분자구조식 읽고 그리는 방법 설명 + 프로그램 소개

The simplest things are often the truest. — Richard Bach (Author of “Jonathan Livingstone Seagull”)

가장 단순한 것이 때로는 가장 진실에 가깝다. — 리차드 바흐 (“갈매기 조나단” 저자)

EDTA 구조식 - 출처: Wikipedia

화학에서 분자식을 쓰는 방법은 여러가지가 있다. 가장 기본적으로 한 분자 속에 들어있는 원자들의 개수를 전부 종합해서 어떤 원자들이 어떤 비율로 들어있는지만 알 수 있게 쓸 수가 있다. 예를 들어 에탄올이라면, 한 분자 안에 탄소 2개, 수소 6개, 산소 1개가 들어있으므로, C₂H₆O라고 쓰면 된다. 하지만 똑같은 비율의 원자가 조합되더라도 어떤 원자가 어디에 붙느냐에 따라서 분자의 성격은 판이하게 달라진다. 따라서 이렇게 쓰면 산소가 어디에 붙어있는지, 전반적인 물질의 성격이 어떨지 짐작하기가 어렵다. 따라서 C2H5OH와 같이 특징적인 -OH 부분을 따로 표시하기도 한다. 하지만 이 방법도 분자가 복잡해지면 직관적으로 이해하기 어렵기는 마찬가지다. 이번에 EDTA를 생각해 보자. [CH₂N(CH₂CO₂H)₂]₂도 EDTA를 나타내는 식이고, 화학에 대한 배경지식이 있으면 어떻게 생겼을지 대강 상상할 수 있긴 하다. 하지만 역시 이렇게 알파벳의 나열을 보는 것과 그림으로 각 원자들이 어떻게 연결되어 있는지 보는 것은 분명 차이가 있다.

공사 중인 건물 - 출처: gaia-pro.co.jp

분자 구조식이라고 하면 흔히 위의 그림과 같이 꺾어진 선들이 복잡하게 나열되어 있는 그림을 말한다. 다양한 화학식은 같은 분자를 서로 다른 맥락에서 보다 쉽게 이해하기 위해서 사용된다. 건물을 짓는 것에 비유해보자. 어떤 건물이든 그것을 짓기 위해서 필요한 자재를 일일이 나열하는 방식으로 표현할 수 있다. “이 건물을 짓는데는 벽돌 30,000장, 시멘트 1,000포대, 물 50,000리터, 철근 1,000개가 필요하다”와 같이 말이다. 한편, 건물을 보다 세부적인 구성요소의 종류로 표현할 수도 있을 것이다. “시멘트와 물을 1:3 비율로 섞은 것이 5톤, 그리고 이것과 철근이 m:n 비율로 결합된 기둥이 100개가 필요하다”는 식이다. 마지막으로, 건물의 전체 설계도가 필요할 때도 있다. 벽돌이 각각 시멘트와 어디서 어떻게 붙어 있는지, 철근과 콘크리트는 건물 전체의 어디에 위치해 있는지를 알고 싶을 때가 있는 것이다.

EDTA 구조식으로 보는 화학 구조식

그러면 분자 구조식을 어떻게 읽는지 방법을 간단히 알아보자. 보통 구조식은 유기 화합물을 나타내는데 주로 사용된다. 유기 화합물이란 “탄소”를 주요 뼈대로 이루어진 화합물을 말한다. 우리 몸이나 생물체의 경우 탄소가 기본 골격을 이루고 있다고 보면 된다. 탄소가 주요 구성 요소이기 때문에 구조식을 그릴 때도 탄소를 의미하는 “C”를 매우 반복해서 쓰는 것은 귀찮은 일이 된다. 보통 구조식에서 별다른 표시 없이 꺾인 꼭지점은 탄소가 있는 부분이라고 생각하면 된다. 탄소가 아닌 다른 원자가 있는 위치에는 그 원자의 원소기호를 써주게 된다. 꼭지점이 원자들을 나타낸다면, 선들은 원자들 사이의 결합을 나타낸다. 탄소의 경우 팔이 네 개 달려 있고, 질소는 세 개, 산소는 두 개 달려 있다. 이 팔들이 서로 이어진 것을 선분으로 표현한 것이다. 경우에 따라서 이중, 삼중 결합을 하기도 하는데 이럴 때는 선을 겹쳐서 그려주게 된다.

하지만, 탄소는 팔이 네 개 달려 있다고 했는데 위의 구조식에서 보면 탄소끼리 연결된 부분들 중에 팔이 두 개 밖에 사용되지 않은 탄소들이 많이 보인다. 각 원자들은 자기에게 할당된 팔은 모두 사용해야 한다. 그러면 무엇이 잘못된 것일까? 유기 화합물에서 탄소가 주요 골격을 이루고 있다면, 가장 많은 원자는 수소일 것이다. 탄소는 주요 골격이라서 생략할 수는 없지만 “C”를 쓰기 귀찮아서 꺾은 선으로만 표시했다면, 수소는 너무 많은데, 다들 곁다리로만 붙어 있어서 아예 생략해 버린다. 수소는 팔이 하나만 달려 있기 때문에 탄소나 다른 원자들 중에 팔이 남는 것이 있다면 모두 수소가 붙어있다고 보면 된다. 보통 탄소가 이중결합이 아닌 단일결합으로 쭉 이어져 있다면, 양 끝의 탄소들을 제외한 중간에 있는 탄소들은 두 손은 다른 탄소와 잡고 있고 나머지 두 손은 수소(H)와 잡고 있다는 것이다.

비타민 A와 DNA의 Adenine의 구조식

요즘은 정말 컴퓨터의 시대라고 해도 좋을 정도로 대부분의 문서가 컴퓨터로 작성된다. 글자 뿐만 아니라 수식도 컴퓨터로 표현하는 것이 크게 어렵지 않은 시대다. 이런 시대에 분자 구조식만 손으로 그릴 수는 없는 노릇이고, 당연히 분자 구조식을 손쉽게 그려주는 프로그램들도 나와있다. ACD라는 곳에서 만든 ChemSketch는 무료로 사용 가능한 구조식 그리기 프로그램이다. 분자 구조식을 그리면 3D로 돌려볼 수 있는 기능도 제공한다. 우리가 말로만 들었던 비타민A, B, C, D 등 다양한 분자의 구조식도 템플릿으로 제공하기 때문에 평소에 이름만 들었던 화합물의 구조식을 이리저리 만져보고 3D로도 구경할 수 있다. 프로그램은 여기에서 이름, 메일 주소 등을 입력한 후에 다운로드 받을 수 있다. 마지막으로 이 프로그램을 사용해서 주변 생활에서 흔히 볼 수 있는 화합물들의 구조식을 몇 가지 그려보았다.