물질의 구조를 알아낸다는 것은 화학과 관련된 연구를 하는 모든 분야에서 가장 기본이 되며 또는 목적이 되는 작업이며, 이것은 물질이 가지고 있는 다양한 성질들을 연구 하는 분광학(spectroscopy) 이라는 학문의 근본이 되었다.
현재까지 알려진 수많은 spectroscopy 방법들 중에서 물질의 구조를 밝혀내는데 가장 유용한 방법으로는 X-ray crystallography를 꼽을 수 있다. 그러나 모든 spectroscopy 방법들이 그러하듯 X-ray 방법도 단점이 있으며 그것은 결정을 만들어야 한다는 것이다. 현대 spectroscopy 방법에서 필요한 미량의 시료로 결정을 만드는 것은 결코 쉬운 일이 아니며, 시료의 양이 충분한 경우에도 결정이 아닌 물질들의 구조에는 무용지물일 수밖에 없는 것이 이 방법이다. 이러한 단점에서 비교적 자유로울 수 있는 것이 NMR spectroscopy 방법이라고 할 수 있으며, 이 방법은 최근에는 화학물질의 구조 뿐만 아니라 정량분석이나 의약 개발과 설계를 위한 metabonomics 분야 등으로 까지 응용분야를 넓혀가는 등 물질을 다루는 모든 사람들에게는 없어서는 안 되는 학문이 되었다.
이와 같은 이유로 최근 많은 학자들은 인류의 과학 발전들 중에서 인간에게 가장 빠르게 응용된 학문은 실험실에서부터 우리의 건강을 다루는 병원에서 까지 이용되는 NMR spectroscopy라고 말하고 있으며, 이러한 사실은 지난 십수년 동안 노벨상을 3 번이나 수상한 객관적인 사실이 잘 증명해주고 있다. 그러나 이 학문은 아직도 그 응용들의 발전이 현재 진행 중이며, 지난 반세기 동안 이론에서 뿐만 아니라 실험에서도 컴퓨터의 발달과 함께 그 이용방법이 매우 용이하게 되었으며, 대학의 교과 과정에서는 물론이고 최근에는 고등학교 학생들의 화학 올림피아드 문제에도 출제되고 있다.
이 책을 접하게 될 대부분의 사람들은 대학에서 일반화학, 유기화학 그리고 물리화학 등의 과목들을 이수하면서 spectroscopy의 기본이론 등을 접하여 보았을 것이다. 그러나 실제로 이러한 기본 이론들이 이 책에 제시된 문제들과 같은 NMR 스펙트럼으로부터 물질의 구조를 알아 낼 수 있는 지식이라는 것과는 일반적으로 상당한 거리가 있다는 것을 인정할 것이다. 저자 또한 이론과 실험에 관한 NMR 책을 저술하여 학생들과 교사 그리고 연구원들에게 강의를 하면서 이러한 점을 인지하게 되었으며, 이 책은 바로 이러한 단점들을 보완해 보고자하는 노력들 중의 하나라고 할 수 있겠다.
다행히도 NMR 스펙트럼으로부터 물질의 구조를 유도해내는 것은 NMR 기기를 이용하여 스펙트럼을 얻고 그 현상들을 이해하기 위해 필요한 많은 어려운 이론들을 완전히 이해하지 못하더라도 가능한 일이 될 수 있다. 또한 실제로 많은 학생들에게 어려운 수학적인 이론과 최첨단의 실험 방법들의 설명은 스펙트럼으로부터 구조를 알아내는 것에는 큰 도움이 되지 않았으며 때로는 혼란만 가중시킨다는 것을 저자가 NMR 강의를 하면서 알 수 있었다.
결론적으로 NMR 스펙트럼에서 물질의 구조를 얻어내는 방법을 터득하기위한 첫 번째 수순은 무엇보다도 먼저 간단한 구조를 가진 물질들의 스펙트럼들을 이용하여 구조의 요소(functionalgroup)들을 알아내고, 이 요소들로부터 물질의 구조를 유도해 낼 수 있는 여러 가지 논리들을 습득하는 것이다. 이러한 점에 착안하여 이 책의 전반부에는 구조의 요소와 구조의 유도 논리를 이끌어내기 위해서 단순히 화학이동 값(chemical shift) 그리고 커플링 pattern과 그 상수들만의 사용으로도 가능한 간단한 구조를 가지고 있는 문제들로 구성하였다. 그리고 후반부는 전반부에서 얻어진 논리들만으로는 물질의 구조들을 완전하게 밝힐 수 없는 문제들을 나열하였으며, 이들을 통하여 우리는 왜 2D NMR 방법 등을 포함한 여러 가지 어려운 이론들을 포함하는 방법들을 분자 구조의 규명에 사용하여야만 하는지를 알게 될 것이다. 또한 이 책을 공부하는 사람들이 이들 다양한 실험 방법들의 스펙트럼을 이용하여 단계적으로 구조를 완성해 나가는 과정을 거치면서 여러 가지 NMR 실험 방법들을 자연스럽게 습득할 수 있도록 의도하였다. 이 목적을 위하여 저자의 주관적인 편견일 수도 있지만 문제들을 물질의 구조의 난이도 순서로 열거하였다.
먼저 학부학생들이나 기본 지식만을 소유한 사람들을 위하여 물질의 구조분석에서 사용되는 분광학들의 간단한 개요와 연관하여 NMR spectroscopy의 기본 개념들을 소개하였다. 다음 이들을 이용하여 NMR 스펙트럼에서 구조를 얻어내는 과정을 아주 간단한 화합물을 이용하였으며, 여기에서 화학이동 값부터 2D NMR 방법들까지 어떻게 분자의 구조 규명에 사용되는지를 단계별로 설명하였다.
다음 문제 1-40 번까지는 복잡한 실험들의 도움 없이 양성자(1H) NMR 스펙트럼을 이용하여 화학 이동 값과 커플링 pattern을 사용하고, 탄소(13C) NMR 스펙트럼으로는 탄소의 수와 화학이동 값을, 그리고 mass spectrometer에서 얻은 분자식을 사용하여 충분히 구조를 유도할 수 있는 물질들이며 대체적으로 양성자 스펙트럼의 복잡성을 기준으로 나열하였다. 이들 화합물의 양성자 스펙트럼은 대부분 정확히 규명할 수 있지만 탄소 스펙트럼에서 나타나는 비슷한 aliphatic 탄소들의 정확한 규명은 탄소의 화학이동 값만으로는 불가능 한 경우가 있을 것이다. 그러나 이들 명확하지 않은 탄소의 규명이 구조를 유도하는 논리에는 방해가 되지는 않는다는 것을 알 수 있을 것이다.
이후의 41-80 번까지의 문제들은 유기화합물이 가질 수 있는 다양한 구조들을 포함한 물질들로 분자식과 양성자(1H)와 DEPT를 포함한 탄소(13C) 스펙트럼들과 함께 J-Resolved spectrum, COSY 등 단순한 2D 스펙트럼들도 제공하였다. 그리고 때로는 질소(15N)들의 정확한 규명은 물론이고 구조의 stereochemistry들 까지도 규명할 수 있도록 TOCSY, NOESY, HSQC, HMBC, 1D-NOE 스펙트럼들을 제공하였으며 몇 개의 경우는 그들의 규명이 정확한지를 cross-check 할 수 있도록 해설에서 2D-INADEQUATE 실험 스펙트럼들도 보여 주었다.
비록 이 책에서는 언급을 하지 않았지만 최신의 high-field NMR 들의 성능은 자연존재 비(ratio)가 많은 heteronucleus들 뿐만 아니라 자연존재 비가 아주 낮은 산소(17O)도 측정이 가능하므로 이 책에서 보여준 물질들이 가지고 있는 산소들의 구조에 대한 많은 부분은 실제 증명이 가능하다는 것을 밝혀둔다.
이 책은 NMR을 이용하여 새로운 물질의 구조를 유도하기위한 논리의 습득을 목적으로 하였기 때문에 많은 문제들의 화합물은 아주 간단한 구조를 가지고 있지만 기초적인 지식이 필요한 사람들을 위해 대부분 자세한 해설을 통해 해답을 보여주었다. 그러므로 NMR에 대한 기본적인 지식만 있는 학부 3, 4학년 학생들이나 대학원생들 그리고 화학과 관련이 있는 타 분야에서 연구하는 사람들도 기본적인 문제들을 시작으로 하여 스스로 NMR에 관한 지식을 확대하여 나갈 수 있을 것이다. 또한 비록 문제들의 해답이 주어졌지만 학생들에게 각 스펙트럼의 해석을 저자가 시작한 출발점이 아닌 곳에서 구조를 밝혀나가도록 하는 것, 각각의 양성자와 탄소의 명확한 규명이 없이도 구조 유도가 가능했던 부분 그리고 해설이 없이 답이 주어진 문제들의 구조와 연관시켜 정확하게 양성자와 탄소를 규명하는 것을 숙제로 제시하면 이 책은 또 다른 학습서가 될 수도 있을 것이다.
이 책에 주어진 NMR 스펙트럼들은 Bruker DRX-300, AVANCE-500 그리고 AVANCE-700 기기에서 양성자는 300.13, 500.13, 700.17 MHz에서 그리고 탄소는 75.46, 125.75, 176.05 MHz에서 각각 얻었으며, 질소 NMR 스펙트럼들은 50.69와 70.97 MHz에서 얻었다.
끝으로 이 책이 현재는 물론이고 미래에도 화학 뿐만 아니라 과학의 여러 분야에서 발전되고 사용 될 NMR spectroscopy라는 매혹적인 이 학문을 접하게 될 많은 사람들에게 유용한 기초가 되기를 바란다. - 머리말
