적외선 분광법 개론, Infrared Spectroscopy

 유기화합물과 무기화합물은 거의 대부분의 화합물은 공유결합을 가지며 전자기파의 다양한 적외선 주파수를 흡수한다. 이 적외선 부분은 가시광선의 파장인 400~800 nm보다 더 긴 위치에 속하고 마이크로파보단 짧은 파장을 가진다. 

 화학에서는 적외선 영역의 진동vibration에 관여하는 부분에 관심을 가진다. 이 부분의 파장은 2.5μm 에서 25μm 영역이다. 마이크로미터,μm라고 쓰는 것이 학술적으로 더 맞는 표현이지만, 종종 마이크론,미크론,micron, μ 이라는 단위를 적외선 분광법에서 자주 쓰는 것을 볼 수 있다. 적외선이 가지는 다양한 의미는 다른 글에서 논하기로 하고, 여기에서는 유기화학에서 적외선 스펙트럼Infrared spectrum을 얻었을 때 필요한 것을 다루고자 한다. 

 많은 화학자들은 전자기파의 진동 적외선 영역vibrational infrared region을 파장,wavelength이나 진동수frequency보다는 파수,wave number,라는 단위로 말한다. 단위는 cm^-1이며 파장의 역수로 센티미터 단위의 파장을 역수를 취하면 얻을 수 있다. 파수를 진동수ν로 바꿀 때는 바로 광속을 곱해주면 바로 얻을 수 있다.

화학자들이 파수라는 단위를 쓰는 이유는 에너지와 비례관계이기 때문이다. 파수가 크면 주파수도 크다는 것이며 이는 즉 더 큰 에너지를 의미한다. 앞으로 다루는 IR 스펙트럼은 4000 ~ 400 cm^-1 범위가 될 것이다.

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 적외선 흡수, Infrared absorption

분자들은 적외선을 흡수하면 더 높은 에너지 준위로 들뜬다. 다른 흡수 과정처럼 적외선 흡수도 양자화된 과정이다. 분자는 적외선 중에서 오직 몇 개의 선택된 주파수만을 흡수한다. 흡수한 적외선은 에너지 단위로 환산하면 8 ~ 40 kJ/mol에 해당한다. 이 범위에 있는 전자기파는 대부분 공유 결합 분자의 뻗침 진동stretching vibration과 굽힘 진동bending vibration에 관여한다. 결합이 진동하는 주파수와 정확하게 맞는 범위의 적외선 파장이 이 분자에 쪼여지면 흡수되는데, 진동의 세기가 강해진다. 하지만 분자의 모든 결합이 적외선을 흡수할 수 있는 것은 아니다. 쌍극자 모멘텀dipole moment를 가지는 분자만이 적외선을 흡수할 수 있다. 그래서 대칭적인 분자인 H₂나 O₂ 같은 분자는 적외선을 흡수하지 않는다. 그래서 완전히 대칭적이거나 거의 대칭적인 분자 결합은 IR 스펙트럼에서 나타나지 않게 된다. 아래 그림처럼 왼쪽의 대칭적인symmetric, 오른쪽의 가대칭적인pseudosymmetric 분자는 거의 적외선을 흡수하지 않는다.

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 진동의 방식, The modes of vibration

진동을 하는 방식을 각각 Mode라고 한다. 각각의 분자는 여러 mode를 가지고 있으며, 진동을 하면서 쌍극자 모멘텀dipole moment가 변해서 적외선을 흡수하는 mode를  infrared active하다고 한다. 이러한 진동에는 크게 뻗침stretching과 굽힘bending이 있다.

Stretching	Bending

 하지만 분자가 복잡해지면 다른 뻗침과 굽힘 진동 역시 infrared active 하다. 이러한 방식엔 각각 scissoring, rocking, wagging, twisting이 있다.

Scissoring (~1450 cm-1)	Wagging (~1250 cm-1)
Rocking (~720 cm-1)	Twisting (~1250 cm-1)

 세 개 이상의 원자가 있는 작용기마다 적어도 두개의 같지만 다른 두 개의 뻗침 mode가 있다. 이는 각각 대칭symmetric, 반대칭asymmetric 뻗침이다. 이에 대한 예로 메틸기methyl group-CH₃, 메틸렌기methylene group -CH₂, 니트로기nitro group -NO₂, 아미노기amino group -NH₂, 그리고 무수화물anhydrous가 있다.

작용기	대칭 뻗침 Symmetric Stretch	반대칭 뻗침 Asymmetric Stretch
메틸기 methyl group
	~2872 cm-1	~2962 cm-1
메틸렌기 methylene group
	~2853 cm-1	~2926 cm-1
니트로기 nitro group
	~1350 cm-1	~1550 cm-1
아미노기 amino group
	~3300 cm-1	~3400 cm-1
무수물 anhydrous
	~1760 cm-1	~1800 cm-1

이처럼 각각 다양한 진동 방식이 있으며, 이를 표로 정리한 것은 아래에 있다. 이를 통해 어떤 화합물인지 추론할 수 있다.

진동 방식		진동수 (cm-1)	강도
C-H	Alkane (stretch)	3000-2850	강
	-CH3 (bend)	1450, 1375	중
	-CH2- (bend)	1465	중
	Alkene (stretch)	3100-3000	중
	Alkene (out-of-plane bend)	1000-650	강
	Aromatic (stretch)	3150-3050	강
	Aromatic (out-of-plane bend)	900-690	강
	Alkyne (stretch)	~3300	강
	Aldehyde	2900-2800 2800-2700	중 중
C-C	Alkane	해석하는데 도움되지 않음
C=C	Alkene	1680-1600	중-약
	Aromatic	1600, 1475	중-약
C≡C	Alkyne	2250-2100	중-약
C=O	Aldehyde	1740-1720	강
	Ketone	1725-1705	강
	Carboxylic acid	1725-1700	강
	Ester	1750-1730	강
	Amide	1680-1630	강
	Anhydride	1810, 1760	강
	Acid chloride	1800	강
C-O	Alcohol, ether, ester, carboxylic acid, anhydrous	1300-1000	강
O-H	Alcohol, phenol Free H-bonded
		3650-3600	중
		3400-3200	중
	Carboxylic acid	3400-2400	중
N-H	primary, secondary amine & amide stretch bend
		3500-3100	중
		1460-1550	강-중
C-N	Amine	1350-1000	강-중
C=N	Imine, Oxime	1690-1640	강-약
C≡N	Nitrile	2260-2240	중
X=C=Y	Allene, ketene, isocyanate, isothiocyanate	2270-1940	강-중
N=O	Nitro	1550, 1350	강
S-H	Mercaptan	2550	중
S=O	Sulfoxide	1050	강
	Sulfone, sulfonyl chloride, sulfare, sulfonamide	1375-1300 1350-1140	강
C-X	Fluoride	1400-1000	강
	Chloride	785-540	강
	Bromide, Iodide	<667	강