합성 유기 고분자와 천연 유기 고분자

고분자의 정의: 고분자(Polymer)는 반복되는 작은 분자 단위인 단위체(Monomer)의 연결로 이루어진 분자량이 수천에서 수백만 그램에 달하는 매우 거대한 분자(거대 분자, Macromolecule)이다.

고분자의 특이성: 고분자 용액은 매우 높은 점성도를 가지며, 삼투압이 낮고, 어는점 내림이 무시할 수 있을 정도로 작다는 등의 일반적인 작은 분자와는 매우 다른 물리적 성질을 나타낸다.

고분자 화학의 역사적 발전: 초기에는 고무와 같은 물질을 작은 분자들이 분자 간 힘으로 뭉친 응집체(Aggregate)로 잘못 인식했었다. 하지만 헤르만 슈타우딩거에 의해 이 응집체가 실제로는 수천 개의 원자가 공유 결합으로 연결된 거대한 분자라는 사실이 밝혀졌으며, 이는 현대 고분자 제조의 기반이 되었다.

고분자의 분류:

• 천연 고분자: 생명 활동의 근간을 이루는 물질로, 단백질, 핵산(DNA, RNA), 셀룰로스(다당류), 천연 고무 등이 여기에 속한다.

• 합성 고분자: 기술 사회에 필수적으로 사용되는 물질로, 나일론, 다크론, 폴리에틸렌과 같은 대부분의 유기 화합물 고분자이다.

메커니즘: 이중 결합 (C=C)이나 삼중 결합 (C\equiv C)을 가진 불포화 화합물이 단일 결합으로 바뀌면서 연속적으로 연결되는 반응이다. 중합 과정에서 부산물로 작은 분자가 제거되지 않는다.

라디칼 중합 메커니즘 (예: 폴리에틸렌):

1. 개시 (Initiation): 개시제가 가열되어 반응성이 매우 높은 라디칼(R\cdot)을 생성한다.

2. 전파 (Propagation): 생성된 라디칼이 단위체(예: 에틸렌)와 반응하여 새로운 라디칼을 생성하고, 이 반응이 반복되면서 고분자 사슬이 길게 성장한다.

3. 종결 (Termination): 두 개의 성장 중인 긴 사슬형 라디칼이 만나 공유 결합을 형성함으로써 고분자 생성이 종료된다.

예시:

출발 단위체가 비대칭 탄소를 포함할 경우, 생성되는 고분자는 복잡한 기하 이성질체를 가질 수 있으며, 이에 따라 물성이 크게 달라진다.

• 동일배열 (Isotactic): 비대칭 탄소에 붙은 작용기(R기)가 모두 고분자 사슬의 같은 쪽으로 배열된 구조이다. 녹는점이 가장 높고 결정성이 크며 기계적 물성이 가장 우수하다.

교대배열 (Syndiotactic): R기가 오른쪽과 왼쪽으로 교대로 배열된 구조이다.

혼성배열 (Atactic): R기가 무질서하게 배열된 구조이다. 무정형이고 비교적 약하며, 고무와 유사한 성질을 보인다.

나타-치글러 촉매 (Natta-Ziegler Catalyst): 트라이에틸알루미늄(Al(C_{2}H_{5})_{3})과 삼염화 타이타늄(TiCl_{3}) 같은 촉매를 사용하면 특정 입체 이성질체(동일배열 또는 교대배열)만을 선택적으로 합성할 수 있게 되었다.

천연 고무: 아이소프렌 단위체의 첨가 중합으로 생성된 폴리-cis-아이소프렌이다. 유일하게 자연에 존재하는 탄화수소고분자이다.

탄성: 고무 분자의 긴 사슬형 구조가 유연성을 가지기 때문에 10배까지 늘어났다가도 원래 상태로 돌아가는 탄성을 나타낸다.

가황 (Vulcanization): 찰스 굿이어가 발견한 과정으로, 천연 고무에 황을 첨가하여 고분자 사슬 사이에 가교 결합(Cross-linking)을 형성하는 것이다. 이 가교는 사슬들이 미끄러지는 것을 막아 고무의 탄성을 유지하고 실용적인 물성을 부여한다.

메커니즘: 두 개의 단위체 분자가 반응하여 고분자를 생성할 때, 물(H_2O)과 같은 작은 분자가 부산물로 제거되면서 결합이 형성되는 반응이다.

예시:

• 나일론 66: 헥사메틸렌다이아민과 아디프산이 축합 반응하여 생성된다.

• 다크론 (폴리에스터): 테레프탈산과 1,2-에틸렌글라이콜의 축합 반응으로 제조되며, 섬유, 필름, 플라스틱 병 등에 폭넓게 사용된다.

동종중합체 (Homopolymer): 한 가지 종류의 단위체로만 구성된 고분자이다. (예: 폴리에틸렌, 테플론).

공중합체 (Copolymer): 두 개 이상의 다른 종류의 단위체가 포함된 중합체이다. (예: 스타이렌-뷰타다이엔 고무(SBR)).

단백질의 기능: 생화학 반응의 촉매인 효소 역할, 물질 수송 및 저장, 근육 운동, 기계적 지지, 질병 방어 등 생명 유지에 필수적인 광범위한 기능을 수행하는 천연 고분자이다.

아미노산 (Amino Acids): 단백질의 기본 구성 단위이다. 적어도 하나의 아미노 기 (-\text{NH}_2)와 하나의 카복실 기 (-\text{COOH})를 포함하는 화합물이다.

• 인체 내 모든 단백질을 구성하는 아미노산은 20종이 있다.

• 중성 pH 용액에서 아미노산은 양성자 이동으로 인해 쌍극자 이온(Dipolar Ion) 형태로 존재한다.

펩타이드 결합 (Peptide Bond): 한 아미노산의 카복실 기와 다른 아미노산의 아미노 기 사이의 축합 반응을 통해 형성되는 -\text{CO}-\text{NH}- 형태의 아마이드 결합이다.

폴리펩타이드 (Polypeptide): 아미노산이 펩타이드 결합으로 길게 연결된 고분자이다. 단백질은 일반적으로 100개 이상의 아미노산 잔기(Residue)를 포함한다.

1차 구조 (Primary Structure): 폴리펩타이드 사슬을 구성하는 특정 아미노산의 서열(sequence)을 나타낸다.

2차 구조 (Secondary Structure): 폴리펩타이드 골격의 \text{CO} 기와 \text{NH} 기 간의 정규적인 수소 결합에 의해 안정화되는 국소적인 모양이다.

• \alpha-나선 구조 (\alpha-Helix): 골격 내의 분자내 수소 결합에 의해 안정화되는 나선형 구조이다.

• \beta-병풍 구조 (\beta-Pleated Sheet): 여러 폴리펩타이드 사슬이나 한 사슬의 펼쳐진 부분이 이웃한 사슬(또는 부분)과 분자간 수소 결합을 하여 안정화되는 접힌 종이와 같은 구조이다.

3차 구조 (Tertiary Structure): 2차 구조를 포함하여 분자 내 분산력, 수소 결합, 이온 간 힘 등 다양한 분자간 힘에 의해 안정화되는 폴리펩타이드 사슬의 최종적인 3차원적 모양이다. 이는 멀리 떨어진 아미노산 잔기간의 상호작용을 포함한다.

4차 구조 (Quaternary Structure): 둘 이상의 폴리펩타이드 사슬(소단위체, Subunit)로 구성된 단백질에서, 사슬 사이의 상호작용을 포함한 전체적인 배열을 나타낸다. (예: 헤모글로빈은 네 개의 소단위체로 구성된다).

변성 (Denaturation): 열, 산/염기, 특정 변성제 등으로 인해 단백질의 2차, 3차, 4차 구조의 일부 또는 전부가 파괴되는 현상이다.

변성 단백질: 정상적인 생물학적 활성을 상실하게 된다. (예: 달걀을 삶을 때 흰자 단백질이 변성된다).

가역 변성 (Reversible Denaturation): 온화한 조건에서 변성된 단백질은 조건이 정상으로 복귀될 경우 원래 구조로 재생될 수도 있다.

핵산의 기능: 단백질 합성에 대한 유전적 지시를 전달하고 제어하는 몰질량이 큰 고분자이다.

종류:

• 데옥시라이보핵산 (DNA, Deoxyribonucleic Acid): 모든 유전 정보를 전달한다. 알려진 가장 큰 분자 중 하나이다.

• 라이보핵산 (RNA, Ribonucleic Acid): 단백질 합성을 제어한다.

뉴클레오타이드 (Nucleotide): 핵산의 기본 반복 단위이며, 염기(Base), 당(Sugar), 인산 기(Phosphate Group)의 세 가지 성분으로 구성된다.

차가프 규칙 (Chargaff's Rule): DNA 분자의 염기 조성에 대한 규칙성이다.

• 아데닌(A)의 양은 타이민(T)의 양과 같다 (A=T).

• 사이토신(C)의 양은 구아닌(G)의 양과 같다 (C=G).

• 퓨린 염기 총량은 피리미딘 염기 총량과 같다 (A+G=C+T).

이중 나선 모델: 1953년 왓슨과 크릭이 제안한 DNA 구조이다. DNA는 두 개의 나선형 폴리뉴클레오타이드 가닥으로 이루어져 있다.

염기쌍 (Base Pairing): 두 가닥은 염기들 사이의 수소 결합에 의해 결합된다.

• A와 T, 그리고 C와 G가 특정적으로 쌍을 이룬다.

• 이 염기쌍의 특이성은 차가프 규칙을 만족시키며, 쌍극자-쌍극자 상호작용 및 반 데르 발스 힘과 함께 이중 나선 구조를 안정화시킨다.

단일 가닥: RNA는 일반적으로 한 가닥의 폴리뉴클레오타이드로 존재한다.

염기 조성: RNA의 염기 성분 비율은 차가프 규칙을 따르지 않는다.

주요 형태: 전령 RNA(mRNA), 라이보솜 RNA(rRNA), 전달 RNA(tRNA)의 세 가지 주요 형태가 있으며, 각각 다른 몰질량과 생물학적 기능을 가진다.