화학공학실험 | 분광학적 분석 방법을 이용한 유기화합물의 구조 확인

 

 

 

TIP

 

 

1. 유기화학에서 가장 중요한 것 중의 하나는 반응 후 얻어진 생성물의 정확한 구조를 확인 결정하는 문제이다. 유기화합물의 구조를 결정하는 방법은 시약과 반응을 이용한 고전적인 방법과 기기 등을 이용한 분광학적인 분석 방법이다 있다. 본 실험은 IR, NMR 기기 등의 기본적인 사용원리를 배우며, 그것들을 이용하여 유기화합물의 구조를 확인 결정하는 방법 등을 알아본다.
2. 광학적 분석기법을 이용한 유기 화합물 특성분석의 기본 원리를 이해하고 FT-IR 분광분석법(Fourier Transform Infrared Spectroscopy) 및 NMR(Nuclear Magnetic Resonance) 분광분석법을 이용하여 유기물의 특성들(기능기, 분자 구조, 분자량 등)을 조사하여 정성 및 정량분석을 한다.

 

 

 

적외선 흡광분광법(Infrared Spectroscopy)

유기화합물의 분자 구조(function group)에 대해 가장 많은 자료를 제공해 주는 것이 적외선(IR) 스펙트럼이다. 분자는 항상 진동하고 있으며, 그 결합이 신축진동(stretching vibration)을 하기도 하고, 때로는 결합 서로에 대해 굽힘 진동(bending vibration)을 하기도 한다. 이러한 분자의 진종은 적외선을 흡수함으로서 일어난다. 적외선 분광계(IR spectrophotometer)는 화합물에 의해 흡수되는 적외선의 진동수를 측정한다.

 

전형적인 적외선 분광계는 시료 광선과 기준광선의 두 개의 광선을 사용한다. 회전 거울은 이 두 개의 광선을 교대로 단색화장치(monochromator)에 투과시킨다. 프리즘 또는 회절격자를 이용한 단색화 장치는 한 개의 진동수만을 검출기에 도달시키며, 기록용지의 x축상에 대응하는 진동수에 따라 적외선 진동의 범위가 기록된다. 검출 신호는 y축을 따라 기록되며 기록용지의 가장 윗부분은 100% 투과(흡수없음)를 나타내고, 바닥은 0% 투과(모든 빛 흡수)를 표시하며, 이와 같이 진종수나 파장길이에 흡수광도를 기록한 도면을 적외선 스펙트럼(IR spectrum)이라고 한다.

 

 

핵자기 공명 분광법(Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy)

어떤 원자들이ㅡ 핵은 전자와 같이 스핀 운동을 하는 것으로 생각된다. 이러한 스핀운동은 전하의 회전에 의해 축방향으로 자기모멘트를 발생시키고 있어 핵은 하나의 작은 막대 자석과 같이 행동한다. 이러한 핵들중의 하나가 바로 양성자(H)핵이다. 한 개의 양성자가 외부 자장속에 놓이면, 여기서 생성되는 자기모멘트는 자장에 대하여 같은 방향(α-spin)과 혹은 반대방향(β-spin)의 두가지 배열을 가질 수 있다. 이와 같이 한 물질이 일정한 세기의 자장속에 놓이면 적외선 스펙트럼을 얻을 때와 같이 하나의 스펙트럼을 얻을 수 있다.

 

어떤 물질이 일정한 세기의 자장속에 놓이면 핵은 각 진동수로 그 자체의 핵 spin축 주위를 세차하기 시작한다. 이때 핵의 진동수는 걸어준 자장세기에 비례한다. 자장의 강도가 세면 셀수록 세차 운동 속도도 빨라진다. 이때 이와 동일한 진종수를 갖는 복사선이 proton에 공급된다면 복사선의 에너지가 흡수되어 시그널로 관찰되는데 이와 같은 스펙트럼을 핵자기 공명 스펙트럼이라 한다.

 

정밀한 자기장을 만들 수 있는 민감한 제어기능을 가진 자석 표면 사이에 시료(sample)를 넣는다. 시료 용액이 자장에 균일하게 영향을 받도록 자신의 축을 중심으로 회전시킨다. 자석의 홈에는 60 의 RF(라디오 진동수)를 생성하는 coil이 연결되어 있고 이 coil은 proton의 스핀 방향을 변화시킬 수 있도록 전자에너지를 공급한다. 이때 에너지의 흡수가 없으면 detector coil은 아무 변화가 없고 에너지가 흡수 되었을 때(공명이 일어났을 때) RF에너지 흡수가 검출기를 통해 기록계로 기록된다. 기록계는 걸어준 자기장의 세기를 x축흡수의 세기를 y축으로 하여 좌측(down field)에서 우측(up field)으로 그림을 그리게 된다.

 

 

실험 방법

1. IR 스펙트럼의 측정

1) 실험 전에 1시간 가량 기기를 충분히 가동시키며, IR spectrophoto meter의 원리와 조작 방법 등을 익힌다.

 

2) 고체상일 경우 유기용매를 이용하여 용액상으로 만든다 (액체상으로 만듦)

 

3) 만들어진 액체상의 시료를 KBr 펠렛에 스핀코터를 이용하여 코팅한다.

 

4) 첨가된 유기용매 및 수분 제거를 위하여 100℃ 진공오븐에 30분 건조시킨다.

 

5) 보조용 표준 필름(pohystyrene film)을 이용 피이크 보정을 한다.

 

6) Citronellol과 benzaldehyde를 Nujol에 묻혀 FT-IR 투과시험으로 스펙트럼을 얻는다.

 

7) 얻어진 두 스펙트럼을 보고 functional group을 정확히 확인해본다.

 

8) 미지 sample A를 IR spectrum을 얻은 후 reference book을 이용하여 시료의 구조를 분석한다.

 

9) 미지의 시료가 유기용매에 용해되지 않을 경우 ATR 액세서리를 이용하여 분석

 

2. NMR 스펙트럼의 측정

1) 먼저 NMR spectro photo meter의 원리와 조작에 대하여 익힌다.

 

2) CDCl₃ NMR 용매를 이용 sample 만드는 법을 배운다.

 

3) Citronellol과 benzaldehyde의 NMR 스펙트럼을 얻는다.

 

4) 3)에서 얻은 두 NMR spectrum을 보고 각각의 peak를 assign한다.

 

5) 미지 sample B NMR spectrum을 얻은 후 그들의 구조를 예측해본다.

 

 

 

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