NMR에서 Deuterated Solvent를 사용하는 이유? DMSO는 왜 Quintet으로 나타날까?

 

 

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 요즘은 용매에 녹이지 않고 찍는 고체 NMR (Solid state NMR)이 많이 이용되기도 하지만, 보통 NMR을 찍을 때는 용매에 녹여서 찍으며, 또한 일반적인 유기용매에 분석물질을 넣어서 측정하지 않고 거의 반드시 Deuterated solvent (D, 중수소로 치환된 용매) 를 사용하게 된다. 일반 유기 용매에 비해서 값도 현저히 비싼 (DMSO의 methyl - H가 치환된 DMSO-d₆가 25g에 8만원 쯤 했던 것으로 기억한다) 용매를 왜 사용해야 할까? 그리고 NMR 용매 피크에 대한 궁금증이 한 번쯤 생길 수 있을 것 같아서 정리해봤다.

 

 

#1.

 

NMR의 locking은 Deuterium의 흡수를 보고 잡기 때문이다. Deuterium의 흡수 파장을 이용하여 NMR의 자기장 세기를 일정하게 유지시키는 Locking이 되는지 확인하기 위해 실시간으로 변화하는 파동을 관찰하며 여러 파라미터를 조절하기 때문에 Deuterated solvent를 사용한다.

 

 

#2.

 

그렇다면 왜 기준을 Deuterium을 잡고서 lock을 잡을까?라고 물어볼 수 있어서 찾아본 결과, 만족스러운 답변이 없었고, 추측컨대 초기 NMR 모델이 ¹H NMR을 위주로 설정되었기 때문에 D를 사용한것이 아닐까 하는 것이 아닐까 싶다. 자세히 설명하자면, ¹H NMR을 측정하고자 할 때, 일반 유기용매를 사용하게 되면 유기용매의 Solvent peak가 녹아있는 분석물질의 양보다 엄청나게 많으므로 우리가 원하는 피크가 묻혀버리게 되기 때문에 이와 구분되는 용매를 사용할 필요성이 생긴 것이다. 그래서 Deuterium을 쓰게 된 것인데, 이는 또한 ¹H와 다른 위치에서 공명하게 된다. 400 MHz NMR에서 ¹H는 400 MHz에서 공명할 때, ²D는 61 MHz에서 공명하게 된다 (이는 핵종이 가진 전하와 질량의 관계로부터 나온 자이로 자기 계수 (gyromagnetic ratio)가 다르기 때문인데 이 설명은 생략). 

 

잠시 NMR 공명에 대해 정리하고 넘어가자면, 수소 핵(¹H)은 9.3947 T (Tesla)의 자기장을 걸어줬을 때, 400 MHz의 주파수에서 공명한다. 즉, 400 MHz의 주파수를 흡수한다는 의미이다. 공명주파수로 NMR기기를 나누는 이유는 Tesla가 딱 맞게 안떨어지기 때문인 것 같다. 같은 자기장의 세기에서 ²D는 61 MHz의 주파수를 흡수한다.

 

결론적으로 두 핵종의 피크 위치가 다르다는 것을 알 수 있다. 이 차이가 얼마나 큰 것이냐하면, 우리가 흔히 측정하는 NMR의 ppm차이는 1 ppm 차이에 해당 NMR의 주파수 만큼을 곱한 값이 되는데 가령 400 MHz NMR 기기의 경우, 1 ppm 차이는 400 Hz 차이를 의미한다. TMS를 0으로 잡고 했을 때 우리가 흔히 찍는 유기 리간드에 대해서 피크가 많이 이동해봐야 15 ppm 전후인데 (paramagnetic 착물 같은 경우에도 보통 +400 ~ -400 ppm), 이는 6000 Hz (paramagnetic ±160000 Hz) 정도 차이난다는 것을 의미하고, 이 차이는 400 * 10⁶ Hz와 61 * 10⁶ Hz 의 차이에 비하면 아무것도 아닌 셈이 된다. 다시말해서, 거의 관찰할 수도 없게 멀리 있는 피크라는 것이다. 신경쓰지말고 lock잡는데나 쓰세요 하는 느낌.

 

그럼에도 불구하고 나타나는 흔히 NMR solvent peak라고 하는 것은 NMR 용매가 100.000% D로 치환되지 못하므로 치환되지 못한 잔여 H를 가진 피크가 검출됨을 의미한다. 이들은 다행히 여러 연구에서 용매별로 잘 분류되었다.

 

 

#3.

 

그래서 원리만 놓고 보자면, ¹H가 아닌 ¹³C, ¹⁵N, ¹⁹F 등의 NMR 데이터를 얻고자 할 때는 NMR 솔벤트를 굳이 D로 치환된 것을 쓸 이유가 없으나, 앞서 언급한 내용처럼 D의 공명을 봐가면서 lock을 잡기 때문에 사용하는 것으로 이해하면 되겠다. 다른 핵종의 원자를 통해서 lock을 잡게끔 만들어도 되지 않겠느냐라고 물어보면 저런 특수핵종 (¹³C, ¹⁵N, ¹⁹F) 등을 사용하는 경우보다 ¹H를 사용하는 경우가 압도적으로 많으므로 아마 비용적인 측면에서 굳이 다른 핵종으로 lock을 잡기 위한 기술을 개발할 필요가 없지 않았을 것 같기 때문에 현재까지 이렇게 사용하는 것이 아닐까 싶다 (이건 개인적인 생각).

 

 

#4.

 

 참고로 CDCl₃ (Chloroform-d)는 가장 많이 사용되는 NMR 용매이고, 그 이유는 어지간한 분석물질과 상호작용을 일으키지 않으며 (마치 질소같은 느낌), 대체로 유기물질을 잘 녹이고, 증발을 잘하기 때문에 분석물질의 회수가 가능하다는 점에서 가장 많이 사용된다 (가격도 가장 저렴하다!). 실제로 유기화학 합성 실험실 등에서는 정말로 많은 스탭을 거쳤거나 혹은 자체 반응의 수율이 원래부터 낮던가 해서 최종 수율이 막 몇 mg 나오는 경우가 비일비재하다고 하며, 그 때문에 NMR에 들어간 몇 mg의 시료도 다시 회수한다고 한다. 요즘 나도 그렇게 회수하고 있다...

 

 또 다른 참고할만한 내용으로 DMSO-d₆는 ¹H NMR에서 quintet으로 나타나는데 (DMF-d₇은 triplet이 2개), 이 이유는 DMSO의 2개의 메틸 그룹이 모두 D로 치환되지 못하고 1개가 덜 치환된 D₂HC(SO)CD₃ 와 같은 식으로 존재하게 되는데, 이 경우에 우리가 관찰하는 부분에서 H 원자는 주변의 D 원자 2개의 존재를 느끼게 된다 (상호작용 하게 된다). 만약 메틸 그룹의 H가 전부 치환되었다면 1H 영역에서 나타나지 않았을 것이다. 

 

 D는 H와 다르게 S = 1 인 스핀을 가지므로, 피크가 갈라지는 수를 계산하는 2NI+1 (N은 해당 스핀 핵종의 개수 여기서는 D 2개이므로 2, I는 spin 을 가리키고, 여기서는 1)이므로 2*2*1+1 = 5를 가지게 되어 quintet 으로 갈라지게 된다. 우리가 흔히 알고있는 1H NMR에서 주변에 프로톤 개수에 따라서 +1 한다는 것도 사실은 2*(1/2)*(1)+1이기 때문에 n+1로 되는 것임을 다시 한 번 상기할 필요가 있다.

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DMSO (dimethylsulfoxide)

 

 

아니, 그러면 왜 ¹³C NMR에서는 DMSO가 칠중선 (septet)으로 갈라지느냐?고 물어보면, Carbon NMR이므로 Carbon이 느끼는 것을 기준으로 삼아야 하고, 여기서 느끼는 것은 대칭구조인 DMSO에서 한 쪽의 탄소가 느끼는 3개의 중수소 (²D)를 생각해야하므로, 앞선 규칙에서 2*3*1+1 (S=1, 3개의 D) = 7 이 된다는 것을 알 수 있다. 같은 방법으로 CDCl₃로 ¹H NMR에서는 singlet을 나타내지만, ¹³C NMR에서는 triplet으로 나타난다 (2*1*1+1 = 3).