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1. 서론
1.1. 포피린 화합물의 중요성
포피린은 원유, 식물, 인간 등 다양한 곳에서 발견되는 복잡한 유기화학 화합물의 일종으로, 주로 복잡한 생화학적 또는 생물 물리학적 시스템에서 중요한 화학적 변환을 수행하도록 맞춤 제작되기 때문에 매우 중요하다. 포피린 화합물은 보라색을 뜻하는 그리스어의 porphura에서 유래되었으며, 4개의 pyrrol 단위들이 methine 기들로 연결되어 있는 macro cylcic 화합물의 총칭이다. 포피린은 수용액을 응집하는 경향이 존재하며, 이온의 세기나 pH와 같은 환경적 변화는 포피린 분자 간의 정전기적 인력에 영향을 미쳐서 전자 흡수 스펙트럼에 큰 변화로 이어진다. 이러한 포피린은 분자의 구조적 특성에 따라 광범위한 화학적, 물리적 특성을 나타내며, 모든 포피린은 뚜렷한 색깔이 존재하기 때문에 스펙트럼의 가시광선 영역과 자외선 영역에서 빛을 흡수한다. []
1.2. 포피린의 특성 및 분류
포피린은 4개의 피롤 고리가 메틸렌기에 의해 연결된 거대 고리 화합물이다. 포피린은 26개의 π전자를 가지고 있어 Hückel의 규칙을 만족하는 방향족성을 띤다. 이러한 잘 conjugated된 π전자 구조로 인해 가시광선 영역에서 강한 흡광도를 나타내며 매우 짙은 색을 가진다. 포피린은 중성 상태의 Free base 포피린과 중심에 금속 이온이 결합된 메탈로포피린으로 분류된다.
Free base 포피린은 포피린 고리 내부의 수소 이온 2개가 결합되어 있는 형태이다. Free base 포피린은 4개의 대칭축과 6개의 π궤도 함수를 가지며, HOMO에서 LUMO로의 전자 전이가 일어난다. 이때 가시광선 영역에서 Q band라 불리는 강한 흡수띠가 나타나며, 자외선 영역에서는 Soret band라 불리는 더욱 큰 흡수띠가 관찰된다.
메탈로포피린은 Free base 포피린 내부의 수소 이온 2개가 제거되어 2가 음이온이 되면서 중심의 빈 공간에 철, 마그네슘, 코발트 등의 금속 이온이 결합된 화합물이다. 이 경우 금속 이온이 포피린 분자의 특성에 큰 영향을 미치게 된다. 대표적으로 헤모글로빈의 헴 구조와 엽록소의 클로로필이 메탈로포피린에 해당한다.
이처럼 포피린은 다양한 구조적 특성으로 인해 생물학적 반응 및 기능에서 중요한 역할을 담당한다. 포피린의 화학적, 물리적 성질은 분자 내 원소 구성, 결합 형태, 대칭성 등에 따라 달라지며, 이는 포피린의 활용성을 결정한다.[]
1.3. 본 실험의 목적
본 실험의 목적은 포피린을 합성하고 UV-vis 스펙트럼을 측정하여 가시광선 영역에서의 포피린 화합물의 특징적인 흡수 특성을 분석하는 것이다. 포피린은 4개의 피롤 고리가 메틴기로 연결된 거대 고리 화합물로, 방향족성을 가지며 풍부한 π전자 구조로 인해 가시광선 영역에서 강한 흡수 band를 나타낸다. 이번 실험에서는 포피린 화합물 중 하나인 tetraphenylporphyrin(TPP)을 합성하고, 합성된 TPP의 UV-vis 스펙트럼을 측정하여 Soret band와 Q band의 특성을 파악하고자 한다. 특히 Soret band는 바닥 상태에서 두 번째 들뜬 상태로의 전자 전이에 의한 것이며, Q band는 바닥 상태에서 첫 번째 들뜬 상태로의 전자 전이에 의한 것으로, 각 band의 특성을 분석함으로써 포피린 화합물의 전자 구조와 방향족성을 이해하고자 한다. 또한 TPP 합성 과정에서 얻어지는 수득률을 계산하고, 반응 메커니즘과 실험상의 유의점을 고찰함으로써 포피린 화합물 합성 기술을 향상시킬 수 있을 것으로 기대한다.
2. 실험 이론
2.1. 헤테로고리 화합물의 방향족성
고리 내에 두 개 또는 그 이상의 원소들의 원자가 포함된 고리형 유기 화합물을 헤테로 고리 화합물이라고 한다. 즉, 고리식 구조를 가진 유기화합물 중에서 고리를 구성하는 원소가 탄소 원자뿐만 아니라 산소, 황, 질소, 인 등과 같은 원소가 고리 내에 포함되는 것을 말한다. 그 중에서도 질소 원자가 고리의 한 부분을 차지하고 있는 화합물을 헤테로 고리 아민이라고 하며, 질소 원자가 헤테로 고리 내에 항상 1번 위치에 존재하게 된다.
방향족성을 가지는 경우가 존재하며, 이 경우 헤테로 방향족 화합물이라고 한다. 방향족성을 띠게 되는 경우 Hückel's rule을 만족한다. Hückel's rule은 평면 고리 분자가 방향족성, 즉 예상했던 것보다 낮은 에너지를 보유하고 있으며, 반응성이 크게 달라지는 성질을 완전히 기술하기 위한 규칙으로, 다음 4가지의 조건을 만족해야 한다. 첫째, 고리형 구조여야 한다. 둘째, 그러한 고리형 구조가 평면이어야 한다. 셋째, 평면형 고리를 이루는 각 원자는 모두 conjugation을 만족해야 한다. 넷째, p orbital에 존재하는 π electron의 개수가 4n+2 이때 n은 정수(0,1,2,…)이어야 한다.
이러한 헤테로 방향족 화합물의 경우 Hückel's rule을 만족하기 때문에 방향족성을 가지게 된다. 방향족성을 가진다는 것은 예상했던 것보다 안정한 구조를 가지며, 반응성이 크게 달라지는 특성을 나타낸다. 이는 고리 내의 공액 π 전자계에 기인한 것이다. 고리 내의 특정 원자들이 공액 시스템을 이루게 되면 π 전자들이 고리 전체에 걸쳐 delocalize되어, 고리 화합물 전체에 걸쳐 안정화된 전자 배치를 가지게 된다. 이러한 방향족 구조는 일반적으로 화학적, 물리적 특성이 매우 안정적이며 반응성이 크게 달라지게 된다. 따라서 헤테로 방향족 화합물은 일반 유기 화합물에 비해 화학적, 생물학적 안정성이 크며 생체 내에서 다양한 중요한 역할을 수행하게 된다.
2.2. Hückel의 규칙과 포피린의 성질
고리형 유기화합물이 방향족성을 가지기 위해서는 Hückel의 규칙을 만족해야 한다. Hückel의 규칙은 평면 고리 분자가 방향족성, 즉 예상했던 것보다 낮은 에너지를 보유하고 있으며 반응성이 크게 달라지는 성질을 기술하기 위한 규칙으로, 다음 4가지 조건을 만족해야 한...
