유기화학에서 새로운 화합물의 구조를 규명할 때 가장 강력한 도구 중 하나가 질량분석(Mass Spectrometry, MS) 입니다.
이번 글에서는 맥머리 유기화학 12 단원을 기반으로 EI 질량분석, 동위원소 패턴, 질소 규칙(Nitrogen Rule), 단편화(Fragmentation) 메커니즘을 정리합니다.
1. 질량분석이란 무엇인가?
- 시료 분자를 전자충격(EI) 또는 소프트 이온화(ESI, MALDI)로 이온화 →
- 이온을 m/z(질량/전하비) 에 따라 분리 →
- 검출기에서 신호로 기록 → 스펙트럼 생성.
👉 즉, **질량분석은 분자의 ‘지문(fingerprint)’**을 제공해, 구조를 유추할 수 있습니다.
2. EI 질량분석(Electron Ionization, EI)
EI는 가장 기본적인 질량분석 방식으로, 전자(70 eV)가 분자를 때려서 전자를 튕겨내고 **라디칼 양이온(M·⁺)**을 만듭니다.
이 상태에서 분자는 쉽게 단편화(Fragmentation) 되며, 안정한 양이온이 많이 남습니다.
예시) 헥산(C₆H₁₄, MW = 86)
- M⁺: m/z = 86
- M – 15 (·CH₃ 손실) → m/z = 71
- M – 29 (·C₂H₅ 손실) → m/z = 57 (tert-부틸 양이온)
- M – 43 (·C₃H₇ 손실) → m/z = 43
- M – 57 (·C₄H₉ 손실) → m/z = 29
이처럼, 어떤 라디칼이 떨어지는가는 양이온 안정성(3° > 2° > 1°) 에 의해 결정됩니다.
3. 동위원소 패턴 (Isotope Patterns)
- ¹²C, ¹³C, ¹⁴C: 자연계 존재, ¹³C로 인해 (M+1) 피크 관측
- Cl, Br, I:
- Cl: M+2 피크가 약 1/3~1/2
- Br: M+2 피크가 M와 비슷
- I: 특징적으로 m/z 127 피크
👉 시험에서 “이 스펙트럼에 Cl이 있나, Br이 있나?” → 동위원소 패턴 확인!
4. 질소 규칙(Nitrogen Rule)
- 질소 원자가 홀수 개 → 분자이온(M⁺) 질량 홀수
- 질소 원자가 짝수 개 또는 없음 → 분자이온 질량 짝수
예:
- 벤즈아마이드(C₆H₅CONH₂): 분자이온 = 121 → 홀수 → N 홀수 개 존재.
👉 주관식으로 잘 출제됨!
5. 단편화 예시 (2,2-디메틸프로판 vs 2-메틸부탄)
- 2,2-디메틸프로판 (Neopentane, MW = 72)
- 메틸 라디칼(·CH₃, 15) 떨어짐 → tert-부틸 양이온(m/z = 57) 형성
- m/z 57이 베이스 피크
- 2-메틸부탄 (Isopentane, MW = 72)
- 에틸 라디칼(·C₂H₅, 29) 떨어짐 → 프로필 양이온(m/z = 43) 형성
- m/z 43이 베이스 피크
👉 핵심 기억 포인트:
- neopentane = 57
- isopentane = 43
6. 카보닐 화합물과 McLafferty Rearrangement
- 카보닐(C=O) 근처 **γ-수소(세 번째 탄소의 H)**가 산소로 이동 → C–C 절단 → 중성 알켄 + 양이온 조각 생성.
- 케톤, 알데하이드 MS에서 자주 보이는 독특한 피크 패턴.
7. IR 분광학과 비교 (간단히)
- IR은 **결합 진동수(흡수 파수 cm⁻¹)**로 작용기 확인:
- O–H: 넓은 띠, 3400 cm⁻¹
- C=O: 날카로운 띠, 1700 cm⁻¹
- C–H(sp³): 2850–2960 cm⁻¹
👉 MS + IR을 함께 사용하면, “분자량 + 작용기”를 동시에 확인 가능.
8. 자주 묻는 질문 (FAQ)
Q1. 질량분석(MS)과 IR의 차이는?
- MS: 분자량, 분자식, 조각 패턴 → 구조 해석
- IR: 결합 진동 → 작용기 확인
Q2. 시험에서 자주 나오는 포인트는?
- Nitrogen Rule (질소 규칙)
- 동위원소 패턴 (Cl/Br 구분)
- 대표 단편화 예시 (neopentane vs isopentane, 헥산, 알코올 M–18)
마무리
맥머리 유기화학 12 단원은 질량분석의 기본 원리와 해석법을 다루며, 실제 시험과 연구에서 자주 응용됩니다.
특히 질소 규칙, 동위원소 패턴, 카보닐의 McLafferty 재배열, 알코올의 M–18 패턴은 꼭 암기하세요.