[Aromaticity] 방향족성이란? (What is Aromaticity?)

# Aromaticity?

 

유기화학을 공부하면 방향족성(芳香族性 , Aromaticity)이라는 단어를 접하게 됩니다. 예를 들어, 벤젠(Benzene)은 방향족성을 가지고 있다는 식으로 말이죠.

 

방향족성은 "탄소화합물이 불포화 결합, 홀 전자쌍, 빈 오비탈 등에 의하여 완전히 Conjugate ^[각주:1]된  평면 고리 모양으로 결합되었을 때, Conjugation에 의한 안정화 효과보다 더 큰 안정화 효과를 보이는 성질"을 뜻하는 단어입니다. 즉, Conjugation에 의한 안정화 효과가 평면 고리 모양으로 결합되어 있으면 크게 증폭된다는 의미입니다.

 

# Approach to Aromaticity

 

방향족성을 나타내는 분자들 중 간단한 구조를 가지고 있는 벤젠을 통해서 방향족성에 대해서 접근해봅시다.

 

Fig 1. Approach to Aromaticity

방향족성에 대해 알아보기 위해 벤젠의 골격이 되는 Cyclohexane에서부터 시작해봅시다. 먼저, Figure 1에서 가로축은 Cyclohexane의 Energy를 뜻합니다. Cyclohexene과 Cyclohexane의 차이점은 이중결합의 유무임을 확인 할 수 있고, 그에 따라서 생기는 Energy 차이는 120kJ/mol 입니다. 이중결합을 2개 포함하고 있는 1,4-cyclohexadiene의 경우에는 isolated diene ^[각주:2] 이기 때문에 120kJ/mol의 2배인 240 kJ/mol이 차이나게 됩니다.

Fig 2. 1,4-cyclohexadiene(Left) and 1,3-cyclohexadiene(Right)

하지만 1,3-cyclohexadiene의 경우는 1,4-cyclohexadiene과 다르게 Conjugation이 일어나기 때문에 예상된 ΔEnergy인 240 kJ/mol보다 8kJ/mol 낮은 232 kJ/mol만큼 차이나는 결과를 보여주게 됩니다. 이때 예상된 ΔEnergy와 측정된 ΔEnergy의 차이를 Resonance Energy ^[각주:3] 라고 말합니다. 즉,  특정 분자의 전자들이 Conjugated System을 통해서 Delocalization이 일어나 안정화되는 Energy의 값을 뜻합니다.

 

그렇다면 1,3-cyclohexadiene에서 이중결합이 하나 더 추가되서 만들어지는 Benzene을 살펴봅시다. 단순하게 Benzen의 ΔEnergy는 120kJ/mol의 3배인 360 kJ/mol 이여야 합니다. 하지만 측정된 ΔEnergy는 208kJ/mol으로 1,3-cyclohexadiene에서 확인 할 수 있었던 Conjugation에 의한 Resonance Energy를 고려해도 매우 낮은 값이 나오는 것을 볼 수 있습니다. 그 이유는 Benzene의 경우 Conjugated System이 평면 고리 모양으로 되어 있기 때문에 전자의 Delocalization이 더 효율적으로 일어날 수 있기 때문입니다. 이러한 비정상적인 안정화 효과를 우리는 "방향족성"이라고 부르는 것입니다.

 

# "Aromatic" Compound

 

Fig 2. August Wilhelm Hofmann

벤젠이 보여주는 비정상적인 안정화 효과를 방향족성이라고 부르게 된 이유는 1855년으로 거슬러 올라갑니다. 1855년 August Wilhelm Hofmann이 처음으로 벤젠과 벤젠 유도체들을 지칭하는 말로 방향족(Aromatic)이라는 말을 사용했는데, 이들은 순수한 포화탄화수소와 다르게 특별한 향기(Aromas)를 가지는 경우가 많기에 방향족이라는 단어가 등장하게 된 것입니다. 

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1. Conjugation :  https://d2illy.tistory.com/18 [본문으로]
2. Conjugation을 형성하지 않는 diene, 즉 이중결합이 2개 이상의 단일 결합으로 연결되어있는 diene [본문으로]
3. 또는 Delocalization Energy [본문으로]