방향족 화합물, Aromatic Compound

 화학자들은 모든 유기화합물을 크게 두 개로 나눈다. 하나는 지방족 화합물Aliphatic compound이고 다른 하나는 방향족 화합물Aromatic compound이다. 원래 aliphatic의 의미인 '지방fatty'과 aromatic의 의미인 'fragrant향기로운'은 이제 더이상 큰 의미를 가지지 않는다.

 지방족 화합물은 열린-사슬 화합물open chain compound이며 지방족 화합물의 고리 화합물cyclic compound도 성질은 열린-사슬 화합물과 비슷하다. 하지만 페닐기phenyl group(C₆H₅)의 성질은 지방족 화합물과는 상당히 다르다.

 Aromatic compound는 벤젠benzene과 화학적 행동이 벤젠과 유사한 화합물들을 말한다. 벤젠이 가지는 방향족 성질은 지방족 탄화수소의 성질과는 상당히 다르다. 벤젠 분자는 매우 특별한 고리ring형 분자이다. 그리고 다른 고리 화합물들은 구조는 벤젠과 다르게 보일 수 있지만 화학적 성질은 벤젠과 유사하다. 이 다른 고리 화합물들은 벤젠과 전자 배치electronic configuration 구조가 유사하며, 이들 역시 방향족 화합물이다.

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벤젠의 구조, Structure of Benzene

 방향족 화합물의 정의처럼 방향족 화합물을 알기 위해서는 먼저 벤젠benzene에서부터 시작해야한다. 벤젠은 1825년부터 알려지기 시작했고 화학적, 물리적 성질은 아마도 다른 유기화합물보다도 더 잘 알려져 있었다. 하지만 벤젠의 구조를 만족하게 설명을 하지 못했다. 벤젠 분자는 복잡하지 않았지만 구조를 설명하는 이론이 발전하지 않아서 한계가 있었다. 그러다가 유기화학자들이 벤젠 구조를 이해하는 순간 방향족 화합물의 연구가 급속도로 팽창했다.

 벤젠의 분자식은 C₆H₆이다. 원소 구성과 분자량을 통해 벤젠은 6개의 탄소와 6개의 수소로 이루어진 것이 밝혀졌다. 문제는 이들 분자가 어떻게 이루어졌는가이다. Bonn 대학의 케쿨레August Kekule는 1858년 탄소 원자는 서로서로 결합하여 사슬을 이룬다고 제안했지만, 1865년 벤젠 구조에 대한 문제의 답을 내놓았다. 탄소 사슬은 때때로 닫혀서 고리를 형성할 수 있다고. 

"교과서를 쓰며 앉았지만, 잘 써지지가 않았다. 내 생각이 딴 곳에 있었기 때문이다. 난로 쪽으로 의자를 돌렸고, 졸았다. 원자들이 내 눈 앞에서 뛰놀기 시작했다. 이 때 작은 그룹들은 배경에서 얌전하게 있었다. 내 마음의 눈은 다양한 배열의 구조를 분간할 수 있었다. 때때로 서로 가까이 있어 딱 맞기도 했다. 모든 원자가 꼬여서 뱀 처럼 행동하기 시작했다. 이게 무엇인가? 뱀 한마리가 스스로의 꼬리를 잡아먹었고, 내 눈 앞에서 비웃는듯이 회전하기 시작했다. 마치 순간 섬광이 비치는 것처럼 잠에서 깨어났다. 나는 그 날 밤을 가정의 결과를 이끌어내려고 노력했다. 꿈에서 배운 것이 진실을 가르칠 수 있다는 것을 알았다." - August Kekule, 1865

그 때까지 주장된 벤젠의 구조는 아래 그림과 같다.

위의 그림 모두 분자식은 C₆H₆이며 이들 중 1번 분자식은 Kekule가 제안했고, 2번 분자식은 Dewar가 제안했다. 이 중 케쿨레의 구조가 이성질체 수isomer number를 비롯한 다양한 것들을 가장 잘 만족할 수 있어서 받아들여졌다.

 수소 하나를 치환한 벤젠C₆H₅Y은 오직 한 화합물만을 생성한다. 수소 한 개를 브로민으로 치환했을 때 오직 한 개의 브로모벤젠C₆H₅Br가 얻어지며, 비슷하게 오직 한 개의 클로로벤젠C₆H₅Cl이 얻어지고, 한 개의 니트로벤젠C₆H₅NO₂이 얻어진다. 이러한 사실은 벤젠이 가능한 구조를 심각하게 한정시킨다. 각각의 수소는 모든 다른 수소와 같아야지만 한 개를 치환했을 때 오직 한 생성물만 얻어지기 때문이다. 그렇기 때문에 위의 그림 중에서 II, III과 V는 당연히 될 수 없는 구조가 된다. 이런 구조는 Br으로  수소 한개만 치환했을 때 서로 다른 화합물이 얻어지기 때문이다. 남는 구조는 I과 IV 뿐이다.

 하지만 수소 두 개를 치환한 벤젠C₆H₄Y₂나 C₆H₄YZ는 세 개의 이성질체가 얻어진다. 세 개의 디브로모벤젠C₆H₄Br₂이

 존재하며, 세개의 클로로니트로벤젠C₆H₅ClNO₂이 존재한다. 이러한 사실 역시 벤젠이 가질 수 있는 구조를 더 한정하여 IV는 되지 않는다. I 구조는 이 사실들을 만족시키는데, 여기 세 개의 브로모벤젠 구조가 있다. 

 하지만 I 구조를 정밀하게 따져보면, 두 개의 1,2-dibromobenzene 아래 그림처럼 이성질체가 존재할 수 있다. 두 개의 브로민이 이중결합을 두고 상대적으로 어디에 결합하느냐에 따라 다를 수 있기 때문이다.

 분자가 역동적이라고 표현했다. Kekule는 아래 그림과 같은 것을 제시했는데, 아래 두 구조가 아주 빠르게 바뀌어서 평형을 이루고, 분리할 수 없다고 제안했다. 

맞든 틀리든 "케쿨레 구조Kekule structur" 라는 용어는 단일 결합과 이중 결합이 번갈아 존재하는 분자를 의미하게 되었다.