핵심 개념
이 유기 화학 자습서에서는 알려지지 않은 화합물을 식별하기 위해 IR 및 NMR 스펙트럼 분석 기술을 사용하는 방법을 탐구합니다. 예제를 사용하여 분석 프로세스를 연습하기 전에 각 기술을 간단히 탐색합니다.
유기적 구조 이해
화학자가 가질 수있는 가장 중요한 기술 중 하나는 알려지지 않은 물질을 식별하는 것입니다. 유기 물질을 사용하면 하나의 분석 방법은 일반적으로 미지의에 대한 몇 가지 구조적 세부 사항 만 제공합니다. 결과적으로, 유기 화학자는 종종 식별하기 전에 여러 분석을 수행해야합니다. IR 및 NMR 분광법과 결합 된 포화 분석은 다중 공통 유기 화합물을 식별 할 수있는 분석 기술 중 하나입니다.
이 세 가지 방법 각각이 어떻게 작동하는지 간단히 살펴 보겠습니다. 그런 다음, 그들이 예를 들어 어떻게 협력하는지 봅시다.
전 스펙트럼 분석 :불포화 정도
포화 분석을 수행하고 불포화 정도를 계산하려면 알려지지 않은 분자 공식을 알아야합니다. 전체 구조를 알지 못하고 이것을 찾을 수있는 여러 가지 방법이 있습니다. 이러한 방법에는 질량 분석법, 연소 분석, 화학량 론과의 가연성 부산물 분석 및 기타 몇 가지가 포함됩니다.
화학식을 사용하면 각 성분의 비율을 사용하여 화합물의 불포화 정도를 계산할 수 있습니다. 구체적으로, 당신은 다음 공식을 사용합니다 :
불포화 정도 =(2 (c) + 2 - (h + x - n))/2
c =공식의 탄소 수
h =공식에서의 수소 수
x =공식
의 할로겐 수n =공식에서의 니트로겐 수
공식의 작동 방식에 대한 자세한 내용은 더 깊은 설명을 제공하는이 기사를 확인하십시오.
화합물의 불포화 정도는 항상 정수가 될 것이며, 이는 PI 결합 및 고리 구조의 합과 같습니다. 예를 들어, Cyclopentadiene (c 5 와 함께 위의 공식을 사용하는 경우 H 6 ), 3 도의 불포화를 계산합니다. 따라서, 사이클로 펜타 디엔은 1 개의 고리 구조와 2 개의 PI 결합을 갖는다.
미지의 불포화 정도를 아는 것은 추가 분석을 알리는 데 도움이되는 중요한 단서를 제공합니다.
스펙트럼 분석 I :IR 분광법
다음으로 IR 스펙트럼 분석을 사용하여 알려지지 않은 특정 기능 그룹을 추가로 식별 할 수 있습니다. 미지의 기하학 및 화학에 기초하여, 화학적 결합은 각각 특정 주파수에서 진동한다. IR 이론에 따르면 분자 구조는 본드 진동의 주파수와 공명하는 주파수에서만 적외선 방사선을 흡수한다고합니다. IR 분광기는 이러한 흡광도를 픽업하여 IR 스펙트럼 형태로 분자와 관련된 각 공명 주파수를 제공 할 수 있습니다. IR 분광학의 과학에 대한 자세한 내용은이 기사를 확인하십시오.
IR 스펙트럼에서, 특정 "피크"(또는 "계곡")은 화합물에서 발견되는 결합의 중요한 공명 빈도에 해당합니다.
X 축은 "Wavenumbers"라고도하는 역 센티미터 (CM)의 단위로 표시되며, 이는 공명 주파수의 역수를 나타냅니다. 일반적으로, 파수가 높을수록 더 강한 결합을 나타냅니다. 예를 들어, 탄소-탄소 이중 결합 (~ 1680cm)은 방향족 탄소 탄소 결합 (~ 1500cm)보다 파수가 높지만 탄소-탄소 삼중 결합 (~ 2200cm)보다 낮습니다.
중요하게도, 동일한 결합은 분자 내 주변 영역의 화학에 따라 다른 파수를 가질 수있다. 아미드 (~ 1690cm)의 카르 보닐기는 일반적으로 카르 복실 산 (~ 1750cm)의 카르 보닐과 다른 공명을 갖는다. 컨쥬 게이션은 또한 파수, 특히 카르 보닐에서 영향을 줄 수 있습니다.
Y 축은 피크의 강도를 나타내며, 이는 더 강한 쌍극자 모멘트를 갖는 결합으로 증가하는 경향이 있습니다. 예를 들어, 카르 보닐 그룹은 비극성 탄소 탄소 이중 결합보다 강도가 높은 경향이 있습니다.
운 좋게도, 대부분의 채권에 대한 IR 공명 주파수는 많은 교과서와 온라인 리소스에 표로 표시되어 있습니다. 일반적인 채권 파수의 포괄적 인 목록은 여기에서 찾을 수 있습니다.
스펙트럼 분석 II :NMR 분광법
마지막으로, 가장 중요한 기능 그룹을 알면 NMR 스펙트럼 분석을 사용하여 분자의 탄화수소 골격을 더 잘 이해할 수 있습니다. 원자에 핵 스핀이 있으면 자기 쌍극자 모멘트를 나타냅니다. 이 쌍극자 순간은 결과적으로 NMR이 주파수로 측정하는 원자의 접지 상태에서 활기찬 변화를 포함합니다. 그러나, 이것은 수소 -1 (H) 및 탄소 -13 (c)과 같은 핵 스핀이있는 원자에만 적용된다. NMR 분광법의 물리학에 대해 자세히 알아 보려면이 기사를 확인하십시오.
H NMR에서 가장 일반적인 방법으로 화학적으로 다른 수소는 측정 값으로 다른 주파수를 제공합니다. NMR 분광법은 PPM에서 이러한 주파수를 정량화하며, 더 높은 값은 더 강한 쌍극자 모멘트를 나타냅니다. 중요하게도, 수소 근처의 다른 원자의 자기장은 분자 내 전자의 분포에 따라 핵 스핀을 이동시킨다. 일반적으로, 더 많은 전자가 빈약 또는 "분리 된"하이드로겐은 전자가 풍부하거나 "차폐 된"하이드로겐보다 PPM이 더 높다. NMR 스펙트럼은 화학적으로 독특한 수소의 이러한 "화학적 이동"을 반영합니다. 일반적인 NMR 화학 교대의 포괄적 인 목록은 여기에서 찾을 수 있습니다.
NMR의 피크는 종종 2, 3, 4 등으로 그룹화된다는 것을 알 수 있습니다. 이것은“n + 1”규칙을 따르는 인접한 수소의“분할”효과에서 비롯됩니다. 4 개의 피크 그룹은 이웃 원자에 3 개의 수소가 있고, 3 개의 피크는 근처의 수소 2 개 등을 나타냅니다.
마지막으로 피크 그룹을 통합 할 수 있습니다. 피크 그룹 아래의 상대 영역은 해당 주파수에서의 수소 수를 나타냅니다. 구체적으로, 3 개의 하이드로겐을 나타내는 피크는 1 개의 수소를 나타내는 지역의 3 배, 6 개의 수소를 나타내는 것의 절반 등을 가지고 있습니다.
이러한 모든 복잡성으로 NMR은 다음 섹션에서 볼 수 있듯이 강력한 분석 도구입니다.
완전한 스펙트럼 분석 :예
이러한 각 방법이 서로를 보완하는 방법을 충분히 이해하려면 예를 살펴 보겠습니다. 명심하십시오 :교수는 일반적으로 대학 유기 화학 시험에서 이와 같은 문제를 사용합니다!
언젠가 실험실에서 맹렬하게 생산 된 알려지지 않은 화합물이 있다고 가정 해 봅시다. 당신은 샘플에서 질량 spec을 실행하고 다음과 같은 공식을 가지고 있습니다 :c 8 . H 9 에. 다음으로 샘플에서 IR 및 NMR 분광기를 실행하면 다음 스펙트럼이 생성됩니다.
불포화 분석
먼저 알려지지 않은 것을 이해하려면 불포화 정도를 계산해야합니다. 공식으로, 우리는 미지수가 5 도의 불포화를 가지고 있음을 발견했습니다.
dou =(2 (c) + 2 - (h + x - n))/2 =(2 (8) + 2 - (8 - 1))/2 =5
ir 스펙트럼 분석
둘째, 3296cm 및 1662cm의 IR 주파수가 아마도 가장 중요하다는 것을 알 수 있습니다. 다른 IR 피크는 유용한 정보를 알려주는 C-H 및 C-C 결합에 해당 할 가능성이 높습니다. IR 주파수 표를 보면 3296cm의 피크는 N-H 결합 또는 O-H 결합에 해당 할 수 있습니다. 1662cm의 피크는 C =O 또는 C =C 결합을 나타낼 수 있습니다. 우리의 공식을 고려할 때 이러한 각 본드가 가능합니다.
NMR 스펙트럼 분석
셋째, 2.1ppm에서의 NMR 피크는 중요한 것으로 보인다. 통합 값이 27.9이고 9.2 차트에서 가장 작은 값을 고려할 때,이 피크는 3 개의 하이드로겐에 해당해야합니다. NMR 주파수의 표를 참조하면 2.1ppm이 카르 보닐에 인접한 메틸기에 해당하는 경향이 있음을 알 수 있습니다. 이전에 C =O가 가능하다고 언급했기 때문에 이것은 의미가 있습니다. 또한, 이는 메틸 하이드로겐을 분할 할 인접한 수소가 없음을 의미합니다. 따라서 2.1ppm의 피크는 분할이 없습니다.
화합물 식별
카르 보닐의 확인으로, 우리는 구조에 하나의 산소 만 존재하기 때문에 O-H를 3296cm 피크로 배제 할 수있다. 따라서 어딘가에 N-H가 있어야합니다. 또한, 카르 보닐은 5 개의 불포화 장치 중 1 개를 차지합니다. 이것은 우리가 그 불포화 유닛의 나머지 부분을 흡수하기 위해 페닐 그룹을 추가해야한다는 것을 의미합니다.
NMR로 돌아가서, 우리는 7.0에서 7.5 사이의 3 개의 분할 피크 그룹을 볼 수 있습니다. 통합 (19.4, 20.5, 10.7) 은이 그룹이 5 개의 총 하이드로겐에 해당 함을 나타냅니다. 분할을 고려할 때, 우리는 1 마리의 이웃이있는 2 개의 수소, 2 개의 이웃이있는 2 개의 수소, 2 개의 이웃이있는 수소가 보입니다. 이들 데이터 포인트는 모두 모노 치환 된 페닐기를 나타냅니다.
이 페닐은 나머지 불포화 장치를 설명하는 3 개의 PI 결합과 1 개의 고리를 제공합니다.
그런 다음 9.2ppm의 최종 피크는 N-H 결합의 수소에 해당해야합니다. 이 피크에는 분할이 없으므로 인접한 수소가 없음을 나타냅니다.
이것이 우리의 구조에 존재하기 위해서는 페닐과 카르 보닐 사이에 질소를 배치하여 최종 구조를 생성해야합니다.
따라서이 최종 구조에는 2 차 아미드가 있습니다. 최종 점검을 위해, 우리는 2 차 아미드의 c =O 결합이 일반적으로 1680cm의 주파수를 가지고 있음을 알 수 있습니다. 우리는 이것이 IR 스펙트럼의 1669cm 파수에 현저하게 가깝다는 것을 알 수 있습니다.
