[물리화학]설탕의 반전반응

소개

물리화학의 효소와 수소 이온 촉매에 의한 설탕의 반전 반응의 반응속도 법칙을 살펴보고 이 반응에 대한 반응속도상수를 결정하는 실험입니다

목차

1. 설탕의 반전 반응
2. 목적
3. 이론
4. 기구 및 시약
5. 실험 방법

본문내용

1. 설탕의 반전 반응
2. 목적: 이 실험의 목적은 효소와 수소 이온 촉매에 의한 설탕의 반전 반응의 반응속도 법칙을 살펴보고 이 반응에 대한 반응속도상수를 결정하는 데 있다.
3. 이론
설탕의 반전 반응은 설탕이 가수분해를 통하여 D-포도당(glucose)과 D-과당(fructose)으로 바뀌는 화학반응이다. 반응물과 생성물의 광학 활성도의 차이 때문에 반응이 진행됨에 따라 광학 활성도의 반전이 생긴다. 반전 과정의 반응식은 다음과 같다.
C12H22O11(설탕) + H2O C6H1206 (D-포도당) + C6H1206 (D-과당)
이 반응은 다른 여러 가수분해 반응처럼 수소 이온이 촉매작용을 한다. 그러나 더욱 더 효과적인 촉매는 효소 인베르타제인데, 이것은 이스트, 곰팡이나 꿀에서 추출하며 적당한 산선 조건(pH 3~7, 최적 조건은 pH 5 근방)에서 반전 속도를 증가시킨다.
여기서 반전이란? 분자의 모양이 거꾸로 뒤집어지는 현상으로서 광학이성질 현상을 나타내는 탄소 화합물의 경우 비대칭 탄소를 중심으로 반전되면 거울상에 해당하는 이성질체로 바뀌게 된다. 탄소 화합물이 반전되기 위해서는 탄소에 결합된 원자단이 떨어졌다가 반대 방향에서 다시 결합되어야 하기 때문에 쉽게 일어나지 않을 수도 있다.
그리고 가수분해는 좁은 의미로는 수용액 중에서 염의 가용매 분해를 가리키는데, 넓은 의미로는 물의 상태에 관계없이 무기 화합물 또는 유기화합물과 물과의 복분해 반응 및 물에 의한 분자 내의 개열등을 포함해, 넓게 물에 의한 분해반응을 가르킨다. 줄여서 수해라고도 한다. 대개 촉매 효과를 고려할 때 주어진 반응물의 농도에 대한 반응속도는 촉매가 있으면 증가하지만 최종 생성물의 양은 같다는 것을 명심해야 한다. 그러나 효소를 촉매로 쓸 때는 반전 속도 측정의 의미를 알기 위해 꼭 알아야 할 반응속도론이 있다. 이 반응의 최종 조건은 설탕이 D-포도당과 D-과당으로 완전히 반전되는 것이다. 여기서 반드시 고려하여야 할 복잡한 반응이 한 가지 있는데, 그것은 반응이 진행됨에 따라 생기는 생성물의 편광 회전 현상이다. 포도당에는 광학 활성도가 서로 다른 두 개의 이성질체가 있다. 그러나 효소 촉매하의 설탕 반전 반응에서는 그 중 하나의 광학 이성질체인 D-포도당만이 선택적으로 만들어진다. 따라서 이 두 번째로 일어나는 반전 과정을 반응속도해석에 포함시키거나 혹은 적당한 분석 과정을 거쳐 편광 회전 현상의 영향을 제거해야만 한다.
이 실험에서는 반응물과 생성물의 광학 활성도가 다르기 때문에 반응의 진행 과정을 시간에 대한 회전각도를 측정함으로써 알 수 있다. 설탕과 D-포도당(α와β모두) 우회전성이고 D-과당은 좌회전성이다. 반응이 진행됨에 따라 용액은 점차로 우회전성이 줄어들어 나중에는 회전각도가 0인 점을 지나서 좌회전성으로 바뀌는데, 이는 D-과당이 D-포도당의 우회전성 정도보다 더 많이 좌회전성을 가지기 때문이다. 설탕의 초기 농도에 따라서 회전의 최종 회전각도가 특정 지워진다. 즉, 초기 농도가 크면 클수록 최종 용액의 좌회전성은 커진다.

참고자료

· 물리화학실험(대한화학회/1999. 2. 25/청문각)
· 생화학(김정숙, 오문헌 등/2000. 2. 1/광문각)
· http://nspc.chungnam.ac.kr/lab/phy/13.htm