분석화학 다양성자성 산-염기 평형(아미노산 루신) #39

이번 시간부터는 다양성자성 산-염기 평형 배운다. 지난 시간 이어서 약산 약염기에 대한 얘기고 다양성자성이라는 것은 프로톤을 최대???? 두 개 내놓거나 받는 산염기를 말한다. 탄산, 프탈산, 황산 등이 해당되고 그중 약산에 대한 평형을 보는 것이다. 이것이 나중에 산염기 적정을 이해하기 위한 과정이다.

polyprotic acids and bases 두 개 이상 양성자를 주거나 받거나~ diprotic acids는 두 개의 양성자를 주거나 받거나.
다양성자성 산의 종류는 앞에서 봤던 산들(위 슬라이드) 등이 있다. 이 챕터에서 중요하게 다루는 것은 아미노산이다. 아미노산이 가지는 재밌는 프로톤 주고받는 성질과 아미노산 자체가 우리 몸의 중요한 역할을 하기 때문에 두 가지 측면을 고려하기 때문에 중요하게 다룬다.

아미노산은 단백질의 단위로 알고 있을텐디,,, 아미노산이 모이면 펩타이드가 되고 펩타이드가 모이면 폴리펩타이드가 되고 폴리펩타이드는 단백질의 화학적인 이름이다. 아미노산은 공통적으로 카복실기와 암모늄기를 갖는다. 암모늄 카볼실산 그룹으로 생각해도 되고, 다 전하를 가질 수 있다. 카볼실산그룹은 프로톤이 떨어지면 카복실산 음이온(carboxylate)가 되고 암모니아 그룹도 프로톤을 받으면 암모늄 이온이 된다. 이렇게 양, 음전하를 다 갖는 게 쯔비터 이온이라고 한다. 아미노산 전하는 카복실산 그룹이 비인성일 경우와 둘 다 전하를 가지면 쯔비터, 둘 중 하나만 가지는 3가지 타입이 전하 입장에서 가능하다.

마이오글로빈 단백질이다. 아미노산 유닛이 펩타이드 결합으로 중합반응을 통해 고분자를 만든다. 아미노산에는 중심 탄소가 있고 바로 옆에 암모늄, 카볼실레이트가 있고, 위에는 수소가 하나 붙은 게 기본 구조다. 거기에 치환기가 하나 붙어있는데 치환기에 따라 아미노산 종류가 달라진다. 결합이 형성이 된 부분은 전하를 가지지 않고 제일 말단 부분에 전하를 가질 수 있다. 전하를 가지다가도 주변 pH가 낮아지면, 주변이 산성이 되므로 카복실기에 프로톤을 주고 중성이 된다. pH가 높아지면 암모늄이 프로톤을 주므로 아민이 된다. 적당한 pH를 만들면 암모늄은 프로톤이 떨어지고 카복실기는 프로톤이 붙는데 이런 상황은 거의 없다. 그래서 전하를 띠는 상태로 용액 중에 존재한다.

pKa값도 중요하다.

치환기에 따른 아미노산 종류이다. 아스파라진(숙취해소), 시스테인, 글루탐산(조미료MSG성분), 트립토판(영양제) 다양한 종류의 치환기가 존재하며 전하가 띤 것도 있고 아닌 것도 있고, 산(글루탐산)인것도 있고, 없는 것도 있다. 아민들이 있는 것도 있고 페놀들이 있는 것도 있고, 설퍼가 있는 것도 있다. 알킬 체인(알라닌, 루신)만 있는 것도 있고, 알콜 그룹(세린, 트레오닌)도 있다. 앞으로 볼 아미노산의 예는 류신의 대한 예의다.
류신은 중심 카본주위에 암모늄, 카복실레이트가 있고 치환기가 아이소뷰틸이?? 있다.

아미노산은 치환기가 중성이면 이양성자성 산염기에 해당된다. 치환기도 산이나 염기로 될 수 있는데 복잡하므로 패스. 류신 처럼 치환기가 중성은 것을 주로 얘기할 것이다.
류신이 산일 때는 암모늄그룹과 카복실그룹이 있고, 수소는 중심 탄소에 붙어 있다. 이 양성자산은 프로톤을 최대 두 개까지 주거나 받거나 할 수 있다. 내놓을 수 있는 프로톤은 파란색으로 표시되어 있다. 아민 쪽은 암모늄, 카복실은 카복실산으로되어 있고, 수소 하나가 떨어지면 더 산성인 그룹의 프로톤이 떨어진다. 암모늄, 카복실산 둘 다 약산인데 더 강한 산인 카복실에서 떨어진다. 가운데가 중성이고 산 염기로 왔다 갔다 하는 평형 반응이다. 카복실기에 있는 아세트산은 약산이니까 정반응이 되어도 중성으로가는 비율이 크지 않다 1/100 정도?... 중성에서 염기 갈 때도 마찬가지이다. pKa, Ka값을 보고 대충 알 수 있다. 아세트산에 대한 pKa 값을 알고 있으면 다른 약산이나 약염기를 이해하기 좋다. 아세트산의 약 pKa=4.8이다. 그럴 경우 약산이므로 프로톤이 100~1000개 사이에서 1개 떨어진다 몇 백개 중 1개만 프로톤이 내놓고 아세트산 음이온이된다. 나머지는 원래 아세트산 그대로 있다.
(앞에서 말한 아세트산의 약 pKa=4.8이다.) 산에서 중성사이의 pKa1값이 2.328이으로 아세트산보다 더 낮으므로 프로톤이 아세트산보다 더 떨어지기 쉽다. pKa가 작을수록 프로톤이 떨어지기 더 쉽다. 약산이지만 아세트산보다 더 강한산이고, 중성에서 염기로가는 pKa2는 9.744로 아세트산보다 약한 산이다. 2.328이라는 것은 약산중에서 강한편에 속하고, 9.744는 염기에 프로톤이 붙어 산이 된 케이스이다. 또 하나는 아세트산은 CH3COOH에서 2개 H대신 암모니아, 뷰틸 등이 붙어있다. 치환기가 붙음으로 pK가 달라지고, 프로톤이 떨어지는 성질이 달라진다. 2개 H 대신에 암모니아 뷰틸 치환기가 붙어 더 잘 떨어지는 성질로 바뀌었다. 프로톤이 잘 떨어지는 것은 프로톤이 떨어진 후 구조가 안정하다. 류신은 아세트산 보다 프로톤이 떨어지고 난 뒤 음전하가 전체적으로 아세트산의 경우 안정하다. 사실 열역학적인 설명이다. 열역학은 반응 전후의 에너지를 비교해서, 에너지가 낮은 곳으로 가려 한다. 아세트산과 비교하면 류신이 안정!~ 프로톤이 떨어지고 음전하가 생기면 왜 더 안정하는가? 아세트산은 프로톤이 떨어지고 나면 전체가 - 를 띠는데, 류신은 프로톤이 떨어져 음전하가 발생하지만 전체적으로 보면 중성이 된다. 에너지 벨런스로 얘기하면 중성이 전하를 띠는 것보다 안정하다. 전하는 항상 음전하든 양전하든 떨어져 있으면 불안하므로 옆에 반대 전하가 있으면 합이 0 가 돼서 에너지 적으로 안정해진다. 가운데는 왼쪽 산에 비하면 짝염기이고 오른쪽 염기에 비하면 짝산이 되는 산, 염기 둘 다 되는 쯔비터 이온이다. (물에서 프로톤 받으면 염기, 물에서 프로톤 잃으면 산) 류신 외에 일반적인 아미노산도 거의 이렇다.

류신을 구조 그림 대신 기호로 표현 (H2L+: 류신의 프로톤이 최대 두 개 붙을 수 있고, 양전하 생김)

물과 만나 프로톤 하나 잃어서 중성(전하가 없다는 게 아니라 플마 상쇄로 인한 알짜값이0)이된다. 산과 염기를 HL처럼 표기하는데 그렇다고 해서 그 안에 전하가 없다고 생각하면 안 된다. 양,음전하 둘 다 있어서 중성이 되는 것이다.
중성에서 프로톤 하나 내놓으면 내놓은 곳 때문에 - 띠는게 아니다. 위 그림의 파란 박스에서 프로톤이 떨어져 파란 박스는 중성이 되고 노란 박스에 의해 음전하가 띤다. 아세트산에서는 프로톤을 내놓으면 원래 붙어있던 자리가 음전하를 띤다. (이 메커니즘 반응식 이해해야 한다. 반응식 외우자.)