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H NMR 스펙트럼은 보통 다음과 같은 방법으로 얻는다. 구조를 알고자 하는 시료를 H핵이 없는 비활성 용매에 녹인다. 용매로는 CCl4, CDCl3 등이 있다. 수소 원자를 중수소로 치환한 용매를 사용한다. 여기에 표준물질을 조금 가한다. 이 용액을 가느다란 유리관에 넣은 후 자장의 두 극 사이에 위치한 rf 코일의 중앙에 넣는다. 그러면 핵은 자장과 같은 방향과 반대방향으로 정렬한다.

rf코일을 통해 에너지를 연속적으로 증가시키면서 핵에 가해준다. 이렇게 가해진 에너지가 낮은 에너지 스핀 상태와 높은 에너지 스핀 상태 간의 에너지 차이와 일치하면, 핵은 에너지를 흡수한다. 핵이 에너지를 흡수하면 그 핵은 걸어준 진동수와 공명상태에 있다고 말하는데, 이런 이유로 핵자기공명이라고 하는 것이다. 시료가 흡수한 에너지와 외부에서 걸어준 rf 코일의 진동수 관계를 그래프로 나타낸 것이 NMR 스펙트럼이다.

수소 핵의 공명 진동수를 결정하는 방법은 두가지가 있다. 자기장의 세기와 두 핵 스핀 상태 간의 에너지 차이는 비례하므로 자기장의 세기나 rf, 두 가지 모두를 변화시켜 조절할 수 있다. 초기의 NMR 분광기는 일정한 rf를 가하면서 외부 자기장의 세기를 변화시키면서 다른 환경에 있는 수소 핵이 다른 자기장의 세기에서 공명이 일어나게 했다. 

피셔 에스타화 반응의 메커니즘에서 다음과 같은 의문점이 들 수 있다. 물은 카복실기의 하이드록시기와 알코올의 수소 원자에서 생성되는가? 또는 산의 수소와 알코올의 하이드록시기에서 생성되는가? 이 질문은 사소한 것 같지만 그 답은 산, 에스터, 그리고 그 유도체의 화학반응을 이해하는 열쇠를 제공한다.

이 질문은 동위원소를 이용하여 해결되었다. 즉, 벤조산과 산소18로 대치된 메탄올의 피셔 에스터화 반응에서 산소를 포함한 메틸 벤조에이트가 얻어졌다. 물에서는 산소18가 발견되지 않았다. 그러므로 물은 산의 하이드록시기와 알코올의 수소로부터 생성된다는 것은 분명하다. 다시 말해서 피셔 에스터화 반응은 산의 OH기를 알코올의 OR기가 치환하는 반응이다.

실험결과와 일치하는 메커니즘은 다음과 같다. 실제보다 더 복잡해 보이는 이 메커니즘은 다음과 같다.

1. 산의 카보닐기에 양성자가 첨가되는 반응은 가역적이다. 이 단계는 산 촉매의 역할을 설명해준다. 양성자 첨가반응으로 카복실 탄소의 양전하를 증가시켜 친핵체의 공격을 쉽게 받는다.

2. 이는 중요한 단계이다. 알코올은 친핵체로서 양성자화된 산의 카보닐 탄소를 공격한다. 이것은 새로운 탄소, 산소 결합이 생성되는 단계이다.

3,4. 이 단계는 산소가 양성자를 얻거나 잃는 반응의 평형상태이다. 이러한 산, 염기 평형은 산소를 포함하는 화합물의 산성 용액에서는 가역적이고 빠르며 일정하게 진행된다. 

카보닐 화합물의 a 수소는 보통 탄소에 결합된 수소보다 더 강한 산성을 띤다. 카보닐기 옆에 있는 메틸기의 양성자 산성도는 10의 30승 배 정도 증가한다. 실제로 이들은 알코올의 산소, 수소 양성자와 거의 같은 산성을 나타낸다. 그 이유는 무엇일까?

그 이유는 두가지인데, 첫째는 카보닐 탄소가 부분적으로 양전하를 띠고 있기 때문이다. 결합에 참여한 전자들은 알파 수소에서는 멀리, 카보닐 탄소쪽에 위치해 있다. 따라서 염기가 알파 수소를 양성자로 제거하기가 쉽다. 둘째는 염기에 의해서 양성자를 잃고 형성된 음이온은 공명 안정화되어 있다. 이 음이온은 엔올레이트 음이온이라고 한다. 여기서 음전하는 알파 탄소와 카보닐 산소 원자 사이에 분산되어 있다.

알데하이드나 케톤의 엔올 형은 농도는 매우 낮지만 그 존재를 실험적으로 증명할 수 있다. 예를 들어 카보닐 화합물을 중수소결합을 가지고 있는 D2O나 CH3OD와 같은 용매에 녹이면 알파수소는 중수소로 치환된다. 이 교환반응은 산 또는 염기 촉매 하에서 잘 일어난다. 

염기는 알파 수소를 떼어 내고 엔올레이트 음이온을 생성한다. CH3OD에 의해 중수소가 알파 수소 자리에 들어가는데 CH3OD가 과량으로 존재하면 알파 수소 4개가 모두 중수소로 바뀐다. 산 촉매에 의한 알파 수소 교환반응도 여러 단계를 거쳐 일어난다. 첫 단계에서 케토 형은 양성자화되고, 두 번째 단계에서 알파 수소를 잃고 엔올 형으로 된다.

분자 카이랄성의 개념은 논리적으로는 탄소의 정사면체 구조에서 온 것이다. 그러나 이 개념은 역사적으로는 반대 순서로 발전되었다. 어떻게 이러한 일이 일어났는가는 과학의 역사에서 논리적으로 정연하게 설명된다. 이 이야기는 편광이 발견되고 이것이 분자에 끼치는 영향을 연구하기 시작한 18세기 초로 거슬러 올라간다. 광선은 일반적으로 그 진행방향에 수직인 모든 평면으로 진동하는 파동으로 이루어진다.

그러나 이 광선이 어떤 형태의 물질을 통과하면 투과된 광선은 모두 같은 방향으로 진동하게 된다. 이러한 광선을 평면편광이라고 한다. 보통의 빛을 편광으로 만드는 간편한 방법은 빛을 니콜 프리즘이라는 장치로 통과시키는 것이다. 보다 최근에 개발된 물질로는 랜드가 발명한 폴라로이드가 있다. 이것은 투명한 플라스틱 속에 결정성 유기화합물을 적절한 배열로 박아 넣은 것이다.

예를 들면 선글라스는 종종 이 폴라로이드로 만들기도 한다. 그림에 편광계의 구조를 개략적으로 나타내었다. 작동원리는 다음과 같다. 시료관이 비어 있는 상태에서 광원을 켠 다음 분석 프리즘을 회전시켜 편광 프리즘이 만들어낸 편광을 완전히 차단함으로써 관찰하는 곳이 어두워지도록 한다. 이 때 편광 프리즘과 분석 프리즘의 축은 서로 수직이다. 이제 시료를 시료관에 넣는다.

만일 그 물질이 광학 비활성이면 아무런 변화도 일어나지 않는다. 관찰되는 곳은 어두운 채로 그대로 있다. 그러나 광학 활성인 물질을 시료관에 넣으면 이것이 평면 편광을 회전시켜 약간의 빛이 분석기를 통과하여 관찰자에게 도달한다.

생성물인 설폰산은 강한 유기산이다. 또한 높은 온도에서 염기와 반응하여 페놀로 전환될 수 있다. 방향족 화합물의 알킬화반응은 이 반응을 1877년 처음 발견한 찰스 프라이델과 제임스 메이슨 크래프츠의 이름을 따서 프라이델-크래프츠 반응이라 부른다. 친전자체는 탄소 양이온인데 이는 알킬 할로젠화물과 루이스 산 촉매의 반응에서 할로젠 음이온이 제거되면서 생기거나 알켄에 양성자를 첨가할 때 생성되기도 한다.

프라이델, 크래프츠 알킬화반응에는 몇가지 한계가 있는데, 방향족 고리에 이미 나이트로기 혹은 설폰산기가 존재하면 반응이 진행되지 않는다. 그 이유는 이들이 알루미늄 클로라이드 촉매와 반응하여 촉매의 기능을 빼앗기 때문이다. 프라이델 크래프츠 아실화반응도 알킬화 반응과 유사하게 진행된다. 친전자체는 산유도체로부터 생기는 아실 양이온이다. 이 반응은 방향족 케톤을 만드는 유용한 방법이다.

비타민 E집단에는 구조적으로 비슷한 8가지의 분자들, 즉 4개의 토코페롤이성질체와 4개의 토코트라이엔올이성질체가 있다. 상품 진열대에서 구매하는 비타민 E는 보통 TCP이다. 8개의 TCP와 TCT 화합물은 방향족 크로마놀 고리를 포함하고 있으며 메틸기는 다른 위치에 있다. TCT와 TCP는 아이소프레노이드 사슬을 갖고 있는데, TCT는 3개의 이중결합을 갖고 있는 반면 TCP는 포화 알킬 사슬을 가진다.

삼중결합을 하고 있는 탄소 원자는 두 개의 원자에만 연결되어 있고, 그 결합각은 180도이다. 따라서 아세틸렌은 그림에서 보는 바와 같이 선형구조를 하게 된다. 탄소, 탄소 삼중결합거리는 1.2 옹스트롬으로서 이중결합 혹은 단일결합보다는 상당히 짧다. 이는 두 탄소 사이의 세 전자쌍이 두 쌍보다는 더 가깝게 그들을 잡아당기기 때문일 것이다.

이 선형구조 때문에 알카인에서는 시스 트랜스 이성질 현상이 나타나지 않는다. 아세틸렌의 탄소 원자 두 개의 다른 원자에 연결된다. 따라서 2s 궤도함수와 하나의 2p 궤도함수를 혼성하여 두개의 sp 혼성 궤도 함수를 만든다. 이 궤도함수는 탄소 원자로부터 서로 반대방향으로 뻗어 있다. 

두 혼성 궤도 함수 사이의 각도는 전자 반발력을 최소화 하기 위해 180도가 된다. 두 개의 sp 혼성 궤도함수 각각에 원자가 전자 하나씩 배치되고 나머지 원자가 전자는 sp 혼성 궤도함수와 수직인 p 궤도 함수 두개에 나뉘어 배치되는데 이들 p 궤도함수 두개 역시 서로 수직관계에 있다.

두 sp 혼성탄소로부터 삼중결합이 형성되는 것을 알수 있다. 끝과 끝이 연결된 형식으로 두 sp 궤도함수가 연결되어 두 탄소 사이에 시그마 결합을 형성하고 적절히 배열된 p 궤도함수는 옆으로 겹쳐 파이결합 두개를 형성한다. 이 모형이 아세틸렌의 선형구조를 잘 설명하여 준다.

알켄에서와 마찬가지로, 알카인의 파이 전자는 친 전자체의 공격을 받는다. 따라서 알켄에서 일어난 많은 첨가반응은 보통 더 느리지만 알카인에서도 일어난다. 예를 들면 브롬이 있다.

좀 간단히 하기 위해 고리의 주름을 무시하고 평면인 것 처럼 그리도록 하자. 두 메틸기는 고리평면의 같은 쪽 혹은 반대쪽에 있을 수 있다. 이 때 두 메틸기는 서로 시스, 혹은 트랜스라고 말한다. 시스, 트랜스 이성질체는 단지 원자나 그 집단이 공간상에서 위치하는 방법이 서로 다를 뿐이다. 그러나 이 차이가 물리적, 화학적 성질을 다르게 하기에 충분하다.

시스, 트랜스 이성질체는 서로 다른 별개의 화합물이다. 이형태체와는 달리 탄소, 탄소결합을 중심으로 회전함으로써 서로 같아지지 않는다. 위의 예에서는 고리 구조가 바로 고리결합의 회전을 막는다. 1,2다이메틸사이클로펜테인의 두 구조를 상호변환시키기 위해서는 결합을 끊고 회전시킨 다음 다시 고리로 연결해야만 한다.

시스,트랜스 이성질체는 서로 분리될 수 있고 상온에서 서로 상호변환되지 않으며 그대로 분리된 채로 유지된다. 시스 트랜스 이성질 현상은 분자의 생물학적 성질을 결정하는데 매우 중요할 수 있다. 예를 들어 두 반응집단이 서로 시스인 분자는 트랜스인 분자와 서로 다르게 효소나 생물학적 수용체와 반응할 것이다.

표를 보면 알케인에는 구조이성질체가 75가지 있다는 것을 알 수 있다. 탄소 수가 두 배인 C20H42에는 얼마나 많은 이성질체가 가능하리라 생각하는가? 답은 366,319개이다. 다시 탄소 수를 두배 하면 즉, C40H82의 이성질체 수는 엄청 늘어나게 된다.

탄소의 정사면체 구조는 유기화학에서 중요한 역할을 하기 때문에 이 구조의 특징에 대해 익숙해져야 한다. 우선 이 구조에서 중앙과 정사면체 꼭지점 2개가 이루는 평면은 중앙과 다른 꼭지점 2개가 이루는 평면과 수직관계가 된다는 것에 주목하자. 예를 들어 메테인에서 탄소와 2개의 수소가 이루는 평면은 탄소와 다른 2개의 수소가 이루는 평면을 수직으로 자르게 된다.

자주 사용되는 또다른 3D표기법에는 공과 막대 모형과 공간채움 모형이 있다. 공과 막대 모형은 원자를 연결하는 결합에 중점을 두는 반면, 공간채움 모형은 원자가 차지하는 공간에 중점을 둔다. 정전기 퍼탠셜 지도라고 하는 또다른 3D표기법은 분자 내 전자의 분포를 나타내는데 사용된다. 

단일 공유결합과 그 구조에 대해 살펴보았으므로 이제 다음 장에서 포화 탄화수소의 구조와 화학에 대해 공부할 준비가 되었다. 그러나 그 전에 유기화학 공부를 하는데 이 책의 내용이 앞으로 어떻게 진행될 것인지 간략히 살펴보기로 했다.

탄소 원자는 같은 것끼리 혹은 다른 것끼리 서로 다른 방법으로 다양하게 연결되므로 가능한 유기화합물의 수는 실로 헤아릴 수 없이 많다. 이제까지 수백만의 유기화합물이 발견되었으며 그 숫자는 계속 증가하고 있다. 이렇게 광대한 주제를 어떻게 체계적으로 공부할 수 있을까? 

다행히도 유기화합물은 그 구조에 따라 상대적으로 작은 수의 소그룹으로 분류될 수 있다. 구조는 분자골격에 따라 혹은 그 골격에 연결된 그룹에 따라 분류될 수 있다.

우리의 기후는 매우 현저하게 변화하고 있다. 중년의 기억에 비춰보더라도 더위와 추위는 훨씬 누그러지고 있다. 강설횟수가 줄어들 뿐 아니라 적설량 또한 감소하고 있다. 눈이 내려도 하루 이틀 또는 사흘이면 녹아버리고 1주일 가는 경우는 매우 드물다. 예전에는 눈이 자주 왔고, 왔다하면 깊이 쌓일 정도로 내려 오래 남아 있었다. 옛어른들이 전하는 바에 따르면 매년 3개월 정도는 지구가 눈에 덮여 있었다 한다.

그러나 겨울이면 으레 얼어붙었던 강들이 지금은 웬만해서는 잘 얼지 않는다. 이와 같은 기후변화는 봄철 기온의 불안정한 변화를 초래해 과일에 치명적 영향을 주고 있다. 몬티첼로 인근지역에서는 과일이 서리 피해를 입는 일이 28년 동안 한번도 없었다. 예전에는 겨울동안 쌓인 눈이 봄철에 일시에 녹아 강을 넘쳐나게 하는 일이 잦았다. 그러나 지금은 그런 일이 드물다.

과거에 기후가 변화했다는 증거는 얼마든지 있으나 앞으로 기후가 계속 변하지 않을 것이라는 증거는 없다. 도시환경이 확대될수록 그 기후는 도시 주변의 다른 지역 기후와 차이를 보이고 있다. 때로는 그 차이가 현저하게 나타난다. 여름밤의 도시기온이 교외의 시골보다 높은 경우가 있다. 또 때로는 유황성분이 많은 연무층으로 도시의 기후에 미세한 변화가 일어나기도 한다.

증권의 가격은 기업가치와 직결이 된다. 투자자들의 입장에서 기업가치는 투자성과를 결정하는 핵심적인 사항이다. 그러므로 우리는 증권들의 가치로 표현되는 기업가치가 어떻게 결정되는지를 이해해야 할 필요가 있는 것이다. 기업의 목적은 주주들의 부를 증대시키는 것인데, 주주들의 부는 주주들이 보유하고 있는 증권들의 가치와 직결되는 것이다.

자산이 가치를 갖기 위해서는 두 가지의 특성을 보유하여야 한다. 그것들은 바로 편익의 제공과 비용의 지불이다. 그러므로 가격결정의 개념은 모든 자산의 소유로부터 기대되는 편익의 가치를 평가하는 것으로서 상대적으로 단순한 과정이다. 

재화와 용역은 그것이 어떤 편익을 제공하거나 제공할 가능성이 있을 경우에만 가치를 갖는다. 예를 들어 길거리에 떨어진 휴지조각은 실질적으로 경제적 가치를 갖지 못한다. 그러나 종이조각이라고 하더라도 그것이 고문서로서의 가치를 갖는 것이라면 경제적 가치를 가질 수 있다. 왜냐하면 그것은 소유자에게 경제적 편익을 제공할 가능성이 있기 때문이다. 결국 재화와 용역이 편익을 가져다 주는 것이라면 그것이 어떻게 사용되었는지에 상관없이 경제적 가치를 갖는 것이다.

그러나 편익을 제공한다고 해서 모두 가치를 갖는 것은 아니다. 극단적인 예를 들면 공기는 편익을 제공하는 것이기는 하지만 경제적 가치가 있는 것으로 인정되지는 않는다. 편익을 제공한다고 해서 무조건 가치가 있는 것은 아니고 그것을 얻기 위하여 어떤 대가를 지불하는 경우에 가치는 존재하는 것이다.