【화학】 12강. 혼합물의 분리

12강. 혼합물의 분리

 

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1. 여과 [본문]

2. 투석 [본문]

3. 전기영동 [본문]

4. 염석 [본문]

5. 증류 [본문]

6. 크로마토그래피 [본문]

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1. 여과 : 불균일 혼합물 [목차]

⑴ 정의 : 불균일한 고체와 액체 혼합물을 분리

⑵ 방법 : 혼합물을 미세한 구멍을 가진 여과지(거름종이)에 통과

 

 

2.투석 : 콜로이드 [목차]

⑴ 정의 : 반투과성 막을 통과할 수 있는 물질의 확산

⑵ 투석액 농도 ＞ 용액 농도 : 투석액에서 용액으로 해당 물질 이동

⑶ 투석액 농도 = 용액 농도 : 물질 이동 ×

⑷ 투석액 농도 ＜ 용액 농도 : 용액에서 투석액으로 해당 물질 이동

⑸ 신장 혈액투석이 대표적

 

 

3. 전기영동 : 콜로이드 [목차]

 

 

4. 염석(salting out) : 콜로이드 [목차]

출처 : 이미지 클릭

Figure. 1. 염의 농도와 용해도^]

 

⑴ 저농도 염

① 염이 첨가될수록 용해도 증가

② 이유 : 염들로 인한 물질 변성이 물의 침투를 도움

⑵ 고농도 염

① 염이 첨가될수록 용해도 감소

② 이유 : 염들이 물질 전체를 둘러싸 물과의 상호작용을 감소시킴

⑶ 표적 물질의 양이 많을수록 용해도의 피크값이 커짐

⑷ 정제의 초기수단이며 황산암모늄을 많이 사용

⑸ 응용 : 두부를 만들 때 간수(MgCl₂)를 넣음

 

 

5. 증류 : 용액 [목차]

⑴ 정의 : 액체의 끓는점 차이를 이용하여 액체와 액체를 분리하는 방법

⑵ 용액을 가열하면 끓는점이 낮은 물질이 먼저 기화

 

 

6. 크로마토그래피(chromatography) : 용액 [목차]

⑴ 극성, 비극성에 따른 분류

① 용어

○ 정지상(stationary phase) : 고정된 물질

○ 이동상(mobile phase) : 이동하는 물질

○ 분배율(partition law) : 정지상과 이동상 사이에서 여러 가지 물질이 나타내는 친화성 차이

○ 크로마토그래피 : 분배율에 의한 시간적 차이를 두고 분리하는 방법

② 순상 크로마토그래피(normal-phase chromatography) : 이동상이 비극성, 정지상이 극성인 경우

○ 이동거리가 큰 물질이 소수성이 강함

○ 이동상으로 톨루엔을 자주 사용

○ 예 : 이온교환 크로마토그래피

③ 역상 크로마토그래피(reversed-phase chromatography) : 이동상이 극성, 정지상이 비극성인 경우

○ 이동거리가 큰 물질이 친수성이 강함

○ 예 : 분배 크로마토그래피

⑵ 형태에 따른 분류

① 박층 크로마토그래피(TLC, thin layer chromatography) : 반응의 진행 정도를 확인하기 위해 사용

○ 원리 : 시료와 실리카 겔 간의 상호작용 차이

○ 목적 : 반응의 진행 여부 확인, 반응의 종결 판단

○ 정상 실리카 젤(normal phase silica gel) : 강한 극성. 시료의 극성이 증가할수록 젤과의 친화력 증가

○ 정지상은 실리카 겔(가장 극성이 강함), 이동상은 전개용매(비극성)

○ R_f 의 정의 : 시료가 이동한 거리 ÷ 용매가 이동한 거리

○ 시료에 따른 R_f 비교

○ 산, 염기, 금속염 < 카르복실산, 아민, 아마이드 < 알코올 < 알데하이드, 케톤 < 알킬 할라이드 < 에스터 < 알켄 ＜ 알카인 < 알케인

○ 경향 1. 시료의 극성이 클수록 실리카 겔과 상호작용을 잘하기 때문에 R_f가 작아짐

○ 경향 2. 아민기, 히드록시기는 니트로기에 비해 극성이 덜하지만 수소결합을 하므로 R_f가 작음

○ 경향 3. trans 알켄이 cis 알켄보다 Rf가 작음 (∵ 상호작용을 잘 하므로)

○ 예 : 종이크로마토그래피와 엽록소 분리 실험에서 R_f 는 카로티노이드 > 크산토필 > 엽록소 a > 엽록소 b 순

○ 유기용매에 따른 R_f 비교

○ 물 ＜ 아세트산 ＜ 알코올 ＜ 에틸 아세테이트 ＜ CH₂Cl₂ ＜ 톨루엔 ＜ CCl₄ ＜ n-헥세인

○ 경향 1. 전개용매의 극성이 클수록 시료가 같이 움직이기 때문에 R_f 증가

○ 에틸 아세테이트(ethyl acetate) : 극성 용매 대표

○ n-헥세인(n-hexane) : 비극성 용매 대표

② 관 크로마토그래피(column chromatography) : 이온교환, 친화성, 크기 배제로 크게 구분

③ 이온교환 크로마토그래피(ion-exchange chromatography)

○ 정의 : bead에 표적 물질(예 : 단백질)을 붙인 후 크로마토그래피를 하는 것

○ 음이온 크로마토그래피 혹은 양이온 교환수지(positive ion exchange resin) 크로마토그래피

○ 음전하를 띤 bead를 이용

○ 표면순양전하를 띤 물질을 분리하기 위한 목적 (예 : 등전점이 높은 단백질)

○ 음전하일수록 더 빨리 용출됨 

○ 양이온 크로마토그래피 혹은 음이온 교환수지(negative ion exchange resin) 크로마토그래피

○ 양전하를 띤 bead를 이용

○ 표면순음전하를 띤 물질을 분리하기 위한 목적 (예 : 등전점이 낮은 단백질)

○ 양전하일수록 더 빨리 용출됨 

④ 친화성 크로마토그래피(affinity chromatography)

○ 충전제와의 친화력 차이를 이용하여 표적물질 분리, 가장 분리가 잘 이루어짐

○ (참고) 형성상수와 착물화학 

○ 예 1. His-tag 크로마토그래피

○ 구조 : 〈Ni²⁺〉 - 〈His 및 단백질 X〉 - 〈단백질 Y〉

○ Ni²⁺와 His 간 배위결합 : 형성상수 K가 굉장히 큼

○ 예 2. 글루타티온(glutathione)-GST

○ 구조 : 〈글루타티온〉 - 〈GST 및 단백질 X〉 - 〈단백질 Y〉

○ 글루타티온과 GST 간 배위결합 : 형성상수 K가 굉장히 큼

○ 예 3. 비오틴(biotin)-스트렙토아비딘(streptavidin)

○ 구조 : 〈비오틴〉 - 〈스트렙토아비딘 및 단백질 X〉 - 〈단백질 Y〉

○ 비오틴과 스트렙토아비딘 간 배위결합 : 형성상수 K가 굉장히 큼

○ 스트렙토아비딘 대신 아비딘을 사용할 수도 있음

○ DAB immuno-histochemical technique에서 활용

○ 예 4. Diels-Alder reaction

○ 예 5. EDC/NHS - 카르복실산 클릭 반응

○ 예 6. thiol - maleimide 클릭 반응

⑤ 크기 배제 크로마토그래피(SEC, size exclusion chromatography)

○ 작은 분자만 통과할 수 있는 거름망을 사용 : 큰 분자일수록 전개 속도가 빠름

○ 시료의 분자량 조건 : 1.2 × 10² ~ 1.1 × 10⁶

○ 예 : PD-10 desalting columnm, 겔 여과 크로마토그래피(gel-filtration chromatrography), Sephacryl S300 column chromatography

⑥ 고성능 액체 크로마토그래피(HPLC, high performance liquid chromatography)

○ 크로마토그래피에서 고정상에서의 화합물의 이동거리 차이를 이용해 극미량의 물질의 존재 및 분자량 측정

○ 시료의 분자량 조건 : 6 × 10¹ ~ 10⁴

○ solvent, pump, injector, column, detector, recorder로 구성

○ HPLC에서 가장 널리 사용되는 검출기는 자외선 검출기

○ RI 검출기는 용질에 대해서는 감도가 높지 않으나 압력, 온도 같은 주위 환경 변화에 매우 민감

⑦ 기체 크로마토그래피(GC, gas chromatography)

○ 정의 : 증발된 시료 성분이 분리관에 있는 고정상과 이동하는 기체상 사이에 분배되어 분리되는 방식

○ 운반기체는 고순도의 헬륨, 수소, 질소, 아르곤 등의 비활성 기체 : 기체상으로 주로 He이 사용됨

○ 이유 1. H₂, He 등 분자량이 가벼운 기체 분자들은 확산 계수가 커서 더 빠르게 분리를 함

○ 이유 2. H₂, He 등 분자량이 가벼운 기체 분자들은 열전도도가 크므로 예열 시간이 적게 걸림

○ 이유 3. H₂, O₂ 등의 기체는 반응 시료와 반응할 수 있음

○ 장점 : 해상도가 높음

○ 단점 : 휘발이 안 되면 분석이 안 되므로 분자량이 작아야 함

○ 시료의 분자량 조건 : 10⁰ ~ 10³

○ 일반적으로 분자량이 500을 넘어가면 기체 크로마토그래피를 하기 어려움

○ 응용 1. GLC(gas-liquid chromatography)와 GSC(gas-solid chromatography)

○ 응용 2. 기체 크로마토그래피로 분자량을 측정할 수 있음 : retention time과 분자량의 상관관계를 이용

○ 응용 3. GC-MS(gas chromatography mass spectrography)

○ 1^st. 기체 크로마토그래피에서 분리된 물질은 전자 이온화 혹은 화학적 이온화되어 질량 의존적으로 분류됨

○ 2^nd. 분류된 물질들은 고유의 질량 스펙트럼을 형성함

○ 3^rd. 이를 축적된 라이브러리 데이터와 비교하여 구조 정보를 취득하거나 정량분석이 이루어짐

○ 1차 이온을 선별하고 2차 이온화를 수행하여 보다 미량의 성분들을 정량하기도 함

⑧ 종이 크로마토그래피

○ 크로마토그래피의 어원 : 색상을 의미하는 크롬에서 기원. 종이 크로마토그래피와 관련

○ 종이 크로마토그래피와 엽록소 분리 실험 : R_f는 카로티노이드 > 크산토필 > 엽록소 a > 엽록소 b 순 (톨루엔 용매)

○ 종이 크로마토그래피로 샤가프의 법칙을 증명함

⑨ 초임계유체 크로마토그래피(SFC, supercritical fluid chromatography)

○ 유동상으로 초임계유체 상태의 CO₂를 이용함

○ 시료의 분자량 조건 : 5 × 10¹ ~ 10⁴

 

입력 : 2019.08.16 21:36