질량분석계를 이용할때 Exact mass로 원하는 물질이 존재하는지 확인하고, 시약을 넣을때에는 molecular weigt에 따라 계산한다.
왜 한 물질에 다른 두개의 값을 사용하는 것일까? molecular weight와 exact mass의 차이점에 대해 알아보겠다.
각 원소들은 동위 원소가 존재한다. 동위원소는 원자번호와 양성자의 숫자는 같지만 중성자의 숫자가 다른원소이다.
즉, 무게가 다르다고 할 수있다. 그리고 동위원소의 존재 때문에 두가지 값에 차이점이 생긴다.
Exact mass와 molecular weight
Exact mass는 화합물을 구성하는 각 원자의 동위원소가 가장 많이 존재하는(동위원소비율이 가장 큰) 질량을 기준으로 합산하여 구한 값이다.
즉, 화합물이 가질 수 있는 질량 중 가장 많이 발견되는 값이다.
참고로 여러 동위원소 질량 중 한가지 값을 나타내므로 자주 쓰이는 표현은 아니지만, monoisotopic mass라고 부르는 것이 더 정확한 표현이다.
Molecular weight는 동위원소의 비율에 따라 나눈 평균적인 질량이라고 할 수 있다. 즉, 존재 비율에 따른 원자의 평균적인 질량을 말한다.
차이점 예시
예를 들어 chemdraw로 analysis window를 열어 bromobenzene의 exact mass와 molecular weigt를 보면, 두 값의 차이가 있는 것을 확인 할 수 있다.
아래 그림의 m/z : 값을 자세히 보면 155.96을 100으로 볼때 157.96이 97.5 존재하는 것으로 두 질량값이 거의 1 대 1로 나타나는 것을 확인 할 수 있다.
이 두 값중 더 많이 존재하는 것은 155.96으로 Exact mass 라고 부른다. 그리고 존재비율에 대한 평균값을 구하면 157.01로 molecular weight 가 된다.
자세한 설명
위의 내용을 풀어서 설명해 보겠다.
브로민은 79Br(50.69%)과 81Br(49.31%) 두 종류의 안정동위원소가 존재한다. 탄소는 13C(1.1%), 중수소는 무시할정도로 적다.
Bromobenzene의 Exact mass는 존재비가 더 큰 79Br을 기준으로 계산한 값이고 Molecular weight는 각 분자량을 비율대로 나눈 값을 합하여 평균을 낸 값이다.
따라서 bromobenzene의 exact mass는 79Br을 기준으로 한 155.96이된다. 물론 49.31%로 81Br을 가진 157.96또한 존재한다. 이 때문에 질량분석계에서 실제로 데이터를 구하면 평균값으로 수치가 나오지 않고 두개의 피크로 나눠진 스팩트럼을 보여준다. 따라서 Br 원자의 Exact mass는 더 많이 존재하는 79Br의 질량인 78.918가 된다.
일반적으로 bromine을 가지는 화합물은 두 동위원소가 거의 1대1로 존재하기 때문에 두개의 선명한 peak를 보여준다.
chlorine은 35Cl(75.77%), 37Cl(24.23%)로 약 3:1 비율로 존재하고 Mass spectrum 도 3:1 정도 크기의 peak를 보여준다.
브로민의 치환반응을 LC-MS로 관찰하면 출발물질의 두개의 브로민 peak가 product에서 한개의 peak로 바뀌는 것을 볼 수 있다.
평균 질량값인 Molecular weight는 위의 계산식 처럼 bromobenzene의 존재하는 모든 질량값의 평균값을 비율에 따라 계산하여 구할 수 있다.
위의 chemdraw 분석의 m/z 부분을 참고하여 쉽게 계산 할 수 있다.
155.96인 분자가 100만큼 있다면, 157.96은 97.5만큼 존재하고 나머지도 존재비에 따라서 비율에 따라 평균을 계산 할 수 있다.
분자량이 해당 분자의 평균적인 무게를 나타내기 때문에, 시약을 넣을 때에는 평균적인 값인 molecular weight를 사용해야 더 정확하게 무게를 측정할 수 있다.