수소-NMR과 13탄소-NMR에 대해 설명해보세요.

NMR

핵자기공명(nuclear magnetic resonance)의 약어. 자기장 속에 있는 원자핵에 전파를 보내면 특정 주파수의 전파만을 흡수한다. 이 현상을 핵자기 공명, 또는 NMR이라 한다. 흡수되는 전파의 주파수나 파형에 따라 원자핵 둘레의 상황을 알 수 있으므로 분자 구조나 결정구조, 화학 결합의 상태 연구에 이용한다.

분석법의 하나지만 또한 의학에도 응용되며 인체를 그대로 자기장 속에 넣고 전파를 대면체내의 원자핵(주로 수소핵) 흡수의 농담에 의해 뇌나 내장의 단면도를 얻을 수 있어 진단에 도움이 된다.

양성자와 중성자의 수가 함께 짝수인 핵을 제외하고 원자핵은 모두 작은 자석으로 간주할 수 있다. 이 원자핵을 자기장 속에 넣으면 각 원자핵에 고유 주파수로 운동을 하고 이 운동의 주파수와 똑같은 전파를 보내주면 공명하여 전파를 흡수한다.

원자핵의 둘레는 그 원자의 전자와 이웃 원자의 전자가 둘러싸고 있어 밖에서 가한 자기장을 근소하게나마 없애고 있다. 원자핵에 고유한 주파수는 외부의 국소적인 자기장의 크기에 비례하므로 둘레의 전자에 의한 영향이 근소하게 달라져도 공명 주파수가 미묘하게 변화한다.

이 변화는 10억 분의 1의 정밀도로 검출되므로 분자의 차이라든가 결정의 차이를 알 수 있다.

또 원자핵이 가까이의 원자핵의 자기장 영향을 직접·간접으로 받으면 그것이 주파수나 흡수파형을 변화시키므로 원자핵끼리의 영향의 크기나 원자핵의 종류도 알 수가 있다.

[1수소-NMR (1H-NMR)]

NMR은 스핀 퀀텀넘버가 1/2 인 물질을 이용해서 쏘여준 자기장에 대해 변화하는 두 종류의 SPLITTING을 이용한 분석방법이다. 그 중 1H-NMR 은 H(수소)를 이용해 물질을 분석하는 NMR을 말하는 것이다.

주변의 치환기나 혹은 전자적 환경이 다른 수소들이 각각 다른 PEAK를 나타내는데 이를 이용해 물질의 대략적인 구조 해석이 가능하다. 물론 유기물질을 분석하는데 쓰이는 것이고, 같은 방식을 이용한 다른 NMR로는 13C(탄소동위원소), 19F 31P 등이 있다. 물론 이 원소들도 역시 스핀 퀀텀넘버 가1/2(1/2, -1/2)이다.

[13탄소-NMR (13C-NMR)]

탄소에 대한 핵자기 공명(NMR) 분광법의 응용방법이다. 양성자 NMR (1H NMR)과 유사한 것이며 양성자 NMR이 수소 원자를 식별하듯 13C NMR은 유기분자 내의 탄소원자를 식별할 수 있게 해준다. 이러한 13C NMR은 유기화학의 화학적 구조를 설명하는데 유용한 도구이다.

13C NMR은 천연에 1.1% 정도 밖에 존재하지 않는 13C 동위원소만을 검출할 수 있는데 그 이유는 주요 탄소 동위원소는 12C이고 스핀이 0을 갖기 때문에 NMR로 검출할 수 없기 때문이다.

1H NMR이 수소에 대해 꽤 민감한 것과는 달리 13C NMR은 탄소에 대해 민감도가 낮은 편이다. 이는 탄소의 주요 동위원소인 12C가 0의 스핀양자 수를 가져서 자기적으로 활성화 될 수 없고 또 그래서 NMR로 검출할 수가 없기 때문이다. 오직 자연적으로 1.1%만큼만 존재하는 소수의 13C 동위원소만이 자기적으로 활성화 될 수 있고 스핀양자수는 1/2(1H와 같다)이기 때문에 NMR로 검출할 수 있다.

따라서 적은 수로 존재하는 13C 핵들만이 자기장에 의해 공명될 수 있다. 물론 이는 isotopic enrichment(예; 단백질 샘플)에 의해 개선 될 수 있기는 하다. 또한 gyromagnetic ratio가 1H의 1/4밖에 되지 않아서 감도가 상대적으로 낮다. 13C의 총 receptivity는 1H에 비해 약 10^4배 만큼 낮다.

스핀 양자 수 (spin quantum number)

전자의 스핀각운동량의 크기를 지배하는 양자수로 항상 1/2이므로 각운동량도 0.913 X 10-27 erg.s이다. 전자가 많은 원자의 경우 스핀각운동량을 구할 때 스핀의 결합이 어느 방향인지도 함께 생각해야 한다.