고분자 정의와 시작: 나일론의 개발 배경과 합성 방법

고분자란?

비교적 작은 분자인 단량체(monomer)들이 반복적으로 결합되어 만들어진 분자를 고분자(polymer) 혹은 거대분자(macromolecule)라고 한다. 고분자들은 작게는 수백 개에서 많게는 수백만 개의 원자들이 공유결합으로 연결된 복잡한 구조를 갖는다. 아래 반응으로 설명하면 단량체는 왼쪽의 에틸렌(ethylene), 만들어진 고분자는 오른쪽의 폴리에틸렌 (polyethylene)이다. 폴리에틸렌의 경우 화학적으로 정확한 이름은 아니지만 우리가 흔히 ‘비닐’이라고 부르는 물질이다.

 

 

이밖에도 생활에서 널리 쓰이는 플라스틱 제품들, 고무, 실리콘이라고 부르는 접착제 등은 고분자로 만든 것들이다. 이런 고분자들을 만드는 데 한 가지 단량체만 사용되지 않고 두 개 이상의 단량체를 사용하는 경우도 많다. 일반적으로 고분자 제품은 단량체뿐만 아니라 여러 가지 화합물들을 첨가하여 원하는 특성을 갖도록 한다.

 

고분자 물질은 자연에도 많이 존재한다. 나무나 풀의 줄기는 셀룰로스(cellulose)라는 고분자 물질로 당류의 하나인 글루코오스(glucose) 수천 개가 결합한 물질이다. 단백질은 자연에 존재하는 20개 아미노산이 단량체인 고분자 물질이며, 유전 정보를 전달하는 물질인 핵산(DNA 혹은 RNA)은 4 종류 단량체가 결합한 고분자 물질이다. 단백질이나 핵산과 같이 여러 종류의 단량체로 이루어진 고분자를 헤테로 폴리머(heteropolymer)라고(heteropolymer) 하고, 한 가지 단량체로 만들어진 고분자를 호모폴리머(homopolymer)라고 한다.

 

많은 고분자들은 유기화합물인데, 실리콘과 같은 무기물질로 만들어진 고분자도 활발하게 개발하고 있다. 강철과 같은 강도의 고분자나 생체에서 거부 반응을 보이지 않아 인공뼈나 인공 장기로 사용될 수 있는 특별한 기능을 가진 기능성 고분자에 대한 관심도 매우 높다.

 

나일론의 개발 배경과 합성 방법

석탄, 물, 공기에서 만들어진 나일론은 최초의 상업적으로 성공한 합성 고분자 물질이었으며, 최초의 합성 섬유(synthetic fiber)였다. 나일론은 1935년 듀퐁(DuPont) 사의(DuPont) 캐로더스 Carothers가 이끄는 연구팀에 의해서 처음 만들어져 합성 섬유로 사용되고 있는 고분자 폴리아미드(polyamide, 아미드[-CO-NH- 기를 가진 화합물]가 중합된 고분자)들의 상품명이다. 처음 나일론이 사용된 상품은 1938년에 판매된 칫솔로, 그 솔을 나일론으로 만들었다. 1940년 그 유명한 나일론 스타킹이 판매되었다. 제2차 세계대전 중에는 낙하산의 실 등 많은 군사 용품에 나일론이 사용되었다. 나일론은 섬유뿐만 아니라 고체 덩어리로, 강도를 가진 기계의 부품으로도 널리 사용된다.

 

합성한 나일론을 잡아당기고 있는 캐로더스

 

나일론을 합성한 것으로 알려진 캐로더스는 원래 하버드 등 대학에서 연구 활동을 하였는데, 1927년 듀퐁사가 상업적 가치를 제품의 개발이 아닌 기초 연구를 지원하기 위하여 초빙한 유기화학자였다. 나일론은 단량체들의 중합(polymerization) 과정과 분자량이 매우 큰 고분자 물질을 만들어보려는 캐로더스의 호기심에서 만들어진 물질로, 기초 연구가 상업적으로 성공할 수 있는 대표적 예로 많이 소개되기도 한다.

 

hexamethylenediamine

sebacoyl chloride

 

위 두 물질, 헥사메틸렌다이아민(hexamethylenediamine, NH2(CH2)6NH2)과 염화세바코일(sebacoyl chloride, Cl-CO-(CH2)8-CO-Cl)이 결합하여 나일론-6,10이 합성된다. 여기서 6은 다이아민(diamine) 화합물에 포함된 탄소의 수이고, 10은 다이카복실산(dicarboxylic acid) 또는 다이카복실산의 염화물에 포함된 탄소의 수이다.

 

이 실험에서는 위 두 물질을 서로 섞이지 않는 물과 유기 용매 층에 각각 녹인 후 두 층을 섞어주면서 물과 유기 용매 사이의 계면에서 나일론이 합성된다.