KR102532353B1 - 실시간 화학반응유액 모니터링 투과 적외선 분광기기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 실시간 화학반응유액 모니터링 투과 적외선 분광기기에 관한 것으로: 화학반응이 용액상에서 일어나는 반응용기; 반응용기와 튜브를 통해 연결되는 펌프; 및 펌프 및 반응용기 각각과 튜브를 통해 연결되고, 간격띄우개의 두께에 기인하는 경로길이를 조절 가능한 적외선 분광기기를 포함하는, 실시간 화학반응 모니터링 시스템을 제공한다.

Description

실시간 화학반응유액 모니터링 투과 적외선 분광기기{Transmission infrared spectroscopy for real-time chemical reaction flow solution monitoring}
본 발명은 액상에서 일어나는 화학반응을 실시간으로 관측하는 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유압펌프와 적외선(IR) 분광기기를 활용하여 화학반응에 대한 개입과 시료 추출과정 없이 실시간 적외선 스펙트럼을 얻는 것이 가능한 투과 적외선 분광 셋업(setup)에 관한 것이다.
투과 적외선 분광학은 전통적인 적외선 분광학 기법으로서, 적외선을 시료에 투과시켜 빛의 세기 감소를 관측한다. 적외선 분광학 정량분석에 중요한 경로길이(path length)를 조절할 수 있으며, 특정지어 시료의 적외선 흡광 상수를 구하는 것을 가능하게 한다.
감쇠 전반사 적외선 분광학은 빛이 굴절률의 차이로 매질의 경계에서 전반사되는 현상을 이용하는 적외선 분광학으로서, 전반사 과정에서 적외선 신호의 감소를 관측한다. 빛과 물질이 상호작용하는 세기를 결정하는 요인 중 하나인 경로길이가 얇게 유지되어, 강한 적외선 흡수띠를 관측하는 경우에 포화를 피할 수 있는 장점이 있다.
React IR은 감쇠 전반사 적외선 분광학을 이용한 기기 중 하나로서, 화학반응 모니터링에 대한 활용도를 극대화하기 위하여 프로브의 크기를 밀리미터 수준으로 작게 만든 장치이다. 시료의 상태와 상관없이 프로브에 접촉만 시키면 스펙트럼을 얻을 수 있다는 큰 장점이 있다.
과거의 투과 적외선 분광학의 경우, 경로길이를 수십 마이크로 미터 수준으로 얇게 유지시킬 수 있는 기술의 부재로, 반응용액을 관찰하는 것에 제한점이 있어, 기체상의 반응 관측에만 활용되었다.
감쇠 전반사 적외선 분광학의 경우, 이 분광기법의 경로길이는 시료의 굴절률에 의존하기 때문에, 이를 반응조건에 맞게 조절할 수 없어 수 마이크로 미터 수준으로 고정된다. 이렇게 얇은 경로길이는 일반적으로 농도가 낮은 반응 중간체 검출에 제한적이다. 또한, 굴절률이 알려진 시료의 경우, 경로길이를 특정지을 수 있지만, 화학반응 용액은 혼합용액으로 굴절률을 구하는 것에 어려움이 있어, 정량분석에 필요한 경로길이를 특정 지을 수 없다.
본 발명의 목적은 액상에서 일어나는 화학반응을 실시간으로 관측하기 위한 것으로, 구체적으로는 유압펌프와 적외선 분광기기를 활용하여 화학반응에 대한 개입과 시료 추출과정 없이 실시간 적외선 스펙트럼을 얻는 것이 가능한 실시간 화학반응 모니터링 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 상술한 목적을 달성하기 위해: 화학반응이 용액상에서 일어나는 반응용기; 반응용기와 튜브를 통해 연결되는 펌프; 및 펌프 및 반응용기 각각과 튜브를 통해 연결되고, 간격띄우개(spacer)의 두께에 기인하는 경로길이를 조절 가능한 적외선 분광기기를 포함하는, 실시간 화학반응 모니터링 시스템을 제공한다.
본 발명에서 반응용액은 펌프에 의해 3±2 mL/min의 유속으로 순환됨으로써, 화학반응에 대한 개입과 시료 추출과정 없이 실시간 적외선 스펙트럼을 얻는 것이 가능하다.
본 발명에서 반응용기는 용기를 밀폐시키는 마개, 및 마개를 관통하고 튜브와 연결되는 바늘을 포함함으로써, 외부 공기와의 노출이 없는 조건에서 화학반응을 관측할 수 있다.
본 발명에서 펌프는 유압펌프이고, 적외선 분광기기는 투과 타입의 적외선 분광기기일 수 있다.
본 발명에서 간격띄우개의 두께는 1 내지 990 ㎛의 범위에서 선택될 수 있다.
본 발명에서 간격띄우개의 위와 아래를 잘라내어 용액의 출구와 입구를 형성할 수 있다.
본 발명에서 간격띄우개는 2장의 적외선 분광학용 윈도우(window) 사이에 배치되고, 간격띄우개 및 윈도우의 조립체가 플로우 셀(flow cell)에 장착되며, 완성된 플로우 셀이 적외선 분광기기에 장착되고, 플로우 셀의 입구는 튜브를 통해 펌프의 출구와 연결되며, 플로우 셀의 출구는 튜브를 통해 반응용기의 입구에 연결되고, 반응용기의 출구는 튜브를 통해 펌프의 입구에 연결될 수 있다.
본 발명에 따른 실시간 화학반응 모니터링 시스템은 핵 자기 공명 기기를 추가로 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 상술한 실시간 화학반응 모니터링 시스템을 이용한 실시간 화학반응 모니터링 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 방법은 화학반응의 중간체 검출을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 방법에서 화학반응의 중간체 검출에 2차원(2D) 상관관계 분석방법을 이용할 수 있다.
본 발명에 따르면, 수 마이크로 미터에서 수십 수백 마이크로 미터의 다양한 두께의 간격띄우개 활용으로, 반응조건에 맞추어 적외선 흡수의 포화는 피하면서 반응 중간체의 작은 흡수띠는 극대화하여 검출할 수 있다. 이로 인해, 투과 적외선 분광학의 장점을 화학반응 용액 관측에 활용할 수 있게 되었고, 감쇠 전반사 형태의 민감도 제한점을 극복하여 반응 중간체 검출이 용이해졌다.
또한, 간격띄우개의 두께에 기인하는 경로길이를 통해 화학반응의 정량적 분석을 가능하게 한다.
또한, 유압펌프의 활용으로 시료의 추출 없이 자동화된 적외선 분광학 모니터링이 가능하다.
도 1은 본 발명에 따른 실시간 화학반응 모니터링 시스템(Flow FTIR)의 제1모식도이다.
도 2는 본 발명에 따른 실시간 화학반응 모니터링 시스템의 사진이다.
도 3은 본 발명에 따른 실시간 화학반응 모니터링 시스템의 제2모식도이다.
도 4는 본 발명에 따라 마개와 바늘을 활용한 반응용기의 사진이다.
도 5는 본 발명에 따른 플로우 셀의 구성도이다.
도 6은 중간체의 피크가 나타난 영역에서 용매-제거 스펙트럼의 3D 표면 플롯으로서, (a) 2100-2290 ㎝-1 및 (b) 1267-1360 ㎝-1이다.
도 7은 1295(청색), 2228(적색) 및 1554(흑색) ㎝-1에서의 피크의 적분 흡광도를 나타낸다. 데이터는 Savitzky-Golay 방법을 이용하여 평활화하였다(실선).
도 8은 인 오페란도(in operando) 플로우 1H NMR(60 MHz) 반응 프로파일을 나타낸다.
도 9는 Ar 퍼징 조건 하에 인 오페란도 플로우 셋업 및 대조군의 FTIR 스펙트럼을 나타낸 것으로, (a) 및 (b)에서 흑색 선은 48시간 후의 Ar 퍼징을 포함한 대조군에 해당하고, (a) 및 (b)에서 적색 선은 220분 후의 Ar 퍼징을 포함한 플로우 시스템의 스펙트럼을 나타낸다.
이하, 첨부도면을 참고하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
도 1 내지 3에 따르면, 본 발명에 따른 실시간 화학반응 모니터링 시스템은 반응용기(10), 펌프(20), 적외선 분광기기(30), 튜브(40) 등으로 구성될 수 있고, 화학반응에 대한 개입과 시료 추출과정 없이 실시간 적외선 스펙트럼을 얻는 것이 가능하다.
반응용기(10)는 화학반응이 일어나는 곳으로, 바람직하게는 화학반응은 용액상에서 일어날 수 있고, 이에 따라 반응용기(10)는 화학반응 용액을 수용할 수 있다. 반응용액은 반응물과 촉매 및 용매 등을 포함할 수 있다. 반응용기(10)는 화학반응 용액의 출입을 위해 적어도 하나의 입구 및 적어도 하나의 출구를 가질 수 있다. 입구와 출구는 반응용기(10)의 상부 및/또는 측면에 형성되거나 제공될 수 있다.
반응용기(10)는 테스트 튜브, 통, 병, 플라스크 등의 형태일 수 있고, 그 형상은 원통형, 원뿔형, 구형, 다면체 등일 수 있으며, 그 재질은 유리, 플라스틱 등일 수 있고, 그 크기는 특별한 제한 없이 필요에 따라 다양하게 변경 가능하다.
도 4를 참고하면, 반응용기(10)는 용기(10)의 개방된 상부를 밀폐시키는 마개(12), 및 마개(12)를 관통하고 튜브(40)와 연결되는 바늘(14)을 포함함으로써, 외부 공기와의 노출이 없는 조건에서 화학반응을 관측할 수 있다.
마개(12)는 밀폐를 위해 고무마개를 사용하는 것이 바람직하고, 또한 추가적으로 탄력성을 갖는 고무 원단을 사용하여 마개(12) 및 용기(10) 상부 전체를 덮을 수 있다.
바늘(14)은 주사기 형태의 바늘일 수 있고, 반응용기(10)의 출구로 사용될 수 있다. 바늘(14)이 출구로 사용되는 경우, 바늘(14)의 하단은 반응용액에 잠겨야 하고, 이를 위해 바늘(14)은 반응용기(10)의 바닥에 거의 닿을 정도로 충분한 길이를 가질 수 있다. 바늘(14)은 별도의 커넥터(1개 또는 그 이상의 조합) 등을 통해 튜브(40)와 연결될 수 있다. 바늘(14)은 또한 반응용기(10)의 입구로도 사용될 수 있고, 이 경우 출구와 동일한 방식이 적용될 수 있다.
또한, 반응용기(10)는 원활한 화학반응을 위해 온도 조절 가능한 교반기(stirrer, hot plate) 상에 배치될 수 있다.
펌프(20)는 반응용액을 전체 시스템에서 순환시키기 위한 것으로, 이를 위해 반응용기(10) 및 적외선 분광기기(30) 각각과 튜브(40)를 통해 연결될 수 있다. 펌프(20)로는 유압펌프(유압식 펌프)를 사용하는 것이 바람직하다. 유압펌프의 활용으로 시료의 추출 없이 자동화된 적외선 분광학 모니터링이 가능하다. 펌프(20)는 반응용액의 순환을 위해 적어도 하나의 입구 및 적어도 하나의 출구를 가질 수 있다.
펌프(20)에 의해 반응용액은 3±2 mL/min, 3±1.5 mL/min, 3±1 mL/min, 또는 3±0.5 mL/min의 유속으로 전체 시스템에서 순환될 수 있다. 화학반응의 실시간 모니터링을 위해서는, 반응용액의 유속(순환속도)이 중요한데, 상술한 범위로 유속을 조절함으로써, 충분히 빠르면서도 안정적으로 화학반응을 실시간으로 관측할 수 있다.
적외선 분광기기(30)는 화학반응을 관측하기 위한 것으로, 이를 위해 적외선 광원(31), 플로우 셀(32), 검출기(33) 등을 구비할 수 있다. 적외선 분광기기(30)로는 푸리에 변환 적외선 분광기기(FTIR)가 바람직하고, 특히 경로길이의 조절이 가능한 투과 타입(모드)의 FTIR이 바람직하다. 적외선 분광기기(30)는 펌프(20) 및 반응용기(10) 각각과 튜브(40)를 통해 연결될 수 있다.
도 5를 참고하면, 플로우 셀(32)은 간격띄우개(34), 적외선 분광학용 윈도우(35), 오링(36), 샘플 홀더(37, 38, 39) 등으로 구성될 수 있다. 구체적으로, 샘플이 통과하는 간격띄우개(34)가 중앙에 배치되고, 간격띄우개(34)의 상부와 하부에 각각 윈도우(35)가 배치되며, 상부 윈도우(35)의 상부 및 하부 윈도우(35)의 하부에 오링(36)이 배치됨과 동시에, 샘플 홀더(37, 38, 39)로 마감 및 밀폐될 수 있다. 이러한 구조의 플로우 셀(32)은 액체의 적외선 분광 측정에 적합하고, 조립 및 해체가 용이하다.
간격띄우개(34) 및 샘플 홀더(37, 38, 39) 등은 내화학성이 우수한 불소수지, 예를 들어 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 등으로 제작될 수 있다. 윈도우(35)는 CaF2, Al2O3, ZnS, NaCl, ZnSe, KBr 등으로 제작될 수 있다. 오링(36)은 불소고무(Viton) 등으로 제작될 수 있다.
간격띄우개(34)의 두께에 기인하는 경로길이를 조절 가능하고, 간격띄우개(34)의 두께에 기인하는 경로길이를 통해 화학반응의 정량적 분석을 가능하게 한다. 수 마이크로 미터에서 수십 수백 마이크로 미터의 다양한 두께의 간격띄우개(34)의 활용으로, 반응조건에 맞추어 적외선 흡수의 포화는 피하면서 반응 중간체의 작은 흡수띠는 극대화하여 검출할 수 있다. 이로 인해, 투과 적외선 분광학의 장점을 화학반응 용액 관측에 활용할 수 있게 되었고, 감쇠 전반사 형태의 민감도 제한점을 극복하여 반응 중간체 검출이 용이해졌다.
간격띄우개(34)의 두께는 1 내지 990 ㎛, 6 내지 950 ㎛, 25 내지 500 ㎛, 또는 25 내지 100 ㎛의 범위에서 선택될 수 있다. 예를 들어, 각각 두께가 상이한 12개의 간격띄우개로 구성된 세트(패키지)를 사용할 수 있는데, 구체적으로 6 ㎛ 두께의 간격띄우개, 12 ㎛ 두께의 간격띄우개, 25 ㎛ 두께의 간격띄우개, 56 ㎛ 두께의 간격띄우개, 100 ㎛ 두께의 간격띄우개, 150 ㎛ 두께의 간격띄우개, 250 ㎛ 두께의 간격띄우개, 390 ㎛ 두께의 간격띄우개, 500 ㎛ 두께의 간격띄우개, 630 ㎛ 두께의 간격띄우개, 750 ㎛ 두께의 간격띄우개, 950 ㎛ 두께의 간격띄우개 중에서 선택하여 사용할 수 있다. 간격띄우개(34)의 두께는 중간체 및 용매 백그라운드의 IR 흡광도 등을 고려하여 최적으로 선택될 수 있다.
이러한 다양한 두께의 간격띄우개(34)를 활용하여 경로 길이를 1 내지 990 ㎛, 6 내지 950 ㎛, 25 내지 500 ㎛, 또는 25 내지 100 ㎛의 범위에서 조절할 수 있다.
또한, 간격띄우개(34)를 통해 반응용액이 흘러서 통과할 수 있도록, 간격띄우개(34)의 위와 아래를 예를 들어 1±0.5 mm 정도 잘라내어 용액의 출구와 입구를 형성할 수 있다. 간격띄우개(34)는 원형의 고리 형태로 구성되어 고리 안쪽으로 공간을 갖고, 윈도우(35)는 원판 형태로 구성되며, 간격띄우개(34)의 상부와 하부를 2장의 윈도우(35)로 덮으면, 반응용액이 체류할 수 있는 내부 공간이 형성될 수 있고, 간격띄우개(34)에 형성된 입구와 출구를 통해 반응용액이 출입할 수 있다.
간격띄우개(34)를 2장의 적외선 분광학용 윈도우(35) 사이에 위치시킨 후, 이를 플로우 셀(32)에 장착한 다음, 완성된 플로우 셀(32)을 적외선 분광기기(30)에 장착한 후, 튜브(40)를 이용하여 플로우 셀(32)의 입구(즉, 간격띄우개(34)의 입구)를 펌프(20)의 출구와 연결한 다음, 반응용기(10)의 출구를 튜브(40)를 이용하여 펌프(20)의 입구에 연결한 후, 플로우 셀(32)의 출구(즉, 간격띄우개(34)의 출구)를 튜브(40)를 이용하여 반응용기(10)의 입구에 연결할 수 있다. 이와 같이, 플로우 셀(32)을 FTIR에 통합하여 플로우 FTIR을 구성할 수 있다
튜브(40)(또는 플라스틱 파이프라인)는 반응용기(10)와 펌프(20) 및 적외선 분광기기(30)를 상호 연결하여 순환 시스템을 형성하기 위한 것으로, 내화학성이 우수한 불소수지, 예를 들어 퍼플루오로알콕시(PFA) 등으로 제작될 수 있다.
또한, 도면에 도시되지 않았지만, 본 발명에 따른 시스템은 화학반응 관측을 위해 적외선 분광기기(30) 이외에, 핵 자기 공명(NMR) 기기 등과 같은 다른 분석장치를 추가로 포함할 수 있다. FTIR 및 NMR의 통합 분석을 통해 화학반응의 중간체 검출 및 분석을 더욱 효과적으로 수행할 수 있다. 예를 들어, NMR 기기는 반응용기(10)와 펌프(20) 사이, 펌프(20)와 적외선 분광기기(30) 사이, 또는 적외선 분광기기(30)와 반응용기(10) 사이 등의 위치에 배치될 수 있다.
본 발명에 따른 시스템의 구축 과정을 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 시중의 원형 간격띄우개(Harrick PTFE spacer)의 위아래 1 밀리미터 정도를 잘라내어 용액의 출입구를 만든다.
다음, 간격띄우개를 적외선 분광학용 윈도우 사이에 위치시키고, 이를 플로우 셀(Harrick No. TFC-S25-3)에 장착한다.
다음, 완성된 플로우 셀을 적외선 분광기기(PerkinElmer Frontier)에 장착하고, 플라스틱 튜브(IDEX Health & Science partno. 1514L, PFA tubing natural 1/16" o.d. × 0.030" i.d. × 50 ft)를 이용하여 유압펌프(Revodix, KP-21/22 series) 출구에 연결한다.
다음, 화학반응 용기를 플라스틱 튜브를 활용하여 유압펌프 입구에 연결한다.
다음, 플로우 셀의 출구를 플라스틱 튜브를 활용하여 화학반응 용기에 연결한다.
마지막으로, 유압펌프와 적외선 분광기기를 가동하여 화학반응을 모니터링 한다.
또한, 본 발명은 상술한 실시간 화학반응 모니터링 시스템을 이용한 실시간 화학반응 모니터링 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 방법은 종래에는 제한적이었던 화학반응의 중간체 검출을 포함할 수 있다. 특히, 2차원(2D) 상관관계 분석방법을 이용하여 화학반응의 중간체를 효과적으로 검출할 수 있다. 2D 상관관계 분석은 중첩되거나 밀접한 피크들 사이의 상관관계를 확인하고 피크의 스펙트럼 분해능을 개선하는데 유용한 도구이다.
본 발명은 다양한 화학반응의 모니터링에 적용될 수 있는데, 구체적으로 예를 들면, 벤즈옥사졸(benzoxazole) 합성의 반응 메커니즘 및 중간체 검출에 효과적으로 사용될 수 있다.
본 발명은 신제품 개발, 제품 제조공정 개선에 적용 가능하고, 약합성 공정 및 화합물 합성 공정에서 화학 반응을 조절하기 위한 공정 분석 기술(PAT: process analytical technology)에 적용 가능하다. 구체적으로, 제약업계 및 화학 공정에서 합성 메커니즘 및 부반응 메커니즘, 그리고 리튬이온 배터리에서 전해액 부반응 메커니즘을 규명할 수 있다.
또한, 용액상에서 일어나는 약합성을 반응에 직접적인 개입 없이 실시간으로 모니터링하여 반응 중간체 검출 및 메커니즘을 규명할 수 있다. 또한, 산업계의 공정 분석 기술(PAT)에 활용되고 있는 전반사 적외선 분광기기를 대체하여 활용할 수 있다. 또한, 반응용기를 고무마개로 막고 바늘을 플라스틱 튜브에 장착하여 외부 공기와의 노출이 없는 조건에서의 화학반응을 관측할 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 유압펌프, 간격띄우개, 적외선 분광기기를 이용한 투과 타입의 적외선 분광 셋업; 유압펌프와 적외선 분광기기를 이용한 실시간 모니터링 기법과 이에 간격띄우개를 잘라서 활용하는 방식; 위의 셋업에서 외부 공기 노출을 막기 위한 고무마개 및 바늘의 활용을 제공한다.
이하, 인 오페란도 플로우 NMR 및 FTIR 분광법을 이용한 벤즈옥사졸 합성의 반응 메커니즘의 실시간 반응 모니터링에 관한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
[실시예]
1. 서론
본 실시예에서는 기존의 한계를 극복하기 위해, 도 3과 같은 플로우 셀 셋업의 분광기기의 관측 스테이지에 반응용기를 배치함으로써 기존과 반대되는 접근법을 사용하였다. 이 시스템은 뚜렷한 이점 및 단점을 갖는 통상적인 투과-타입 FTIR을 이용한다. 예를 들어, 경로길이가 조절 가능하지만, 스페이서 얇기는 수백 마이크로미터로 제한되어 용매 IR 밴드의 포화를 초래한다. FTIR는 기상 또는 초임계 유체를 조사하는데 적용되었고, 반면에 용액-상 시스템은 감쇠 전반사(ATR)-IR을 이용하여 모니터링 된다. 기술적 진보로 인해, FTIR을 위한 얇은 스페이서 및 다양한 두께의 스페이서가 현재 이용 가능하고, 이는 기존의 단점을 제거한다. 따라서, 이 셋업은 FTIR 분광법의 이득을 완전히 이용하게 해준다. 플로우 FTIR 셋업은 화학 반응기 및 분광 관측 스테이지를 연결하는 IR 샘플 셀을 포함한다(도 3). ReactIR 시스템과 달리, 투과 모드가 흡광도 측정을 위해 선택되었는데, 광학 경로길이가 이 기하구조에서 조절될 수 있기 때문이다. 따라서, 플로우 셀 셋업은 IR 스펙트럼의 오페란도 획득 및 다양한 스페이서를 이용한 경로길이 조절을 가능하게 함으로써, 전송된 신호를 검출기의 가장 민감한 선형 범위 내에서 최적화한다. 또한, 화학반응의 시작부터 IR 데이터의 연속적인 수집은 기능기의 시간-의존적 프로파일을 제공함으로써, 반응 중에 이벤트의 순서의 조사를 용이하게 한다. 궁극적으로, 저-농도 반응 중간체가 반응 전체에 걸쳐 검출될 수 있고, 반응 중간체에서의 시간-의존적 변화가 추적될 수 있다.
반응 중간체의 시간-의존적 IR 흡광도는 관측된 중간체의 동역학 순서에 관한 직접적인 정보를 제공한다. 중간체로부터의 작고 많이 중첩된 IR 피크는 반응 순서를 결정하는데 불확실성을 줄 수 있는 복잡한 피크 피팅(fitting)을 흔히 필요로 한다. 피팅 결과에 의존하지 않고 동역학 순서를 확인하기 위해, 2D 상관관계 방법이 사용되었다. 이 방법은 물리적 섭동(perturbation)에 의해 2차원에 걸쳐 피크를 확인함으로써 스펙트럼 분해능을 향상시키는데 사용되었고, 이에 따라 중첩된 밴드의 분석을 용이하게 한다. 2D 상관관계 스펙트럼에서 피크의 신호는 중간체의 순서를 결정하는데 사용되었다.
FTIR 분광법과 대조적으로, NMR 분광법은 반응 동역학의 정량 분석에 사용되는데, 중요한 정량적 구조 정보를 제공하기 때문이다. 중간체의 구조적 특성은 FTIR 결과를 보증하고, 정량 분석은 반응 경과를 계산 가능하게 한다. 또한, 이것은 반응이 동시에 다른 경로들을 따를 가능성을 배제할 수 있다.
제안된 분광 방법을 검증하기 위해, 생물학적으로 중요한 화합물 및 재료 과학에서 흔한 스캐폴드(scaffold)인 벤즈옥사졸의 합성을 조사하였다. 현재, 벤즈옥사졸 합성의 메커니즘은 논란이 많다. 2012년에, Baldwin 법칙에 근거하여, Cho 등은 전이금속 촉매의 사용 없이 촉매 양의 시안화물의 존재 하에 산화적 고리화(cyclization)를 통해 알디민(aldimine)으로부터 벤즈옥사졸의 형성을 보고하였다(반응식 1(a)). 이들은 산화적 탈수소 전에 반응에서 고리화 단계의 수반을 가설로 제기하였다(반응식 1(b)-1). 그러나, 2016년에, Chen 등은 중간체 및 전이 상태에 대한 밀도 범함수 이론(DFT) 계산에 전적으로 근거한 상이한 반응 메커니즘을 보고하였다(반응식 1(b)-2). 이들은 이전 가설과 대조적으로, 중간체 및 전이 상태의 열역학 에너지를 고려함으로써 고리화 및 산화적 탈수소 단계의 순서의 뒤바꿈을 제안하였다. 또한, 이론적 연구가 암시하듯이, 아미노니트릴(INT A)의 고리화 및 벤즈옥사졸린(INT B)의 산화적 탈수소에 대한 현저하게 높은 활성화 장벽 때문에, 반응은 아미노니트릴에 대한 시안화물 부가물의 직접적인 산화를 통해 진행될 수 있었다. 그러나, 이 논란은 해결되지 않은 채 남아 있고, 반응 경로를 입증하는 실험적 증거가 부족한데, 인 오페란도 조건 하에 중간체의 직접적인 검출이 아직 도전 과제이기 때문이다. 본 실시예에서는 통합된 NMR 및 FTIR 분석이 적용되어, 반응 중간체의 직접적인 광학적 관측을 통해 이 반응 메커니즘을 둘러싼 논란을 해결하였다. 반응식 1은 제안된 합성 메커니즘을 나타내는데, 여기서 (a)는 반응조건을 나타내고, (b)-1은 Baldwin 법칙에 근거한 Cho 등의 가설을 나타내며, (b)-2는 밀도 범함수 이론 계산에 근거한 Chen 등의 제안을 나타낸다.
[반응식 1]
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또한, 이러한 통합된 분광 방법론은 다른 유기 반응 메커니즘을 연구하는데 사용될 수 있었다. 특히 중간체와 관련하여 확실한 구조적 정보를 얻기 위해, NMR, 전자 상자성 공명(EPR), 진동, UV-vis, 질량 분광학 및 X-선 결정학을 포함하여, 다양한 분광 및 분석 방법이 사용되었다. 각 방법은 유기 반응 메커니즘을 연구하는데 그 나름대로의 강점을 갖는데, 예를 들어 각각, 대부분의 유기 분자를 연구하는 것, 라디칼을 추적하는 것, 기능기를 검출하는 것, 염료를 분석하는 것, 단편화를 통해 단백질과 같은 큰 분자를 확인하는 것, 및 결정 구조 및 해당 결합 각도와 길이를 얻는 것이다. 그러나, EPR은 홀전자를 갖는 화합물에만 적용될 수 있다. UV-vis 분광법 측정은 넓은 피크를 만들어서 화합물을 구별하기가 어렵고, 질량 분광학 및 X-선 결정학은 액체에서 반응 혼합물을 직접적으로 조사하는데 한계를 갖는다, 이러한 이유 때문에, NMR 및 진동 분광법에 근거한 인-라인(in-line) 접근법이 유체-기반의 유기 반응 메커니즘의 연구에 적합하고, 이러한 관점에서 본 셋업이 유망하다.
2. 실험 섹션
일반사항: Cho 등이 보고한대로, 알디민(전구체)을 2-아미노페놀 및 알데히드로부터 합성하였다. 2-아미노페놀, 벤즈알데히드, 시안화 나트륨 및 디메틸포름아미드(DMF)는 Sigma-Aldrich에서 구입하였다. 알디민 및 NaCN의 농도는 각각 0.25 M(197.1 mg, 1.0 mmol) 및 100 mol.% (49.01 mg, 1.0 mmol, 1.0 equiv)이었다. 반응 혼합물은 DMF에 용해시켰다. Ar 퍼징(purging)을 위해, 샘플은 글로브박스(<1 ppm의 O2 및 H2O)에서 불활성 Ar 중에서 준비하였다. 테스트 튜브를 셉텀(septum)으로 밀봉한 후에, 적정량의 DMF를 주입하여 첨가하였다.
플로우 FTIR 반응기: 반응 메커니즘의 인 시투(in situ) 연구를 위해, 플로우 FTIR 반응기를 제작하였다. 반응기 셋업은 4개의 파트: 즉, 테스트 튜브, 듀얼(dual) 펌프(Revodix, KP-21/22 series), 56 ㎛ 스페이서(Harrick No. MSP-056-M25, PTFE spacer)를 구비한 IR 샘플 셀(Harrick No. TFC-S25-3, TC 탈착 가능한 액체 투과 셀, 25 mm, Swagelok), 및 FTIR 분광기기(PerkinElmer Frontier)를 포함하였다. 사용 전에, 스페이서의 상부 및 하부 쪽을 대략 1 mm 잘라 내어 용액 흐름을 위한 입구와 출구를 만들었다. 테스트 튜브를 FTIR 분광기기의 일측에 있는 핫 플레이트 교반기 위에 놓은 후, 이를 유연성 플라스틱 튜브(IDEX Health & Science part no. 1514L, PFA tubing natural 1/16" o.d. × 0.030" i.d. × 50 ft)를 이용하여 듀얼 펌프를 통해 분광기기에 장착된 IR 샘플 셀에 연결하였다. 실험 중에, 반응 혼합물을 테스트 튜브에서 교반하였고, 듀얼 펌프를 이용하여 IR 샘플 셀로 순환시켰다(도 3). 샘플 셀이 용액으로 채워진 후에, 스펙트럼이 얻어졌고, 용액은 다시 테스트 튜브로 흘렀다. 용액의 유속은 3.0 mL/min으로 유지하였다. 이에 따라, 체류시간은 테스트 튜브, 플라스틱 튜브 및 IR 샘플 셀에서 각각 1.3분, 약 2초 및 0.5초이었다. FTIR 스펙트럼은 5분 간격으로 얻어졌고, 용액의 양은 4.0 mL이었기 때문에, 이 유속은 인 시투 조건 하에 반응의 관측을 허용하기에 충분히 빠른 것이었으며; 따라서, 전체 용액은 이러한 간격 사이에서 순환될 수 있었다. 게다가, 반응 속도가 느렸는데, 이는 생성물의 농도가 18시간 후에도 계속 증가한 것을 관측한 것에 근거하였다.
반응은 공기 및 불활성 대기(Ar)에서 수행되었다. 공기 중에서 인 시투 FTIR 측정은 4번의 전체 스캔에서 4 ㎝-1 분해능으로 2시간 동안 수행되었다. Ar-퍼징 조건에서, FTIR 스펙트럼은 4번의 전체 스캔에서 0.5 ㎝-1 분해능으로 48시간 동안 획득되었다. 또한, 플로우 없는 대조군을 설정하여 플로우-셋업의 공기에 대한 노출을 조사하였고, 스펙트럼은 48시간 후에 얻어졌다.
중간체의 검출을 위해, 56 ㎛ 스페이서를 갖는 IR 샘플 셀의 경로길이를 조절하였다. 스페이서의 두께는 중간체 및 용매 백그라운드의 IR 흡광도를 고려하여 최적화되었다. 두꺼운 스페이서는 중간체의 강한 IR 밴드를 형성하지만, 지나치게 두꺼운 스페이서는 용매 신호의 포화를 일으킬 수 있어서, 밴드를 가릴 것이다.
오페란도 NMR 모니터링의 절차: 시안화 수소의 독성 때문에, 반응용기인 20 mL 바이엘(vial)을 흄 후드(fume hood) 내부에 설치하였다. 인 시투 플로우 1H NMR 측정을 위해, 디지털 속도-가변 연동(peristaltic) 펌프 및 플라스틱 튜브(1/16")를 구비한 연동식 마이크로플로우 시스템(ISMATEC, ISM 596D Galttbrugg, Switzerland)에 의해 반응용기를 Spinsolve 60(60 MHz benchtop NMR)에 연결하였다. 모니터링 시간은 1분의 간격으로 18시간 이었고, 펌프는 0.140 rpm에서 작동하였다. 새롭게 개발된 낮은 자기장에서의 자장-불변(field-invariant) 피팅 방법 및 통상적인 NMR 처리 도구와 같은 방법에도 불구하고, NMR 분석 도구를 구비한 직접(hands-on) 작동 시스템은 여기서 INT A 및 B를 구별할 수 없었고, 이들의 NMR 피크는 중첩되는 것으로 밝혀졌으며, 이로 인해 반응 혼합물에서 이들의 화학적 이동(shift)을 측정하기 어렵게 하였다. 이 문제는 엑스 시투(ex situ) 300 MHz NMR 측정에 의해 해결되었다. 1H T1 시간보다 더 긴 시간(1분 초과) 후에 더 빠른 유속에서 단일 스펙트럼이 얻어졌기 때문에, NMR 측정의 정확도에 미치는 흐름의 효과를 배제할 수 있었다. 이들 측정은 1시간의 간격으로 24시간 동안 수행되었다. 모든 이들 NMR 스펙트럼은 고-자장 NMR 스펙트럼과 비교되어 화학적 이동(ppm)을 특성 평가하였다. 전구체, 벤즈옥사졸 및 INT A의 기준 1H NMR 스펙트럼은 Bruker 500 Ultrashield NMR 분광기기(500 MHz)에 기록되었다. 또한, 13C NMR 측정은 중간체의 니트릴 기(-13C≡N)를 추적하는 동일한 장비로 수행되었다.
전산 기법: 모든 DFT 계산은 Gaussian 16을 이용하여 수행되었다. M06-2X 함수가 사용되었고, DMF를 이용한 용매화(solvation)는 CPCM 용매화 모델을 이용하여 포함되었다. 6-31+G(d) 및 6-311++G(3df,2pd) 기저계(basis set)가 구조 최적화 및 주파수 계산을 위해 각각 사용되었다. 계산된 결과는 NMR 및 FTIR 피크 할당을 지원하였다. 주파수 보정의 환산 계수는 0.9559이었고, 히드록시기가 없는 INT C의 구조를 갖는 모델 샘플(INT C*)에 대해 얻어졌다. 수치는 NIST 표준 참조 데이터베이스 101의 값과 거의 동일하였다.
2-차원 상관관계 분석: 공기 중에서 30개 FTIR 스펙트럼의 피팅 결과를 확인하기 위해, MATLAB 2018a의 2D 상관관계를 이용하여 스펙트럼을 분석하였다. 중간체 피크는 아주 작고 다른 피크와 중첩되기 때문에, 2D 상관관계 스펙트럼에서 이들의 신호를 분석함으로써, INT A 및 B의 IR 밴드 적분 결과를 재확인할 필요가 있었다. 스펙트럼은 동기식(sync) 스펙트럼의 신호를 고려하여 비동기식(async) 스펙트럼이었고, 여기서 양의 크로스 피크는 x-축에서의 ν1가 y-축에서의 ν2 앞에서 그리고 반대 경우에서 변함을 나타냈으며, 그 반대 또한 가능하였다.
3. 결과 및 토의
벤즈옥사졸 합성의 메커니즘: Baldwin 법칙에 근거한 반응의 메커니즘 및 DFT 계산의 결과는 이전에 보고되었다. 이들 연구에 따르면, 알디민(전구체)으로부터 출발하여, 반응은 3개 단계: 즉 시안화물 공격, 분자-내 고리화, 및 에어로(aero) 산화 단계를 포함한다. 그러나, 다른 연구자는 시안화물 촉매에 의해 매개된 고리화 및 산화의 순서와 관련하여 반대 반응 경로로 결론을 내렸다. 따라서, 메커니즘을 명확히 하기 위해, 제안된 중간체의 C≡N 기능기의 검출은 직접적으로 중요하고, 반응의 순서 및 시안화물의 역할을 제공할 것이다. 따라서, 도 3과 같은 플로우 셀 셋업을 갖는 FTIR을 이용하여 반응 중간체로부터의 작은 C≡N 신축 IR 피크를 검출하였다.
인 오페란도 플로우 FTIR의 메커니즘 조사: 도 6은 벤즈옥사졸 합성 중에 중간체를 추적한 실시간 FTIR 스펙트럼을 나타낸다. 2160 ㎝-1 부근의 넓은 피크는 30분 후에 강도가 증가하였다(도 6(a)). 이 피크는 고체 시안화물(NaCN) 촉매로부터 용해된 CN-의 신축 모드에 해당한다. 예상했던 대로, 피크 강도는 반응시간에 따라 단조롭게 증가하였다. 촉매인 시안화 이온은 소모되지 않아서, 관측된 증가는 단순히 고체 NaCl의 점진적인 용해를 나타낸다. 도 6(a)에서 2228 ㎝-1에서의 다른 피크는 반응의 시작 시에 나타났고, 증가하였으며, 그 후에 감소하였는데, 이는 반응 중간체의 전형적인 거동이다. 제안된 반응 메커니즘(반응식 1)에 근거하여, CN에 할당된 2228 ㎝-1에서의 피크는 INT A로부터 유래되는데, 피크가 반응의 시작부터 나타났기 때문이다. INT A가 합성되고 분리되었으며, 2228 ㎝-1에서의 피크는 INT A의 니트릴 신축으로부터 유래된 것을 확인하였다. INT A는 CN-보다 일찍 나타났는데(반응식 1(b)에서 2160 ㎝-1에서의 피크로 표시됨), 이는 용해된 시안화물이 반응에서 즉시 침전되어 INT A를 형성함을 나타낸다. 시안화물이 모든 전구체를 소모시킨 후에, 2160 ㎝-1에서의 피크는 강도가 증가하였다.
1300 ㎝-1 부근의 실시간 FTIR 스펙트럼(도 6(b))은 반응 동역학에 관한 필수적인 정보를 제공한다. 이 주파수 범위에서 가장 두드러진 특징 중 하나는 전구체의 빠른 소모인데, 이는 1288 ㎝-1 부근의 흡광 밴드의 소멸에 의해 나타난다. 이 밴드는 전구체로부터 유래된다. 10분 이내에, 이 피크의 흡광도는 백그라운드 수준에 근접했는데, 이는 박층 크로마토그래피 모니터링에 의한 전구체의 소멸의 이전 관측과 일치한다. 반응시간에서의 이 유사성은 플로우 셀 셋업이 반응조건을 교란시키지 않음을 나타낸다. 이후, INT A로부터의 피크가 2228 및 1309 ㎝-1에서 나타났다. 반응이 진행됨에 따라, 피크가 1295 ㎝-1에서 나타났고, 계속해서 강도를 얻었다. 이 피크는 피크 중첩 때문에 1309 ㎝-1에서의 밴드에 대한 숄더(shoulder)로서 나타났다. 1295 ㎝-1에서의 피크의 지연된 출현은 다른 중간체(반응식 1(b)) 중 하나로부터 유래될 수 있음을 암시하는데, 생성물이면서 지연된 출현에 대한 또 다른 후보물질이 1554 ㎝-1에서 흡광 피크를 형성하였기 때문이다. 3개의 후보물질 중에서, 아미노니트릴(INT C) 및 2-시아노벤즈옥사졸린(INT D)은 DFT 계산에 따라 2280 ㎝-1 부근에서 예측된 흡광 밴드를 갖는 -CN기를 포함한다. 그러나, INT A(도 6(a))를 제외하고, 이 주파수 범위에서는 어떠한 다른 피크도 발견되지 않았다. 13C NMR 모니터링(13C NMR 측정)은 동일한 결과를 나타냈는데, 이는 INT B에 1295 ㎝-1 피크의 할당을 뒷받침한다. 확인을 위해, INT B를 합성 및 정제하려는 시도가 이루어졌지만, 성공하지 못하였다. 대신에, INT B의 황 유사체가 안정된 화합물인 벤조티아졸린(INT B*)으로서 얻어졌는데, 여기서 INT B의 산소는 황으로 치환된다. 그 흡광 주파수에서 관측된 적색 이동은 1295 ㎝-1 진동 운동이 산소 원자를 수반함을 나타낸다. DFT 계산으로부터, INT B의 C-O-C 밴드의 진동 주파수는 1295.3 ㎝-1로서 예측되었는데, 이는 실험 주파수와 거의 일치한다. INT B*의 피크의 적색-이동된 주파수는 1286.7㎝-1로서 또한 정확하게 예측되었는데, 이는 C-S-C 진동에 해당한다. 지문 영역에서의 반응시간-의존적 흡광 피크는 중간체 합성 및 DFT 계산에 의해 할당되었다. 상세한 피크 할당은 표 1에 열거되었다. INT B의 관측은 경로 1(반응식 1(b))이 작동 경로임을 나타낸다. 전구체(1288 ㎝-1) 및 생성물(1554 ㎝-1)의 흡광 밴드는 DMF에서의 FTIR 스펙트럼으로부터 확인되었다. 표 1은 스펙트럼 밴드의 할당이다.
υ (㎝-1) 할당
1288 전구체, N=C-Ph 굽힘
1295 INT B, C-O-C 신축
1554 생성물, O-C(-N=)-Ph 굽힘
2228 INT A, -C≡N 신축
실시간 FTIR 스펙트럼의 정량 분석은 할당된 피크를 피팅하여 중첩된 스펙트럼으로부터 피크 면적을 추출함으로써 수행되었다. 도 7은 반응 중간체, 반응물 및 생성물에 해당하는 피크 면적의 시간-의존적 프로파일을 나타낸다. NMR과 달리, IR 흡광 피크의 강도는 전이 쌍극자 강도를 알지 못하면 농도로 직접 환산될 수 없다.따라서, 각 밴드에 대해 최대 면적에 의해 각 피크 면적을 정규화하였는데, 이는 각 밴드의 농도 변화를 추적하는데 충분하였다. INT A의 농도는 25분에서 최대치에 도달하였고(도 7), 반면에 INT B의 경우 최대 흡광도에 도달하는데 45분이 필요하였는데, 이는 분자-내 고리화가 산화 공정 전에 일어남을 암시한다. 그러나, INT B(1295 ㎝-1)에 해당하는 피크는 또 다른 피크(1309 ㎝-1)와 중첩되었다. 피크 피팅으로부터의 가능한 에러를 방지하기 위해, 2D 상관관계 방법을 이용하여 결과를 독립적으로 분석하였는데, 고리화 및 산화의 순서는 반응 메커니즘을 둘러싼 논란의 중심점이기 때문이다. 2D 상관관계 방법으로부터의 async 스펙트럼은 피팅 결과로서 동일한 반응 순서를 나타낸다. 2228(x-축) 및 1295 ㎝-1(y-축)에서 기록된 크로스-피크의 신호는 양의 값이다. 따라서, 중간체 및 이들의 변화 경향의 관측은 첫 번째 경로(반응식 1(b)-1)를 뒷받침한다.
인 오페란도 플로우 NMR을 이용한 플로우 FTIR 결과 및 정량 분석의 확인: 동역학 분석을 포함하여, 인 시투 플로우 1H NMR 스펙트럼으로부터 동일한 결론이 얻어졌다(도 8). INT A의 벤질기 수소 및 N-H에 해당하는 피크는 6.10 및 5.95(D, J = 9.31) 그리고 5.64 및 5.49(D, J = 9.31) ppm에서 각각 나타났고, 서로 결합되었다. 양쪽 피크는 반응 중에 약간 이동하였다. INT A의 벤질기 수소는 가려져서 5.85 ppm으로 이동하였는데, DMF에 흡수된 물로부터 유래되는 반응 중에 시안화 나트륨 이온과의 상호작용 또는 환경 변화 때문일 수 있다(이들 신호는 엑스 시투 300 MHz NMR 데이터에 의해 확인되었음). NH 피크는 5.82 및 5.80 (d) ppm에서 또 다른 피크와 중첩되었고, 5.73 ppm에서 합산 최대치로 나타났다(도 8의 우측 스펙트럼). 5.73 ppm에서 하나의 피크로 수반된 5.82 및 5.80(d) ppm에서의 화학적 이동은 INT B의 벤질기 수소에 기인한다(도 8). 이 경향은 오페란도 FTIR 데이터와 일치할 뿐만 아니라, INT A가 다른 경로 없이 INT B로 전환되었음을 암시하는데, 이는 2개의 관측: 즉, 양쪽 종의 피크의 강도가 동시에 변하였다는 것 및 생성물은 INT B가 형성되기 전에 나타나지 않았다는 것으로부터 추정된다(도 8, 생성물: 녹색 영역). 그러나, 이 시스템에서 INT B에 해당하는 모든 피크가 오페란도 반응 모니터링을 위한 낮은 자기장 때문에 명확하게 나타날 수 없고, INT B가 혼합물에서 주성분이었던 순간은 반응 중에 없었다. 그럼에도, INT A 및 B는 엑스 시투 300 MHz NMR 측정에 의해 성공적으로 구별되었고, 전구체, INT A 및 벤즈옥사졸에 대한 모든 화학적 이동은 정제된 화합물의 NMR 스펙트럼과의 비교에 의해 확인되었다.
Ar-퍼징 조건 하에 반응 중지 시점의 검출: 에어로 산화가 작동하는 경우, 공기의 존재 하에 형성된 종을 확인하기 위해, 반응은 불활성 대기에서 또한 수행되었다. 반응식 1(b)에서 제안된 메커니즘은 산화가 일어나지 않는 불활성 대기에서 반응의 중지 시점에서 근본적인 차이를 나타낸다. 따라서, 반응이 첫 번째 경로(반응식 1(b)-1)를 통해 진행될 경우, 반응은 INT B에서 중지될 것이고, 그러나 이것이 그 경우가 아닐 경우, 반응은 INT A에서 중지되어야 한다는 가설을 제기하였다. 이 가설은 Ar-퍼징된 시스템에서 오페란도 FTIR 측정을 이용함으로써 조사되었다. 플로우 셋업에서 누출의 영향은 2개의 그룹: 즉, 하나는 플로우 셋업을 갖는 것 및 다른 하나(대조군)는 플로우 없는 것에서 실험을 수행함으로써 확인되었다. 대조군의 물 피크는 내부 표준으로서 사용되어 오페란도 스펙트럼의 신뢰성의 시간 범위를 결정하였는데, 이는 220분이었다. 220분에 획득된 스펙트럼은 48시간 후의 대조군과 비교되었다(도 9). 양쪽 조건 하에서, 2228 ㎝-1에서의 INT A의 흡광 밴드는 유사하였고; 그러나, 대조군의 스펙트럼에서, 1295 ㎝-1에서의 INT B*의 밴드는 강도가 현저하게 증가하였다. 이 결과가 암시하듯이, 에어로 산화 공정이 차단되었을 때, 반응은 INT B에서 중지되었다.
벤즈옥사졸 합성의 반응 메커니즘에 대한 제안: 추가 동역학 데이터가 나타내듯이, 벤즈옥사졸 합성의 율속 단계는 인 오페란도 플로우 FTIR 및 NMR을 이용한 체계적인 실험 및 분석에 근거하여 고리화 단계이고; 생성물인 벤즈옥사졸은 INT B가 형성된 직후에 나타났다(도 7 및 8, 녹색 영역). 생성물은 18시간 후에도 계속해서 형성되었는데, 이때 반응은 NMR 신호의 분석에 의해 나타난 바와 같이 대략 13%까지 진행되었다. 그 시간까지, INT A는 사라지지 않았는데, 이는 고리화 단계가 보고된 시간보다 훨씬 더 길게 걸림을 나타낸다. 모든 이들 결과가 강하게 암시하듯이, INT A 및 B 사이의 공정이 율속 단계이다. 또한, Ar-퍼징된 조건 하의 반응의 경우, INT A는 48시간 후에 용액에 여전히 존재하였다. 반응은 INT A가 형성될 때 정상 상태에 도달한 것으로 보였는데, 이는 INT A의 안정성을 나타내고, 이것은 INT A가 별도로 합성될 수 있다는 사실에 의해 뒷받침된다. 결과적으로, INT A가 INT B로 변하는 고리화 단계가 반응에서 율속 단계인 것으로 결론 내릴 수 있다. INT A의 니트릴기의 직접적인 관측은 시안화물 촉매의 역할이 고리화를 위한 활성화 장벽 에너지를 감소시키는 것임을 증명한다. 실험 결과에 근거하여, 다음의 반응 메커니즘을 제안한다: 시안화물은 전구체의 이민에 있는 탄소를 공격하고, 그 결과 INT A가 형성되며, 이것은 5-exotet 고리화 반응을 통한 고리 닫힘을 수반하여 INT B를 형성한다. 이 반응 직후 호기성 산화가 이어져서 벤즈옥사졸을 생성한다(반응식 2). 흥미롭게도, 이전의 오페란도 NMR 연구가 나타내듯이, INT A의 히드록시기는 탈양성자화되고, 그 결과 시안화물의 강한 염기도 때문에 신호 강도가 크게 변한다. 이 탈양성자화가 강하게 나타내듯이, 첫 번째 반응 경로(반응식 1(b)-1)가 바람직한데, INT A의 산화를 방지하면서 분자-내 고리화를 용이하게 할 것이기 때문이다. 불행하게도, 플로우 FTIR 반응기를 이용하여 전구체 및 INT A 사이의 양성자 전달의 과정에서 중간체를 검출하지 못하였다. 이것은 이들의 수명이 서브밀리초보다 더 짧을 수 있기 때문인데, 이는 FTIR 분광기기 획득 시간의 범위 밖이다. 반응식 2는 벤즈옥사졸 합성에 대한 타당할 것 같은 메커니즘을 나타낸다.
[반응식 2]
Figure 112021088332944-pat00002
4. 결론
본 실시예에서는 오페란도 FTIR 플로우 반응기가 개발되고 NMR 측정과 동시에 사용되어 벤즈옥사졸 합성의 반응 메커니즘을 연구하였다. 이 시스템은 플로우 셀 반응기를 구비한 FTIR 분광기기를 포함하고, 데이터는 2D 상관관계 분석으로 처리되어 플로우 NMR 분광법과의 조합에 의해 반응 메커니즘을 결정하는데 성공적으로 사용되었다. 플로우 셀 셋업의 역할은 중간체 IR 밴드를 검출하는 것이다. 플로우 셀의 조절 가능한 경로길이는 약한 IR 흡광성을 갖는 저-농도 화합물의 경우에도 검출을 허용하였다. 관측된 피크의 관계는 2D 상관관계 방법을 통해 IR 스펙트럼을 분석함으로써 결정되었다. 이 분석은 다른 피크와 중첩된 중간체의 피크를 통해서도, 스펙트럼 분해능을 향상시킴으로써 반응 단계의 순서를 결정하게 하였다. 또한, 양쪽 경로(반응식 1(b))를 통해 반응이 진행될 가능성은 NMR 스펙트럼의 정량 분석을 통해 배제되었다. 특히, 상술한 포괄적인 결과는 율속 단계를 결정하는 것을 가능하게 하였다.
본 보고가 증명하듯이, NMR, FTIR 및 2D 상관관계 방법의 통합 분석은 이들 기술의 높은 검출 감도 때문에 반응 메커니즘을 규명하는데 유용하다. 이 분석 기술은 매우 저-농도의 중간체 때문에 조사되지 못하였던 많은 시스템에 널리 적용될 수 있다. 또한, 이 새롭게 도입된 컴팩트하고 닫힌-플로우 셀-기반의 분석 시스템은 장래에 중간체를 연구하고 유해 물질의 반응 및 반응 조건을 모니터링하는 새로운 가능성을 열 것이다. 또한, 인터리브(interleaved) 방식으로 IR 및 NMR 측정의 닫힌 통합은 가치 있는 정보를 제공하는 실시간 유기 반응 모니터링 시스템을 가능하게 할 것이다. 가까운 장래에, 이 기술과 2D 적외선 분광법을 융합한 추가적인 설계는 NMR 및 IR 분광법 사이의 반응 역학에서 시간 간극을 채울 것이다.
10: 반응용기, 12: 마개, 14: 바늘, 20: 펌프, 30: 적외선 분광기기, 31: 광원, 32: 플로우 셀, 33: 검출기, 34: 간격띄우개, 35: 윈도우, 36: 오링, 37, 38, 39: 샘플 홀더, 40: 튜브

Claims (11)

  1. 화학반응이 용액상에서 일어나는 반응용기;
    반응용기와 튜브를 통해 연결되는 펌프;
    펌프 및 반응용기 각각과 튜브를 통해 연결되고, 간격띄우개의 두께에 기인하는 경로길이를 조절 가능한 적외선 분광기기; 및
    반응용기와 펌프 사이, 펌프와 적외선 분광기기 사이, 또는 적외선 분광기기와 반응용기 사이의 위치에 배치되는 핵 자기 공명 기기를 포함하는, 실시간 화학반응 모니터링 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    반응용액은 펌프에 의해 3±2 mL/min의 유속으로 순환됨으로써, 화학반응에 대한 개입과 시료 추출과정 없이 실시간 적외선 스펙트럼을 얻는 것이 가능한, 실시간 화학반응 모니터링 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    반응용기는 용기를 밀폐시키는 마개, 및 마개를 관통하고 튜브와 연결되는 바늘을 포함함으로써, 외부 공기와의 노출이 없는 조건에서 화학반응을 관측하는, 실시간 화학반응 모니터링 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    펌프는 유압펌프이고, 적외선 분광기기는 투과 타입의 적외선 분광기기인, 실시간 화학반응 모니터링 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    간격띄우개의 두께는 1 내지 990 ㎛의 범위에서 선택되는, 실시간 화학반응 모니터링 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    간격띄우개의 위와 아래를 잘라내어 용액의 출구와 입구를 형성하는, 실시간 화학반응 모니터링 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    간격띄우개는 2장의 적외선 분광학용 윈도우 사이에 배치되고, 간격띄우개 및 윈도우의 조립체가 플로우 셀에 장착되며, 완성된 플로우 셀이 적외선 분광기기에 장착되고, 플로우 셀의 입구는 튜브를 통해 펌프의 출구와 연결되며, 플로우 셀의 출구는 튜브를 통해 반응용기의 입구에 연결되고, 반응용기의 출구는 튜브를 통해 펌프의 입구에 연결되는, 실시간 화학반응 모니터링 시스템.
  8. 삭제
  9. 제1항에 따른 실시간 화학반응 모니터링 시스템을 이용한 실시간 화학반응 모니터링 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    화학반응의 중간체 검출을 포함하는, 실시간 화학반응 모니터링 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    화학반응의 중간체 검출에 2차원 상관관계 분석방법을 이용하는, 실시간 화학반응 모니터링 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP4665341B2 (ja) * 2001-05-24 2011-04-06 凸版印刷株式会社 液体測色装置を用いた色合わせ方法
KR101684407B1 (ko) 2015-05-22 2016-12-08 전남대학교산학협력단 광학 센서를 이용한 수질 오염 측정 시스템 및 수질 오염 측정 장치
JP2020518801A (ja) * 2017-05-02 2020-06-25 リン, ピンLIN, Ping 赤外分光法で使用するためのサンプルホルダー

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