12

Click here to load reader

분광학의 이해-01장

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: 분광학의 이해-01장

스펙트럼으로부터 미지시료의 화학 구조를 유추하기에 앞서, 그 물질의 분자식을 살펴봄으로써 어느 정도 문제를 단순화할 수 있다. 이 장의 목적은 화합물의 분자식은 어떻게 구해지며그 식으로부터 얼마나 많은 구조적 정보를 얻게 되는지를 기술하는 것이다. 이 장의 앞부분

에서는 분자식을 결정하는 고전적 방법을 훑어볼 것이다. 이런 방법들 중에서 많은 것들은 오늘날까지도 아직 일상적으로 사용되고 있지만, 질량분석법(mass spectrometry)이 점차 그 대안으로 활용되고 있다. 질량 분석기(mass spectrometer)의 사용법은 이 장의 끝부분과 제8장에 간략히 소개되어 있다.

1.1 원소분석및계산법

어떤 원소의 분자식을 결정하기 위한 고전적 과정은 세 단계로 나누어 볼 수 있다. 첫째 단계는 정성원소분석법(qualitative elemental analysis)을 시행하는 것인데, 이것은 분자에 어떠한 종류의 원소가존재하는지 알아내기 위한 것이다. 두 번째 단계는 정량원소분석법(quantitative elemental analysis)을시행하는 것인데, 이것은 그 분자에 들어 있는 특정 원소의 상대적 수를 결정하기 위한 것이다. 이 분석으로 실험식(empirical formula)을 구할 수 있다. 세 번째 단계는 분자질량(molecular mass) 또는 분자량(molecular weight) 결정 과정이며, 실험식과 연계하면 특정 원자들의 실제 수를 알 수 있다. 이렇게 하여 분자식(molecular formula)을 얻는다.사실상 모든 유기화합물에는 탄소와 수소가 있다. 그러므로 대다수의 경우 이들 원소의 존재 여

부를 밝힐 필요는 없고, 존재하는 것으로 가정한다. 그러나 어떤 화합물에 탄소나 수소가 존재하는가를 꼭 규명할 필요가 있을 경우에는 그 물질을 산소 존재하에서 태워 보면 알 수 있다. 태워서 이산화탄소가 발생하면 미지 물질에 탄소가 존재하는 것이고, 물이 생긴다면 수소 원자가 틀림없이 존재한다는 것을 의미한다.어떤 물질에 들어 있는 산소의 존재를 결정하기 위한 적당한 직접적인 방법은 없다는 것을 알아

야 한다. 결과적으로, 산소의 존재는 정성 분석법으로 알아낼 수 없다.질소, chlorine, bromine, iodine 및 sulfur는 소듐용융시험법(sodium fusion test)과 비슷한 방법으

로 확인할 수 있다. 그러한 시험법을 상세히 알고자 하면 정성 유기분석법에 관한 서적을 참고하길바란다. 이 장 끝의 참고 문헌에 관련 교재가 소개되어 있다.미지 물질에 존재하는 탄소와 수소의 정확한 양을 알기 위하여, 정량분석을 할 필요가 있다. 실

제로 상업적 연구소에서 빈번하게 그러한 분석을 시행하고 있다. 어떤 물질의 탄소와 수소의 양을 구하기 위한 방법에는 이산화탄소와 물로 태우는 과정(combustion)이 있다. 정량분석을 하려면 이산화탄소와 물을 모아 무게를 측정한다. 있을 수도 있는 황, 질소, halogen 원소의 양을 결정하기 위한 방법

1제 1장

분자식과 그 화학적 정보

SPECTROSCOPYIntroduction to

Page 2: 분광학의 이해-01장

들도 이용 가능하다. 원소 정량분석으로부터 미지 물질의 퍼센트 조성비를 구하는 산술적인 방법은일반화학에서 충분히 습득하였을 것이다. 그러나 정리할 겸, 보기로 미지 유기화합물을 이용하여, 퍼센트 조성비 계산법을 표 1.1에 요약하여 제시하였다. 이 본보기 계산법에서, 일반적으로 시료 중의산소의 퍼센트 비는 뺄셈하여 구한다는 것을 알아야 한다.고전적 방법을 사용하여 원소분석을 하는 연구실을 찾아보기란 매우 어렵다. 보통 정량분석을 전

문으로 하는 상업적 분석연구소에 시료를 보내거나, 최신 장비를 이용하게 된다. 상업적 연구소는 시료 중의 탄소와 수소의 퍼센트 비를 나열한 보고서를 보내 준다. 그 보고서에는 또 분석 의뢰한 다른원소들의 퍼센트 비도 나와 있다. 어떤 경우이거나, 이 절에서 약술한 원리가 적용된다. 그러나 실험과정에 너무 많은 시간이 소요되는 경향이 있어서, 모든 유기화학 연구실에서 시행하기란 쉽지 않다.상업용 원소분석기로 어떤 화합물의 탄소, 수소 및 질소의 퍼센트 비를 동시에 구해 낼 수 있다.

이 기기에서 시료는 산소 존재하에서 타게 된다. 기체생성물은 이산화탄소, 물 및 질소로 바뀐다. 열전도도 검출기를 이용하여, 이들 물질은 기체크로마토그래피로 검출된다. 태워서 생긴 각 기체의 정확한 양은 기체크로마토그래피의 해당 피크를 적분함으로써 구해진다. 어떤 기기로는 산소 분석을시행할 수 있다.퍼센트 조성비 결과는 연구물질의 실험식을 계산하기 위해서 사용될 수 있다. 그 시험 물질의 실

험식에서 원소들은 간단한 정수비(simplest whole-number ratios)로 표현되어 있음에 유의하라. 이러한 실험식은 시험 물질의 실제 분자식이 아닐 수도 있다. 분자식은 실험식의 몇 배일 수도 있다. 실험

14 분광학의 이해

C3HyOz + excess O2 sd x CO2 + y/2 H2O9.83 mg 23.26 mg 9.52 mg

millimoles CO2= =0.5285 mmoles CO2

mmoles CO2= mmoles C in original sample(0.5285 mmoles C)(12.01 mg/mmole C) = 6.35 mg C in original sample

millimoles H2O= =0.528 mmoles H2O

(0.528 mmoles H2O) =1.056 mmoles H in original sample

(1.056 mmoles H)(1.008 mg/mmole H) = 1.06 mg H in original sample

% C= ×100 = 64.6 %

% H= ×100 = 10.8 %

% O=100 - (64.6 + 10.8) = 24.6 %

1.06 mg H9.83 mg sample

6.35 mg C9.83 mg sample

2 mmoles H1 mmole H2O

9.52 mg H2O18.02 mg/mmole

23.26 mg CO244.01 mg/mmole

표1.1 연소자료로부터퍼센트조성비계산법

Page 3: 분광학의 이해-01장

제1장 분자식과 그 화학적 정보 15

식을 구하기 위해 쓰이는 산술적 방법은 일반화학에서 흔히 다루었으므로 익숙할 것이지만, 실례로,앞에서 제시한 동일한 미지시료를 사용하여 계산한 본보기 계산법이 표 1.2에 나와 있다.

1.2 분자질량 (Molecular Mass)결정법

물질의 분자식 결정의 다음 단계는 그 물질 1 몰의 무게를 얻는 것이다. 이것은 여러 가지 다양한 방법으로 가능하다. 미지 물질의 분자질량을 알지 못한다면 원소분석으로부터 직접 구한 실험식이 그물질의 진정한 분자식인지 또는 그 실험식에 정수배를 곱해야 분자식이 되는지를 말할 수 있는 방법

이 없다. 1.1절에 인용한 예처럼, 미지 물질의 분자질량을 알지 못하고서는, 분자식이 C7H14O2인지 또

는 C14H28O4인가를 말하는 것은 불가능하다.최신식 연구실에서는, 분자질량(molecular mass)은 질량분석법(mass spectrometry)을 이용하여

결정된다. 이 분광법의 상세한 설명과 분자질량 결정 방법은 1.6절과 8장의 8.4절에 언급되어 있다. 다만 이 절에서는 같은 정보를 얻을 수 있는 몇 가지 고전적 방법을 정리하고자 한다.

Using a 100-g sample:64.6% of C = 64.6 g10.8% of H = 10.8 g

24.6% of O=

moles C= =5.38 moles C

moles H= =10.7 moles H

moles O= =1.54 moles O

giving the result

C5.38H10.7O1.54

Converting to the simplest ratio:

C H O =C3.49H6.95O1.00

which approximatesC3.50H7.00O1.00

orC7H14O2

1.541.54

10.71.54

5.381.54

24.6 g16.0 g/mole

10.8 g1.008 g/mole

64.6 g12.01 g/mole

24.6 g100 g

표1.2 실험식(Empirical Formula)계산법

Page 4: 분광학의 이해-01장

물질의 분자질량을 얻기 위한 오래된 방법 한 가지는, 일반화학적 원리에 근거를 둔 것으로서,증기밀도법(vapor density method)이 있다. 이 방법에서는 일정 온도에서 기체의 일정 부피의 무게를잰다. 다음으로 그 기체의 부피를 표준온도 및 압력에서의 부피로 환산한 후에, 그 부피 속의 몰 수를구해 낼 수 있다. 이 자료로부터 그 물질의 분자질량을 계산할 수 있다.물질의 분자질량을 얻기 위한 또 다른 방법은, 아는 양의 미지 물질이 용매에 녹았을 때 나타나

는 용매의 어는점내림을 재는 것이다. 이것은 어는점내림법(cryoscopic method)으로 알려져 있다. 가끔 사용되는 또 다른 방법으로 증기압삼투압법(vapor pressure osmometry)이 있다. 여기서 물질의 분자질량은, 시험 물질을 용매에 녹였을 때 나타나는 용매의 증기압 변화를 조사함으로써 구할 수 있다.미지 물질이 carboxylic acid이라면, 표준화된 수산화소듐 용액으로 적정해 볼 수 있다. 이 실험

으로 중화당량(neutralization equivalent)을 구할 수 있다. 이 중화당량은 그 산의 당량(equivalentweight)과 동일하다. 만약 그 산에 하나의 carboxyl기가 있다면, 중화당량과 분자질량은 동일하다. 산에 하나 이상의 carboxyl기가 있다면 중화당량은 산의 분자질량을 carboxyl 그룹의 수로 나눈 값이 될것이다. 많은 종류의 phenol (특히 전자끌기 그룹으로 치환된 것)은, sulfonic acid의 경우처럼, 충분히산도가 높아서 이와 같은 방법으로 적정될 수 있다.

1.3 분자식 (Molecular Formula)

일단 분자질량과 실험식이 알려지면, 바로 분자식(molecular formula)을 구하는 과정으로 접어들 수있다. 종종 실험식량(empirical formula weight)과 분자질량이 같을 수 있다. 이러한 경우 실험식이 곧실제 분자식이 된다. 그러나 많은 경우에 실험식량은 분자질량보다 적어서, 분자식이 실험식량의 몇배가 되는지를 정해야 한다. 이렇게 알아낸 배수가 분자식을 얻기 위하여 실험식에 곱해야 되는 수이다.아주 간단한 예로 ethane을 들어 보자. 정량분석으로 실험식은 CH3인 것으로 밝혀졌고, 분자질

량은 30으로 정해졌다. Ethane의 실험식량 15는 분자질량 30의 반이다 (즉 분자질량은 실험식량의 두배). 그러므로 ethane의 분자식은 2(CH3) 또는 C2H6이 되어야 한다.이 장의 앞부분에서 소개된 미지시료의 경우에, 실험식은 C7H14O2로 밝혀졌다. 화학식량

(formula weight)은 130이다. 이 물질의 분자질량이 130으로 결정되었다고 한다면, 실험식과 분자식은동일하며 분자식은 C7H14O2이 되어야 한다고 결론지을 수 있다.

1.4 수소모자람지수 (Index of Hydrogen Deficiency)

단순히 미지시료의 분자식을 알기만 해도, 그 시료에 관하여 많은 것을 알 수 있다. 이 정보는 다음과같은 일반적인 분자식에 근거하고 있다.

alkane CnH2n+2}차이: 수소 원자 2개cycloalkane 또는 alkene CnH2n

alkyne CnH2n-2}차이: 수소 원자 2개

16 분광학의 이해

Page 5: 분광학의 이해-01장

고리나 π-결합이 분자 내에 도입될 때마다 분자식에서 수소의 수가 둘씩 감소한다는 점에 유

의하자. 삼중 결합 (2개의 π-결합)이 분자 내에 도입될 때마다, 분자식에서 수소의 수는 넷씩 감소하게 된다. 화합물의 분자식에 탄소 및 수소가 아닌 원소가 있을 때, 탄소 대 수소의 비는 변한다. 이 비율

이 어떻게 변하는지를 예견하기 위하여 이용할 수 있는 세 가지 간단한 규칙을 다음에 제시한다.

1. 열린사슬 포화탄화수소의 분자식을 group V 원소 (N, P, As, Sb, Bi)가 들어 있는 식으로 바꾸려면, 그런 group V 원소가 있을 때마다 수소 원자를 분자식에 하나씩 더하여야 한다. 다음 예에서,각 식은 탄소 두 개의 비고리형 포화화합물에 맞게 고친 것이다.

C2H6, C2H7N, C2H8N2, C2H9N3

2. 열린사슬 탄화수소의 분자식을 group VI 원소 (O, S, Se, Te)가 들어 있는 식으로 바꿀 때, 그런원소가 있더라도 수소의 수는 바꿀 필요없이 그대로 둔다. 다음 예에서, 각 식은 탄소 두 개의 비

고리형 포화화합물에 맞게 고친 것이다.

C2H6, C2H6O, C2H6O2, C2H6O3

3. 열린사슬 포화탄화수소 분자식을 group VII 원소 (F, Cl, Br, I)가 들어 있는 식으로 바꾸려면,group VII 원소가 있을 때마다 수소 원자를 분자식에서 하나씩 빼주어야 한다. 다음 예에서, 각식은 탄소 2개의 비고리형 포화화합물에 맞게 고친 것이다.

C2H6, C2H5F, C2H4F2, C2H3F3

수소모자람 지수 (index of hydrogen deficiency) (때로는 불포화 지수: unsaturation index라고 부른다)는 분자에 있는 π-결합 및 고리의 수이다. 이것은 미지 물질의 분자식을 살펴보고 해당하는 비고리형 포화화합물의 식과 비교함으로써 구할 수 있다. 이들 두 분자식 사이의 수소 수의 차이를 둘로 나누었을 때의 값이 수소모자람 지수이다.수소모자람 지수는 구조 결정 문제에서 매우 유용하게 쓸 수 있다. 단 하나의 스펙트럼을 살펴

보지도 않고, 분자에 관한 매우 많은 정보를 얻을 수 있다. 예를 들어, 지수가 1 (하나)인 화합물에는이중결합 한 개 또는 고리 한 개가 틀림없이 들어 있어야 한다. 그러나 동시에 두 구조적 특성이 있을 수는 없다. 바로 적외선 스펙트럼을 살펴보면, 이중결합의 유무를 확인할 수 있다. 만약 이중결합이 없다면 그 화합물은 고리형이며 포화화합물일 것이다. 지수 2 (둘)인 화합물에는 삼중결합이 한개 들어 있거나, 이중결합이 두 개 또는 고리가 두 개, 아니면, 고리 한 개와 이중결합 한 개가 있을수 있을 것이다. 물질의 수소모자람 지수를 알게 되면, 화학연구자는 π-결합 및 고리의 유무를 확인

하기 위하여 스펙트럼의 적당한 영역을 살펴보는 과정으로 바로 접어들 수 있다. Benzene에는 고리한 개와“이중결합”세 개가 있다. 따라서 수소모자람 지수는 4 (넷)이다. 넷 또는 그 이상 지수의 화합물에는 benzene계 고리가 있을 수 있다; 넷보다 적은 지수의 화합물에는 그런 고리가 있을 수 없다.화합물의 수소모자람 지수를 구하려면 다음 단계를 적용한다.

1. 미지 물질과 같은 수의 탄소 원자가 있는 포화비고리형 탄화수소 화합물의 식을 구한다.

2. 미지 물질에 들어 있는, 탄소가 아닌 다른 원소들에 맞게 식을 고친다. Group V 원소 각각마

제1장 분자식과 그 화학적 정보 17

Page 6: 분광학의 이해-01장

다 수소 원소를 하나씩 더한다. Group VII 원소 각각마다 수소 원소를 하나씩 뺀다.

3. 이 식을 미지 물질의 분자식과 비교한다. 두 식 사이의 수소 원자 수의 차이를 구한다.

4. 수소모자람 지수를 구하기 위하여 위의 수소 원자 수의 차이를 둘로 나눈다. 이것이 미지 물질의 구조식에 있는 π-결합 및 고리의 수가 된다.

다음 예에서, 수소모자람 지수는 어떻게 구해지며 그리고 이 정보가 미지 물질의 구조를 정하는데 어떻게 적용되는가를 보여주고자 한다.

18 분광학의 이해

이 장의 처음에 소개되었던 미지 물질의 분자식은 C7H14O2이다.

1. 비고리형 포화탄화수소 (CnH2n+2, n= 7)의 일반식을 사용하여 식 C7H16을 구한다.

2. 산소에 맞추어 고쳐서(수소 수의 변화 없음) 식 C7H16O2를 구한다.

3. 이 마지막 식은 미지 물질의 식과 수소 수 두 개가 차이 난다.

4. 수소모자람 지수는 1(하나)이다. 미지 물질에는 이중결합 한 개 또는 고리 한 개가 있음이 분명하다.

이러한 정보를 가지고, 화학연구자는 바로 적외선 스펙트럼의 이중결합 영역을 살펴볼 수 있다.거기서 탄소-산소 이중결합 (carbonyl 그룹)이 있다는 것을 안다면, 미지 물질이 될 가능성이 있는이성질체 중에서, 그 수는 상당히 줄어들게 된다. 스펙트럼을 분석하여 좀더 증거를 찾으면, 미지물질의 실체는 다음과 같은 isopentyl acetate라는 결론에 도달하게 된다.

예제 1

Nicotine의 분자식은 C10H14N2이다.

1. 탄소 열 개의 비고리형 포화탄화수소의 식은 C10H22이다

2. 두 개의 질소에 맞추어 고쳐서 (수소 두 개 더함) 식 C10H24N2를 구한다.

3. 마지막 식은 nicotine의 식과 수소 수 열 개가 차이 난다.

4. 수소모자람 지수는 5 (다섯)이다. 이 분자에는 이중결합 및 고리의 수가 다섯 개인 조합이 있음에 틀림없다. 지수가 4를 넘기 때문에, 이 분자에는 benzene계 고리도 가능하다.

스펙트럼을 분석하여 nicotine에는 benzenoid 고리가 정말로 있다는 것을 금방 알아냈다. 스펙트

예제 2

Page 7: 분광학의 이해-01장

1.5 십삼의규칙 (Rule of Thirteen)

고분해능 질량분석법(high resolution mass spectrometry) 으로 사용자는 직접 정밀분자식(exactmolecular formula)을 결정할 수 있는 분자질량 정보를 얻을 수 있다. 8장에 나와 있는 정밀질량(exact mass) 결정법의 논의에서 이 과정을 상세히 설명할 것이다. 그러나 그러한 분자질량 정보를얻을 수 없을 때, 주어진 질량에 대한 모든 가능한 분자식을 만들어 보면 종종 유용하게 사용할 수있다. 다른 형태의 스펙트럼 정보를 적용함으로써, 이들 가능한 구조식에서 바른 식을 구별해 낼 수있다. 주어진 분자질량에 대한 가능한 분자식을 만들어 내기 위한 유용한 방법이 십삼의 규칙(Rule ofThirteen)이다.1

십삼의 규칙의 첫 번째 단계로 탄소와 수소만이 들어 있는 기본식(base formula)을 만든다. 기본식은 분자질량 (M)을 13 (탄소와 수소의 질량)으로 나눔으로써 얻을 수 있다. 이 계산으로 몫 (n)과나머지 (r)를 얻는다.

= n+ r13

M13

제1장 분자식과 그 화학적 정보 19

럼 분석 결과, 다른 이중결합은 없으며, 포화된 다른 고리가 그분자에 틀림없이 있어야 하는 것으로 제시되었다. 스펙트럼을더욱 더 세밀하게 분석 (refinement)하여, nicotine의 구조식은다음과 같다는 결론에 이르렀다.

Chloral 수화물 (knockout drops)의 분자식은 C2H3Cl3O2로 밝혀졌다.

1. 탄소 두 개의 비고리형 포화탄화수소의 식은 C2H6이다.

2. 산소에 맞추어 고쳐서 (수소 수의 변화 없음) 식 C2H6O2를 구한다.

3. Chlorine에 맞추어 고쳐서 (수소 세 개를 뺌) 식 C2H3Cl3O2를 구한다

4. 이 식과 chloral 수화물의 식은 정확히 같다.

5. 수소모자람 지수는 0이다. Chloral 수화물에는 고리나 이중결합이 있을 수 없다.

스펙트럼을 조사하니, 그것은 단일결합 구조형에 해당하는 영역에 한정하여 나타났다. Chloral 수화물의 바른 구조식은 다음과 같다. 이 분자의 모든 결합은 단일결합이라는 것을 쉽게 알수 있을 것이다.

예제 3

1 Bright, J. W., and E. C. M. Chen, “Mass Spectral Interpretation Using the ‘Rule of 13,”’ Journal of Chemical Education, 60, (1983): 557.

Page 8: 분광학의 이해-01장

이렇게 하여 다음의 기본식이 구해진다.

CnHn+r

이것은 분자질량 (M)만큼 되는 탄소와 수소의 수의 조합이다.앞 식의 수소모자람 지수(불포화 지수) (U)는 다음 관계식을 적용함으로써 쉽게 구할 수 있다.

물론 수소모자람 지수는 1.4절에서 다룬 방법으로도 구할 수 있다.

U=

탄소와 수소 이외의 다른 원자가 들어 있는 식을 도출하려면, 그 식에 들어 있는 다른 원자와 같은 질량만큼의 탄소와 수소를 조합하여 빼야 된다. 예로, 기본식을 산소 원자가 들어 있는 새로운 식으로 바꾸려면, 탄소 한 개와 수소 네 개를 동시에 빼고 산소 원자 하나를 넣으면 된다. 양쪽 변환에분자질량 당량(equivalent) 16(O=CH4=16)이 관여되어 있다. 유기화합물에서 흔히 볼 수 있는 보편적인 원소로 탄소와 수소가 바뀔 때의 탄소/수소 당량을 표 1.3에 나타냈다.2

십삼의 규칙이 어떻게 적용되는지를 이해하기 위하여 질량 94 amu의 미지 물질을 생각하여 보자. 식을 적용하면 다음과 같으며, 따라서 n = 7과 r = 3이다.

=7+

기본식은 다음과 같이 된다.

C7H10

수소모자람 지수는 다음과 같다.

U= = 3(7-3+2)2

313

9413

(n-r+2)2

20 분광학의 이해

2표 1.3에서 chlorine과 bromine의 당량은 동위원소 35Cl과 79Br이 각각 존재한다는 가정 아래 결정된 것이다. 이 방법을 적용할 때는 언제나이 가정을 적용하라.

표1.3 몇가지보편적인원소에대한탄소/수소당량(C/H equivalent)

Add subtract Add Add Subtract AddElement Equivalent ∆∆U Element Equivalent ∆∆U

C H12 7 35Cl C2H11 3H12 C -7 79Br C6H7 -3O CH4 1 79Br C5H19 4O2 C2H8 2 F CH7 2O3 C3H12 3 Si C2H4 1N CH2 P C2H7 2N2 C2H4 1 I C9H19 0S C2H8 2 I C10H7 7

12

Page 9: 분광학의 이해-01장

이 식에 맞는 물질에는 고리 및 다중 결합의 수가 세 개인 조합이 있어야 한다. 가능한 구조는 다음과 같을 것이다.

같은 분자질량을 가지지만 산소 원자가 하나 들어 있는 물질에 관심이 있다면, 분자식은 C6H6O가 될 것이다. 이 식은 다음 식에 따라 구해졌다.

1. 기본식=C7H10 U= 3

2. 더하기: +O

3. 빼기: -CH4

4. U값의 변화: ∆U= 1

5. 새 식=C6H6O6. 새 수소모자람 지수: U= 4

이 자료에 맞을 가능성이 있는 물질은 다음과 같다.

다음과 같이 분자질량 94 amu을 갖은 분자식이 더 있을 수 있다.

C5H2O2 U= 5 C5H2S U= 5

C6H8N U=3 CH3Br U= 0

식 C6H8N에서 볼 수 있듯이, 짝수의 수소 원자와 홀수의 질소 원자를 포함하는 어떤 식에서도 U값은 분수 값이 되기 때문에, 이런 것들은 가능한 선택이 아니다.

0보다 적은 U값 (즉 음수)을 갖는 어떤 화합물도 적당한 조합이 아니다. 그런 값은 종종 분자식에 산소나 질소 원자가 있어야 한다는 표시이다.이 방법으로 식을 계산할 때, 충분한 수소가 없다면, 탄소 1개를 빼고 수소 12개를 더한다 (그리

고 U값을 적절히 고친다). 이 방법은 U값이 양일 때에만 적용된다. 대안으로, U값이 7보다 크다면,탄소 1개를 더하고 수소 12개를 빼서 (그리고 U값도 고치고), 다른 가능성이 있는 분자식을 얻을 수있다.

12

제1장 분자식과 그 화학적 정보 21

Page 10: 분광학의 이해-01장

1.6 질량스펙트럼맛보기

제8장에 질량분석법(mass spectrometry)에 대해 상세히 논의되어 있다. 분자식 결정 문제에 질량분석법을 적용하려면 8.1∼8.4절을 참조하라. 간단히 언급하면, 질량 분석기는 높은 에너지의 전자살(electron beam)을 분자에 쪼여서 분석하는 기기이다. 이 전자살은 분자의 전자 하나를 떼어냄으로써 분자를 양이온으로 바꾼다. 양으로 하전된 이온들은 자기장 속의 굽은 길을 따라 가속된다. 이온들이 지나간 그 길의 곡률 반지름은 이온의 질량과 전하의 비(e/m 비)에 의존적이다. 그 이온들은 곡률 반지름에 따라 결정되는 위치에서 검출기를 때리게 된다. 특정 질량/전하 비를 갖는 이온들의 수는 그 비의 함수로 기록된다. 가장 큰 질량/전하 비의 입자는, 전하가 1이라고 가정하면, 오직 전자 하나만이 제거된 손상되지

않은 분자의 모습을 하고 있다. 이 입자를 분자이온(molecular ion) (8장, 8.3절 참조)이라고 부르는데,질량 스펙트럼에서 찾아서 확인할 수 있다. 스펙트럼에서의 위치로부터 그것의 무게를 구할 수 있다. 떨어져 나간 전자의 질량은 매우 작아서, 분자이온의 질량은 본질적으로 원래 분자의 분자질량과 같다. 이렇게 질량 분석기는 분자질량 정보를 제공할 수 있는 분석기기이다.사실상 모든 원소들은 자연계에서 여러 가지 동위원소의 형태로 존재한다. 이들 동위원소 각각

의 자연계 존재 비율(natural abundance)은 알려져 있다. 질량 스펙트럼은 분자의 각 원자가 가장 흔한 동위원소일 때의 분자이온의 질량도 나타낼 뿐 아니라, 더 무거운 동위원소를 지닌 같은 분자에해당하는 피크도 나타낸다. 분자이온과 더 무거운 동위원소 피크의 세기의 비는 각 동위원소의 자연계 존재 비율에 따라 달라진다. 각 형태의 분자는 원자들의 고유한 조합으로 되어 있고, 각 형태의원자와 그 동위원소들은 자연계에서 고유한 비율로 존재하기 때문에, 분자이온과 동위원소 피크의세기의 비는 분자를 이루고 있는 각 형태의 원자의 수에 관한 정보를 제공한다.예로, bromine의 존재는 쉽게 알아낼 수 있다. 그 이유는 bromine의 경우 분자이온과 동위원소

피크를 쉽게 알아볼 수 있는 양상을 보이기 때문이다. Bromine의 경우에, 분자이온 피크의 질량 M인 것을 찾고, 분자이온보다 질량 단위 (mass unit) 2가 더 무거운 동위원소 피크의 질량 M+ 2인 것을 찾으면, M과 M+ 2 피크의 세기의 비는 약 1:1이 될 것이다 (상세한 설명은 8장 8.5절을 참조하라). Chlorine이 있을 때, M과 M+ 2 피크의 세기의 비는 약 3:1이 될 것이다. 이런 비는 이 원소들의 흔한 동위원소의 자연계 존재 비율을 반영하고 있는 것이다. 따라서 질량분석법에서 동위원소비 연구(isotope ratio studies)는 물질의 분자식을 구하기 위해 활용될 수 있다.분자식을 구하기 위해 활용할 수 있는 또 다른 방법은 질소규칙(Nitrogen Rule)을 이용하는 것

이다. 이 규칙은 분자를 이루고 있는 질소 원자의 수가 홀수일 때, 분자질량은 홀수일 것이고; 분자를 이루고 있는 질소 원자의 수가 짝수 (또는 0)일 때, 분자질량은 짝수일 것이라는 것을 의미한다.이 질소규칙은 8장, 8.4절에서 더 설명되어 있다.고분해능 질량 분석기의 출현으로, 분자식을 구하기 위해 분자이온의 정밀질량(precise mass)

결정법을 이용하는 것도 가능해졌다. 원소들의 원자량을 매우 정밀하게 구해 보면, 그것들은 꼭 정수 값을 나타내지 않는다고 밝혀졌다. 모든 동위원소 질량에는 특징적으로 작은“질량결손(massdefect)”이 있다. 이 질량결손은 동위원소 질량과 완전히 정수인 질량수와의 차이만큼에 해당하는 양이다. 각 원소의 각 동위원소마다 질량결손은 고유하다. 결과적으로, 주어진 명목상의 질량값에 질량결손을 고려하여 원자량을 조합하면 모두 고유한 값이 되기 때문에, 정밀질량 결정법은 시료 물질의

22 분광학의 이해

Page 11: 분광학의 이해-01장

분자식을 구할 때 사용할 수 있다. 예로, 표 1.4에 있는 각 물질들이 갖는 명목상의 질량은 44 amu이다. 하지만, 표에서 볼 수 있듯이, 소수점 넷째 자리까지 측정하였을 때, 정밀원자질량(exact atomic mass)을 더하여 계산한그 물질들의 정밀질량(exact mass) 은사실상 다르다.

*1. 연구자가 가솔린의 노킹방지 첨가제로 사용되는 화합물을 분석하기 위하여 연소법을 이용하였다. 9.394 -mg의 화합물이 타서, 31.154 mg의 이산화탄소와 7.977 mg의 물이 생겼다.(a) 화합물의 퍼센트 조성비를 계산하라.(b) 그것의 실험식을 구하라.

*2. 미지 물질 8.23 -mg의 시료를 태워서 9.62 mg의 CO2와 3.94 mg의 H2O을 얻었다. Halogen 분석법으로, 그 물질의 다른 시료 5.32 mg으로부터 13.49 mg의 AgCl을 얻었다. 이 유기물질의 퍼센트조성비와 실험식을 구하라.

*3. 어떤 중요한 아미노산의 퍼센트 조성비는 C 32.00 %, H 6.71 % 및 N 18.66 %이었다. 이 물질의실험식을 구하라.

*4. 진통제로 알려진 어떤 화합물의 실험식은 C9H8O4이었다. 이 시료 5.02 mg과 camphor 50.37 mg을 섞고 이 혼합물의 녹는점을 측정하였다. 이 혼합물의 녹는점은 156℃로 관찰되었다. 이 물질의 분자질량은 얼마인가?

*5. 어떤 산을 23.1 mL의 0.1 N 수산화소듐으로 적정하였다. 이 산의 무게는 120.8 mg이었다. 이 산의 당량(equivalent weight)은 얼마인가?

*6. 아래 각각의 화합물들의 수소모자람 지수를 구하라.(a) C8H7NO (b) C3H7NO3 (c) C4H4BrNO2 (d) C5H3ClN4 (e) C21H22N2O2

*7. 어떤 물질의 분자식은 C4H9N이다. 이 물질에 삼중결합이 들어 있을 가능성이 있는가? 그 이유를 설명하라.

*8. (a) 어떤 연구자가 전나무의 껍질로부터 추출한 미지 고체의 퍼센트 조성비를 구하려고 분석하였다. 11.32 -mg의 시료를 연소기구에서 태웠다. 이산화탄소 (24.87 mg)와 물(5.82 mg)이 모아졌다. 이 분석 결과로부터 이 고체의 퍼센트 조성비를 구하라.(b) 이 고체의 실험식을 구하라.(c) 질량분석법으로 분자질량은 420 g/mole이었다. 분자식은 무엇인가?(d) 이 화합물에는 몇 개의 방향족 고리가 있을 수 있는가?

제1장 분자식과 그 화학적 정보 23

표1.4 분자질량44amu인물질의정밀질량

Compound Exact Mass (amu)

CO2 43.9898N2O 44.0011

C2H4O 44.0262C3H8 44.0626

연습문제

Page 12: 분광학의 이해-01장

*9. 십삼의 규칙을 이용하여 분자량 136의 화합물의 가능한 분자식을 구하라. 각 분자에 들어 있는다른 원자는 오직 탄소와 수소뿐인 것으로 가정한다.(a) 산소 원자가 둘 들어 있는 화합물(b) 질소 원자가 둘 들어 있는 화합물(c) 질소 원자 둘과 산소 원자 하나가 들어 있는 화합물(d) 탄소 원자 다섯과 산소 원자 넷이 들어 있는 화합물

*10. 보통의 가정용 음료수에서 어떤 알칼로이드를 분리하였다. 이 미지 알칼로이드는 분자질량194인 것으로 판명되었다. 십삼의 규칙을 이용하여, 이 물질의 분자식과 수소모자람 지수를 구하라. 알칼로이드는 nitrogen을 포함하는 천연에 존재하는 유기물질이다 (힌트: 이 분자식에는질소 원자 넷과 산소 원자 둘이 들어 있다. 이 미지 물질은 caffeine이다. The Merck Index에서이 물질의 구조를 찾아보고 그 분자식을 확인하라).

*11. 마약단속반(Drug Enforcement Agency, DEA)에서 마약 수색 중에 환각성 물질을 압수했다. 마약단속반 화학자가 그 미지 환각제를 화학분석하였을 때, 그 물질의 분자량은 314였다. 원소분석으로 오직 탄소와 수소만이 들어 있는 것으로 제안되었다. 십삼의 규칙을 이용하여, 이 물질의 분자식과 수소모자람 지수를 구하라 (힌트: 미지 물질은 또 산소 원자를 둘 지니고 있다. 그물질은 대마의 활성 성분인 tetrahydrocannabinol이다. The Merck Index에서 tetra-hydrocannabinol의 구조를 찾아보고 그 분자식을 확인하라).

12. 소의 우유 시료에서 탄수화물을 분리하였다. 그 물질은 분자질량 342인 것으로 밝혀졌다. 이 미지 탄수화물을 가수분해하여 분자질량이 각각 180인 두 이성질체 화합물을 얻었다. 십삼의 규칙을 이용하여, 이 물질과 가수분해 생성물의 분자식과 수소모자람 지수를 구하라 (힌트: 이 생성물의 분자식에 있는 각 탄소마다 산소 원자가 하나씩 있다. 이 미지 물질은 lactose이다. TheMerck Index에서 그 구조를 찾아보고 그 분자식을 확인하라).

24 분광학의 이해

Budavari, S., ed. The Merck Index, 12th ed., WhitehouseStation, NJ: Merck & Co., 1996.

Pavia, D. L., Lampman, G. M., Kriz, G. S., and Engel, R. G.,Introduction to Organic Laboratory Techniques: ASmall Scale Approach, Philadelphia, PA: SaundersCollege Publishing, 1998.

Pavia, D. L., Lampman, G. M., Kriz, G. S., and Engel,R. G., Introduction to Organic Laboratory

Techniques: A Microscale Approach, 3rd ed.,Philadelphia, PA: Saunders College Publishing, 1999.

Shriner, R. L., Hermann, C. K. F., Morrill, T. C., Curtin,D. Y., and Fuson, R. C., The Systematic Identificationof Organic Compounds, 7th ed., New York, NY:John Wiley & Sons, 1998.

* Answers are provided in the chapter, Answers to Selected Problems

참고문헌