비공유 결합(nonbonding interaction)의 정의와 분류

1. 비공유 결합(nonbonding interaction)의 정의 

 비공유 결합(nonbonding interaction)은 화학 결합에서 원자 간에 공유 전자가 없는 상호작용을 의미합니다. 이는 주로 분자 내 또는 분자 간에 작용하는 힘으로, 화학적으로 결합되지 않은 상태에서 발생합니다. 비공유 결합은 화학적 결합보다는 약하지만, 분자의 구조와 물리적 성질에 중요한 역할을 합니다. 

2. 비공유 결합(nonbonding interaction)의 분류

1) 반데르발스 힘 (Van der Waals Forces)

 반데르발스 힘 (Van der Waals Forces)은 원자, 분자, 그리고 표면 간의 인력을 포함합니다. 반데르발스 힘이 근처의 입자에서 발생하는 편극에 의해 결정되기 때문에 공유 결합 및 이온 결합과는 그 형성 원리가 다릅니다. 분자 간 힘은 네 가지 주요 원인이 있는데 대개 분자 간 위치 에너지는 서로 가까이 다가가면 작용하여 분자의 붕괴를 막는 반발 성분과 세 가지 요인으로 이루어진 인력 성분을 갖습니다. 반데르발스 인력은 크게 세 가지로 나타나는데 비극성 분자에서 발생하는 유도 전하에 의한 유도 쌍극자-유도 쌍극자 힘 (런던 분산력), 비극성 분자가 극성 분자의 영향을 받아 유도된 쌍극자와 상호작용하여 형성되는 영구 쌍극자-유도 쌍극자 힘 (디바이 상호작용), 극성을 가진 분자 간의 상호작용에서 기인하는 영구 쌍극자-영구 쌍극자 힘 (키솜 상호작용)으로 설명할 수 있습니다. 

2) 수소 결합 (Hydrogen Bonding)

 수소 결합 (Hydrogen Bonding)은 N(질소), O(산소), F(플루오린) 등 전기 음성도가 강하고 크기가 작은 2주기 원소와 수소를 갖는 분자가 이웃한 분자의 수소 원자 사이에서 생기는 정전기적 인력으로 일종의 분자 간 인력(분자 사이에 끌어당기는 힘)을 말합니다. 수소 결합을 하는 물질은 그 상호작용의 세기가 수소 결합을 하지 않는 분자보다 매우 강하여 분자량이 비슷한 다른 분자들에 비해 녹는점과 끓는점이 높고, 융해열과 기화열이 크다는 성질을 나타냅니다. 수소 결합은 분자 내에서 일어나는 원자 간의 화학 결합이 아니라 분자 사이에서 일어나는 인력에 의한 결합으로, 분산력, 쌍극자-쌍극자 힘, 쌍극자-유발 쌍극자힘과 같은 분자 간 상호작용 보다 훨씬 강해 수소결합이라고 부르지만, 이온 결합과 공유 결합보다는 훨씬 약해서 강한 열 등의 외부 에너지에 의해 쉽게 분리될 수 있습니다.

3) 파이-파이 상호작용 (π-π interaction)

 파이-파이 상호작용 (π-π interaction)은 방향족 화합물의 파이(π)-전자 구름 간의 상호작용으로, 파이(π) 전자 시스템을 포함하는 비공유 상호작용의 한 유형입니다. 음전하 영역이 양전하와 상호 작용하는 정전기적 상호 작용과 마찬가지로 전자가 풍부한 파이(π) 시스템은 금속(양이온 또는 중성), 음이온, 다른 분자, 심지어 다른 π 시스템과 상호 작용할 수 있습니다. 파이-파이(π-π) 상호작용의 원리는 π-전자구름 형성에서 시작하는데 방향족 화합물은 파이(π)-전자들이 비편재화(delocalized)되어 있어, 고리 위와 아래에 전자구름을 형성합니다. 이러한 전자구름이 다른 방향족 고리의 전자구름과 상호작용합니다. 이때 두 분자 간의 인력의 발생하는데 두 방향족 고리가 적절한 거리와 배열로 위치하면, π-전자구름 간에 약한 인력이 발생합니다. 이는 주로 전자구름 간의 반발력과 분자의 쌍극자 순간적인 정렬로 인해 균형 잡힌 상태에서 작용합니다. 이러한 파이-파이(π-π) 상호작용은 크게 세 가지로 분류합니다. 이 분류는 파이-파이 상호작용의 방향과 배향성과 관련이 있으며 이에 따라 결합 세기와 물성이 달라지게 됩니다.

1. Face-to-Face (Parallel Stacking)형태는 두 방향족 고리가 서로 평행하게 쌓인 배열로, π-전자구름이 완전히 겹치는 형태를 말합니다. 이 결합 형태는 전자구름 사이의 정전기적 인력으로 안정화됩니다. 두 분자 사이에 에너지 장벽이 상대적으로 낮아 강한 상호작용이 가능합니다. 흔히 DNA 염기쌍 사이에서 나타나는 스태킹 상호작용이 여기에 해당하며 DNA 이중 나선의 안정화에 큰 기여를 합니다.
2. Offset Face-to-Face (Slipped Parallel Stacking) 형태는 두 방향족 고리가 서로 평행하지만, 약간 어긋나 있는 배열로 각 분자들이 가진 전자 구름 간의 반발력을 줄이기 위해 고리들이 어긋난 상태로 정렬됩니다. 생체 분자와 유기 고분자에서 자주 관찰되며 단백질 내부에서 방향족 아미노산 간의 상호작용이 대표적입니다.
3. Edge-to-Face (T-Shaped Interaction) 형태는 한 방향족 고리의 가장자리(주로 수소 원자) 부분이 다른 방향족 고리의 중심 부분과 상호작용하는 배열을 가집니다. 방향족 고리의 가장자리에 존재하는 약한 양전하(수소)와 파이(π)-전자구름의 음전하 간 정전기적 인력으로 안정화되는 구조입니다. T자 모양으로 정렬되며, 파이-파이(π-π) 상호작용 중 가장 약한 형태입니다.

 파이-파이 상호작용은 방향족 고리 사이의 거리(3.3~3.8 Å)에 따라 형성 여부 및 결합 에너지가 달라지게 됩니다. 또한 방향족 고리의 배열과 상대적인 위치가 에너지 안정성에 영향을 미치게 됩니다. 전자를 공유하여 결합을 형성하는 공유 결합이 아니기 때문에 용매, 온도, 주변 전하 상태 등의 외부 요인에 따라 상호작용 정도가 변하게 됩니다.

4) 소수성 상호작용 (Hydrophobic Interaction)

 소수성 상호작용 (Hydrophobic Interaction)은 물과 친수성 분자 간의 결합으로 인해 소수성 분자가 뭉치는 현상입니다. 이러한 비공유 결합은 단백질의 접힘(folding), DNA 이중 나선의 안정화, 물질의 끓는점과 녹는점 같은 물리적 특성을 결정하는 데 중요한 역할을 합니다. 또한 비공유 결합은 화학적 결합(공유 결합, 이온 결합)에 비해 상대적으로 약하지만, 대량으로 작용할 경우 상당히 강한 힘을 발휘할 수 있습니다.