적외선 분광학(IR):원리, 응용 및 구조 규명

핵심 개념

적외선 분광법(IR 분광학)은 유기 분자를 분석하는 데 유용한 분석 기술입니다. 이 기사에서는 적외선 스펙트럼을 사용하여 유기 분자의 구조를 밝히기 위한 IR 사양, 장비 및 일부 기술 뒤에 숨은 과학을 탐구합니다.

다른 기사에서 다루는 주제

• NMR과 IR을 이용한 유기구조 규명
• 분광광도계
• 공유결합
• 유기 기능 그룹
• 과학적 방법

적외선 분광학의 원리

적외선이란 무엇입니까

빛은 파동 패턴으로 움직이는 광자라고 불리는 개별 입자로 구성됩니다. 이 파동의 길이에 따라 우리가 보는 색상이 결정됩니다.

인간은 이러한 파장 중 400~700나노미터의 작은 부분만 볼 수 있습니다. 그러나 적색광 바로 너머에는 적외선(>700nm)이 있습니다. 인간의 눈은 적외선을 볼 수 없지만 우리가 보는 색상만큼 존재합니다.

흡수

상호 작용 시 물체는 입사광을 흡수합니다. 이는 우리가 보는(또는 보지 못하는) 색상에 영향을 미칩니다. 식물이 녹색으로 보이는 이유는 빨간색과 파란색 빛을 흡수하고 녹색 빛을 우리 눈 쪽으로 반사하기 때문입니다. 검은색으로 보이는 물체는 가시광선을 모두 흡수하고, 흰색으로 보이는 물체는 가시광선을 모두 반사합니다. 존재하는 분자와 특성에 대한 통찰력을 얻기 위해 물체에 의해 흡수되고 반사되는 빛의 양을 분석하는 것은 매우 유용할 수 있습니다. 유기 분자는 많은 양의 적외선을 흡수하므로(그러나 대부분의 유기 화합물은 백색 고체이기 때문에 일반적으로 가시광선은 많지 않음) UV 스펙트럼 분석에 특히 적합합니다.

적외선 분광 광도계

적외선은 이미 터에서 방출되어 분리됩니다. 그런 다음 빔은 샘플과 빈 참조를 통과합니다. 빛의 차이는 감지기에 의해 비교되고 그 결과는 컴퓨터에 의해 친숙한 IR 스펙트럼으로 해석됩니다.

푸리에 변환 IR 분광학

FT-IR(푸리에 변환 적외선 분광법)은 기존 적외선 분광계와 동일한 데이터를 측정하는 분석 기술입니다. 그러나 장비는 완전히 다릅니다. 광학 장치 세트는 IR 주파수에 걸쳐 빔을 거의 균일하게 시준하고 분할합니다. 이러한 분할된 빔은 재결합하여 샘플을 통과하는 고유한 IR 광선 스펙트럼을 형성합니다. 중요한 점은 FT-IR 장비가 빔 분할과 관련된 거울을 이동시켜 빛의 경로 길이를 변경함으로써 각 거울 위치에서 고유한 IR 빛 스펙트럼을 생성한다는 것입니다. 그런 다음 컴퓨터화를 통해 푸리에 변환이라는 기능을 사용하여 경로 길이와 간섭 데이터로부터 표준 IR 스펙트럼을 생성할 수 있습니다.

FT-IR은 처리량이 많은 응용 분야(액체 크로마토그래피(LC-IR)의 샘플 검출 등)에서 훨씬 더 빠르다는 장점이 있지만 일반적으로 기존 장비에 비해 분해능이 일부 희생됩니다.

IR 스펙트럼

컴퓨터 모듈이 광검출기로부터 기준 경로와 샘플 모두에 대한 데이터를 수신한 후 컴퓨터는 검출기를 따라 광자의 각 주파수 양을 계산합니다. 샘플에 대해 주어진 주파수의 광자 양을 기준의 광자 양으로 나누어 흡수율을 계산할 수 있습니다. 그런 다음 이 데이터는 전통적으로 수직 축의 흡수율과 수평의 왼쪽에서 오른쪽으로 감소하는 주파수(cm-1(센티미터 단위 광자의 진동 수)로 기록됨)로 그래프로 표시됩니다.

적외선 흡수

적외선 복사는 공유 화학 결합이 이 에너지를 흡수하고 반응하여 특정 움직임을 생성하기 때문에 유기 분자 분석에 이상적입니다. IR 분광학은 스트레칭과 굽힘이라는 두 가지 주요 진동 모드를 연구합니다.

IR 분광학:스트레칭

적외선 흡수의 가장 일반적인 형태는 스트레칭입니다. 각 결합에는 원자가 서로 공명하거나 서로 멀어지는 특정 주파수가 있습니다. 이 정확한 주파수의 적외선에 노출되면 원자 사이의 결합이 빛을 흡수하고 에너지를 사용하여 스트레칭의 진폭을 증가시킵니다. 모든 공유 결합은 IR 영역에서 스트레칭을 나타내지만 일부는 훨씬 더 쉽게 감지할 수 있습니다. O-H 스트레칭, C-H 스트레칭 및 C=O 스트레칭은 스펙트럼에서 감지하기 가장 쉬운 피크 중 일부입니다. 신장 결합에는 일반적으로 많은 에너지가 필요하므로 일반적으로 스펙트럼에서 더 높은 주파수(파수)의 피크를 생성합니다. IR 스트레칭의 중요한 원리는 원자가 늘어나는 동안 질량 중심을 유지하기 위해 움직인다는 것입니다.

두 개의 보석 결합이 늘어나면 일반적으로 날카로운 피크가 발생하며 두 가지 다른 진동 모드에서 발생할 수 있습니다. 대칭 스트레칭은 일반적으로 비대칭 스트레칭보다 더 높은 주파수에서 관찰됩니다.

IR 분광학:굽힘

분자는 또한 굽힘을 통해 결합에 에너지를 흡수합니다. 굽힘 결합은 일반적으로 스트레칭보다 에너지가 덜 필요하므로 일반적으로 IR 스펙트럼의 낮은 주파수에서 발생합니다. 이러한 굽힘은 다양한 모드에서 발생할 수 있으며 IR 스펙트럼의 낮은 주파수에서 많은 신호에 영향을 미칩니다. 종종 이러한 낮은 주파수를 할당하는 것이 더 어렵고 1300cm-1 미만의 주파수에서 '지문 영역'을 생성합니다.

지문 영역

1300cm-1 미만의 주파수에서 IR 스펙트럼은 날카로운 피크를 많이 갖는 경향이 있습니다. 이러한 피크에 특정 기능 그룹을 할당하는 것은 각 값 또는 그 근처의 신호 수로 인해 어려운 경우가 많습니다. 그러나 스펙트럼에서 더 읽기 쉬운 부분의 정보를 확증할 수 있는 쉽게 식별할 수 있는 피크(예:975 근처의 구부러진 알켄)가 있는 경향이 있습니다. 지문 영역은 각 분자마다 고유하며 소프트웨어는 이를 사용하여 스펙트럼을 통해 두 물질의 화학적 특성을 비교합니다.

IR 흡수에 영향을 미치는 요인

흡수 주파수는 잘 연구되어 있지만 스펙트럼에서 관찰된 주파수를 변경하는 몇 가지 효과가 있습니다. 분자 구조를 밝히기 위해 IR 분광학을 수행할 때 이 점을 염두에 두는 것이 중요합니다.

접합은 한 작용기의 파이 전자가 다른 작용기의 파이 전자와 겹쳐서 비편재화된 파이 시스템(벤젠과 같은)을 생성할 때 발생합니다. 이렇게 하면 주파수가 약 10-50cm-1 낮아집니다. 단일 결합으로 분리된 두 개의 이중 결합은 접합의 특징입니다. 이는 일반적으로 공액 시스템이며 일반적인 IR 흡수를 나타내지 않습니다. 예를 들어 벤조산이 아래에 나와 있습니다.

혼성화는 또한 빈도를 낮춥니다. sp3 원자는 sp2 또는 sp 원자보다 더 높은 주파수의 IR 광을 흡수하는 경향이 있습니다. 그러나 접합 경향은 더욱 일관되며, 다르게 혼성화된 작용기의 존재는 스펙트럼의 다른 정보와의 확증이 필요합니다.

IR 분광학 표

IR 분광학 예:에틸 프로프-2-이노에이트

• 3275:알킨 C-H 스트레칭, 말단 알킨을 나타냄
• 2990:알켄 C-H 스트레칭
• 2130:CΞC 스트레칭:알킨 Pi 전자와 카르보닐 Pi 전자의 접합으로 인해 주파수가 낮아짐
• 1225:C-O 스트레칭:에스테르
• 1030:C-O 스트레칭
• 760:C-H 굽힘:알칸

적외선 분광학 실습 문제

다음 분자를 스펙트럼과 연결하세요: