Overview
출처: 비 M. 동과 지웨이 첸, 캘리포니아 대학교 어바인, 캘리포니아 화학학과
본 실험에서는 현재 기능성 군을 식별하여 알 수 없는 화합물의 정체를 해명하기 위해 적외선(IR) 분광법(진동 분광법이라고도 함)의 사용을 시연할 것이다. IR 분광은 미지의 깔끔한 샘플과 함께 감쇠된 총 반사(ATR) 샘플링 기술을 사용하여 IR 분광계에서 얻을 것이다.
Principles
두 원자 사이의 공유 결합은 스프링과 연결된 질량 m1과 m2를 가진 두 개의 물체로 생각할 수 있습니다. 당연히 이 결합은 특정 진동 주파수로 늘어나고 압축됩니다. 이 
주파수는 k가 스프링의 힘 상수인 방정식 1에의해 주어지며, c는 빛의 속도이며, μ 감소된 질량(수학식2)이다. 주파수는 전형적으로 반전 센티미터(cm-1)로표현되는 파수로 측정됩니다.
수학식 1에서주파수는 스프링의 강도에 비례하며 개체의 질량에 반비례합니다. 따라서 C-H, N-H 및 O-H 결합은 수소가 가벼운 원자이기 때문에 C-C 및 C-O 결합보다 더 높은 스트레칭 주파수를 가지고 있습니다. 이중 및 삼중 채권은 더 강한 스프링으로 간주 될 수 있으므로 C-O 이중 채권은 C-O 단일 채권보다 더 높은 스트레칭 빈도를 가지고 있습니다. 적외선은 상대 결합 강도와 일치하는 700 nm에서 1mm에 이르는 파장을 가진 전자기 방사선입니다. 분자가 공유 결합의 자연 진동 주파수와 동일한 주파수로 적외선을 흡수하면 방사선으로부터의 에너지는 결합 진동의 진폭이 증가합니다. 두 원자의 전자성(전자를 유치하는 경향)이 매우 다른 경우, 전하 분리가 발생하여 이폴 순간을 초래한다. 예를 들어, C-O 이중 결합(carbonyl group)에서 전자는 탄소보다 전기음이 더 높기 때문에 탄소 원자보다 산소 원자 주위로 더 많은 시간을 보낸다. 따라서, 산소에 부분적인 음전하와 탄소에 부분적인 양전하의 결과로 그물 이폴 순간이 있다. 한편, 대칭 알키네는 양쪽의 두 개의 개별 이폴 순간이 서로 를 취소하기 때문에 그물 이폴 순간이 없습니다. 적외선 흡수의 강도는 결합이 늘어나거나 압축될 때 이폴 모멘절의 변화에 비례합니다. 따라서, 카보닐 그룹 스트레치는 IR에서 강렬한 밴드를 표시하고, 대칭 내부 알키네는 C-C 트리플 본드(그림 1)의스트레칭을위한 작은, 보이지 않는 경우, 밴드를 표시합니다. 표 1은 몇 가지 특성 흡수 주파수를 보여줍니다. 도 2는 한츠쉬 에스테르의 IR 스펙트럼을 나타낸다. N-H 단일 결합의 경우 3,343cm-1의 피크와 카보닐 그룹의 경우 1,695cm-1의 피크를 확인합니다. 이 실험에서 ATR 샘플링 기술이 사용되며 적외선이 ATR 결정과 여러 번 접촉하는 시료를 반사합니다. 일반적으로 굴절률이 높은 재료는 게르마늄 및 아연 셀레니드와 같은 사용됩니다. 이 방법을 사용하면 추가 준비 없이 고체 또는 액체 분석을 직접 검사할 수 있습니다.
그림 1. C-O 더블 및 C-C 트리플 본드스트레칭과이폴 순간의 결과로 변경을 보여주는 다이어그램.
표 1. 유기 분자에 존재하는 공유 결합의 특징적인 IR 주파수.
그림 2. 한츠쉬 에스테르의 IR 스펙트럼.
Procedure
- IR 분광기를 켜고 워밍업할 수 있습니다.
- 강사로부터 알 수 없는 샘플을 얻고 샘플의 문자와 모양을 기록합니다.
- 배경 스펙트럼을 수집합니다.
- 금속 주걱을 사용하여 프로브 아래에 소량의 샘플을 배치합니다.
- 프로브가 제자리에 잠기 때까지 비틀어 놓습니다.
- 알 수 없는 샘플의 IR 스펙트럼을 기록합니다.
- 필요한 경우 반복하여 양질의 스펙트럼을 얻습니다.
- 존재하는 기능성 그룹을 나타내는 흡수 주파수를 기록한다.
- 아세톤으로 프로브를 청소하십시오.
- 분광기를 끕니다.
- 획득된 스펙트럼을 분석합니다. 도 3은 알 수 없는 샘플에 대한 가능한 후보를 나타낸다. 알 수 없는 샘플의 가능한 식별을 명시합니다.
그림 3. 알 수 없는 ID의 가능한 ID를 보여주는 다이어그램입니다.
적외선 또는 IR, 분광법은 공유 결합을 특성화하는 데 사용되는 기술입니다.
특정 유형의 공유 결합을 가진 분자는 IR 방사선을 흡수하여 결합이 진동할 수 있습니다. IR 분광광계는 어느 주파수가 흡수되는지 측정할 수 있습니다. 이것은 일반적으로 파수에 있는 주어진 주파수에서 견본을 통해 전송된 백분율 IR 방사선의 스펙트럼으로 표현됩니다. 이러한 유형의 스펙트럼에서 피크는 해당 주파수에서 전송된 빛의 감소를 나타내므로 반전됩니다.
흡수된 주파수는 결합의 정체성 과 전자 환경에 따라 달라지므로 각 분자에 특성 스펙트럼이 부여됩니다. 그러나, 결합의 각 유형은 특정 주파수 범위 내에서 IR 방사선을 흡수하고, 일반적인 피크 모양과 흡수 강도를 가질 것이다. 따라서 피크는 특정 채권에 할당되어 IR 스펙트럼에서 알 수 없는 화합물을 식별할 수 있습니다.
이 비디오는 IR 분광법을 가진 알려지지 않은 유기 화합물의 특성을 설명하고 유기 화학에 IR 분광법의 몇몇 그밖 응용을 소개할 것입니다.
두 원자 사이의 공유 결합은 질량 m1과 m2와 두 개의 몸을 연결하는 스프링으로 모델링 할 수 있습니다. 이 "스프링"은 공명 주파수를 가지며, 이 경우 동일한 주파수에서 접착을 자극하는 데 필요한 에너지의 양자에 대응하는 빛의 주파수이지만 진폭이 더 큽습니다.
본드의 공명 빈도는 결합 강도와 길이, 관련 원자의 정체성 및 환경에 따라 달라집니다. 예를 들어, 컨쥬게이징된 결합은 비컨쥬게이트 본드와 다른 주파수 범위에서 진동합니다.
공명 주파수는 또한 분자 내의 원자의 진동 패턴인 진동 모드에 달려 있습니다. IR 분광학에 의해 관찰되는 가장 일반적인 진동 모드는 스트레칭과 굽힘입니다. 선형 분자는 3N 마이너스 5 진동 모드를 가지며, N은 원자 수이며 비선형 분자는 3N 마이너스 6 진동 모드를 가지고 있습니다.
IR 분광측법은 주로 간섭계를 통해 광범위한 광원을 비추어 수행되며, 이는 주어진 시간에 빛의 파장을 제외한 모든 것을 샘플에 차단합니다. IR 검출기는 각 간섭계 설정에 대한 광 강도를 측정합니다. 원하는 주파수 범위에서 데이터가 수집되면 Fourier 변환에 의해 인식 가능한 스펙트럼으로 처리됩니다.
시료는 기기의 구조에 따라 기체, 액체 또는 고체일 수 있습니다. 표준 검출기의 경우, 가스 및 액체는 IR 투명 창이 있는 셀에 배치되며, 고체는 오일에 매달려 있거나 브로마이드 칼륨이 있는 투명 펠릿으로 압착됩니다. IR 광은 샘플을 통해 검출기로 전달됩니다.
고체 및 액체 시료를 위한 대체 방법은 총 반사도 또는 ATR을 감쇠합니다. 이 방법에서, 순수한 시료는 결정 표면과 접촉한다. IR 광은 수정의 밑면을 검출기로 반사하고 흡수 주파수가 더 약하게 반사됩니다. 빛이 그것을 통해 이동하지 않기 때문에 샘플은 먼저 처리 될 필요가 없습니다.
IR 분광법의 원리를 이해하게 되었으므로 FTIR 기기에서 ATR 샘플링 기술을 사용하여 알 수 없는 유기 화합물을 식별하는 절차를 살펴보겠습니다.
특성화 절차를 시작하려면 FTIR 분광계를 켜고 램프가 작동 온도까지 따뜻하도록 합니다.
ATR 결정이 깨끗하다는 것을 확인하십시오. 그런 다음 샘플이 없는 경우 분광계 소프트웨어를 사용하여 배경 스펙트럼을 기록합니다.
다음으로, 알 수 없는 유기 화합물의 고체 샘플을 얻고 그 외관을 주목하십시오. 깨끗한 금속 주걱을 사용하여 샘플을 결정 표면에 조심스럽게 놓습니다. 또는 액체 샘플의 경우 피펫을 사용하여 샘플을 결정 표면으로 이송합니다.
수정 표면에 대한 샘플을 고정하기 위해 제자리에 잠그때까지 프로브를 조심스럽게 나사로 고정시합니다.
그런 다음 알 수 없는 샘플의 적어도 하나의 IR 스펙트럼을 수집합니다. 데이터 수집이 완료되고 배경이 빼진 후 소프트웨어의 분석 도구를 사용하여 피크의 파수를 식별합니다.
분광기로 끝나면 샘플을 제거하고 아세톤으로 프로브를 청소하십시오. 분광을 저장하고 소프트웨어를 닫고 분광기를 끕니다.
본 실험에서, 알 수 없는 시료는 각각 5개의 특징적인 IR 봉우리와 함께 10개의 유기 화합물 중 하나일 수 있다. 미지의 위상과 시각적 외관에 기초하여, 가능성의 8이 제거될 수 있다.
알려지지 않은 화합물로부터의 스펙트럼은 3,300파수 영역 근처의 넓은 피크를 나타내며, 이는 -OH 또는 -NH 스트레칭 흡수를 나타낸다. 오른쪽으로 피크는 탄소 탄소 이중 결합과 탄소 산소 결합의 존재를 나타냅니다. 남아있는 두 화합물 중 하나만 -OH 그룹이 있어 화합물이 페놀입니다.
IR 분광광법은 생물학 과 화학에 널리 사용되는 특성화 도구입니다. 몇 가지 예를 살펴보겠습니다.
이 절차에서, ATR 방법으로 수행된 FTIR 분광법은 기기내로 현미경 성분을 도입하여 조직의 IR 흡광도 이미지를 얻는 데 사용되었다. 이미지의 각 픽셀은 상응하는 IR 스펙트럼을 가지고 있어 우수한 공간 분해능을 가진 조직의 분자 조성물의 측정을 가능하게 했다. 조직 심상은 또한 조직 전체에 분자 모형의 분포를 시각화하기 위하여 다른 주파수에서 표시될 수 있었습니다.
단백질에 있는 펩티드 단의 분자 진동은 단백질 형성 변경에 의해 영향을 받습니다. 수십 나노초의 순서에 대한 시간적 분해능을 가진 단계 스캔 FTIR로 단백질 샘플을 모니터링함으로써, 단백질 역학은 흡광스펙트럼의 변화를 통해 모니터링될 수 있다. 데이터는 개별 스펙트럼 또는 최대 식별 및 추가 분석을 위한 강도, 빈도 및 시간의 3D 플롯으로 표시될 수 있습니다.
방금 Ir 분광기에 대한 JoVE의 소개를 시청했습니다. 이제 IR 분광법의 기본 원리, 유기 화합물의 IR 분광검사 절차 및 IR 분광학이 유기 화학에 사용되는 방법의 몇 가지 예에 대해 잘 알고 있어야 합니다. 시청해 주셔서 감사합니다!
Results
표 2: 도 3에 나열된 화합물의 모양 및 관찰된 IR 주파수.
| 복합 번호 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
| 외관 | 클리어 리퀴드 | 화이트 솔리드 | 클리어 리퀴드 | 클리어 리퀴드 | 클리어 리퀴드 | 클리어 리퀴드 | 노란색 액체 | 화이트 솔리드 | 화이트 솔리드 | 클리어 리퀴드 |
| 관찰 주파수(cm-1) | 1691, 1601, 1450, 1368, 1266 |
2773, 2730, 1713, 1591, 1576 |
2940, 2867, 1717, 1422, 1347 |
3026, 2948, 2920, 1605, 1496 |
2928, 2853, 1450, 904, 852 |
3926, 3315, 2959, 2120, 1461 |
3623, 3429, 3354, 2904, 1601 |
3408, 3384, 3087, 1596, 1496 |
3226, 2966, 1598, 1474, 1238 |
3340, 2959, 2861, 1468, 1460 |
Applications and Summary
이 실험에서, 우리는 그것의 특징적인 IR 스펙트럼에 근거를 둔 알려지지 않은 견본을 확인하는 방법을 보여주었습니다. 상이한 기능성 그룹은 존재하는 기능 성 그룹의 식별을 허용하는 다른 스트레칭 주파수를 제공합니다.
본 실험에서 와 같이 IR 분광법은 유기 화학자가 분자를 식별하고 특성화하는 유용한 도구입니다. IR 분광법은 유기 화학 외에도 다른 분야에서 유용한 응용 분야를 가지고 있습니다. 제약 산업에서,이 기술은 약물의 정량적 및 질적 분석에 사용됩니다. 식품 과학에서 IR 분광기는 지방과 오일을 연구하는 데 사용됩니다. 마지막으로, IR 분광법은 지구 기후 변화를 이해하기 위한 노력의 일환으로 온실 가스, 즉CO2,CO, CH4및N2O의구성을 측정하는 데 사용됩니다.
