방향족 화합물Aromatic compound는 적외선IR 영역에서 여러 흡수 밴드를 보여준다. 하지만 많은 부분이 해석할 정도로 의미있는 정보를 주진 않는다. 벤젠 고리에 붙어 있는 수소는 sp2 탄소에 붙어 있어서 sp2 C-H의 뻗침진동stretching vibration의 흡수가 있어서 3000 cm-1이상에서 피크가 나타난다. 이 외에 벤젠에서만 나타나는 피크들이 있는데 알아보자. 또 벤젠 평면에서 벗어나는 굽힘 진동인 out-of-plane, oop도 나타난다.
[그림1. Toluene, 톨루엔의 IR]
벤젠에 메틸기가 하나 붙은 톨루엔, toluene의 IR이다. 먼저 3000 cm-1이상에서 sp2 C-H의 stretching vibration이 나타났다. 또 메틸기가 있어서 sp3 C-H의 stretching vibration도 3000 cm-1이하에서 나타났다. 2000-1667 cm-1에서 약한 세기이지만 비슷한 세기의 피크 4개가 나타나고 750, 690 cm-1에서 강한 피크 두 개가 나오면 이는 벤젠 고리에 치환기가 한 개mono substituted benzene 있다는 뜻이다. 그리고 벤젠 특유의 피크가 1600, 1450 cm-1에서 나타났다.
[그림 2. o-diethylbenzene의 IR]
전체적으로 톨루엔과 비슷하지만 o-diethylbenzene은 2000-1667 cm-1에서 나오는 피크 패턴이 다르다. 이 부분의 패턴은 ortho 로 치환되어 있을 때 나타나는 패턴이다. 또, 위에서 한 개 치환된 것과는 다르게 750 cm-1에서 한 개의 피크만 나왔는데, 이 패턴이 바로 ortho 치환기 패턴이다.
[그림 3. m-dimethylbenzene의 IR]
이 그림은 m-dimethylbenzene이다. 역시 2000-1667 cm-1에서 나오는 피크 패턴이 다르다. 또 890 cm-1에서 중간 세기의 피크가, 800, 700 cm-1에서 강한 세기의 피크 두 개가 나오는데 이는 meta 치환기일 때 나타나는 패턴이다.
[그림 4. p-diethylbenzene의 IR]
p-diethylbenzene에서 보여주는 para 패턴은 또 다르다. 치환기에 따라 어떤 패턴이 나타나는지는 밑에서 다루겠다.
C-H 굽힘 진동, C-H bending vibration
평면 안에서 나타나는 C-H 굽힘 진동은 1300-1000 cm-1에서 나타난다. 하지만 다른 피크에 의해 겹쳐져서 유용한 정보를 얻기는 힘들다.
Out-of-plane C-H 진동은 900-690 cm-1에서 나타나며, 평면 안에서의 진동보다도 훨씬 유용하다. 아주 세게 IR을 흡수해서 바로 옆의 수소와 강하게 커플링coupling되어 방향족 고리aromatic ring에 치환기가 몇 개 붙었는지 판단할 수 있는 유용한 정보를 준다. 하지만 구조에 대한 정보를 얻는 것은 치환기가 알킬alkyl-, 알콕시alkoxy-, 할로halo-, 아미노amino-, 카보닐carbonyl- 일 때 믿을 만 하다. 하지만 치환기가 카복실 산carboxylic acid, 나이트로nitro- 화합물 또는 설폰산sulfonic acid 화합물은 만족할만한 해석을 이끌어 낼 수 없다. 이들이 나타나는 패턴은 아래 그림으로 표시했다.
[그림 5. 벤젠 치환기에 따른 피크의 패턴. s는 피크의 크기가 크고, m은 중간 크기란 뜻이다.]
1개가 치환된 고리, Monosubstituted ring
벤젠 고리에 치환기가 한 개 있을 때의 패턴은 언제나 690 cm-1에서 강하게 나타난다. 만약 이 밴드가 보이지 않는다면 한개가 치환된 고리가 없다는 뜻이다. 두 번째로 강한 밴드는 주로 750 cm-1에서 나타난다. 그런데 할로탄소halocarbon 용매에서 IR 스펙트럼을 찍는다면, C-X의 강한 흡수로 인해 690 cm-1에서 피크가 가려져 확인할 수 없을 수도 있다.
ortho- 치환된 고리, ortho-disubstituted ring
750 cm-1에서 한 개의 강한 흡수가 나타난다.
meta- 치환된 고리, meta-disubstituted ring
meta로 치환된 고리는 690과 780 cm-1에서 강한 피크가 나타난다. 그리고 880 cm-1에서 중간 세기의 세번째 밴드가 나타난다.
para- 치환된 고리, para-substituted ring
한개의 강한 밴드가 800-850 cm-1에서 나타난다.
그림 5에서 C-H의 oop 굽힘 진동이 주로 나타나는 벤드의 위치가 표시되었다. 이 패턴을 통해 치환기가 어떻게 배치되어 있는지 확인할 수 있다.
Combination, Overtone band
[그림 6. Combination, overtone band pattern]
2000-1667 cm-1에서 아주 많지만 약한 combination, overtone 밴드가 나타난다. 피크의 상대적인 모양과 피크의 수로 벤젠의 치환기가 1, 2, 3, 4, 5, 6개인지 구별할 수 있다. 또한 ortho, meta, para를 비롯하여 위치가 어디있는지 또한 구별이 가능하다. 이 흡수 밴드들이 약하지만, 순수한 액체나 농축된 용액 상태로 IR 스펙트럼을 얻을 때 가장 관찰이 쉬워진다. 만약 화합물이 카보닐carbonyl기를 가지고 있다면 C=O의 흡수로 인해 가려져서 이 영역의 판독이 힘들어진다. 오른쪽 그림은 그 페턴을 보여주고 있다. 또 위의 예들로써 ortho, meta, para의 구별을 어떻게 하면 되는지 감을 잡을 수 있을 것이다.
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