1 Structural determination of organic compounds - spectroscopic methods-1

2 1. 들어가며 유기화합물 구조해석을 잘 하려면 ? 1) 충분한 화학적 지식 2) 체계적이며 합리적인 사고 3) 분광학적 데이터를 해석하는 능력 4) 풍부한 경험과 know-how 5) 기존 연구 성과의 적절한 활용

3 분광학적 데이터를 이용한 구조해석 순서 1. Molecular formula 2. Identities of functional groups 3. Carbon connectivities 4. Positions of substituent & functional groups on the carbon framework 5. Stereochemical properties including dynamic & static aspects

4 구조분석 순서

5 Index of hydrogen deficiency (= Unsaturation index) ring 의 갯수 및 double bond, triple bond 의 수를 알수 있음 U = (n - r + 2) 2 Rule of Thirteen 13 M = n + 13 r Base formula = CnHn+r = U = ( ) 2 = 3 ring = 1 double bond = 1 triple bone = 2

6 Index of hydrogen deficiency (= Unsaturation index) U = [(2a+2) - (b-d+e)] 2 CaHbOcNdXeCaHbOcNdXe U = [(2*20+2) - (22] 2 = 10

7 MS 는 여러가지 성분의 시료를 가열하여 기체상태로 이온화한 다음 시료분자에 전자류 등 의 큰 에너지를 가해 생성된 이온들을 mass( 질량 )/charge( 전하 )(m/z) 의 비를 크기 순서로 분 리시키는 장치를 말한다. 분자이온의 질량수로부터 분자량을 얻을 수 있으며 fragment 이 온이 생기는 형태로부터 분자구조에 관한 중요한 정보를 얻는다. MS 를 통하여 얻을 수 있는 정보는 ? : 무기물, 유기물 정성분석 : 정확한 분자량, 원소구성 ( 분자식 추정 ), 미지물질의 구조추정, 화합물의 동정 혼합물의 분석 : GC-MS, LC-MS 를 이용하여 chromatography system 에서 혼합물을 분리하여 각 물질의 질량을 측정한다. 정량분석 : peak 의 면적은 성분물질의 농도에 비례하므로 peak 의 높이에 따른 농도를 측정 무기물질에 분자화학종의 정량분석이나 형태분석 유기 및 생화학 시료의 원소분석에 의한 조성분석 MS

8 분리능 (resolution) 에 따른 분류 고분해능 질량분석기 ( High Resolution Mass Spectrometer, HRMS) 1000 이상의 질량 분해능을 가진 기기. 물질에 대한 원소분석 (EA) 결과를 대치 최근에 환경에서 가장 큰 이슈로 등장한 Dioxin 의 경우 HRMS 를 사용 질량의 소수 세째자리까지 측정가능 저분해능 질량분석기 (Low Resolution Mass Spectrometer) HRMS 라는 말이 없으면 대부분의 질량분석기는 저분해능 질량분석기 1 unit resolution ( 1 단위 분해능 ) 이므로 크로마토그래피상에서 겹쳐서 나오면 분리가 불가능 C : 12, H : 1, N : 14 등으로 계산 일반적인 질량분석 질량분석기 종류

9 이온화 방법 (Ionization method) 에 따른 분류 전자충격장치 Electron Impact (EI) 시료를 70 eV 에너지로 가속된 전자 (e) 를 시료분자 (M) 와 충돌시켜 분자이온 생성 시켜 이온화하는 방법 ( 참고 : 유기물분자의 이온화 에너지는 약 12.4eV) 물질의 분자이온 (molecular ion) 이 나타나지 않는 경우가 있으므로 분자량 측정에는 어려운 경우가 있다. 모르는 물질의 경우 Library 가 만들어져 있어서 searching 이 가능. 빠른 원자 포격장치 Fast Atom Bombardment (FAB) matrix (glycerol 등 ) 에 녹인 단일 물질을 Argon 같은 고에너지 중성 원자로 물질을 충돌시켜서 이온화 시키는 방법으로 이온화가 잘 안되는 물질이나 분자량이 큰 물질의 분석에 응용되며, 큰 fragment 이온을 형성시킴 MALDI ( Matrix Assissted Laaser Desorption Ionization) 최근에 ESI 와 더불어 가장 많이 사용되는 이온화 형태이며 GC 나 HPLC 연결이 불가능하다. 주로 분자량이 큰 (1, ,000) 생체 고분자 (peptide, protein sequencing, carbohydrates) 물질에 응용 Electrospray Ionization (ESI) MALDI 와 더불어 가장 각광을 받고 있는 이온화 방법. 생체고분자, 약물 등의 분자량 측정이나 peptide sequencing 등에 응용.

10 유기 질량분석법에서 자연계에서 존재하는 일반적인 원소의 질량 H C O F Cl

11 M + =100 C, H, O 의 비율은 ? C 3 O 4 C 4 H 4 O 3 C 5 H 2 O 2 C 6 H 12 O C 7 H 16 C 8 H 4

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13 ▶ Mass spectrum 의 예

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15 Mass Spectral Fragmentation of Hexane Hexane (m/z = 86 for parent) has peaks at m/z = 71, 57, 43, 29

16 2-methyl-3-pentanol

17 Mass Spectrum

18 Interpreting Mass Spectrum Keeping in mind the functional groups, what do these peaks correspond too? CH x C=O Functional Groups

19 Building a Molecule All mass spectral data is gained from cations. Molecules will be shown as neutral for clarity. What might account for mass 76? CH x C=O Functional GroupsMass Losses (136 – 135) 1 = -H (135 – 107) 28 = -C=O (107 – 92) 15 = -CH 3 (92 – 76) 16 = -O Major Mass Peaks

20 Mass 76 CH x C=O Functional GroupsMass Losses (136 – 135) 1 = -H (135 – 107) 28 = -C=O (107 – 92) 15 = -CH 3 (92 – 76) 16 = -O Major Mass Peaks or What might account for mass 92?

21 Mass 92 CH x C=O Functional GroupsMass Losses (136 – 135) 1 = -H (135 – 107) 28 = -C=O (107 – 92) 15 = -CH 3 (92 – 76) 16 = -O Major Mass Peaks What might account for mass 107? Four hydrogen's not shown

22 Mass 107 CH x C=O Functional GroupsMass Losses (136 – 135) 1 = -H (135 – 107) 28 = -C=O (107 – 92) 15 = -CH 3 (92 – 76) 16 = -O Major Mass Peaks or What might account for mass 135?

23 Mass 135 CH x C=O Functional GroupsMass Losses (136 – 135) 1 = -H (135 – 107) 28 = -C=O (107 – 92) 15 = -CH 3 (92 – 76) 16 = -O Major Mass Peaks What might account for mass 136? or

24 Mass 136 CH x C=O Functional GroupsMass Losses (136 – 135) 1 = -H (135 – 107) 28 = -C=O (107 – 92) 15 = -CH 3 (92 – 76) 16 = -O Major Mass Peaks The structures contain 8 carbon atoms! or

25 Mass Breakdown Pattern 1 CH x C=O Functional GroupsMass Losses (136 – 135) 1 = -H (135 – 107) 28 = -C=O (107 – 92) 15 = -CH 3 (92 – 76) 16 = -O Major Mass Peaks Each contains four hydrogen atoms on the ring H-O-CH 3 -C=O

26 Mass Breakdown Pattern 2 CH x C=O Functional GroupsMass Losses (136 – 135) 1 = -H (135 – 107) 28 = -C=O (107 – 92) 15 = -CH 3 (92 – 76) 16 = -O Major Mass Peaks Each contains four hydrogen atoms on the ring H-O-CH 3 -C=O

27 Six Possible Structures Of all compounds, this could be only one of six! o-Methoxybenzaldehydem-Methoxybenzaldehydep-Methoxybenzaldehyde o-Formic Acid Toluic Esterm-Formic Acid Toluic Esterp-Formic Acid Toluic Ester

28 Which is More Likely? or No Peak at 91! Contains 4 Hydrogen's

29 Building a Molecule CH x C=O This information is helpful, but not enough to generate a structure. On too another technique. Functional Groups O-H

30 Mass Spectrum

31 주파수와 파장의 관계 : υλ= c c - 진공에서의 광속도 ( x 108m/s) υ - 주파수 (frequency, s -1 ) λ - 파장 (wavelength, nm)

32 가시, 자외선 분광 광도법 (UV-Vis spectroscopy) ▶ 서론 가시, 적외선 흡수는 물질에 따른 그 분자의 기저상태에 있는 전자가 광 에너지를 흡수하여 여기 상태로 전이함으로써 일어남 흡수의 크기는 파장에 따라 다르며 흡수 스팩트럼은 물질 고유의 것 이러한 성질을 이용하여 시료를 분석하는 것을 가시, 적외선 흡수 스팩트럼법 (VIS, UV spectrum 법 ) 이라 함 화합물이 흡수하는 파장을 측정하여 화합물의 불포화 결합이나 비결합 전자쌍을 가지고 있는지에 대한 정보를 얻음 예 : quinone – yellow chlorophyll – green aspirin – colorless

33 Violet: nm Indigo: nm Blue: nm Green: nm Yellow: nm Orange: nm Red: nm

34 M + hv M* M* M + 열

35 ▶ 기본 원리 : 원자 또는 분자가 외부에서 빛 에너지를 흡수 분자운동 ( 전자 전이 및 진동, 회전, 병진 ) 바닥 상태에 있는 원자나 분자는 그 종류에 따라 특정 파장의 자외 및 가시선을 흡수 하며 전자전이를 일으키면서 흡수 스펙트럼을 나타낸다.  흡수하는 파장 원자 또는 분자의 전자구조, 조성  흡수하는 빛의 세기 ( 흡광도 ) 원자나 분자의 농도 결정 UV-Vis Spectrophotometer ( 자외 - 가시선 분광광도계 ) 어떤 시료 분자가 어느 파장의 빛을 흡수하며, 그 흡광도는 얼마나 되는지 측정하는 기기 장치.

36 M + hv M* M* M + 열

37 ▶ 분자에너지 분자 전체 에너지 = 전자에너지 + 진동에너지 + 회전에너지

38 ▶ 전자전이의 종류와 특징 분자의 전자전이 두 원자가 결합하여 분자를 형성 할 때 두 원자의 궤도함수가 겹쳐 2 개 이상의 분자궤도 함수 형성  결합분자 궤도 함수 (bonding moleculer orbital) : ,  에너지 준위가 낮음  반 결합 분자궤도 함수 (antibonding moleculer orbital) : *, * 에너지 준위가 높음  비결합 전자 (nonbonding electron) : n 전자 유기 화합물 중 O, N, S 및 할로겐 원자

39 유기화합물 전자 전이의 특성 1)  * 흡수 영역 : 진공 자외선, <200nm 가장 높은 에너지 흡수 진공상태에서만 관찰 가능, 포화 결합 화합물, 용매역할 예 ) 메탄 : 125nm, 프로판 : 135nm 2) n * 흡수영역 : 원적외선, nm 높은 에너지 흡수, X, O, S, N 등과 같이 비결합성 전자를 가지는 치환기가 있는 화합물 예 ) 아세톤 : 190nm, 메틸 알코올 : 183nm, 메틸아민 : 213nm

40 3)  * 흡수 영역 : 자외선, > 약 180nm 중간 에너지 흡수, 다중 결합이 컨쥬게이션 된 폴리머를 포함한 화합물, 완전히 허용 된 전이 ( max > 10,000) 예 ) 에틸렌 : 165nm, 부타디엔 : 217nm, 헥사트리엔 : 256nm 4) n * 흡수 영역 : 근 자외선 또는 가시선, nm 가장 낮은 에너지 흡수, 불포화 발색단을 포함하는 화합물. 금지된 전이 ( max <100) 극성 용매에서 단파장 이동, OH, NH 2, SH 기 등이 치환되면서 장파장 이동 예 ) 니트로 부탄 : 665nm, 아세트알데히드 : 290nm

Incident Radiation Po Homogeneous sample Transmitted Radiation P

42 ▶ 발색단 강도 P o 의 단색광이 물질층 ( 시료 ) 을 투과하여 강도 P 로 되었을때, 물질층의 흡수의 강도는 P

43 1. 발색단 (chromophore): 분자가 색깔을 띠게 하는 작용기. 넓은 의미 : 화합물이 빛을 흡수하여 등과 같은 전자전이를 일으킬 수 있는 모든 작용기 2. 조색단 (auxochromophore) 발색단이 빛을 흡수하는데 도움을 주는 작용기. ex) -OR, -NH 2, -NR, -OH, -X 발색단과 결합, 흡수파장을 장파장으로 이동, 흡수세기증가

44 ▶ 정성분석 발색단들을 검출 - 한정된 양의 정보 제공 스펙트럼 비교분석 최대흡수파장은 고정된 것이 아니라 발색단의 분자적 환경과 시료가 용해된 용매, pH, 온도에 따라 달라진다. 일반적으로 자외선 스펙트럼은 미세구조를 가지고 있지 않기 때문에 분석물을 확실히 확인하는데 충분하지 못하다.

45 ▶ 정량분석 최대 흡수 파장 (λ max ) 에서 흡수된 빛의 양 측정 ⇒ 농도 결정 투광도 : T = P/P 0 %T = T x 100 P o - 입사광의 세기 P - 투과광의 세기 흡광도 : A = -log T = log( P 0 /P) P

46 Lambert-Beer’s law : 흡광도 A 는 용액층의 두께에 비례 (Lambert 법칙 ) 하며, 용액의 농도 c 에 비례 (Beer 법칙 ) A = abc a - 흡광계수 (absorptivity) b - 흡수매질을 통과하는 복사선의 통과 길이 c - 시료의 농도 A= εbc ε - 몰흡광계수 (molar absorptivity, M -1 cm -1 ) 시료의 농도를 M 으로, 복사선의 통과길이를 cm 로 표현할 때 흡광계수 a 는 몰흡광계수 ε 로 나타낸다.

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48 시료가 들어 있는 cell 넣는 곳데이터를 기록하고 저장 시료를 담는 cell

49 Microplate Reader -multi well microtiter plate 상에서 각 well 의 흡광도를 측정 96 Well plate (24 Well, 48 well, 192 well)

50 측정도구 (1) Cell - Glass cell : 가시부용으로 370 nm 이상의 파장에서 사용 - Quartz cell : 자외, 가시부용으로 사용, 고가 - Plastic cell : 주로 일회용으로 가시부용 - 휘발성이 강한 용매를 사용할때는 두껑이 있는 cell 사용 - 양이 적은 시료일 때는 micro cell 사용 (2) 용매 측정하고자 하는 파장 영역을 고려하여 이 파장에서 흡수가 적은 용매를 선택 측정 가능한 파장 (nm) 용매 200DDW, acetonitrile, cyclohexane 220MeOH, EtOH, isopropyalcohol, ether 250CHCl 3, acetic acid 270Dimethylformamide, ethyl acetate, CCl 4 290Benzene, toluene, xylene 335Acetone, methylethylketone, pyridine

51 Light source Tungsten lamp : nm 영역 Deuterium lamp : nm 영역 Xenon lamp : nm 영역 석영 요오드 lamp : nm 영역 Sample Chamber Double beam : 시료의 reference 와의 투과도의 차로부터 흡수파장 측정 Single beam : reference 를 흡수시킨 후 시료의 흡수파장을 측정 회절격자 (1mm 당 1000 개 이상의 홈이 패어 있는 유리판 ) 로써 분광하여 이것을 회전시킴으로써 임의의 단색광이 Slit 로부터 나오게 함 Monochrometar 검출기 광전류를 발생시켜 표시장치 (recorder) 에 입력시킴 장치의 개요 및 구조

52 흡광도흡광도 표준물질의 농도 Y = 0.03X Standard curve Sample ID Abs Result (  g/mL) Read sampleMethod parameter Quit X ( 농도 ) = (Y-0.064)/0.03 측정 데이터 ▶ 응용 (1) 정량 - 물질의 농도 : 기준물질의 standard curve 를 얻은 뒤 기지 물질의 측정 흡광 도로부터 농도를 역으로 계산해 낼 수 있다. - 측정 흡광도 수치를 0.1 에서 0.5 사이로 유지하는 것이 정확

53 정량 분석에 유용한 이유 1. 응용 범위가 광범위하다 2. 감도가 높다. 3. 정확도가 높다. 4. 선택성이 좋다. 5. 측정 방법이 비교적 간편하다.

54 (2) 시간에 따른 흡광도의 변화량 측정 - 주로 효소와 기질의 반응속도를 측정 - 시간의 흐름에 따른 흡광도의 변화 추이를 관찰 - 효소 반응이므로 반응에 적절한 온도를 유지하기 위하여 circulator 등의 부가장치 필요 흡광도흡광도 시간 (min)

55 (3) 물질의 동정 및 구조분석 - Wavelength scan mode 로 시료를 분석하면 파장별 흡광도를 알 수 있음 - 측정 흡광도 변화와 기존의 물질과 비교 분석하여 물질 동정 - 미지물질의 계열을 분석할 수 있으며, 치환기에 대한 정보를 얻을 수 있음

56 naphthalene, anthracene, tetracene

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59 [ 규격서 ] Paeonol standard 기원 : Paeonia suffruticosa Andrews 화학명 : 2'-hydroxy-4'-methoxyacetophenone / 1-(2-hydroxy-4-methoxyphenyl)ethanone 구조 : 분자식 : C 9 H 10 O 3 (MW : ) 품질 : 외관 백색 분말 TLC n-Hex : EtOAc (5:1), R f =0.48 건조감량 0.5 % 이하 함량 99.9 % (HPLC) Column YMC-pack pro C 18, 250  10(id) mm Mobile phase AcCN:H 2 O = 35:65 Flow 2 ml/min UV 254 nm R t 8.86 min Purity 99.9 %

60 Thin-layer chromatograms of Paeonol Reverse phase TLC ( MeOH:H 2 O =4 : 1, R f =0.41) A : Paeonol 시험품 B : Paeonol 표준품 UV short (254nm) 에서 검정색 Normal phase TLC (n-hexane : EtOAc = 5 : 1, R f =0.48) A : Paeonol 시험품 B : Paeonol 표준품 좌 : UV short (254nm) 에서 검정색 우 : Anis- 황산 발색시약에 주황색 A B

61 UV spectrum of Paeonol Wavelength (nm) [Abs] UV (MeOH) max : 211, 273, 314 nm

62 Mass spectrum of Paeonol EI positive mode [M] +

63 [ 규격서 ] Poncirin standard 기원 : Poncirus trifoliata Rafinesque 화학명 : (S)-7-[[2-O-(6-deoxy-  -L-manno- pyranosyl)-  -D-glucopyranosyl]oxy]-2,3-dihydro-5- hydroxy-2-(4-methoxyphenyl)- 4H-benzopyran-4- one 구조 : 분자식 : C 28 H 34 O 14 (MW : ) 품질 : 외관 백색 분말 TLC CHCl 3 :MeOH (2:1), R f =0.48 건조감량 0.5 % 이하 함량 99.9 % (HPLC) Column YMC-pack pro C 18, 250  10 (id) mm Mobile phase AcCN:H 2 O = 30:70 Flow 2 ml/min UV 280 nm R t min Purity 99.9 %

64 Thin-layer chromatograms of Poncirin Normal phase TLC (CHCl 3 : MeOH = 2 : 1, R f = 0.48) 좌 : UV short (254nm) 에서 검정색 우 : Anis- 황산 발색시약에 주황색 Reverse phase TLC ( MeOH : H 2 O = 65 : 35, R f = 0.49) 좌 : UV short (254nm) 에서 검정색 우 : Anis- 황산 발색시약에 주황색

65 UV spectrum of Poncirin Wavelength (nm) [Abs] UV (MeOH) max : Band Ⅱ 281nm, Band Ⅰ nm shoulder

66 Mass spectrum of Poncirin FAB negative mode [M-H] +

67 ▶ 서론 분자는 각 고유의 진동을 하고 있다. 이와 같은 분자에 적외선을 연속적으로 변화시 켜 조사를 하면 분자의 고유진동과 같은 주파수의 적외선이 흡수되어 분자의 구조 에 따른 스펙트럼을 얻을 수 있다. h Low Energy High Energy 적외선 분광학 (IR spectroscopy)

68 Thermal Imaging (Thermography) Night Vision Goggles ☞ IR 을 이용한 장치들

69 ▶ 분자의 진동 방식 (Molecular Vibration Mode) 신축진동 (stretching vibration): 두 원자사이에 결합축에 따라 원자간의 거리가 계속하여 변화하는 운동 대칭 운동, 비대칭운동 Symmetric Stretch Asymmetric Stretch Wagging Rocking Twisting Scissoring 굽힘진동 (bending vibration) : 두 결합사이의 각도가 변하는 진동 앞뒤흔듬진동, 좌우흔듬진동, 꼬임진동, 가위질진동

70SampleCompartment IR Source Detector

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72 IR Spectrum No two molecules will give exactly the same IR spectrum (except enantiomers) Simple stretching: cm -1 Complex vibrations: cm -1, called the “ fingerprint region ” Baseline Absorbance/ Peak

73 Carbon-Carbon Bond Stretching Stronger bonds absorb at higher frequencies: C-C 1200 cm -1 C=C 1660 cm -1 CC 2200 cm -1 (weak or absent if internal) Conjugation lowers the frequency: isolated C=C cm -1 conjugated C=C cm -1 aromatic C=C approx cm -1

74 Carbon-Hydrogen Stretching Bonds with more s character absorb at a higher frequency sp 3 C-H, just below 3000 cm -1 (to the right) sp 2 C-H, just above 3000 cm -1 (to the left) sp C-H, at 3300 cm -1

75 An Alkane IR Spectrum

76 An Alkene IR Spectrum

77 An Alkyne IR Spectrum

78 O-H and N-H Stretching Both of these occur around 3300 cm -1, but they look different Alcohol O-H, broad with rounded tip Secondary amine (R 2 NH), broad with one sharp spike Primary amine (RNH 2 ), broad with two sharp spikes No signal for a tertiary amine (R 3 N)

79 An Alcohol IR Spectrum

80 An Amine IR Spectrum

81 Carbonyl Stretching The C=O bond of simple ketones, aldehydes, and carboxylic acids absorb around 1710 cm -1 Usually, it ’ s the strongest IR signal Carboxylic acids will have O-H also Aldehydes have two C-H signals around 2700 and 2800 cm -1

82 A Ketone IR Spectrum

83 An Aldehyde IR Spectrum

84 O-H Stretch of a Carboxylic Acid This O-H absorbs broadly, cm -1, due to strong hydrogen bonding

85 Variations in C=O Absorption Conjugation of C=O with C=C lowers the stretching frequency to ~1680 cm -1 The C=O group of an amide absorbs at an even lower frequency, cm -1 The C=O of an ester absorbs at a higher frequency, ~ cm -1 Carbonyl groups in small rings (5 C ’ s or less) absorb at an even higher frequency

86 An Amide IR Spectrum

87 Carbon - Nitrogen Stretching C - N absorbs around 1200 cm -1 C = N absorbs around 1660 cm -1 and is much stronger than the C = C absorption in the same region C  N absorbs strongly just above 2200 cm -1. The alkyne C  C signal is much weaker and is just below 2200 cm -1

88 A Nitrile IR Spectrum

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90  카르보닐기 (C=O) 가 존재하는가 ? - 약 1820 ~ 1660cm -1 에서 강한 흡수가 나타난다. 산의 O-H 기가 존재하는가 ? - 약 3400~2400cm -1 에서 넓은 흡수띠가 있다. Amide N-H 기가 존재하는가 ? - 대략 3500cm -1 에서 보통세기의 흡수가 나타난다. Ester C-O 기가 존재하는가 ? - 대략 1300~1000cm -1 에서 강한 흡수가 나타난다. IR spectrum 해석의 기초

91  카르보닐기 (C=O) 가 존재하는가 ? 존재하지 않을 경우 알코올 or 페놀 O-H 확인 ~3300cm -1 에서 넓은 흡수띠가 있다. 아민 (N-H) 확인 cm -1 가까이서 넓은 흡수띠가 있다.  이중결합 및 방향족 고리의 확인 - C=C 는 대략 1650cm -1 에서 약한 흡수가 나타난다.  삼중결합 - C ≡ C 는 2250cm -1 근처에서 보통 세기의 예리한 흡수가 나타난다.  니트로기 ~1500cm -1 와 1390~1300cm -1 에서 두 개의 강한 흡수가 나타난다.  Hydrocarbon -3000cm -1 근처에서 주 흡수가 나타난다.

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