NMR 스펙트럼을 읽는 방법(화학적 이동, 적분 비율, 결합)
이 칼럼에서는 NMR 스펙트럼(화학적 이동, 적분 비율, 결합)에서 알 수 있는 내용에 대해 이해하기 쉬운 설명을 제공합니다.
NMR 스펙트럼에서 배울 수 있는 것
- 수평축(화학적 이동) : 작용기 종류 및 분자 구조에 대한 정보
- 적분비(신호면적비): 구성비, 혼합비 등의 양에 대한 정보입니다.
- 분할 패턴(결합): 이웃 원자에 대한 정보
NMR 스펙트럼으로부터 알 수 있는 주요 사실은 세 가지가 있습니다.
첫 번째는 화학적 이동이라고 하는 수평축에 대한 정보입니다. 수평축에는 작용기의 종류와 분자 형태에 대한 정보가 포함됩니다. 스펙트럼이 나타나는 위치(수평축의 수치)를 통해 측정 대상 분자에 어떤 종류의 작용기와 분자 형태가 포함되어 있는지 예측할 수 있습니다.
두 번째는 적분비(신호 면적비)입니다. 각 신호의 적분값을 비교함으로써 분자에 포함된 작용기 수를 비교하고, 여러 분자로 구성된 혼합 시료의 혼합비에 대한 정보를 얻을 수 있습니다.
세 번째는 결합(coupling)이라고 불리는 신호 분리입니다. 신호는 관심 핵 스핀 근처에 존재하는 다른 핵 스핀의 영향으로 분리됩니다. 그림 1은 1에탄올의 H NMR 스펙트럼. 메틸기와 메틸렌기 신호는 신호가 단일 신호가 아니라 여러 신호로 분리됨을 보여줍니다. 신호의 분리 패턴은 근처에 존재하는 다른 핵 스핀의 수와 종류에 따라 달라지므로, 분리 패턴을 통해 시스템에 포함된 치환기를 예측할 수 있습니다.
FIG.1 1에탄올의 H NMR 스펙트럼 （CH3CH2OH)
수평축(화학적 이동) 차이 발생 원인
그림 2 자기장 차폐 강도의 차이
화학적 이동의 차이는 우리가 집중하고 있는 핵 스핀이 받는(느끼는) 자기장의 강도에 따라 발생합니다.
그림 2에서 보듯이 핵스핀 근처에 존재하는 전자밀도의 높이에 따라 자기장의 차폐 강도(핵스핀이 받는 자기장의 세기)가 달라진다.
핵 스핀 근처에 존재하는 전자 밀도는 관심 있는 핵 스핀 근처에 존재하는 원자의 전기 음성도의 크기에 따라 달라집니다.
근처에 전자음성도가 높은 O(산소) 원자가 존재할 경우 전자는 O 원자에 끌리게 되고, 관심 있는 핵 스핀 근처의 전자 밀도는 감소하고, 핵 스핀이 받는 자기장의 크기는 더 커집니다.
핵 스핀 근처의 전자 밀도가 감소하면(차폐가 낮아짐) 해당 신호는 왼쪽으로 이동합니다.
화학적 이동표의 예 1H
그림 3 일반적인 기능 그룹의 상관 관계도 및 1HNMR 신호 위치
그림 3은 전형적인 기능 그룹의 상관관계도를 보여줍니다. 1HNMR 신호 위치. NMR 스펙트럼에서 오른쪽은 일반적으로 고자기장 측, 왼쪽은 저자기장 측이라고 합니다. 0 ppm에서 나타나는 신호는 기준 물질인 TMS(테트라메틸실란)의 신호입니다. 화학적 이동 값은 다른 신호로부터의 이동을 나타내는 수치입니다. 따라서 TMS 등과 같은 기준 물질을 사용하여 기준점을 보정해야 합니다.
1메틸, 메틸렌, 메틴과 같은 알킬 사슬의 H 신호는 종종 1ppm 근처에서 나타납니다. 그리고 위에서 언급했듯이, 1알코올 및 에테르 그룹 근처의 H 신호는 이웃 산소 원자와 함께 1이웃 질소 원자와 함께 아미노기에서 유래된 H 신호는 3ppm~4ppm 근처에서 감지됩니다.
5ppm 부근에 나타나는 신호는 알켄 유래 신호이다. 1H 신호. 또한, 1방향족 고리에서 유래된 H 신호는 약 7 ppm에서 관찰되고, 알데히드와 같은 포르밀기에서 유래된 신호는 약 9 ppm에서 나타납니다. 카르복실기와 페놀기에서 유래된 신호는 약 11 ppm에서 나타납니다. 신호가 나타나는 위치를 통해 작용기의 유형을 대략적으로 예측할 수 있습니다.
NMR을 이용하여 구조 해석을 수행할 경우, OH기나 COH기가 포함된 경우 중수 교환에 주의하시기 바랍니다.
용액 NMR에서는 시료를 무거운 용매에 녹여 측정합니다. 사용하는 용매가 중수 또는 무거운 메탄올인 경우, D(2H) 용매 분자와
1OH 또는 COH 그룹의 H 및 1OH 또는 COH 그룹의 H 신호는 관찰되지 않을 수 있습니다.
통합 비율
FIG.4 1벤질 아세테이트의 HNMR 스펙트럼
다음은 적분 비율 사용에 대한 간략한 소개입니다. 그림 4는 벤질 아세테이트의 구조식을 보여줍니다. 1H 스펙트럼. 벤질 아세테이트의 분자 구조를 살펴보면 다음과 같습니다. 1H 신호는 CH와 관련된 세 영역에서 관찰됩니다.3 그룹, CH2 그룹, 그리고 방향족 그룹.
또한 자세히 살펴보면 벤질 아세테이트에는 세 가지가 있습니다. 1CH에서 유래된 Hs3, 둘
1CH에서 유래된 Hs2, 그리고 다섯 1Hs는 하나의 치환된 방향족 CH에서 유래합니다. 각 신호의 적분 비율은 CH로 계산됩니다.3:CH2:CH = 3:2:5, 이는 구조로부터 예측된 값과 실제 측정된 값이 일치함을 나타냅니다.
CH도 볼 수 있습니다3 영역에서 왼쪽으로 이동합니다. 1CH에서 파생된 H 신호3 주변 O 원자의 영향으로 인해 종종 관찰됩니다(약 1ppm).
혼합 샘플에서 통합 비율을 사용하는 예는 다음과 같습니다.
- 각 성분의 적분값을 비교하여 상대적인 정량적 평가
- 순도가 알려진 표준물질을 이용한 절대 정량 평가(q-NMR)
- 반응 전후의 적분값을 비교하여 반응속도를 계산한다.
두 가지 예에서 모두 각 구성 요소에 고유한 신호를 찾고 올바르게 통합할 수 있는(즉, 다른 신호와 겹치지 않는) 신호를 찾는 것이 중요합니다.
커플링 및 스핀-스핀 커플링 상수 "J"
FIG.5 12,4-디메틸 피리미딘의 H NMR 스펙트럼
마지막으로 커플링을 소개합니다. 커플링은 관심 핵 스핀과 다른 이웃 핵 스핀 사이의 상호작용을 의미합니다. 1차원 측정에서 1H NMR에서, 상호작용, 즉 "결합"은 핵 스핀들이 서로 근접하여 NMR 신호가 분리될 때 발생합니다. 스핀 결합의 분리 폭의 단위는 Hz로 표시됩니다. 이 값을 스핀 결합 상수 또는 J 결합 상수(j 값)라고 합니다.
또한, 분할 폭이 서로 결합될 때 동일한 j 값을 갖는 것으로 알려져 있습니다. 그림 5의 화합물에서 Ha와 Hx는 결합되어 있으므로 Ha와 Hx의 분할 폭은 모두 6Hz로 동일합니다. 따라서 분할 피크가 관찰되면 j 값 정보를 사용하여 어떤 신호가 결합되었는지 확인할 수 있습니다.
결합으로 인한 분할 패턴
결합으로 인한 분할 패턴에 대해 좀 더 자세히 설명해 보겠습니다. 분할되지 않은 신호는 싱글릿(singlet)이라고 하며, 기호 "s"로 표시합니다. 두 개로 분할된 신호는 더블릿(doublet)이라고 하며, 기호 "d"로 표시합니다. 세 개로 분할된 신호는 트리플릿(triplet)이라고 하며, 기호 "t"로 표시합니다. 트리플릿의 신호 강도비는 1:2:1입니다. 네 개로 분할된 신호는 쿼텟(quartet)이라고 하며, 기호 "q"로 표시합니다. 쿼텟의 신호 강도비는 1:3:3:1입니다. 다섯 개 이상의 세그먼트로 구성된 신호는 멀티플릿(multiplet)이라고 하며, 기호 "m"으로 표시합니다.
사용법 - 1에탄올의 H NMR 스펙트럼을 예로 들면, 분리 과정을 설명하겠습니다.
1H 신호. CH에서 파생된 신호에 초점을 맞추면3 1ppm 주변의 그룹, 수 1CH 근처 H3 그룹은 2(CH와 결합됨)입니다.2 그룹)이므로 2+1=3으로 나뉩니다.
CH에서 파생된 신호를 살펴보면2 그룹 약 3.5ppm, 1CH 근처 H2 그룹은 3(CH와 결합됨)입니다.3 그룹)이 3+1=4로 나뉩니다.
5ppm 부근의 OH 신호는 근처에 결합되지 않기 때문에 1H, 핵은 분열되지 않고 싱글렛 상태에 있습니다. 기본적으로 신호가 "n+1"로 분열되는 것을 볼 수 있습니다. 여기서 "n"은 관심 핵 스핀을 중심으로 위치하는 핵 스핀의 개수를 의미합니다.
제품
핵자기공명분광기(NMR)
NMR은 핵자기공명(Nuclear Magnetic Resonance)의 약자입니다. 원자핵을 자기장 내에 위치시켜 핵 스핀의 공명 현상을 관찰하여 원자 수준에서 물질의 분자 구조를 분석하는 장비입니다. 특히 유기 화합물과 고분자 물질의 분석에 유용하며, 제약, 생물학, 식품, 화학 분야에서 활용되고 있습니다. 최근에는 세라믹이나 배터리와 같은 무기 재료의 구조 및 물리적 특성 분석까지 그 응용 분야가 확대되고 있습니다.
전자 스핀 공명 분광기(ESR)
전자 스핀 공명(ESR)은 물질 내 비공유 전자의 특성을 검출, 분석 및 결정하는 강력한 분석 방법입니다. 물질 내 전자의 상태가 물질의 특성과 기능에 큰 영향을 미친다는 것은 분명하므로, ESR을 이용한 평가는 점점 더 중요해지고 있습니다. 전자 재료부터 촉매, 생물학적 시료에 이르기까지 다양한 물질을 고체, 액체, 기체 등 어떤 형태이든 연구할 수 있습니다. 기본 장비와 함께 적합한 부착 장치를 사용하면 다양한 ESR 기법을 적용할 수 있습니다.
(주)제올
JEOL은 1949년 설립 이래 최첨단 과학 및 계측 기기, 산업 및 의료 장비 개발에 전념해 왔습니다.
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