Organic Chemistry, 유기 화학

 유기화학은 탄소 화합물에 대한 화학이다.
 
 잘못 지어진 이름인 "유기(有機, Organic)"는 어디서로부터 얻을 수 있는지에 따라 유기와 무기(無機, Inorganic)로 두 가지로 구분지었을 때부터 사용되었다. 무기 화합물은 무기물(mineral)로 부터 얻을 수 있었고 유기 화합물은 채소나 동물 성분으로부터, 즉 살아있는 유기체로부터 얻을 수 있었다. 1850년까지는 많은 화학자들은 유기화합물은 반드시 살아있는 유기체로부터 기원한다고 믿었고 결과적으로는 무기물로부터 합성이 불가능하다고 믿었다.

 유기화합물들은 다음과 같은 공통점이 있다. 유기화합물 모두 원소 탄소를 포함하고 있다. 살아있는 유기체로부터 얻어진것이 아니라 실험실에서 만들어졌다고 하더라도 유기 라는 이름을 쓰는데, 그런 화합물을 표현하는데 편리하기 때문이다. 오늘날에도 무기와 유기 화합물로 나누는 것은 계속 유지되고 있다.

 오늘 날, 비록 많은 탄소 화합물들이 식물과 동물을 재료로 쉽게 얻어진다 하더라도, 대부분은 합성된다. 탄산염(carbonate) 또는 시안화물(cyanide) 처럼 가끔 무기물질로부터 합성되는 것들도 있다. 하지만 대부분은 다른 유기 화합물로부터 얻어진다. 간단한 유기 화합물을 얻을 수 있는 두개의 커다란 유기 물질의 저수지가 있는데, 석유(petroleum)와 석탄(coal)이 그것이다. 간단한 화합물들은 더 크고 더 복잡한 화합물을 만들 때 쓰인다.

 우리는 석유와 석탄을 화석연료로 알고 있는데, 없어지면 수천년간 쓸 수 없고 재생 불가능하다. 화석연로, 특히 석유는 우리의 끊임없이 증가하는 에너지 수요를 충족시키기 위해서 놀라운 비율로 소비되고 있다. 오늘날 석유의 10% 이하는 화학물질을 만드는데 사용된다. 나머지 대부분의 석유는 에너지를 공급하기위해 간단하게 태워진다. 다행히도 에너지를 대신할 태양, 지열, 핵 에너지가 있다. 하지만 대체할 유기물질의 저수지은 어디서 찾아야할까? 당연하지만 결과적으로 우리는 화석 연료가 나왔던 곳으로 돌아가야할 것이다. 수천년의 기다림없이 생물량(바이오매스, biomass)을 사용할 것이다. 바이오매스는 적당히 사용한다면 재생가능하다. 이러는 동안에, 석유는 태우기에는 너무 비싸졌다고 사람들은 얘기한다.

 주기율표에 있는 백개가 넘는 원소의 화합물에서 분리할 정도로 탄소화합물이 중요한 이유는 무엇일까?  적어도 지금은 적당한 답변은 이것인것 같다 : 탄소 화합물은 매우 많이 있고, 그 분자들은 매우 크고 매우 복잡하다.

 탄소를 포함하는 화합물의 수는 탄소를 포함하지 않는 다른 화합물의 수에 비해 매우 많다. 그런 유기화합물들은 그룹지어 나눌 수 있고, 대체적으로 탄소를 대체할 무기 화합물은 없다.

수천가지 원자들이 포함된 유기분자를 알고 있다. 그리고 상대적으로 작은 분자의 원자의 배열조차도 매우 복잡할 수 있다. 유기 화학에서의 가장 주된 문제중 하나는 분자안에서 원자들의 배열이 어떻게 되어있는지를 알아내는 것이다.

 그런 복잡한 분자들을 부술 수 있는 부분 또는 자신을 새로운 분자로 재배열 시키는 많은 방법이 있다. 또 그런 분자에 원자를 첨가하거나 원래 있던 원자를 다른원자로 치환하는 방법도 여러가지가 있다. 대부분의 유기화학은 어떤 반응을 하는지, 어떻게 배열되는지, 그리고 어떻게 우리가 원하는 화합물로 합성할 수 있는지 알아내는데 헌신한다.

 무엇이 많은 화합물을 형성할 수 있게 탄소가 특별한것일까?  케쿨레(August Kekule)가 1854년 런던 버스를 타던중 나온 이 질문에 대한 답변을 보자.


 "어느 화창한 여름 어느날, 마지막 버스를 보고 돌아오는 길이였다. 보통때 같았으면 생기로 넘쳤지만 도시의 황량한 거리였다. 나는 몽상중이였다가, 깜짝 놀랐다! 원자들이 내 눈앞에서 통통 튀어다녔다..... 나는 자주 두개의 어떻게 작은 원자들이 짝을 이루는 지를 보았고, 어떻게 큰 원자 하나가 작은 두 개를 감싸안는지 보았고, 어떻게 커다란 것 하나가 작은 세개 또는 심지어 네개를 붙잡고 있는지도 보았고, 이상한 춤을 추며 돌고 있는 것을 보았다. 나는 어떻게 커다란 것 하나가 체인(chain)을 형성하는 지도 보았다. 나는 그날 밤 내가 꿈 꿨던 형성들을 종이에 적어도 스케치로라도 적고 있었다." - August Kekule, 1890

"One fine summer evening I was returning by the last bus, riding outside as usual, through the deserted streets of the city....I fell into a reverie, and lo, the atoms were gamboling before my eyes. Whenever, hitherto, these diminutive beings had appeared to me, they had always been in motion. Now, however, I saw how, frequently, two smaller atoms united to form a pair: how a larger one embraced the two smaller ones; how still larger ones kept hold of three or even four of the smaller: whilst the whole kept whirling in a giddy dance. I saw how the larger ones formed a chain, dragging the smaller ones after them but only at the ends of the chains....The cry of the conductor: "Clapham Road," awakened me from my dreaming; but I spent a part of the night in putting on paper at least sketches of these dream forms." - AUGUST KEKULÉ

 탄소 원자는 다른 원소의 원자가 불가능한 범위에서 다른 탄소 원자에 붙을 수 있다. 탄소 원자는
체인 또는 고리를 수천의 원자로 형성할 수도 있고, 가지를 뻗거나 교차해 연결될 수 있다. 탄소 원자는 다른 원자들과도 체인이나 고리를 형성 할 수도 있는데, 주로 수소이지만 플루오린(F), 염소(Cl), 브롬(브로민, Br), 요오드(아이오딘, I), 산소(O), 질소(N), 황(S), 인(P)등 과도 형성한다.

 각 원자의 서로 다른 배열은 서로 다른 화합물을 만들고, 각 화합물은 자신만의 화학적, 물리적 특성을 가지고 있다. 탄소 화합물이 오늘날 수만 개 이상 알려지고, 매년 수천가지의 새로운 화합물이 합성되는 것은 놀라운 일이 아니다. 그래서 유기화학이라는 특별한 분야로 연구를 하고 있는 것이다.

 유기화학은 기술에 매우 중요한 분야이다 : 유기화학은 염료, 약물, 종이, 잉크, 페인트, 플라스틱, 가솔린, 고무 타이어의 학문이다. 유기화학은 우리가 먹는 음식과 우리가 입는 옷의 화학이다.

 유기화학은 생물학과 약학의 기초이다. 물 이외에도, 살아있는 유기체들은 유기 화합물을 주로 만들어낸다.  분자생물학에서 나오는 분자들 또한 유기 분자들이다. 분자 수준의 생물학은 즉 유기화학이다.