오늘 수업시간에 잠깐 나왔던 반응의 진행 측정 방법인 spectroscopy - NMR과 IR에 대한 설명입니다.
NMR
: 핵자기공명 분광법 (Nuclear Resonance Spectrometer)
핵자기 공명(NMR)은 외부 자기장 하에 놓인 원자핵과 특정 주파수를 가진 전자기파 사이에 발생하는 물리적인 현상이다. 이런 원자핵에 의해 흡수되거나 방출되는 에너지로부터 물질내의 자기적 조건을 측정할 수 있다. 핵자기 공명은 분자의 물리·화학·전기적 성질을 알아내기 위한 분자 분광법의 일종으로 사용된다. 또한 자기 공명 영상법(MRI)의 기본 원리이기도 하다. 핵자기 공명은 양자 컴퓨터를 개발하기 위한 기술로도 사용되고 있다. 전자가 스핀을 가지고 있는 것과 마찬가지로 핵도 스핀을 가지고 있다. 이런 핵의 스핀 때문에 핵은 고유한 유도 자기장을 가지게 되고 외부에서 자기장을 걸어주면 그 자기장의 방향과 같은 방향으로 핵의 유도자기장이 정렬된다. 이때 라디오파 정도의 주파수를 외부에서 에너지로 제공해 주면 핵의 스핀은 에너지를 받아서 외부 자기장에 정반대 방향으로 스핀 상태를 변화 시킬 수 있다. 화합물에서 각각의 원자가 가지고 있는 핵스핀의 강도가 다르기 때문에 같은 세기의 자기장을 걸어 줘도 흡수하는 주파수가 다르다. 따라서 NMR에서 흡수하는 주파수를 측정함으로써 어떤 원자가 존재하는지 추론할 수 있다.
NMR은 파장이 긴 RF(radio frequency)를 사용하며 파장의 길이는 에너지와 반비례하여 에너지가 낮은 빛을 사용하는 분석장비이다. 에너지가 낮은 빛을 사용하는 점은 NMR이 다른 장비에 비해 감도가 낮은 하나의 이유이다. 빛의 종류에 따라 측정 시료의 원자 또는 분자의 운동의 종류가 틀리다. 분광 분석 장비는 시료에 빛을 주사하게 되고 시료는 그 빛을 특정 고유의 물성에 따라 양자화된 에너지를 흡수하게 된다. 빛 또한 하나의 에너지 형태이므로 흡수 된 에너지는 시료의 원자 또는 분자를 불안정한 상태로 만들고 안정화 하려는 방향으로 에너지를 방출하게 되며 에너지 방출과정에서 빛의 종류에 따라 운동의 형태가 다르다. 라디오 파는 원자의 핵의 회전 전이를 일으키며 이때 공명의 형태로 특정 주파수에 반응한다.
NMR은 크게 Console. Magnet, probe로 나누며 이중 (1)Console은 RF(라디오 파)를 실험에 알맞은 형태의 파형으로 만들어주어 측정 시료에 주사하고 검출하는 NMR 운영에 총 과정을 통제하며 제어하는 Main 장치에 속한다. (2) Magnet은 측정 시료의 자장의 환경을 조성하는 역할을 한다. (3) Probe는 시료를 자장의 환경에 놓이도록 하며 Console로부터 RF 펄스의 명령 받아 주사하고 검출하는 역할을 한다. Console에서 RF 파를 만들어 Probe를 통하여 측정 시료에 주사하게 되고 흡수된 RF는 다시 방출 하여 Probe의 코일을 통하여 Console에 보내준다. 수신된 정보를 Console은 여러과정을 거쳐 FT(Furier Transfrom)하여 사용자에게 스펙트럼 형태로 보여준다.
IR
: 적외선 분광법 (IR Spectroscopy)
한 분자를 구성하고 있는 원자들의 결합은 서로 움직일 수 없도록 고정된것이 아니라, 스프링과 같이 탄력이 있는 줄에 매달려 있다고 할 수 있다. 이와 같은 분자가 일으킬 수 있는 진동 운동의 진동 방식(vibration mode) 은 다음의 두 가지로 나눌 수 있다.
첫째는, 스프링에 매달린 두 원자가 스프링과 같은 축에서 서로 당겼다가 끌렸다가 하는, 즉 원자들 사이의 결합 길이가 길어졌다 짧아졌다 하는 신축 진동 (stretching vibration)방식이다.
둘째는, 원래의 결합축에 대하여 원자들의 위치가 변하는, 즉 원자들 사이에 이루고 있는 결합각이 변하는 굽힘(bending) 또는 변형 진동 (deformation)방식이다. 이러한 진동 운동을 일으키기 위해서는 결합의 종류 및 세기, 그리고 결합을 하고 있는 원자의 종류에 따라 고유한 진동 주파수(vibration frequency)에 해당하는 빛 에너지를 흡수해야 한다.
따라서, 분자에 IR를 쬐어주면 이들이 진동을 일으키는 데 필요한 주파수의 빛을 흡수하여, 이 에너지에 대응하는 특성적인 적외선 스펙트럼을 나타내게 된다. 그러므로 이를 분자 구조와 관련지어 해석하면 분자 구조에 대한 정보를 얻을 수 있다. 이와 같이, 적외선 분광법의 기본 원리는 분자의 진동에 바탕을 두고 있다.
적외선 분광법의 응용
1) 물질의 구조 확인
각 화합물의 작용기에 대한 특성적인 스펙트럼이 얻어지므로, 이를 확인하면 그 구조를 확인할 수 있다는 것은 이미 설명하였다. 합성에서 방응 물질을 알고 있을 때 생성물질의 확인은 여러 개의 흡수띠를 해석하지 않아도 반응 물질의 어떠한 흡수띠가 없어지고 새로운 것이 나타나느냐의 여부로 생성물을 예상할 수 있다. 전혀 미지의 단일 시료일 경우에는 IR스펙트럼만으로는 확인이 곤란하므로, 확인에 도움을 줄 수 있는 여러가지 실험적 자료를 얻는 것이 좋다. 가령, 원소분석과 분리량을 측정하여 그 결과로부터 분자식을 구하고, 끓는점, 녹는점 , 선광도 및 특수한 시약과의 반응성 등과 같은 물리 화학적 성질을 측정, 비교함과 동시에, NMR, UV-Vis 및 MS 등의 스펙트럼을 함께 이용해야 할 것이다. 그러나 혼합물이거나 고분자 물질인 경우에는 스펙트럼이 매우 복잡하여 위와 같은 과정으로는 확인이 곤란하다. 따라서, 이 경우에는 적당한 방법으로 분리한 다음 스펙트럼을 얻어 해석해야 할 것이다. IR 스펙트럼은 광학 이성질체를 제외하고는 물질이 다를 때에는 동일한 조건에서 측정한 스펙트럼은 서로 다르다. 따라서, 흡수띠를 해석하기 곤란한 경우일지라도 두 밀질의 스펙트럼 자체를 비교하면 같은 물질인지의 여부를 쉽게 판단할 수 있다. 또, Sadtler 또는 Aldrich 등에서 제공된 많은 유기 화합물의 표준 스펙트럼과 비교해도 좋다. 그러나 반드시 유의해야 할 점은 같은 물질이라 하더라도 그 조건에 따라서는 흡수 위치나 모양이 변한다는 사실이다.
2)반응 속도 및 반응 과정의 연구
반응 물질 및 그 중간체, 그리고 생성 물질에 특성적인 흡수 피크를 나타내는 작용기가 있을때, 이들에 의한 흡수 피크의 소멸 및 생성 과정을 추적함으로써 반응의 완결 및 속도, 그리고 그 메커니즘을 측정할 수 있다. 예를 들면, 2가 알코올을 산화시켜 케톤의 C＝O 피크가 중가할 것이다. 또, 1가일코올이 산화될 때 알데히드를 거쳐 산이 생성되는지, 아니면 직접 산으로 반응이 진행되는지의 여부도 확인 가능하다. 이와 같은 반응의 진행 과정에서 반응 물질과 생성 물질의 농도를 시간에 따라 측정하면 반응 속도의 측정이 가능하다. 이 때, 반응 물질과 생성 물질의 농도는 두 물질의 특성 흡수 피크의 세기로 구할 수 있다.
3)수소 결합의 검정
적외선 스펙트럼의 이 분야에 대한 응용은 최근에 들어와 생체 내 단백질 및 핵산의 입체적 구조와 생체 내에서의 다른 물지로가의 상관 관계를 추정하는 데 많이 이용되고 있다. 분자 내에 존재한 -OH나 -NH등은 대부분이 전기 음성도가 큰 원자들과 수소결합을 하고 있으며, 이러한 경우 0-H의 신축 진동 운동에 의한 흡수 피크를 관찰함으로써 용이하게 알 수 있다. 즉, 수소 결합을 하지 않는 유리 O-H나 N-H의 경우 비교적 흡수 세기가 큰 예민한 피크로 3650 ∼ 3590㎝-1 및 3500 ∼ 3300㎝-1에서 각각 나타나지만, 수소 결합을 하는 경우 -OH나 -NH의 신축 진동의 흡수가 낮은 파수 쪽으로 이동하며, 흡수 피크의 강도가 감소하고 둔하게 나타나는 것이 특징이다. 또, 이들 수소 결합은 물질의 물리적 상태, 시료의 농도, 측정 용매, 측정시의 온도 등 여러가지 인자에 따라 변화하므로 필요한 조작 조건이 요구된다.
4) 정량 분석 및 순도 측정
적외선 분광법에 의한 정량 분석은 사용하는 용매에 많은 제한이 있기 때문에 표준 시료의 제조가 용이하지 않아 특수한 경우를 제외하고는 별로 사용되고 있지 않지만, 이러한 어려운 점을 극복할 수 있다면 Beer-Lambert법칙에 따라 자외선 분광법에서와 같이 정량에 응용할 수 있다. 특히, 2개의 시료가 혼합되어 있을 경우, 이들 흡수 피크 중에서 서로 겹치지 않는 독특한 피크를 표준으로 하여 측정한다면 서로의 혼합비를 알 수 있다. 이러한 원리는 혼합물 중의 두 물질의 확인에도 이용될 수 있다. 예를 들면, 미반응의 원료나 부산물이 혼합되었을 경우, 이들의 순수한 흡수 스펙트럼과 혼합물질의 스펙트럼을 비교한다면, 각각에 의한 흡수 피크가 서고 겹치지 않은 부분에 모두 존재할 것이므로 혼합물의 단일 성분을 추정할 수가 있다.
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