part I

Report
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

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