본문내용
1. 실험 개요
1.1. 실험목적
본 실험의 목적은 컴퓨터 분자 모델링을 이용하여 분자 구조를 분석하고, 분자 모델링 프로그램인 ChemDraw의 사용법을 익히는 것이다. 또한 계산화학이란 무엇이며 어떤 과정을 거쳐 진행되는지 이해하는 것을 목표로 하며, 가장 간단한 과제들에 대한 실습을 통해 달성하고자 한다.""
1.2. 이론적 배경
1.2.1. 분자 구조의 최적화
화학 및 계산화학에서 분자 구조의 최적화는 매우 중요한 과정이다. 분자 구조의 최적화는 안정한 분자 구조를 찾아내는 과정으로, 이를 통해 분자의 에너지, 결합 길이, 결합 각도 등 다양한 분자 특성을 예측할 수 있다. 이러한 분자 최적화 과정은 크게 두 가지 핵심적인 요소로 구성된다.
첫째, 바탕 함수 집합(Basis set)의 선택이다. 계산화학에서는 전자의 파동함수에 대한 연구를 진행하는데, 이를 위해 슈뢰딩거 방정식을 풀어 전자 밀도 E(r)을 계산하는 과정을 거친다. 그러나 직접적으로 미분 방정식인 슈뢰딩거 방정식을 풀기는 어렵기 때문에, 이를 행렬로 변환하여 수치적으로 계산한다. 이때 파동함수를 다른 함수들의 선형 조합으로 표현하는데, 이 함수들을 바탕 함수(basis function)라고 하며 이들의 집합을 바탕 함수 집합(Basis set)이라고 한다. 대부분의 바탕 함수는 원자 궤도 함수와 유사하며, 이번 실험에서 사용한 basis set은 6-31G**라고 불린다. 이는 함수의 모양과 개수를 나타내는 기호이다.
둘째, 자체일관성 장 궤도함수 근사법(SCF, Self-Consistent Field)의 활용이다. Hartree가 개발한 이 방법은 화학 분야에 널리 사용되는데, 각 전자가 핵에 의한 인력과 다른 전자들에 의한 쿨롱 반발력을 받는다는 슈뢰딩거 방정식의 정확한 접근에서 출발한다. 다만 간단한 가정을 통해 각 전자의 파동함수를 기술할 때, 다른 전자에 의한 영향을 평균적인 유효 핵전하로 대체하여 계산을 단순화한다. 이렇게 하나의 전자에 대한 계산이 끝나면 다른 전자에 대해서도 동일하게 진행하며, 실제 해에 가까운 값을 얻을 수 있기 때문에 자체일관성 장 궤도함수 근사법이라고 불린다.
이와 같이 바탕 함수 집합 선택과 자체일관성 장 궤도함수 근사법을 통해 분자 구조를 최적화할 수 있다. 이를 통해 분자의 안정한 구조, 결합 길이, 결합 각도 등의 특성을 예측할 수 있으며, 이는 분자 모델링 연구에 필수적인 과정이다.
1.2.2. 뉴먼 투영도 (Newman projection)
뉴먼 투영도 (Newman projection)는 화합물의 입체배좌 도시법의 일종으로, 인접하는 2원자에 결합하는 원자들의 상대위치를 식으로 나타내기 위하여 M.S. Newman이 제창한 투영식이다. 탄소-탄소 결합을 직접 끝을 향하게 바라보고 원을 사용하여 두 탄소 원자를 나타낸다. 전면 탄소에 연결된 결합들은 원의 중심까지 연결된 선으로 나타내고, 후면 탄소에 연결된 결합들은 원 둘레까지만 오도록 선을 연결하여 표현한다. 앞쪽의 원자가 뒤쪽의 원자와 이루는 각도를 dihedral angle이라고 한다. 또한, 후면 원자들과 전면 원자들이 겹치는 형태를 eclipsed 형태, 서로 엇갈린 형태를 staggered 형태라고 하며, 일반적으로 eclipsed 형태가 에너지가 높아 불안정하다.
1.2.3. 이성질체 (Isomer)
이성질체(Isomer)는 동일한 분자식을 가지지만 결합 순서나 입체 구조가 다른 화합물을 의미한다. 이성질체는 크게 구조 이성질체와 입체 이성질체로 나뉜다.
구조 이성질체는 화학 결합의 순서가 다른 화합물을 말한다. 예를 들어 C4H10 분자식을 가지는 화합물에는 부탄(n-butane)과 이소부탄(iso-butane)이 있는데, 이는 결합 순서가 다르기 때문에 구조 이성질체 관계에 있다. 구조 이성질체는 IUPAC 명명법에 따라 치환기의 명칭이 달라진다.
입체 이성질체는 분자 구조의 입체 배치가 다른 화합물을 의미한다. 이는 광학 이성질체와 기하 이성질체로 나뉜다. 광학 이성질체는 거울상 관계에 있는 화합물로, 분자 구조가 같지만 공간 배열이 다르다. 대표적인 예로 아미노산이 있다. 기하 이성질체는 이중결합 주변의 원자단 배열에 따라 cis-형과 ...
