본문내용
1. 인광특성 이리듐 착체의 합성과 분석
1.1. 실험 개요
이 실험의 목적은 인광특성을 가지는 이리듐 착체를 합성하고, 분리 및 정제하여 분광학적 방법으로 분자 구조와 광학적 특성을 분석하는 것이다. 구체적으로 Irdfppy dimer와 2-pyrazinecarboxylic acid를 반응시켜 Ir(III) 착체를 합성하고, 컬럼 크로마토그래피로 불순물을 제거하여 순수한 착체를 얻는다. 이후 FT-IR과 ESI-MS 분석으로 분자 구조를, UV-Vis 흡수 스펙트럼과 PL 스펙트럼 분석으로 광학적 특성을 확인한다. 이를 통해 인광 특성을 보이는 Ir(III) 착체의 구조적, 광학적 특성을 이해하고자 한다.
1.2. 이론적 배경
1.2.1. 배위 반응과 Ir(III) 착체 합성
배위 반응은 결합에 참여하는 전자쌍을 한쪽 원자에서만 제공하는 반응이다. Ir(III) 착체는 중심 원자인 이리듐 원자와 주변의 리간드가 배위 결합을 형성하여 합성된다. 이번 실험에서 합성한 Ir(III) 착체는 Heteroleptic Ir(III) 착체로, (CN)2Ir(μ-Cl)2Ir(CN)2와 2HLX, 2 base가 반응하여 2Ir(CN)2LX, 2Hbase, Cl-가 생성되는 과정을 통해 합성되었다. 이러한 배위 결합 형성을 통해 Ir 중심 원자 주변에 리간드가 배치된 Ir(III) 착체가 합성되는 것이다.
1.2.2. 전개 용매의 극성과 분리
전개 용매의 극성이 높아질수록 분석 물질이 실리카겔에 더 강하게 흡착되므로, 전개 거리가 증가한다. 즉, 전개 용매의 극성이 높을수록 분석 물질의 전개 정도가 커지게 된다.
극성 용매인 메탄올은 비극성 용매인 디클로로메탄보다 더 극성이기 때문에 실리카겔에 더 잘 흡착된다. 따라서 메탄올 비율이 높은 혼합 용매(메탄올:디클로로메탄 = 1:9)를 사용하면 분석 물질의 전개 거리가 더 길어진다. 반대로 디클로로메탄 비율이 높은 혼합 용매(메탄올:디클로로메탄 = 1:19)를 사용하면 분석 물질의 전개 거리가 더 짧아진다.
이처럼 전개 용매의 극성 차이를 이용하여 분석 물질을 효과적으로 분리할 수 있다. 극성이 다른 화합물들은 실리카겔과의 상호작용 정도가 달라 서로 다른 Rf 값을 가지게 되므로, 이를 통해 혼합물을 분리할 수 있다.
1.2.3. IR 흡수 및 질량분석
IR 흡수 및 질량분석은 합성한 인광특성 이리듐 착체의 분자 구조를 분석하는 데 사용되었다.
ATR-FT-IR 분석을 통해 분자의 작용기를 확인할 수 있다. 이리듐 착체의 IR 스펙트럼에서는 1599 cm-1 부근에서 C=C 결합의 신축진동 흡수 피크가 관찰되었고, 3060 cm-1 부근에서 방향족 C-H 결합의 신축진동 피크가 나타났다. 또한 1867 cm-1 부근에서는 C=O 결합의 존재를 확인할 수 있었다. 이를 통해 합성된 화합물에 방향족 고리와 카르보닐기가 포함되어 있음을 알 수 있었다.
한편 ESI-MS 분석을 통해 이리듐 착체의 질량 스펙트럼을 얻을 수 있었다. 실험에서 관측된 base peak인 655.05 m/z와 이론상 예상되는 base peak 696.08 m/z의 차이는 약 41 정도였다. 이는 화합물의 부분적 fragmentation과 양이온 부착에 의한 것으로 추정된다. 질량 스펙트럼 데이터를 바탕으로 화합물의 분자식과 상대적 존재비를 확인할 수 있었다.
종합적으로 IR 분광법과 질량분석법은 합성된 이리듐 착체 화합물의 작용기와 분자량 정보를 제공하여 분자 구조를 규명하는 데 핵심적인 역할을 하였다고 볼 수 있다.
1.2.4. UV-Vis 흡수와 발광 특성
이리듐 착체 화합물의 UV-Vis 흡수 스펙트럼과 발광 스펙트럼 분석을 통해 분자의 광학적 특성을 파악할 수 있다. 먼저 UV-Vis 흡수 스펙트럼 측정을 통해 분자가 흡수하는 빛의 파장 범위와 흡광도 값을 확인할 수 있다. 이는 분자 내 전자들의 전이 과정과 관련되며, 특히 p-p* 및 d-p* 전이에 의한 흡수 피크가 관찰된다. 또한 Beer-Lambert 법칙을 이용하여 몰 흡광계수를 계산함으로써 분자의 흡수 특성을 정량적으로 분석할 수 있다.
다음으로 분자가 흡수한 빛 에너지를 다시 방출하는 발광 특성을 확인하기 위해 PL 스펙트럼을 측정한다. 여기 파장을 변화시키며 방출 스펙트럼을 기록하면 분자의 여기 상태와 바닥 상태 간 에너지 차이를 알 수 있다. 특히 이리듐 착체의 경우 금속 중심 원자의 d-오비탈과 배위 리간드의 p-오비탈 간 전하 이동 전이에 의해 강한 인광 발광이 관찰된다.
이를 통해 합성한 이리듐 착체의 광학적 특성, 즉 흡수 및 발광 파장 영역, 발광 효율 등을 분석할 수 있다. 나아가 분자 구조와 광학 특성 간 상관관계를 규명함으로써 고효율 인광 소재 개발의 기초 자료로 활용할 수 있다.
1.3. 실험 방법
1.3.1. 물질 및 실험 기구
Irdfppy dimer, 2-pyrazinecarboxylic acid, 메탄올, 탄산 칼륨, 황산 마그네슘, 이염화메틸렌 등의 물질을 사용하였다. 물질의 분자식, 분자량, 녹는점 등의 물리화학적 성질이 제시되었다. 또한 대부분의 물질은 표 형태로 정리되어 있다. 실험에 사용된 기구로는 1-neck round bottom flask, 100 mL 눈금 실린더, vial, 500 mL 회수 플라스크, 500 mL 에르렌마이어 플라스크, 500 mL 스퀴즈 병 등의 초자류와 컬럼(스탠드, 클램프), 깔때기, 시험관, 에르렌마이어 플라스크, 파스퇴르 피펫, 모세관, TLC 챔버, 10 mL vial, 회수 플라스크 등이 있다. 이 외에도 숟가락, 교반자, 18게이지 주사기, 고무 격막, TLC 판, TLC 챔버, 핀셋, 모세관, vial, 테프론 테이프, 뚜껑, 지지대, 유리 여과기 등의 실험 기구를 사용했다고 언급되어 있다.
1.3.2. 착체 합성
착체 합성은 이리듐(Ir) 중심 원자 주변에 리간드가 배위되어 형성된다. Irdfppy dimer와 2-picolinic acid를 반응시키면 중심 원자인 이리듐이 주위에 있는 리간드와 배위 결합을 형성하여 Ir 착체가 합성된다. 구체적인 합성 과정은 다음과 같다.
먼저, Irdfppy dimer와 2-picolinic acid를 weigh하여 round bottom flask에 넣는다. 그다음 용매인 CH2Cl2와 CH3OH를 9:1 (v/v)의 비율로 섞어 시료에 넣어 교반한다. 반응 용기인 round bottom flask를 rubber septum으로 닫고 공기 구멍을 뚫어 반응을 진행한다. 반응 진행 정도는 TLC를 찍어가며 확인한다.
반응이 완료되면 반응 혼합물을 separatory funnel에 넣어 quenching 시킨다. 그 후 dichloromethane (MC)으로 추출하고 MgSO4를 이용해 물을 제거한다. 마지막으로 rotary evaporator를 이용해 용매를 제거하여 최종 생성물인 Ir 착체를 얻는다.
이와 같은 배위 반응을 통해 Ir 착체가 성공적으로 합성되었음을 확인할 수 있다.
1.3.3. 컬럼 크로마토그래피
컬럼 크로마토그래피는 혼합물을 분리하는 중요한 기술로, 이번 실험에서도 이를 활용하여 합성한 이리듐 착체를 정제하고자 하였다. 먼저 컬럼을 제작하기 위해 실리카겔을 고정상으로 사용하였다. 실리카겔은 화학적 성질이 다른 물질들을 분리할 수 있는 효과적인 흡착제이다. 그 다음 용매인 이동...
