[로이스톤 M. 로버츠 ] 우연과 행운의 과학적 발견이야기 14. 꿈에 의해 탄생한 분자의 구조식

[콩 쥐]

    제14장. 꿈에 의해 탄생한 분자의 구조식


  18세기 초 무렵 런던에서는  극장이나 공공장소의 조명은 경유(고래기름)에서  얻은 가스
를 사용했었다. 배달하기 위해 이 가스를  탱크에 압축하면 휘발성이면서  향기가  좋은 액
체가 분리된다. 유명한 화학자 마이켈 패러데이는 이 액체를 조사해 보고, 1825년경  이것이  
거의 같은 비율의 탄소와 수소로만 이루어져 있음을 발견했다. 한참  후에야 벤젠이라고 이
름 지어진 이 액체가 코크스를 만들 때에 석탄에서 증류되는 타르의 한 성분이라는 것을 후
에야 알게 되었다. 관련된 방향족 화학물은 여러 천연자원에서 발견되었다. 
벤젠의 이 특이한 성질 때문에 화학자들 사이에는 이론상의  중요한 문제가 제기되었다. 탄
소원자에 대한 수소원자의 비율이 낮은 탄소와 수소만으로 구성된 대부분의 화합물은  대체
로 벤젠하고는 성질이 달랐다(벤젠의 경우 분자식은 C6H6으로 알려져 있으므로 비율은 1대
1이다). 이와 같은 화합물을 수소에 관해서 불포화라고  한다. 즉, 이와 같은 화합물에는 수
소의 몇 분자가 부가되기 쉬운데 벤젠은 부가가 잘 되지  않는다. 벤젠에는 이 외에도 기묘
한 성질이 있어서 1865년까지 아무도 벤젠의 적당한 구조식을  고안한 사람은 없었다. 그것
을 고안한 사람이 프리드리히 A. 케클레였다. 케클레는 1829년 독일의 다름슈타트에서 태어
났다. 그는 건축을 배울 생각으로 기센대학에 입학했다. 그러나 기센대학에서 유스투스 폰리
비히의 정열적인 강의에 크게 영향을 받아 일생을 화학에 바칠 것을 결심했다. 그는 기센대
학에서 파리대학으로 옮겨 안드레 듀마와 부르츠에게 배운 후 영국으로 건너가서 당시 최고
이던 영국인 화학자들과 함께 연구에 몰두했다. 그는 독일로 돌아와서 처음에는 하이델베르
크대학에서 교단에 섰고, 이어서 1858년 벨기에의 겐트대학의 화학과 교수가 되었다. 겐트대
학에는 1865년까지 있었으나 그 해 본대학에서 불러 A.W. 호프만의 후임교수가 되었다. 그
는 1896년에 사망할 때까지 본대학에 있었다. 그 해는 알프레드 노벨이 사망한 해이기도 했
으나 노벨화학상을 수상한 최초의 다섯 사람 중 세 사람(1901년 환트 호프, 1902년 에밀 피
셔 및 1905년의 아돌프 폰 바이엘)은 그의 제자들이었다. 케클레는 19세기의 대단히 뛰어난 
화학 교육자로도 알려져 있다. 
교육자로서의 명성은 차치하고라도 화학자 사이에서 케클레를 아주 유명하게 한 것은  유기 
화합물의 분자구조에 관한 그의 이론이다.  1858년 이전의 유기 화학자는  어떤 의미에서는 
암흑 속에서 연구를 했었다. 즉 설령 무언가 획기적인  일을 해내려해도 연구대상의 물질이 
어떤 것인가에 관해서 분자의 모양을 마음속에 그려볼 수가 없었던 것이다. 예를 들면 1828
년 프리드리히 뵐러는 요소와 시안화암모늄이 모두 탄소, 수소, 산소, 질소를 1:4:1:2의 비율
로 함유하고 있는데도 서로가 다르다는 것을 밝혔다(제 9장 참조). 이것들을 오늘날 이성체
라고 하는데 같은 수의 같은 원자로 연결되어 있는데도 어떻게 다른지 그 당시는 아는 사람
이 아무도 없었다. 1865년 케클레에 의해 벤젠에 관한, 납득할 수 있는 구조식이 제안된  것
은 학계에 매우 중요한 일이었다. 따라서 그 식이 발표된  후 25주년이 되는 1890년에 베를
린의 시청에서 성대한 축제가 개최된 것은 결코 이상할 것이 없다. 독일에서의 합성염료 공
업의 발전과 19세기 후반의 유기화학의 눈부신 개화는 케클레와  그의 제자, 동료들에 의해
서 발전된 구조론에 의한 바가 크다. 축제에서 케클레의  강연은 독일의 저명한 화학잡지에 
발표되었다. 다음 인용문은 그때 케클레가 말한 화학구조의 일반이론으로서 이 이론의 발견 
100주년을 맞이한 1958년에 출판되었다. 
여러분께서는 벤젠 이론의 탄생 기념축제를 축하해 주고 계시지만 먼저 제가 말씀드려야 할 
것은 저에게 벤젠이론은 단순한 결과에 지나지 않는다는 것입니다.  원자의 원자가와 그 결
합의 본질은 제가 만들어 낸 사고방식의 매우 명백한 결과인 것입니다. 사용되고 있지 않은 
원자가는 달리 어떻게 처분 되었을까요? 런던에 있을 때 저는 클레이 팜 로드에서 살았습니
다... 그런데 저는 종종 친구인 휴고 뮬러와 함께 저녁 시간을 보내곤 하였습니다... 많은  이
야기를 했는데 대부분 제가 좋아하는 화학에 관한 것이었습니다. 어느 기분 좋은 여름날 밤 
제가 타고 온 막차인 버스는 인적이 끊긴 거리를 달렸으며  저는 언제나처럼 위층자리(런던
의 이층버스)에 앉아 있었습니다... 저는 몽상에 빠졌으며 원자들이 눈앞에서 빙글빙글 뛰어
놀고 있었습니다. 그 아주 작은 생물들이 나의 꿈속에 나타날 때는 언제나 똑같은 몸짓이었
습니다. 그러나 그때까지는 그것들의 움직임에 어떤 의미가 있다고  생각해 본 적이 없었습
니다. 하지만 이번에는 작은 것 두 개가 짝을 짓기도 하고, 큰 것이 적은 것 두 개를 끌어안
기도 하였습니다. 그리고 좀더 큰 것은 작은 것을 세 개 또는  네 개를 붙들면서 전체는 눈
이 돌 정도로 격렬한 운동을 계속하는 것이 몇 번이고  보였습니다. 큰 곳이 사슬을 만들고 
작은 것은 사슬의 끄트머리를 끌고 있는 것도 보였습니다...  차장의 안내 방송이 저를 꿈에
서 깨어나게 했습니다. 그리고 그날 밤은 이 꿈의 윤곽을 종이에 스케치하면서  보냈습니다. 
이것이 구조론의 시작이었던 것입니다. 
벤젠이론에서도 비슷한 일이 있었습니다. 겐트대학에 있을 때 저는 한길가의 조촐한 독신아
파트에서 살고 있었으며 저의 서재는  햇빛이 닿지 않는 좁은  골목길에 접해 있었습니다... 
저는 앉아서 교과서에 필요한 것을 써넣고 있었는데 작업이  지지부진 했습니다. 다른 일에 
신경이 쓰였던 것이었습니다. 의자를 난로쪽으로 향하게 하고 꾸벅꾸벅 졸고 있었습니다. 그
라자 또 제 눈앞에서 원자들이  춤을 추기 시작하는 것이었습니다. 그러자  또 제 눈앞에서 
원자들이 춤을 추기 시작하는 것이었습니다. 이때는 작은 것들이 뒤쪽에 얌전히 있었습니다. 
이런 일이 가끔 있었기 때문에 제 마음의 눈도 예민해져 여러 가지 모양을 하고 있는 큰 구
조까지 식별할 수가 있었습니다. 이따금 길다란 열이 마치 뱀처럼 얽히고 설키면서 찰싹 달
라붙기도 했습니다. 그런데 어찌된 셈인지 뱀 한 마리가 자신의  꼬리를 물로 마치 저를 비
웃기라도 하듯이 눈앞에서 빙글빙글 돌고 있었습니다. 마치 번갯불이  번쩍 하듯이 눈을 떴
습니다. 그날 밤도 저는 이 가설을 어떻게 정립할 것인가에 관해 생각하며 보냈습니다. 
런던에서의 버스 안과 겐트대학시절 난로 앞에서의 케클레의 꿈은 유기분자의 구조에  관한 
심원한 이론으로 진전되어 과학의 진보에  매우 값진 것이 되었다. 첫  번째 꿈에서 원자가 
'사슬을 만들고', '큰 것이 작은 것을 두 개 끌어안기도 하고', '좀더 큰 것은  작은 것을 서
너 개 붙들고' 있는 것을 보고 케클레는 탄소원자가 수소원자나  기타 원자와  결합하면 서
로서로 사슬을 만들 수 있을 것이라 제안하게 되었다. 예를 들면 메탄올이나 에탄올의 분자
식은 간단히 CH4O와 C2H6O로 알려져 있으나  이들 구조식은  그림 14-1과  14-2처럼 표
시된다. 
마찬가지로 요소의 구조식은 그림 14-3처럼 그려지며 한편 시안화암모늄은 그림 14-4와 같
이 된다. 
뱀이 자신의 꼬리를 물고 있던 두 번째 꿈에서 케클레는 6개의 탄소가 한 고리를 만들고 있
는 벤젠의 환상구조를 제안했다. 그림 14-1에서 14-4까지 탄소는 다른 원자와 4개의 선으로 
맺어여 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 물론 개중에는  산소(O)나 질소(N)등의 원자와 2개
의 선으로 연결되어 있는 것도 포함되어 있다. 그것은 처음  꿈의 결과 '탄소가 모든  화합
물 속에서 4가이다'라는 케클레의 제안을 뜻한다. 제각기 한 개의 수소원자와 결합한 6개의  
탄소원자가 한 고리를 만들고 있는 벤젠의 식으로는 각각의 탄소원자로부터 양측의  탄소원
자와 1개의 수소원자로 구성된 합계 3개의 선(원자가)밖에 나와있지  않으므로 그림 14-5에 
표시한 바와 같이 어딘가에 이중결합을 할 필요가  있다. 케클레가 그의 분자식으로  '사용
되지 않는 원자가'를 처리한 것도 이 방법이었다. 
많은 화학자가 이 환상구조식을 받아들여 높이 평가했으나 이 식에는 결점이 있지 않겠는냐
고 지적한 사람도 있다. 만약에 두 개의 이웃한 수소원자를  다른 원자로 바꾸어 놓았을 때 
그 두 개의 원자를 결합하고 있는 탄소가 이중결합으로 맺어졌는가 또는 단일결합으로 맺어
졌는가에 따라서 두 개의 이성체가 생기게 된다. 케클레는 이와 같은 이성체가 존재하지 않
는다는 것을 설명하기 위해 환상구조에 관한 그의 개념을 수정하여 환상구조는 환을 구성하
는 탄소원자 사이에서 이중결합과 단일결합이 빠른 속도로 교환되고 있는 것이라고  제안했
다. 따라서 이성체는 서로 바뀌고 있어서 분리될 수가 없는 것이다. 1865년부터 1890년 동안
에 그 외에도 벤젠에 대한 그럴듯한 구조식이 제안되었으나 실험적인 증명으로 버티어 나온 
것은 케클레의 식뿐이었다. 벤젠의 구조와 기타 수천 가지  종류의 방향족 화합물의 구조에 
관한 케클레의 관점은(전자의 발견이 케클레의 구조식 25주년 기념식이 있었던 수년 후였음
에도 불구하고) 원자간의 전자적 결합이라는 양자역학 개념에 근거를 둔  현대의 관점과 일
치한다. 
케클레의 꿈이야기와 그 꿈이 그의 분자구조론에 대한 역할에 관해서는 많은 비판도 있었고 
의문을 품은 사람도 있었다. 케클레는 1860년대의 그의 논문에서  꿈 이야기는 언급하지 않
았다. 그러나 그당시 많은 과학자들이 공식적인 논문에서 자기의 아이디어가 어디서 왔는지 
일일이 쓰지 않았으며 실제로 있었던 일과는 거의 역순으로  자료를 제시하기도 했었다. 우
연, 상상 또는 꿈이라는 것은 이따금 위대한 발견의  중요한 요소였으나 그것은 어디까지나 
그 발견의 단서에 지나지 않는다. 케클레가 초기의 논문에서는 그의 분자구조설이 꿈으로부
터 비롯된 것임을 숨기고 기념축제의 강연을 통해 비로소 이를 인정했다고 해서 조금도 놀
라거나 의심할 필요는 없다. 그 강연 중에서 위대한  과학자이자 몽상가이기도 했던 케클레
의 특징이 나타난 대목을 인용해 보기로 한다. 여러분 꿈꾸기를 배웁시다. 꿈을 꿈으로 해서 
우리는 아마도 진실을 발견하게 될 것입니다. 그러나 깨어있는 이성으로 잘 살펴볼 수 있을 
때까지 그 꿈을 발표하는 것을 조심해야 할 것입니다. 노벨상이 시작된 것은 케클레가 사망
한 후였으므로 그는 수상하지 못했으나  그야말로 노벨이 기대했던 바로  그런 인물이었다. 
노벨을 사망하기 수개월 전에 다음과 같이 말했다. "나는  이 세상에서 달성하기 어려운 꿈
을 이루고자 하는 사람을 돕고 싶습니다." 염료의 개발뿐만 아니라 이를테면 설파제나 아스
피린과 같은 의약, 고 옥탄가 가솔린, 합성세제, 플라스틱, 그리고  폴리에스텔섬유등 이러한 
모든 것들은 케클레가 벤젠의 구조식에 의해 기초를 구축한 방향족 화학의 성과인 것이다. 
(해설) 1921년 생리학자 옷토 레뷔는 화학물질에 의한 신경자극의 액성전달을 발견했다. U.
바이스와 R.A. 브라운에 따르면 이 아이디어는 레뷔가 잠을 자다 한 번도 아니고 두 번씩이
나 일어난 꿈에서 얻었다고 한다. 처음 꿈을 꿨을 때는  깨어났다가 금방 다시 잠이 들었기 
때문에 아침에 눈떴을 때는 기억이 잘 나지 않았다. 두 번째 꿈을 꾼 레뷔는 깨어나자 마자 
그대로 실험실로 가서 꿈속에서 생각했던 간단하기는 하지만 결정적인 실험을 했다. 케클레
와 마찬가지로 레뷔도 그의 연구기초가 된 아이디어의 기원에 관해서 곧바로 공표하지 않았
으나 케클레와 달라서 그는 친구와 가족에게는  바로 설명했으므로 이 일에 관해서  상세한 
기록이 남아있다. 레뷔의 딸은 부친이 꿈에서 비롯된 발견으로  노벨상을 받을 것이라고 렐
뷔의 동료가 예언했던 것을  기억하고 있었다. 그들의  예언대로 레뷔는 H.H.  데일과 함께 
1936년도의 노벨 생리의학상을 수상했다. 그러나 수상 강연에서는 꿈이야기를 하지  않았다. 
바이스와 브라운은 "레뷔가 발견하게 된 배경에는 케클레가 말한 바와 같이  과학연구에 매
우 중요한 아이디어가 꿈속에서 실제로 얻을 수 있다는 결정적인 증거이다"라고 말했다. 그
들은 또 19세기의 위대한 철학자이며 생리학자이기도 한 헤름홀츠가 성과가 좋은  아이디어
는 "아침에 잠에서 깼을 무렵에 머리에 떠오르는 일이 많았다"고 말한 사실도 지적했다. 내 
경험에 의하면 상상력과 기억력은 꿈이나 또는 이에 가까운  상태(백일몽?)인 때에 가장 활
발하다. 대학의 내 연구실에서 책상  앞에 앉았을 때 중요한 아이디어가  떠오른 적은 거의 
없었다. 그러한 아이디어는 헤름홀츠가 말한 바와 같이  아침시간이나 비행기, 버스안, 아니
면 산보를 하거나 무심코 터벅터벅 걸을 때, 또는 샤워를  하거나 음악을 즐기고 있을 때에 
문뜩 떠오르는 것이었다. 식물에 의한  광합성을 설명하여 1961년도 노벨  화학상을 수상한 
멜빈 칼빈은 이 문제의 열쇠를 생각해 냈을 때를 다음과 같이 술회하고 있다. 
이산화탄소의 광합성 순환에 대한 기본적인 양상의 하나를 깨달았을 때를 이야기 하고자 합
니다. 그것은 아주 기묘하게도 그야말로 순간이었습니다. 어느 날 나의 아내가 화장실을  다
녀오는 동안 나는 차안에서 기다리고 있었습니다. 그 당시 나는  전에 알고 있었던 모든 사
실과 모순되는 어떤 기본적인 정보를 연구실에서 얻어서 몇  개월 동안 그대로 있었습니다. 
주차금지구역에 세워두었던 승용차 핸들 앞에 앉아  있었을 때 미처 생각 못했던  화합물이 
떠올랐습니다. 그것은 아주 갑작스러운 일이었습니다.  그리고 갑자기 몇 초 동안에  탄소의 
경로가 순환하고 있다는 것도 알았습니다. 그것은 30초 정도의 짧은 순간이었습니다. 그래서 
인스피레인션이라는 것이 존재한다고 나는 생각합니다. 다만 마음의 준비가 있어야 합니다.
1964년의 노벨물리학상 수상자 찰스 H. 타운즈는 "레이저는 어느 아름다운 봄날 아침  워싱
톤 DC의 공원벤치에서 탄생했습니다. 프랭클린 공원에서 진달래를  보면서 생각에 잠겨 있
을 때 분자에서 매우 순수한 형의 전자파를 끌어내는 실용적인 방법의 아이디어가 떠올랐던 
것입니다"라고 술회한다. 캘리포니아  공과대학 교수이자 1891년도  노벨생리학상 수상자인 
신경 생물학자 로저 스페리는 간질병 환자의 뇌 양쪽 반구를 수술로 분리하여 연구했다. 그
의 연구에 따르면 이 장에서 밝힌  바와 같은 상황이 떠오르는 아이디어나  인스피레인션은 
뇌의 우측에서 오는 것이며 또한 어떤 사람들에 의하면 우뇌의 사고는 의식적으로 육성되기
도 하고 훈련되기도 한다고 한다. 꿈이나 백일몽이 제아무리  귀중하다고 해도 케클레의 인
용문에 있는 바와 같이 꿈이란 내려 쪼이는 햇볕 아래에서 음미되어 테스트 되지 않으면 안
된다는 것도 틀림없다. 밤이건 낮이건  한순간의 섬광과 같이 떠오른 아이디어도  몇 날 몇 
달 또는 몇 년 동안 어렵게 노력한 결과 비로소 참다운 결실을  맺는 것이다. 이와 같이 꿈
에서 시작된 발견은 세렌디피티에 포함시킨 것은 이것들이 통상 같은 부류로 여겨졌기 때문
이다. 꿈이나 인스피레이션이 우연인지 어떤지에 관해서는 의논이 분분하기도 하지만,  만일 
누군가가 꿈에 의해서 행동하고 케클레나 레뷔, 칼빈, 타운즈 등과 같이 훌륭한 발견을 했다
면 그것은 그야말로 행운임에는 틀림없을 것이다.