복잡하고 다양한 NMR의 종류, 간략하게 알아보기 (COSY, NOESY, DEPT, HSQC, HMBC)

OSY

  보통은 1H, 13C는 1D NMR만 분석을 하지만, 전혀 어떤 물질인지 감이 안잡히는 경우 여러 NMR 테크닉을 동원해서 구조 분석을 할 수 있다. 복잡한 NMR 기기의 모드에서 보통 영어 약자로만 나타나기 때문에 알아보기가 어려운데, 간략하게 이들 정보를 모아봤다. 신호가 어떻게 검출되는지에 대한 원리는 생략했다. 

 

1. NOE (Nuclear Overhauser Effect): 특정 peak에 맞는 주파수를 때리면 마치 두더지 잡기처럼 '공간상으로' 인접한 피크들이 검출되는 원리를 이용한 분석. 단순히 결합이 가까운 것이 아니라, 공간상으로 인접해야 하기 때문에 입체화학(stereochemistry)에 관련한 중요한 정보를 줄 수 있다. 

https://doi.org/10.1016/j.tifs.2019.02.001

약간 이런느낌

 

 

2. TOCSY(TOtal Correlated SpectroscopY: NOE처럼 특정 peak에 맞는 주파수를 때리면 인접한 피크가 나오는데, 이는 NOE와 다르게 결합상으로 인접한 피크가 먼저 뜨게 된다. 그래서 특정 피크를 때렸을 때 반응하는 다른 피크들만을 끄집어 낼 수 있기 때문에, 복잡한 피크들이 뭉쳐서 해석하기 어려운 경우에 유용하게 쓸 수 있다.

3. DEPT 45/90/135 (Distortionless enhancement by polarization transfer spectra): 13C에 대해서 쓰는 방법인데, 13C NMR에서 어떤 C가 CH, CH2, CH3, C (Quarternary) 인지 알 수 있다. 45, 90, 135는 pulse를 쏘는 각도인데, 각각의 각도에서 반응하는 C가 다르다. 보통 135를 많이 쓰는데, positive한 시그널은 CH, CH3 신호를, negative 시그널은 CH2 (Quaternary)를 의미한다. Quarternary C는 나타나지 않는다. 이와 함께 피크가 나타난 위치 (ppm)을 조합하면 이게 몇개의 H를 가지고 있는지 짐작할 수 있다. 

DEPT spectrum example (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352340920315146)

 

4. COSY (Correlation Spectroscopy): 보통 1H-1H NMR로 찍으며, 인접한 proton이 무엇인지 알 수 있게 해준다. 대각선 (diagonal) 신호를 제외하고 사각형을 만들었을 때 만나는 두 1H NMR의 피크는 서로 인접한 거리에 있는 proton임을 알 수 있다. 가장 직관적이고, resolution이 높아지는 경우 인접한 것 외에 더 멀리 있는 coupling이 같이 나타나기도 한다. 아마 2D NMR 중에서 가장 빈도가 높게 사용되지 않을까 싶다.

5. HSQC / HMQC (Heteronuclear Single Quantum Coherence): 1H-13C로 보통 사용하는데, 어떤 C에 어떤 H가 붙어있는지 알려줄 수 있다. 각 피크의 연장선이 만나는 점이 있게 되면 그 H는 특정 C에 붙어있는 것임을 알 수 있다. COSY와 더불어서 매우 간결하고 알찬 정보를 알려준다. (가로축이 1H NMR, 세로축이 13C NMR)

 

6. HMBC (Heteronuclear Multiple Bond Correlation): 2-bond, 3-bond 등의 먼 거리 결합에서 나타나는 시그널을 확인할 수 있다. 보통 COSY는 바로 인접한 proton 시그널을 검출하지만, 이보다 더 복잡한 구조 예측을 해야할 때 유용하게 쓸 수 있다. 하지만 2-bond, 3-bond의 피크가 모두 나타나기에, 시그널의 개수가 많고 이를 해석하기 위해선 이전에 모든 13C peak가 HSQC, COSY등에 의해서 확인되어야 한다. 그렇지 않으면 너무 경우의 수가 많아져서 구조를 제대로 추측하기 어렵다. (HSQC와 마찬가지로 가로축이 1H NMR, 세로축이 13C NMR)

HSQC & HMBC spectra (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352340920315146)

7. INADEQUATE (Incredible Natural Abundance DoublE QUAntum Transfer Experiment): 13C-13C의 2D NMR로 사용하고, 가로선으로 만나는 두 carbon 피크는 서로 인접한 C임을 알려준다. 13C NMR 중에 가장 직관적인 2D NMR이라고 할 수 있다. 하지만 치명적인 단점이 있으니, 스펙트럼을 얻는 데 걸리는 시간이 13C 이면서 2D로 NMR을 찍어야하기에 7-8시간씩 걸린다고 한다. 기본적으로 13C NMR이 natural abundance가 적은 13C (1.1%)를 검출하기 위해 많은 스캔을 해야하기 때문에 오래 걸리는데, 이를 2D로 찍으려면 저정도 걸리는 것 같다. 그래도 얻은 정보는 매우 유용하게 활용 가능하다. 

이들의 활용 방법은 무궁 무진한데, 여러가지 조합을 통해서 가장 최적의 결과를 빠르게 찾아낼 수 있다. 간단한 구조의 경우 1D NMR만 가지고도 예상할 수 있지만, 구조가 크고 복잡해질수록 다양한 테크닉을 요구한다. 특히나 예상된 생성물이 반응으로 나왔을 경우에는 상관이 없으나, 그렇지 않은 생성물이 나온 것 같을 때 정말 많은 생각을 해야한다. 기본적으로 분자식을 알 수 있는 Mass spec부터 찍고 IR 찍고, 1H NMR, 13C NMR까지는 찍어줘야 한다. 

더 정밀한 분석을 위해서는 13C DEPT를 통해서 CH, CH2, CH3, Quaternary C를 구분하고, COSY를 통해서 인접한 H들을 구분한다음, HSQC를 통해서 어떤 C-H가 인접해있는지를 확인한다음 HMBC를 통해서 그 이상의 결합에서 나타나는 여러가지 경우의 수를 추측한다. 이마저도 여의치 않으면 가장 시간이 오래걸리는 INADEQUATE를 통해서 가장 직접적인 정보를 얻을 수 있겠다. 

*우연히 2015년 대한화학회에서 다양한 2D NMR에 대한 글이 있는 것을 알게되어 첨부한다.

http://new.kcsnet.or.kr/pub_chemworld_ebook

발행지 - 화학세계 E-Book - 대한화학회

2015년 3월호에 들어가면 구체적인 각각의 예시를 확인할 수 있다.