정답
화합물 A는 3,5-디메톡시벤즈알데히드이며, ㄱ 피크는 알데히드기의 수소 \(-CHO\) 에 해당한다.
출제 의도
분자식과 IR 스펙트럼으로 작용기를 추론하고, \(^{1}\mathrm{H}\) NMR 스펙트럼에서 적분값과 화학적 이동, 대칭성으로부터 벤젠고리 치환 패턴과 알콕시기(메톡시기)의 수를 결정하는 능력을 평가하는 문제이다.
풀이 과정
먼저 분자식 \( \mathrm{C_9H_{10}O_3} \) 에서 불포화도를 구한다.
$$ \text{불포화도} = \frac{2C + 2 – H}{2} = \frac{2\times 9 + 2 – 10}{2} = \frac{20 – 10}{2} = 5 $$
불포화도 5는 보통 벤젠고리(4)와 추가 이중결합(1)을 의미하므로, 벤젠 고리 하나와 탄소yl기 \((C=O)\) 하나가 존재한다고 볼 수 있다.
IR 스펙트럼에서 약 \(1700\,\mathrm{cm^{-1}}\) 부근의 강한 피크는 \(C=O\) 결합, \(1600\,\mathrm{cm^{-1}}\) 부근의 피크들은 벤젠 고리 \(C=C\) 신축에 해당한다. 또한 \(2700\sim 2800\,\mathrm{cm^{-1}}\) 부근의 약한 피크쌍은 알데히드 \(C-H\) 신축을 시사하므로, 분자 안에 \(-CHO\) 알데히드기가 있음을 알 수 있다. 따라서 고리 하나에 알데히드 탄소yl기가 붙은 벤즈알데히드 골격으로 판단된다.
이제 \(^{1}\mathrm{H}\) NMR 스펙트럼을 해석한다. 적분비가 ㄱ:ㄴ:ㄷ:ㄹ = \(1:2:1:6\) 이고 전체 수소 수는 10개이므로, 각 피크는 차례로 \(1\,\mathrm{H}, 2\,\mathrm{H}, 1\,\mathrm{H}, 6\,\mathrm{H}\) 에 해당한다.
먼저 가장 낮은 자기장(약 \(\delta \approx 10\,\mathrm{ppm}\))에 있는 ㄱ 피크는 알데히드기의 수소에 해당하는 것이 자연스럽다. 알데히드 수소는 일반적으로 \(\delta 9\sim 10\,\mathrm{ppm}\) 부근에 나타나고, 적분값도 1H이므로 ㄱ은 \(-CHO\) 의 수소이다.
약 \(\delta 6.5\sim 8\,\mathrm{ppm}\) 부근에 있는 ㄴ과 ㄷ 피크들은 모두 방향족 수소로 보이며, 적분이 각각 2H와 1H이므로, 벤젠 고리에 수소가 총 3개 남아 있음을 알 수 있다. 이는 벤젠 고리가 3가 치환(치환기 3개, 수소 3개)된 구조임을 뜻한다.
약 \(\delta \approx 3.8\,\mathrm{ppm}\) 부근의 ㄹ 피크는 적분이 6H이고, 산소에 결합된 메틸기 \(-OCH_3\)의 수소는 보통 \(\delta 3.5\sim 4.0\,\mathrm{ppm}\) 부근에서 singlet로 나타난다. 따라서 서로 등가인 메톡시기 \(-OCH_3\) 가 2개 존재하여 전체 6H로 나타난다고 볼 수 있다.
요약하면, A는 벤젠고리에 알데히드기 \(-CHO\) 하나와 메톡시기 \(-OCH_3\) 두 개가 붙어 있고, 두 메톡시기는 서로 등가이다. 방향족 수소 적분이 \(2H\) 와 \(1H\) 로 나뉘는 것은, 고리의 3개 수소 중 2개가 서로 대칭으로 등가이고 나머지 1개는 비등가라는 뜻이다.
이러한 대칭성을 가지면서 알데히드기 하나와 서로 같은 메톡시기 두 개가 존재하려면, 알데히드기를 1번 위치라 할 때 두 메톡시기가 3번과 5번에 치환된 1,3,5-치환 패턴이어야 한다. 즉 구조는 3,5-디메톡시벤즈알데히드이다.
따라서 \(\mathrm{A}\) 의 구조는 벤젠 고리에 알데히드기 하나와 메톡시기 두 개가 1,3,5-위치에 치환된 3,5-디메톡시벤즈알데히드이고, ㄱ 피크에 해당하는 수소는 이 알데히드기 \(-CHO\) 의 수소이므로, 구조식에서 알데히드기의 수소에 동그라미를 쳐 주면 된다.
<풀이가 부정확할 수 있으니 반드시 교차검증 확인 바랍니다.>