Transcript part I
제12장 질량 분광법과
적외선 분광법
주요 학습 내용
1. 작은 분자의 질량 분광법: 자기-부채꼴 기구
2. 질량 스펙트럼의 해석
3. 몇 가지 일반적인 작용기의 질량 분광법
4. 생화학에서의 질량분광법: 비행시간 장치
5. 분광학과 전자기 스펙트럼
6. 적외선 분광법
7. 적외선 스펙트럼의 해석
8. 몇 가지 일반적인 작용기의 IR 스펙트럼
질량 분광법(mass spectrometry, MS)은 분자 질량과 분자량을 결정하는
기술이다.
질량 분광법은 분자가 깨어질 때에 생기는 토막의 질량을 측정함으로써
분자에 대한 구조적인 정보를 얻을 수 있다.
질량을 분석하는 기계는 시료 분자에 전기적인 전하를 주는 이온화 공급
원, 이온이 질량대 전하의 비에 따라 분리되는 질량 분석기 및 분리된 이
온이 관측되고 계산되는 검출기로 구성된다.
12.1 작은 분자의 질량 분광법: 자기-부채꼴 기구
소량의 시료가 이온화 공급원 내에서 기화되고, 높은 에너지 전자들의
흐름에 의해 충격을 받게 된다.
높은 에너지의 전자가 유기 분자를 때리면, 분자로부터 원자가 전자를
떼어내고 양이온 라디칼을 생성한다.
전자 충격은 커다란 에너지를 시료 분자로 전달하게 되며, 분자는 양
이온 라디칼이 형성된 후 토막(fragment)으로 된다.
이 토막들은 강한 자기장 내의 휘어진 관을 통해서 흐르고, 질량 대
전하의 비(m/z)에 따라 서로 다른 경로로 휘어진다.
중성 토막들은 관벽에서 소멸되고, 양으로 하전된 토막들은 해당
m/z의 비에 따라 peak으로 기록된다.
보통 각 이온의 전하 z가 1이기 때문에 m/z 값은 각 이온의 질량인
m이다.
화합물의 질량 스펙트럼은 x-축은 질량(m/z 값)을, y-축은 세기 혹은
주어진 m/z의 상대적인 이온의 존재비를 나타낸다.
가장 큰 peak을 주봉우리(base peak)라고 부르며, 이 봉우리의 세기
를 100%로 배정한다.
토막나지 않은 양이온 라디칼에 해당하는 봉우리는 어미 봉우리 또
는 분자 이온(molecular ion, M+)이라고 부른다.
그림 12.2 Propane의 질량 스펙트럼
질량 스펙트럼으로부터 얻을 수 있는 가장 명확한 정보는 분자량이다.
“이중-집중 질량 분석법”을 이용한 기기들은 정확한 질량 측정을 5ppm
혹은 0.0005 원자 질량 단위(amu)까지 제공하는 높은 분해능을 가지고
있다.
• 이는 동일한 명목 질량을 가진 두 개의 화학식 사이를 구별이 가능
하도록 한다.
• 예를 들면, C5H12와 C4H8O는 같은 분자량(MW = 72)을 가졌지만,
C5H12는 72.0939amu의 정확한 질량을 가지며, C4H8O는
72.0575amu의 정확한 질량을 갖는다. 분해능이 높은 질량 분광기
로 이 두 화합물을 쉽게 구별할 수 있다.
12.2 질량 스펙트럼의 해석
불행하게도, 모든 화합물들이 그들의 질량 스펙트럼에 반드시 분자
이온을 나타내지는 않는다.
2,2-Dimethylpropane과 같은 화합물은 분자 이온이 쉽게 쪼개져서
분자 이온이 관찰되지 않는다.
이런 경우에는 전자 충격법을 사용하지 않고 “부드러운” 이온화 방법
을 이용하여 토막내기를 방지하거나 최소화한다.
질량 스펙트럼은 어느 화합물의 “분자 지문(molecular fingerprint)”
역할을 한다. 각각의 유기 화합물 토막은 구조에 따라서 일정한 방법
으로 쪼개지며, 두 개의 화합물이 같은 질량 스펙트럼을 가질 확률은
적다.
따라서, 미지 시료를 Registry of Mass Spectral Data라고 불리는
컴퓨터 데이터 베이스에 수록된 390,000개 이상의 질량 스펙트럼과
비교함으로써 확인할 수 있다.
토막내기는 높은 에너지의 양이온 라디칼이 자발적으로 화학 결합을
끊고 흩어져서 일어난다.
두 개의 토막 중 한 개는 양전하를 가진 탄소양이온을 나타내며, 다른
토막은 중성 라디칼이다. 상대적으로 안정한 탄소양이온이 형성된다.
대부분의 탄화수소는 그림 12.4의 hexane에 대한 질량 스펙트럼에
서 보듯이 여러 가지 방식으로 쪼개진다. Hexane 스펙트럼은 분자
이온이 m/z = 86에서 그리고 m/z = 71, 57, 43 및 29에서 토막 이온
들을 볼 수 있다.
그림 12.5에 어떻게 hexane 토막들이 생기는지 나타내었다.
Registry of Mass Spectral Data
알코올
1.
알파 분해
알코올은 알파 분해와 탈수에 의한 토막내기가 일어난다.
알파 분해 방식에서는 가까운 C-C 결합이 끊어져서, 중성 라디칼
과 공명-안정화 되는 산소가 포함된 양이온이 생성된다.
12.3 몇 가지 일반적인 작용기의 질량 분석법
2.
탈수
탈수 방식에서는 물이 제거되어 M+에 비해 18 질량 단위가 작은
알켄 라디칼 양이온이 생성된다.
아민
1. 알파 분해
지방족 아민은 알코올과 유사하게 알파 분해가 일어난다.
질소 원자에 가까운 C-C 결합이 끊어져서, 알킬 라디칼과 공명안정화 되는 질소가 포함된 양이온이 생성된다.
카보닐 화합물
1.
McLafferty 자리옮김
카보닐기로부터 탄소 세 개가 떨어져 있는 위치에 수소를 가지고
있는 케톤과 알데하이드는 McLafferty 자리옮김이라고 부르는 질
량-스펙트럼 분해가 일어난다.
수소 원자가 카보닐 산소로 이동하고, C-C 결합이 끊어진 다음, 중
성인 알켄 토막이 생성된다. 그리고 전하는 산소가 포함된 토막에
남는다.
2.
알파 분해
카보닐기와 인접한 탄소 사이의 결합에서 알파 분해가 일어난다.
알파 분해는 중성 라디칼과 공명-안정화 아실 양이온을 생성한다.
카보닐 화합물의 알파 분해는 카보닐기와 알파 탄소 사이가 끊어
진다.
MS에 의한 생화학 분석은 비행시간(time-of-flight, TOF) 질량 분석기
에 연결된 전기분무 이온화(electrospray ionization, ESI)나 매질-보조
레이저 탈착 이온화(matrix-assisted laser desorption ionization,
MALDI)를 사용한다. ESI나 MALDI는 분자량이 아주 큰 생물시료일지
라도 작은 토막으로 하전된 분자를 생성하는 “부드러운” 이온화 방법
이다.
12.4 생화학에서의 질량분광법: 비행시간 장치
1. ESI에서는 시료 M이 극성 용매에 용해되어 강철의 모세관에 스프
레이 된다. 관에 존재할 때 높은 전압을 받게 되어 용매로부터 H+
이온이 제거되어 양성자 첨가된다. 그 다음 휘발성 용매는 증발되
어 양성자 첨가된 시료 분자(M+Hnn+)를 생성한다.
2. MALDI에서는 시료가 2,5-dihydroxybenzoic acid와 같은 매질 화합
물에 흡착되고 레이저 광의 순간적인 폭발에 의해 이온화한다. 매
질 화합물은 시료에 에너지를 전달하고 양성자 첨가시켜 M+Hnn+
이온을 생성한다.
Koichi Tanaka
Novel prize in chemistry (2002); 단백질 질량 분석에 기여한 공로
주요 용어
질량 분광법(mass spectrometry, MS), 분자량(MW), 양이온 라디칼
(cation radical), m/z, 질량 스펙트럼(mass spectrum), 주봉우리(base
peak), 어미 봉우리(parent peak), 이중-집중 질량 분석법(doublefocusing mass spectrometry), 분자 지문(molecular fingerprint), 알파 분
해(alpha cleavage), 탈수(dehydration), McLafferty 자리옮김(McLafferty
rearrangement), 비행시간(time-of-flight, TOF), 전기분무 이온화
(electrospray ionization, ESI), MALDI