소의 오른쪽 아래 첨자로 해당 원소의 개수를 적는다.

이온 결합을 하는 물질인 경우, 각 이온끼리는 결합선을 그리지 않고 대신 한 칸 띄우고 오른쪽 위에 양이온인지 음이온인지를 표시하면 된다. Na⁺ Cl^-처럼. 좀 아스트랄한 예를 들어보자면 나트륨 하이드라이드(Na⁺H^-)[1] 같은 것도 있다.[2]

분자 자체가 이온이고 이것이 둘일 경우, 괄호로 쓴다. Ca²⁺ (OH^-)₂처럼.
이중결합, 삼중결합 등의 다중결합인 경우 결합선을 거기에 따라 그려준다. O=C=O, K⁺ C≡N^-과 같이.

파일:external/upload.wikimedia.org/270px-Ammonia-3D-balls-A.png

한편 이런 모양의 3D 모델링을 쓰기도 하는데 원자의 색의 경우 보통 다음과 같은 규칙을 따른다.

흰색 - 수소
검은색 - 탄소
빨간색 - 산소 [3]
파란색 - 질소
노란색 - 황
녹색 - 염소
갈색 - 브로민
보라색 - 아이오딘

이들을 제외한 나머지 원소는 과학자가 임의의 색을 쓴다.

3. 중분자

중분자 이상부터는 탄소와 수소는 다음 규칙에 따라 생략한다. 탄소는 점으로 취급하며 탄소와 결합한 수소는 특수한 종류의 결합을 제외하고는 표기를 생략한다. 분자 내에 약간 복잡한 작용기가 있는 경우 약자로 표기하기도 한다. Ac는 아세틸기[4], Et는 에틸기, Me는 메틸기[5], Ph는 페닐기[6] 등으로 표기한다.

다음은 중분자 표기의 맛보기이다.


아세톤	류신	포도당

위 그림에서 굵은 선은 결합이 평면의 앞으로 나와 있다는 의미이고 점선은 결합이 평면의 뒤로 물러나 있다는 의미이며, 꼬불꼬불한 선은 결합의 방향이 모호하거나[7], 엇갈린 이중 결합이라는 의미이다.

페놀

한편 방향족 고리 중 벤젠/페닐기는 연필 단면 같은 식으로 그리기도 하는데, 단일결합도 아니고 이중결합이 아닌 공명 구조이기 때문이다. 대부분의 교과서에서는 1.5중결합이라는 표현을 쓰고 있다. 사람에 따라선 이중결합처럼 그리지만 안쪽의 선을 점선으로 처리하기도 한다. 반응 메커니즘 등에서 공명 구조 하나하나를 나타내야 할 땐 물론 단일결합과 이중결합이 교대로 나타나도록 그린다.

4. 고분자

고분자는 단백질을 제외하면 결국에는 최소 단위가 있는 중합체이므로, n을 이용한 일반화 식을 사용할 수 있다.

중합체인 경우 이렇게 표현할 수 있는데, 주로 플라스틱을 표현할 때 사용한다. 이런 화합물은 대개 모여 있다는 의미의 '폴리(poly)-'라는 접두사가 붙는다(위 화합물은 폴리크레줄렌이다).

한편, 대부분의 단백질은 수천개의 원자를 가진, 매우 복잡한 3D 구조를 지니기 때문에 저분자/중분자와 같은 방식으로는 표현이 불가능하다.

위 그림은 헤모글로빈으로, 굳이 분자식으로 표현한다면 C₃₀₃₂H₄₈₁₆O₈₇₂N₇₈₀S₈Fe₄ ~~(?)~~ 가 되는데, 이는 아무런 의미가 없는 식이므로 사용하지 않는다. 또한, 복잡한 3차원 구조를 갖기 때문에 단순히 평면 기준으로 앞과 뒤를 표시하는 방식의 화학적 구조식을 쓸 수 없다. 대신, 단백질의 구조를 3차원으로 표현한 PDB 3차원 모델 [8] 을 사용한다. 구조식이 해당 분자의 화학적 특성을 이해하기 위한 목적으로 사용한다는 점을 생각하면, PDB 3차원 모델을 단백질 급의 고분자를 주요 특성과 함께 묘사하는 [9] 확장된 구조식으로 간주할 수 있다.

5. 관련 문서

[1] 유기화학을 들었다면 수소를 산이 아닌 염기로 쓰고 싶을 때 사용하는 물질로 기억하고 있을 것이다.[2] 수소가 음이온이 되는 것은 그렇게 신기한 일은 아니다. 그냥 양성자+전자에 전자가 하나 더 들어온 것일 뿐. 중고등학교 과학 시간엔 안 가르쳐줬을 뿐이지 멀쩡히 존재한다.[3] 정작 (액체)산소는 실제로는 파란색이다(...).[4] 기호가 같은 악티늄은 생물학적 이용이 아예 없으므로 유기화학에서는 생각보다는 혼동이 적다.[5] 그런데 Me를 쓰기보다는 그냥 가지만 그려놓고 이하생략하는 경우가 더 많다.[6] 공식 표기로는 거의 쓰이지 않지만, Ph도 쓰기 귀찮다고 φ라고 쓰는 사람도 있다.[7] 종이면 앞이나 뒤로 향하는 경우가 다 포함된다고 이해하면 된다. 위 포도당의 예시에서 꼬불꼬불한 선으로 표현된 1번 탄소에 붙은 수산화기가 종이면 앞으로 튀어나와있으면 β-포도당이고 종이면 뒤로 빠져있으면 α-포도당인데, 수산화기를 포함하는 1번 탄소 - 산소 - 5번 탄소 부분이 헤미아세탈([math(\rm R_2-O-CHR_1-OH)])이라서 수용액에 녹으면 고리 구조가 풀리는 반응과 그 역반응이 자발적으로 일어나면서 평형에 도달([math(({\rm R_2-O-CHR_1-OH}\rightleftharpoons{\rm R_2-OH + CHO-R_1})])하게 되는데 이 고리가 다시 형성되는 과정에서 α체와 β체가 모두 공존하는 상태가 된다.[8] 원소 또는 아미노산 하나하나보다 전체적인 3차원 구조(알파나선, 베타병풍 등)를 이해하기 쉽게 표시한 모델. 보통 중요한 분자/아미노산은 그 속에서 3차원적 구조식으로 별도 강조해 표시한다. 첨부된 헤모글로빈 구조식을 보더라도 Heme과 철 분자만 3차원으로 묘사된 구조식으로 그려져 있다.[9] 첨부된 헤모글로빈 기준으로, 해당 PDB 3차원 모델은 Heme과 철의 산소 결합능력을 구조적으로 설명함과 동시에 네 개의 단백질 분자, 그러니까 알파 유닛 둘과 베타 유닛 둘이 하나로 묶여 작동하는 헤모글로빈 단백질의 구조적 특성을 쉽게 설명한다.