Structural determination of organic compounds - spectroscopic methods-1

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

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

구조분석 순서

Rule of Thirteen M r = n + Base formula = CnHn+r 13 13 Index of hydrogen deficiency (= Unsaturation index) ring의 갯수 및 double bond, triple bond의 수를 알수 있음 (n - r + 2) ring = 1 double bond = 1 triple bone = 2 U = 2 94 3 (7 - 3 + 2) = 7 + U = = 3 13 13 2

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

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

질량분석기 종류 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 Dioxin의 경우 HRMS를 사용 질량의 소수 세째자리까지 측정가능 저분해능 질량분석기 (Low Resolution Mass Spectrometer) HRMS라는 말이 없으면 대부분의 질량분석기는 저분해능 질량분석기 1 unit resolution ( 1단위 분해능) 이므로 크로마토그래피상에서 겹쳐서 나오면 분리가 불가능 C : 12, H : 1, N : 14 등으로 계산 일반적인 질량분석

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 Library가 만들어져 있어서 searching이 가능. 빠른 원자 포격장치 Fast Atom Bombardment (FAB) matrix (glycerol 등) 에 녹인 단일 물질을 Argon같은 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 ESI와 더불어 가장 많이 사용되는 이온화 형태이며 GC나 HPLC 연결이 불가능하다. 주로 분자량이 큰(1,000 - 200,000) 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.

유기 질량분석법에서 자연계에서 존재하는 일반적인 원소의 질량 H - 1.0078 C - 12.0000 O - 15.9949 F - 18.9984 Cl - 34.9689

M+=100 C, H, O의 비율은? C3O4 C4H4O3 C5H2O2 C6H12O C7H16 C8H4

▶ Mass spectrum의 예

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

2-methyl-3-pentanol

Mass Spectrum 136 137 135 107 92 76

Interpreting Mass Spectrum 136 137 135 107 92 76 Keeping in mind the functional groups, what do these peaks correspond too? Functional Groups C=O CHx 16 28 15

Building a Molecule CHx C=O Functional Groups Mass Losses Major Mass Peaks 136 135 107 92 76 All mass spectral data is gained from cations. Molecules will be shown as neutral for clarity. What might account for mass 76?

Mass 76 CHx C=O Functional Groups Mass Losses (136 – 135) 1 = -H Major Mass Peaks 136 135 107 92 76 or or What might account for mass 92?

Mass 92 CHx C=O Functional Groups Mass Losses (136 – 135) 1 = -H Major Mass Peaks 136 135 107 92 76 Four hydrogen's not shown What might account for mass 107?

Mass 107 CHx C=O Functional Groups Mass Losses (136 – 135) 1 = -H Major Mass Peaks 136 135 107 92 76 or What might account for mass 135?

Mass 135 CHx C=O Functional Groups Mass Losses (136 – 135) 1 = -H Major Mass Peaks 136 135 107 92 76 or What might account for mass 136?

Mass 136 CHx C=O Functional Groups Mass Losses (136 – 135) 1 = -H Major Mass Peaks 136 135 107 92 76 or The structures contain 8 carbon atoms!

Mass Breakdown Pattern 1 CHx C=O Functional Groups Mass Losses (136 – 135) 1 = -H (135 – 107) 28 = -C=O (107 – 92) 15 = -CH3 (92 – 76) 16 = -O Major Mass Peaks 136 135 107 92 76 -H -C=O -CH3 -O 136 135 107 92 76 Each contains four hydrogen atoms on the ring.

Mass Breakdown Pattern 2 CHx C=O Functional Groups Mass Losses (136 – 135) 1 = -H (135 – 107) 28 = -C=O (107 – 92) 15 = -CH3 (92 – 76) 16 = -O Major Mass Peaks 136 135 107 92 76 -H -C=O -CH3 -O 136 135 107 92 76 Each contains four hydrogen atoms on the ring.

Six Possible Structures Of all compounds, this could be only one of six! o-Methoxybenzaldehyde m-Methoxybenzaldehyde p-Methoxybenzaldehyde o-Formic Acid Toluic Ester m-Formic Acid Toluic Ester p-Formic Acid Toluic Ester

Which is More Likely? or No Peak at 91! Contains 4 Hydrogen's 136 137 135 107 92 76 No Peak at 91! Contains 4 Hydrogen's

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

Mass Spectrum 136 119 91 76 65 137

<분광학에 이용되는 전자기파> 주파수와 파장의 관계 : υλ= c c - 진공에서의 광속도 (2.99792458 x 108m/s) υ - 주파수(frequency, s-1) λ - 파장(wavelength, nm)

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

Violet:   400 - 420 nm Indigo:   420 - 440 nm Blue:   440 - 490 nm Green:   490 - 570 nm Yellow:   570 - 585 nm Orange:   585 - 620 nm Red:   620 - 780 nm

M + hv M* M* M + 열

▶ 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 흡수하며 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.

M + hv M* M* M + 열

▶ 분자에너지 분자 전체 에너지 = 전자에너지 + 진동에너지 + 회전에너지

▶ 전자전이의 종류와 특징 분자의 전자전이 두 원자가 결합하여 분자를 형성 할 때 두 원자의 궤도함수가 겹쳐 2개 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

유기화합물 전자 전이의 특성 1)  * 흡수 영역: 진공 자외선 , <200nm 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, 180- 250nm 높은 에너지 흡수, X, O, S, N 등과 같이 비결합성 전자를 가지는 치환기가 있는 화합물 예) 아세톤: 190nm, 메틸 알코올: 183nm, 메틸아민: 213nm

3)  * 흡수 영역 : 자외선 , >약 180nm 중간 에너지 흡수, 다중 결합이 컨쥬게이션 된 폴리머를 포함한 화합물, 완전히 허용된 전이(max > 10,000) 예) 에틸렌 : 165nm, 부타디엔 : 217nm, 헥사트리엔 : 256nm 4) n * 흡수 영역: 근 자외선 또는 가시선, 280-800nm 가장 낮은 에너지 흡수 , 불포화 발색단을 포함하는 화합물. 금지된 전이 (max<100)극성 용매에서 단파장 이동, OH, NH2, SH기 등이 치환되면서 장파장 이동 예)니트로 부탄: 665nm, 아세트알데히드: 290nm

100 100 20 80 100 50 100 50 70 100 30 Homogeneous sample Incident Radiation Po Transmitted Radiation P 100 100 20 80 100 50 100 50 70 100 30

▶ 발색단 강도 Po의 단색광이 물질층 (시료)을 투과하여 강도 P로 되었을때, 물질층의 흡수의 강도는 P

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, -NH2, -NR, -OH, -X 발색단과 결합, 흡수파장을 장파장으로 이동, 흡수세기증가

▶ 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.

최대 흡수 파장(λmax)에서 흡수된 빛의 양 측정 ⇒ 농도 결정 투광도 : T = P/P0 %T = T x 100 ▶ 정량분석 최대 흡수 파장(λmax)에서 흡수된 빛의 양 측정 ⇒ 농도 결정 투광도 : T = P/P0        %T = T x 100          Po -입사광의 세기          P - 투과광의 세기 흡광도 : A = -log T = log( P0/P) P

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

시료가 들어 있는 cell 넣는 곳 데이터를 기록하고 저장 시료를 담는 cell

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

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 200 DDW, acetonitrile, cyclohexane 220 MeOH, EtOH, isopropyalcohol, ether 250 CHCl3, acetic acid 270 Dimethylformamide, ethyl acetate, CCl4 290 Benzene, toluene, xylene 335 Acetone, methylethylketone, pyridine

장치의 개요 및 구조 Monochrometar 회절격자(1mm당 1000개 이상의 홈이 패어 있는 유리판) 로써 분광하여 이것을 회전시킴으로써 임의의 단색광이 Slit로부터 나오게 함 Light source Tungsten lamp : 350-2500 nm 영역 Deuterium lamp : 190-400 nm 영역 Xenon lamp : 220-700 nm 영역 석영 요오드 lamp : 350-800 nm 영역 Monochrometar 검출기 광전류를 발생시켜 표시장치(recorder)에 입력시킴 Sample Chamber Double beam : 시료의 reference와의 투과도의 차로부터 흡수파장 측정 Single beam : reference를 흡수시킨 후 시료의 흡수파장을 측정

- 측정 흡광도 수치를 0.1 에서 0.5 사이로 유지하는 것이 정확 ▶ 응용 정량 - 물질의 농도 : 기준물질의 standard curve를 얻은 뒤 기지 물질의 측정 흡광도로부터 농도를 역으로 계산해 낼 수 있다. - 측정 흡광도 수치를 0.1 에서 0.5 사이로 유지하는 것이 정확 Standard curve  500.0 Sample ID Abs Result (g/mL) 1 0.1835 3.98 2 0.2173 5.11 3 0.2722 6.94 Read sample Method parameter Quit X (농도) = (Y-0.064)/0.03 측정 데이터 흡 광 도 표준물질의 농도 Y = 0.03X + 0.064

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

- 시간의 흐름에 따른 흡광도의 변화 추이를 관찰 (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 circulator등의 부가장치 필요 흡 광 도 시간 (min)

(3) 물질의 동정 및 구조분석 - Wavelength scan mode로 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

naphthalene, anthracene, tetracene

[규격서] Paeonol standard 기원 : Paeonia suffruticosa Andrews 화학명 : 2'-hydroxy-4'-methoxyacetophenone / 1-(2-hydroxy-4-methoxyphenyl)ethanone 구조: Column YMC-pack pro C18, 25010(id) mm Mobile phase AcCN:H2O = 35:65 Flow 2 ml/min UV 254 nm Rt 8.86 min Purity 99.9 % 분자식 : C9H10O3 (MW : 166.17) 품질 : 외관 백색 분말 TLC n-Hex : EtOAc (5:1), Rf=0.48 건조감량 0.5 % 이하 함량 99.9 % (HPLC)

Thin-layer chromatograms of Paeonol A B Normal phase TLC (n-hexane : EtOAc = 5 : 1, Rf=0.48)  A : Paeonol 시험품    B : Paeonol 표준품 좌 : UV short (254nm)에서 검정색 우 : Anis-황산 발색시약에 주황색 Reverse phase TLC ( MeOH:H2O =4 : 1, Rf=0.41) A : Paeonol 시험품 B : Paeonol 표준품 UV short (254nm)에서 검정색

UV spectrum of Paeonol UV (MeOH) max : 211, 273, 314 nm 1.500 [Abs] 0.000 0.000 200.0 Wavelength (nm) 500.0 UV (MeOH) max : 211, 273, 314 nm

Mass spectrum of Paeonol EI positive mode

[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: Column YMC-pack pro C18, 25010 (id) mm Mobile phase AcCN:H2O = 30:70 Flow 2 ml/min UV 280 nm Rt 18.64 min Purity 99.9 % 분자식 : C28H34O14 (MW : 594.28) 품질 : 외관 백색 분말 TLC CHCl3:MeOH (2:1), Rf=0.48 건조감량 0.5 % 이하 함량 99.9 % (HPLC)

Thin-layer chromatograms of Poncirin Normal phase TLC (CHCl3 : MeOH = 2 : 1, Rf = 0.48) 좌 : UV short (254nm)에서 검정색 우 : Anis-황산 발색시약에 주황색 Reverse phase TLC ( MeOH : H2O = 65 : 35, Rf = 0.49) 좌 : UV short (254nm)에서 검정색 우 : Anis-황산 발색시약에 주황색

UV spectrum of Poncirin 1.500 + + + + [Abs] + + + 0.000 200.0 Wavelength (nm) 500.0 UV (MeOH) max : Band Ⅱ 281nm, Band Ⅰ321-330nm shoulder

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

적외선 분광학 (IR spectroscopy) ▶ 서론 분자는 각 고유의 진동을 하고 있다. 이와 같은 분자에 적외선을 연속적으로 변화시켜 조사를 하면 분자의 고유진동과 같은 주파수의 적외선이 흡수되어 분자의 구조에 따른 스펙트럼을 얻을 수 있다. hn Low Energy High Energy

☞ IR을 이용한 장치들 Thermal Imaging (Thermography) Night Vision Goggles

▶ 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 굽힘진동 (bending vibration) : 두 결합사이의 각도가 변하는 진동 앞뒤흔듬진동, 좌우흔듬진동, 꼬임진동, 가위질진동 Wagging Rocking Twisting Scissoring

Sample Compartment IR Source Detector

IR Spectrum Baseline Absorbance/Peak No two molecules will give exactly the same IR spectrum (except enantiomers) Simple stretching: 1600-3500 cm-1 Complex vibrations: 400-1400 cm-1, called the “fingerprint region”

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 1640-1680 cm-1 conjugated C=C 1620-1640 cm-1 aromatic C=C approx. 1600 cm-1

Carbon-Hydrogen Stretching Bonds with more s character absorb at a higher frequency sp3 C-H, just below 3000 cm-1 (to the right) sp2 C-H, just above 3000 cm-1 (to the left) sp C-H, at 3300 cm-1

An Alkane IR Spectrum

An Alkene IR Spectrum

An Alkyne IR Spectrum

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 (R2NH), broad with one sharp spike Primary amine (RNH2), broad with two sharp spikes No signal for a tertiary amine (R3N)

An Alcohol IR Spectrum

An Amine IR Spectrum

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

A Ketone IR Spectrum

An Aldehyde IR Spectrum

O-H Stretch of a Carboxylic Acid This O-H absorbs broadly, 2500-3500 cm-1, due to strong hydrogen bonding

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, 1640-1680 cm-1 The C=O of an ester absorbs at a higher frequency, ~1730-1740 cm-1 Carbonyl groups in small rings (5 C’s or less) absorb at an even higher frequency

An Amide IR Spectrum

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

A Nitrile IR Spectrum

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

카르보닐기(C=O)가 존재하는가? 존재하지 않을 경우 알코올 or 페놀 O-H확인 - 3400~3300cm-1 에서 넓은 흡수띠가 있다. 아민 (N-H) 확인 - 3500cm-1 가까이서 넓은 흡수띠가 있다. 이중결합 및 방향족 고리의 확인 - C=C는 대략 1650cm-1에서 약한 흡수가 나타난다. 삼중결합 - C≡C 는 2250cm-1 근처에서 보통 세기의 예리한 흡수가 나타난다. 니트로기 - 1650~1500cm-1와 1390~1300cm-1에서 두 개의 강한 흡수가 나타난다. Hydrocarbon -3000cm-1근처에서 주 흡수가 나타난다.