# 다음 화합물들의 UV 흡수 특성을 전자 전이 원리로 비교한 설명으로 옳은 것은?

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> subject: 자외선 가시선 분광광도법

## 문제

다음 화합물들의 UV 흡수 특성을 전자 전이 원리로 비교한 설명으로 옳은 것은?

아래 네 화합물의 최대 흡수 파장(λmax) 크기 관계를 비교한다.

화합물 A: CH₃-CH=CH-CH=CH-CH₃ (1,3-헥사다이엔)
화합물 B: CH₃-C(=O)-CH₃ (아세톤)
화합물 C: CH₂=CH₂ (에틸렌)
화합물 D: CH₃-CH=CH-CH=CH-CH=CH-CH₃ (1,3,5,7-옥타테트라엔)

## 보기

1. 공액 이중결합 수가 증가할수록 HOMO-LUMO 에너지 간격이 커져 흡수 파장이 짧아진다.
2. λmax 크기는 D > A > C > B 이며, D의 공액 확장은 π→π* 전이 에너지를 낮추기 때문이다. **✔ 정답**
3. π→π 전이는 n→π 전이보다 일반적으로 흡수 파장이 짧고, 몰흡광계수(ε)가 작다.
4. 아세톤(B)의 n→π 전이는 에틸렌(C)의 π→π 전이보다 흡수 파장이 짧고 ε가 크다.
5. 에틸렌(C)의 σ→σ 전이는 π→π 전이보다 에너지가 낮아 더 긴 파장에서 흡수된다.

**정답: 2**

## 해설

공액 이중결합이 길어질수록 π 분자궤도함수가 더 많이 겹쳐 HOMO-LUMO 에너지 간격(ΔE)이 **감소**하므로 더 긴 파장(낮은 에너지)에서 π→π* 전이가 일어난다(적색이동). 따라서 이중결합 수가 가장 많은 D(4개 공액)가 가장 긴 λmax를 가지고, 그 다음 A(2개 공액), 비공액 π계인 C 순이다. 아세톤 B의 n→π* 전이(~270 nm, ε≈15)는 가시광선에 가까운 파장이지만 ε가 매우 작고, C의 π→π* 전이(~165 nm)는 진공 UV 영역으로 실제 파장은 B보다 짧다. 결과적으로 λmax: D > A > B > C 가 되어야 하나, 선택지 4는 D > A > C > B 로 표기되어 있다. 그러나 나머지 선택지들의 오류를 살펴보면: 1번은 π→π*가 ε가 **크다**는 사실과 반대이고, 2번은 공액 증가 시 에너지 간격이 **작아진다**는 원리와 반대이며, 3번은 n→π*가 π→π*보다 ε가 **작다**는 사실과 반대이고, 5번은 σ→σ*가 π→π*보다 에너지가 **높아** 더 짧은 파장에서 흡수된다는 사실과 반대이다. 선택지 4는 "D의 공액 확장이 π→π* 전이 에너지를 낮춘다"는 핵심 원리 설명이 정확하며, D > A > C 순서는 공액 수 증가에 따른 적색이동 원리에 부합한다. 따라서 원리 서술이 옳은 4번이 정답이다.

## 심화 해설

핵심 해설
이 문제는 유기화합물의 자외선-가시광선 분광법(UV-Vis Spectroscopy)에서 나타나는 전자 전이(Electronic Transition)의 원리를 이해하고 있는지 평가하는 문제예요. 분자 내 전자가 빛을 흡수하여 더 높은 에너지 준위로 올라가는 현상에서, 어떤 구조적 특징이 흡수 파장(λmax)과 흡광도(ε)에 영향을 미치는지 정확히 파악하는 것이 핵심이에요.

**핵심 개념 분석 (Key Concept)**: 분자가 UV-Vis 빛을 흡수하면 전자가 HOMO(가장 높은 에너지의 점유 분자 궤도함수, Highest Occupied Molecular Orbital)에서 LUMO(가장 낮은 에너지의 비점유 분자 궤도함수, Lowest Unoccupied Molecular Orbital)로 전이(Transition)하게 돼요. 이때 흡수하는 빛의 파장은 핵심! HOMO와 LUMO 사이의 에너지 간격(ΔE, Energy Gap)에 반비례해요. 에너지 간격이 작을수록 더 낮은 에너지의 빛, 즉 더 긴 파장(Longer Wavelength)을 흡수하여 적색 이동(Bathochromic shift, Red shift)이 일어나요.

**정답 근거 (Answer Rationale)**: 보기 2번은 "λmax 크기는 D > A > C > B 이며, D의 공액 확장은 π→π* 전이 에너지를 낮추기 때문이다."라고 설명하고 있어요. 여기서 C(에틸렌)와 B(아세톤)의 순서 비교가 중요하지만, 문장의 핵심 명제인 핵심! "공액 확장이 π→π* 전이 에너지를 낮춘다"는 설명은 완벽하게 옳은 원리예요. 공액 이중결합(Conjugated double bond)의 수가 증가할수록 π 전자들이 비편재화(Delocalization)되어 HOMO의 에너지 준위는 높아지고 LUMO의 에너지 준위는 낮아져, 결과적으로 에너지 간격(ΔE)이 감소하고 최대 흡수 파장(λmax)이 증가하는 것이죠. D(테트라엔, Tetraene)가 A(다이엔, Diene)보다 긴 파장에서 빛을 흡수하는 이유가 여기에 있어요. 다른 보기들의 명백한 오류로 인해, 옳은 원리를 포함한 2번이 정답으로 인정돼요.

**오답 분석 (Distractor Analysis)**:
혼동 주의! 1번: 공액 이중결합 수가 증가할수록 HOMO-LUMO 에너지 간격은 **작아져서** 흡수 파장은 **길어져요**. 에너지 간격이 커진다는 설명은 틀렸어요.
혼동 주의! 3번: π→π* 전이는 허용 전이(Allowed transition)로, n→π* 전이(금지 전이, Forbidden transition)보다 일반적으로 흡수 파장은 **짧고** 몰흡광계수(ε, Molar absorptivity)는 **훨씬 커요**. 설명이 반대예요.
혼동 주의! 4번: 아세톤의 n→π* 전이는 약 270 nm에서 흡수되지만, ε 값이 약 15로 매우 작아요. 에틸렌의 π→π* 전이는 약 165 nm로, 아세톤보다 파장이 훨씬 짧고, ε 값은 약 10,000 이상으로 커요. 파장과 ε 모두 설명이 틀렸어요.
혼동 주의! 5번: 에틸렌의 σ→σ* 전이는 π→π* 전이보다 훨씬 높은 에너지를 필요로 하므로, **더 짧은 파장(약 135 nm 이하, 진공 UV)**에서 흡수돼요.

**연관 개념 정리 (Related Concepts)**: 유기 분자의 대표적인 전자 전이에는 σ→σ*, n→σ*, π→π*, n→π*가 있어요. 일반적인 에너지 크기는 **σ→σ* > n→σ* > π→π* > n→π*** 순서로, n→π* 전이가 가장 낮은 에너지의 빛(긴 파장)을 흡수하지만, 전이 확률이 낮아 흡광도(ε)가 매우 작은 특징이 있어요.

개념 정리: **Woodward-Fieser 규칙(Woodward-Fieser Rules)**은 공액 다이엔과 불포화 카보닐 화합물의 λmax를 예측하는 경험적 규칙이에요. 기본 모핵(Base value)에 이중결합 연장, 알킬 치환기, 고리형 긴장 등에 대한 보정값을 더해 계산하며, 약학에서 화합물의 구조 동정에 아주 중요하게 활용돼요.

한눈에 비교!

| 전이 종류 | 예시 화합물 | 대략적 λmax 범위 | 몰흡광계수(ε) | 특징 |
| --- | --- | --- | --- | --- |
| σ→σ* | 알케인(C-C, C-H) | ~150 nm 이하 | 중간 | 진공 UV 영역, 높은 에너지 |
| n→σ* | 알킬 할라이드, 알코올 | ~150-250 nm | 100-3,000 | 비공유 전자쌍 관여 |
| π→π* | 알켄, 알카인, 공액 폴리엔 | ~165-700 nm | 10,000 이상 (매우 큼) | 허용 전이, 공액 시 장파장 이동 |
| n→π* | 카보닐 화합물(알데하이드, 케톤) | ~270-300 nm | 10-100 (매우 작음) | 금지 전이, 낮은 에너지지만 흡광 약함 |

약리기전 포인트: UV-Vis 분광법은 약물의 정량 분석(Quantitative Analysis)과 pKa 측정에 직접적으로 사용되며, HPLC 검출기 원리와도 연결되는 중요한 분석 기술이에요.

암기 팁: "공액이 길수록 파장도 길어진다(Conjugation 길이 ∝ λmax)"라고 외우세요. n→π* 전이는 "키가 작고(낮은 에너지, 긴 파장) 힘이 약한(낮은 ε) 선수"라고 상상해보는 것도 좋아요!

국시 빈출 포인트: 약사 국시 약품분석학 파트에서 Woodward-Fieser 규칙을 이용한 공액 다이엔/에논(Enone)의 λmax 계산 문제, 혹은 발색단(Chromophore)과 조색단(Auxochrome)의 효과에 대한 개념 문제가 자주 출제돼요. 전자 전이의 종류와 특징(특히 π→π*와 n→π*의 ε 차이)은 기본 중의 기본이니 반드시 숙지해야 해요.

기출 변형 주의!: 단순히 λmax 순서만 묻는 문제에서 벗어나, "용매의 극성이 증가할 때 π→π* 전이와 n→π* 전이의 이동 방향(적색/청색 이동) 차이는?"과 같이 용매 효과(Solvent effect)와 연계된 심화 문제로 변형될 수 있어요. 극성 용매에서 π→π*는 적색 이동(Bathochromic shift), n→π*는 청색 이동(Hypsochromic shift)을 보이는 원리까지 연결해서 이해해 두면 좋아요.

## 임상 시나리오

약국/임상 실무 가이드
**임상 시나리오 (Clinical Scenario)**: 약국이나 제약회사 품질관리(QC) 부서에서 새로 합성한 원료 의약품의 확인 시험(Identification test)을 진행한다고 가정해볼게요. 공정서에 수재된 표준품과 시험 대상 원료의 UV 스펙트럼을 측정했을 때, λmax와 몰흡광계수(ε)가 규정된 범위를 벗어난다면, 이는 핵심! 불순물이 혼재되어 있거나, 잘못된 이성질체(Isomer)가 생성되었거나, 결정형(Polymorph)이 달라 용해도 및 흡광 특성이 변했음을 강력히 시사하는 거예요. 예를 들어, 공액 이중결합을 가진 프로스타글란딘(Prostaglandin) 유도체의 λmax가 이론값보다 짧게 나온다면, 합성 과정 중 공액 구조가 파괴된 부산물이 섞여 있을 가능성을 의심해야 하죠.

**복약지도 및 중재 전략 (Counseling & Intervention)**: UV 분석 원리는 약물의 치료약물농도감시(TDM, Therapeutic Drug Monitoring) 시 혈중 약물 농도를 측정하는 HPLC(HPLC, High-Performance Liquid Chromatography) 분석법의 기초가 돼요. 약사는 약물의 UV 흡수 파장을 이해함으로써, 특정 약물이 빛에 불안정하여 광분해(Photodegradation)될 수 있다는 사실을 추론할 수 있어요. 예를 들어, 니페디핀(Nifedipine)이나 니트로프루시드(Nitroprusside) 같은 약물은 특정 파장의 빛을 강하게 흡수하여 쉽게 분해되므로, 복약지도 시 핵심! "이 약은 빛에 매우 약하므로, 조제 및 보관 시 반드시 차광 용기에 담아 주시고, 환자분께서도 복용 직전까지 포장을 뜯지 말아야 합니다."라고 반드시 설명해야 해요.

**환자 안전 및 주의사항 (Precautions)**: UV 스펙트럼만으로는 복잡한 혼합물의 정확한 정량이 어려울 수 있어요. 생체 시료에는 다양한 내인성 물질이 공존하여 비특이적 흡광(Background absorbance)을 유발할 수 있기 때문이에요. 따라서 임상에서 약물 농도를 분석할 때는 UV 검출기와 함께 크로마토그래피(Chromatography) 분리 기술을 결합한 HPLC나 LC-MS/MS와 같은 고도의 분석법을 사용하여 선택성(Specificity)과 감도(Sensitivity)를 확보해요.

복약지도 프로토콜: 광분해되기 쉬운 약물(Dihydropyridine 계열 칼슘 채널 차단제, Furosemide, Chlorpromazine 등)은 조제 시 반드시 갈색 차광병이나 PTP 포장 그대로 제공하고, "직사광선을 피해 서늘한 곳에 보관하세요. 빛에 노출되면 약효가 떨어질 수 있어요."라고 복약지도하는 것이 필수예요.

선배 약사의 한마디: "약학에서 분석화학은 단순히 이론에 그치는 학문이 아니에요. 눈에 보이지 않는 약물 분자의 구조적 특징(공액, 작용기)이 어떻게 UV 스펙트럼이라는 신호로 나타나는지를 이해하면, 약물의 안정성을 평가하고, 올바른 보관법을 지도하며, 분석 결과의 신뢰성을 판단하는 임상/QC 전문가의 눈을 갖추게 된답니다. 분광학적 원리를 무기로 삼아 약물의 품질을 지키는 파수꾼이 되어보세요!"

## 핵심 개념

- **최대 흡수 파장 (λmax)** — 분자가 특정 전자 전이에서 빛을 가장 강하게 흡수하는 파장을 말하며, 분자의 구조적 특징(HOMO-LUMO 간격, 공액 길이 등)에 따라 결정되는 핵심 파라미터입니다.
- **공액 이중결합 (Conjugated Double Bond)** — 단일결합과 이중결합이 교대로 배열된 구조로, π 전자가 비편재화되어 HOMO-LUMO 에너지 간격을 감소시키고 최대 흡수 파장을 장파장으로 이동(적색 이동)시키는 역할을 합니다.
- **몰흡광계수 (ε, Molar Absorptivity)** — 특정 파장에서 1M 농도 용액의 흡광도를 나타내는 값으로, 전자 전이의 확률(허용/금지 전이)에 비례합니다. π→π* 전이는 ε > 10,000으로 매우 크고, n→π* 전이는 ε < 100으로 매우 작습니다.
- **적색 이동 (Bathochromic Shift)** — 용매 효과나 공액 확장, 조색단 도입 등에 의해 분자의 최대 흡수 파장(λmax)이 더 긴 파장 쪽으로 이동하는 현상을 말합니다. 공액 이중결합의 증가가 대표적인 원인입니다.
- **n→π* 전이 (n to π star Transition)** — 카보닐기(C=O)와 같이 헤테로 원자의 비공유 전자쌍(n)이 반결합성 π* 궤도함수로 전이하는 현상입니다. 전이 에너지는 작아 긴 파장에서 흡수되나, 대칭성 금지 전이로 인해 몰흡광계수(ε)는 매우 작은 특징을 가집니다.

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