착물형성에 따른 결합 구조 증명을 위한 분광학적 테크닉

Chemosensor 연구를 하다보니 크리스탈이 커서 구조 파악이 바로 되지 않은 이상은 리간드와 메탈의 결합에 대한 증거 제시를 위해 여러가지 분광학적 자료들을 이용해서 분석할 수 밖에 없다. 특히나 구조파악을 위해 사용하는 논리의 전개과정은 크게 다음과 같다.

1. UV-vis titiration을 통해서 isosbestic point (등흡수점) 를 확인한다

-isosbestic point를 통해서 리간드와 메탈이 한가지 종(species)의 화학종만을 만들게 됨을 제시

-메탈과 리간드가 상호작용 한다는 정도만 추측 가능

2. Job plot 을 통해 결합비를 추측한다.

-리간드와 메탈이 몇 대 몇으로 결합 하는지 농도에 따른 실험인 Job plot을 이용

-Job plot에 대한 반박연구도 있어서 (DOI: 10.1039/C6CC03888C) 이는 매우 초기 추측의 하나로만 활용 된다.

-최근 연구에서는 Job plot가지고 논문 통과시켜주는 경우는 한 번도 볼 수 없다.

3. ESI-mass를 통해서 질량값과 isotope pattern을 활용한다.

-리간드와 메탈이 합쳐진, 혹은 여기에 용매 혹은 counterion이 배위한 질량으로 나타나는 경우 Job plot과 더불어 결합비를 확인할 수 있음

-isotope pattern (동위원소 패턴)은 특정 질량값에서 나온 피크가 단순 조각들의 조합이 아닌 메탈에 리간드가 바인딩 했음을 알 수 있는 증거

-여전히 어디에 어떻게 결합 했는지는 알 수 없다.

4. 1H NMR titration을 통해서 어떤 부분에 결합하는지 확인한다.

-metal을 활용한 NMR titration의 경우는 크게 두 가지 경우를 확인해야 한다.

 1) 사라지는 피크

 -대표적으로 -OH (hydroxyl) 피크 또는 -NH 피크의 proton이 떨어지면서 metal이 배위한다.

 2) 이동하는 피크

 -대표적으로 -C=N (imine) 또는 pyridine과 같이 heterocycle의 질소원자등이 배위하는 경우가 있다.

-사라지는 피크의 경우에는 확실히 알 수 있지만, 이동하는 피크의 경우에는 다시 downfield로 이동하는지, upfield로 이동하는지 확인해야 한다.

-대체로 metal과 결합하는 것으로 추정되는 부분의 피크는 downfield로 이동하며, 이는 메탈에 전자밀도를 빼앗겼기 때문으로 해석한다.

-이동한 피크에 대해서는 결합의 증거로 삼으며, 이동하지 않은 피크는 결합에 관여하지 않았다고 해석한다.

-이동은 downfield, upfield shift에 상관없이 큰 이동을 보이면 상호작용 했다고 할 수 있다.

-하지만 이는 Zn, Al, Hg 등 상자성이 아닌 금속들이 배위하는 경우에 실험이 유리하며, paramagnetic (상자성) 성질을 가지는 경우에는 당량이 증가할수록 피크가 뭉개지는 현상 혹은 매우 deshield된 피크가 나타나는 등 종잡을 수 없는 피크 이동이 나타나기도 하므로 금속을 가려서 써야한다. 물론 간혹 paramagnetic metal ion들도 NMR titration이 해석되는 경우가 있다. 사라지는 피크가 명확하거나, 뻔한 이동이 예측되는 리간드 구조였다던가 하는 등

-그렇기 때문에 리간드 디자인의 경우에는 불필요하게 금속 배위의 가능성을 제공할 수 있는 작용기나 기타 moiety등을 쓰지 않는 것이 좋다고 하겠다. 물론 디자인 의도, 혹은 전략에 꼭 필요하다면 넣어야겠지만 메커니즘을 제시하기 어려울 수 있다.

-NMR은 integral value도 확인이 가능하기 때문에, 1:1 이외의 결합에 대한 증거도 제시할 수 있다. 가령 리간드가 대칭구조라서 메탈이 2개 붙을 수 있는데, 줄어들어야 하는 피크가 사라지지 않고 integral이 반으로 감소하는 경우는 한 쪽만 결합했다는 정황증거로 명확하게 제시할 수 있겠다.

5. IR을 통해서 어떤 작용기에 결합하는지 확인한다.

- NMR titration과 함께 맞아떨어지면 강력하게 작용할 수 있는 증거라고 할 수 있다

- -OH피크가 사라지는 경우에는 3000대의 넓은 피크가 사라지는 것을 통해서 제시할 수 있다.

- IR에서 메탈과 결합한 피크는 대체로 낮은 파수 (wavenumber) 로 이동하게 되는데, 이는 특정 작용기의 결합세기가 메탈과 결합함에 따라 약해졌기 때문으로 볼 수 있다. 그래서 사라지지 않고 약간 이동하는 것을 결합의 증거로 제시한다.

- 대체로 C=O (carbonyl) 피크는 N-H 피크와 겹치는 경우가 많아서 리간드에 모두 존재하는 경우 한 가지로만 제시하기도 한다. 특정 위치에 여러가지 작용기가 겹칠 수 있다는 것이 IR의 가장 큰 단점이라고 할 수 있겠다.

- 간혹 amide (-CONH)의 carbonyl이 단일결합이 되면서 피크가 1600에서 1300으로 크게 이동하는 것을 확인할 수도 있다. 이는 amide가 imidic acid로도 동시에 존재할 수 있기 때문인데, amide로 존재하는 경우는 carbonyl그룹으로 인해 1600에서 피크가 나타나지만, imidic acid 형태인 경우 1300-1000 부근으로 피크가 새로 생긴다. 이는 작용기 변화의 강력한 증거라고 할 수 있겠다.

이 모든 실험들을 진행하는 시간이 간혹 크리스탈을 올리는 경우보다 시간이 더 드는 것 같을 때도 있지만, 크리스탈은 여전히 성장시키는 이론이 아닌 노하우 혹은 테크닉만 알려진 '운' 의 세계인만큼 보다 빠르고 즉각적인 확인을 위해서는 분광학 기기들의 이용이 필요할 수 밖에 없겠다. 앞선 실험들을 여러번 해보면서 느끼는 것이지만 크리스탈 키우는 이론, 정석 등이 나온다면 진짜 노벨상을 받을 수 있을 것이다. 혹은 용액상태에서 아니면 굳이 결정구조가 만들어 지지 않아도 착물 파우더에서 구조를 분석할 수 있다던가 하는 방법들이면 더욱 편하겠다.

쓰다보니 예전에 흥미롭게 읽었던 The death of Job plot이라는 논문이 있는데 이것도 다뤄볼 수 있는 기회를 만들어봐야겠다.