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아자이드는 약한 친전자체로 작용할 수 있으며, 포스핀과 같은 약한 친핵체를 선호한다. 이는 일반적으로 강한 친핵체인 대부분의 생물학적 친핵체와는 대조적이다. 이 반응은 수용성 조건에서 선택적으로 진행되어 안정적인 생성물을 만든다.
포스핀은 생체 시스템에 전혀 존재하지 않으며, 약한 환원 전위에도 불구하고 이황화 결합을 환원시키지 않는다. 아자이드는 아지도티미딘과 같은 미국 식품의약국(FDA) 승인 약물에서 생체 적합성이 입증되었으며, 가교제와 같은 다른 용도로도 사용되었다. 또한, 작은 크기 덕분에 세포 대사 경로를 통해 생체분자에 쉽게 통합될 수 있다.
고전적인 슈타우딩거 반응.
친핵성 포스핀은 친전자성 말단 질소에서 아자이드를 공격한다. 4원자 전이 상태를 통해 N2가 떨어져 아자-일라이드를 형성한다. 불안정한 일라이드는 가수분해되어 포스핀 산화물과 1차 아민을 형성한다. 그러나 이 반응은 가수분해가 아자-일라이드의 공유 결합을 파괴하기 때문에 즉시 생체직교적이지 않다.
이 반응은 아릴 고리 중 하나에 있는 인 원자에 대해 오르토 위치에 에스터 그룹을 포함하도록 변형되었다. 이는 에스터를 배치하여 국부 농도를 증가시킴으로써 즉각적인 가수분해를 능가하는 새로운 반응 경로를 통해 아자-일라이드를 유도하기 위함이다. 아자이드에 대한 초기 친핵성 공격은 속도 결정 단계이다. 일라이드는 친전자성 에스터 포획기와 분자 내 고리화를 통해 반응하여 5원자 고리를 형성한다. 이 고리는 가수분해되어 안정적인 아마이드 결합을 형성한다.
포스핀 시약은 살아있는 시스템에서 천천히 공기 산화를 겪는다. 또한, 시험관 내에서 사이토크롬 P450 효소에 의해 대사될 가능성이 높다.
반응 속도는 0.0020 M−1•s−1 정도의 2차 속도 상수로 느리다. 포스핀에 전자 공여 그룹을 추가하여 친핵성 공격 속도를 높이려는 시도는 반응 속도를 개선했지만, 공기 산화 속도도 증가시켰다.
느린 반응 속도로 인해 높은 농도의 포스핀을 사용해야 하므로 영상 응용 분야에서 높은 배경 신호 문제가 발생한다. 플루오레세인과 루시페린을 기반으로 하는 형광성 포스핀 시약 개발을 통해 높은 배경 신호 문제를 해결하려는 시도가 있었지만, 내재된 반응 속도론은 여전히 한계로 남아있다.
구리 없는 클릭 화학.
구리 없는 클릭 화학은 칼 배리 샤플리스 등의 연구를 기반으로 아자이드 알카인 후이스겐 고리화 첨가 반응의 활성화된 변형으로 캐롤라인 베르토찌가 처음 개발한 생체직교 반응이다. CuAAC와 달리 구리 없는 클릭 화학은 세포 독성 구리 촉매를 제거하여 반응이 빠르고 살아있는 세포 독성 없이 진행될 수 있도록 생체직교적으로 변형되었다. 구리 대신 반응은 장력 유발 알카인-아자이드 고리화 첨가 반응(SPAAC)이다. 이는 슈타우딩거 결찰에 대한 더 빠른 대안으로 개발되었으며, 초기 세대 반응은 60배 이상 더 빨랐다. 이 반응의 생체직교성은 구리 없는 클릭 반응이 배양 세포, 살아있는 제브라피쉬, 그리고 쥐에 적용될 수 있도록 했다.
구리 독성.
고전적인 구리 촉매 아자이드-알카인 고리화 첨가 반응은 생체접합을 위한 매우 빠르고 효과적인 클릭 반응이었지만, Cu(I) 이온의 독성 때문에 살아있는 세포에서는 사용하기 적합하지 않다. 독성은 구리 촉매에 의해 형성되는 반응성 산소 종으로 인한 산화 손상 때문이다. 구리 착물은 또한 세포 대사에 변화를 유도하고 세포에 흡수되는 것으로 밝혀졌다.
생체 분자 손상을 방지하고 시험관 내 적용에서 제거를 용이하게 하기 위한 리간드 개발이 이루어졌다. 그러나 착물의 다른 리간드 환경이 여전히 대사 및 흡수에 영향을 미쳐 세포 기능에 불필요한 교란을 유발할 수 있다는 것이 밝혀졌다.
아자이드 그룹은 매우 작고 (세포 투과성에 유리하며 교란을 피함), 대사적으로 안정하며, 세포에 자연적으로 존재하지 않으므로 경쟁적인 생물학적 부반응이 없기 때문에 특히 생체직교적이다. 아자이드는 반응에 사용할 수 있는 가장 반응성이 좋은 1,3-쌍극자는 아니지만, 부반응이 상대적으로 적고 일반적인 합성 조건에서 안정성 때문에 선호된다. 알카인은 그만큼 작지는 않지만, 생체 내 표지에 필요한 안정성과 직교성을 여전히 가지고 있다. 사이클로옥틴은 가장 작은 안정적인 알카인 고리이므로 전통적으로 표지 연구에 가장 흔히 사용되는 사이클로알카인이다.
이 반응은 고리형 협동 반응의 한 유형인 비동기적, 협동적 1,3-쌍극자 고리화 첨가 반응으로 진행된다. 1,3-쌍극자의 양가감정적 특성으로 인해 아자이드 상의 친전자성 또는 친핵성 중심을 식별하는 것이 불가능해야 하며, 이는 순환 전자 흐름의 방향이 무의미하다는 것을 의미한다. [p] 그러나 계산 결과 질소 원자 간의 전자 분포로 인해 가장 안쪽 질소 원자가 가장 큰 음전하를 띠는 것으로 나타났다.
위치선택성.
이 반응은 트리아졸의 위치 이성질체 혼합물을 생성하지만, 반응의 위치선택성 부족은 대부분의 현재 응용 분야에서 큰 문제가 되지 않는다. 더욱 위치 특이적이고 덜 생체직교적인 요구 사항은 구리 촉매 후이스겐 고리화 첨가 반응으로 가장 잘 충족될 수 있는데, 특히 변형된 사이클로옥틴을 합성하는 것(말단 알카인을 추가하는 것에 비해)이 합성적으로 어렵다는 점을 고려하면 더욱 그렇다.
사이클로옥틴의 개발.
OCT는 구리 없는 클릭 화학을 위해 개발된 최초의 사이클로옥틴이었다. 선형 알카인은 생리적 온도에서 비활성이지만, OCT는 독성을 나타내지 않으면서 생물학적 조건에서 아자이드와 쉽게 반응할 수 있었다. 그러나 수용성이 좋지 않았고, 반응 속도는 슈타우딩거 결찰보다 거의 개선되지 않았다. 수용성을 개선하기 위해 ALO(아릴 없는 옥틴)가 개발되었지만, 여전히 반응 속도가 좋지 않았다.
프로파르길 위치에 전자 흡인성 플루오린 치환기를 추가하여 반응 속도를 높이기 위해 단일 플루오르화된(MOFO) 및 이플루오르화된(DIFO) 사이클로옥틴이 만들어졌다. 플루오린은 합성 용이성과 생물학적 불활성 측면에서 좋은 전자 흡인성 그룹이다. 특히, 생물학적 친핵체와 부반응할 수 있는 친전자성 마이클 수용체를 형성할 수 없다.
DIBO(다이벤조사이클로옥틴)는 두 개의 아릴 고리를 융합하여 매우 높은 변형과 왜곡 에너지 감소를 초래하도록 개발되었다. 바이아릴 치환이 고리 변형을 증가시키고 알카인과의 공액을 제공하여 반응성을 향상시키는 것으로 제안되었다. 계산에 따르면 단일 아릴 치환이 입체 충돌(아자이드 분자와의)과 변형 사이의 최적의 균형을 제공할 것으로 예측되었지만, 단일 아릴화된 생성물은 불안정한 것으로 나타났다.
BARAC(바이아릴아자사이클로옥티논)은 아마이드 결합을 추가하여 왜곡에 의한 속도 증가를 위해 sp2와 같은 중심을 추가했다. 아마이드 공명은 불안정한 분자를 초래할 추가적인 불포화를 만들지 않으면서 추가적인 변형에 기여한다. 또한, 사이클로옥틴 고리에 헤테로원자를 추가하면 분자의 용해도와 약물동태학이 모두 향상된다. BARAC는 과도한 프로브를 씻어낼 필요가 없을 정도로 충분한 속도(및 민감도)를 가지고 있어 배경 신호를 줄일 수 있다. 이로 인해 실시간 영상 촬영이나 전체 동물 영상 촬영과 같이 씻어내는 것이 불가능한 상황에서 매우 유용하다. BARAC는 매우 유용하지만, 낮은 안정성으로 인해 0°C에서 빛과 산소로부터 보호되어 보관해야 한다.
BARAC의 추가 변형은 DIBAC/ADIBO를 생산하기 위해 수행되었으며, 이는 원거리 고리 변형을 추가하고 알카인 주변의 입체 효과를 줄여 반응성을 더욱 높였다. 수산화기가 케톤으로 전환된 Keto-DIBO는 고리 형태 변화로 인해 반응 속도가 3배 증가했다. 다이플루오로벤조사이클로옥틴(DIFBO)을 만들려는 시도는 불안정성 때문에 실패했다.
생체 내 쥐 연구에서 DIFO의 문제점은 생체직교 반응 생성의 어려움을 보여준다. DIFO는 세포 표지에서 매우 반응성이 높았지만, 혈청 알부민과의 결합 때문에 쥐 연구에서는 성능이 좋지 않았다. 사이클로옥틴의 소수성은 막과 혈청 단백질에 의한 격리를 촉진하여 생체 이용 가능한 농도를 감소시킨다. 이에 대응하여 DIMAC(다이메톡시아자사이클로옥틴)은 수용성, 극성 및 약물동태학을 증가시키기 위해 개발되었지만, 쥐 모델의 생체직교 표지 노력은 여전히 개발 중이다.
계산적 노력은 이러한 고리화 첨가 반응의 열역학과 반응 속도론을 설명하는 데 필수적이었으며, 이는 반응을 계속 개선하는 데 중요한 역할을 했다. 안정성을 희생하지 않고 알카인을 활성화하는 두 가지 방법이 있다. 전이 상태 에너지를 낮추거나 반응물 안정성을 낮추는 것이다.
반응물 안정성 감소: 하우크는 아자이드와 알카인을 전이 상태 기하 구조로 왜곡하는 데 필요한 에너지(Ed ‡)의 차이가 반응의 장벽 높이를 조절한다고 제안했다. 활성화 에너지(E ‡)는 불안정화 왜곡과 안정화 상호작용(Ei ‡)의 합이다. 가장 중요한 왜곡은 아자이드 작용기에서 발생하며, 알카인 왜곡의 기여는 더 작다. 그러나 더 높은 반응성을 위해 쉽게 변형될 수 있는 것은 사이클로옥틴뿐이다. 페닐 아자이드와 아세틸렌(16.2 kcal/mol) 대 사이클로옥틴(8.0 kcal/mol)의 반응에 대한 계산된 장벽은 106배의 예측 속도 증가를 가져온다. 사이클로옥틴은 더 작은 상호작용 에너지에도 불구하고 더 낮은 활성화 에너지를 초래하는 더 적은 왜곡 에너지(1.4 kcal/mol 대 4.6 kcal/mol)를 필요로 한다.
전이 상태 에너지 감소: 플루오린과 같은 전자 흡인성 그룹은 최저 비점유 분자 궤도(LUMO) 에너지를 감소시키고 최고 점유 분자 궤도(HOMO)-LUMO 갭을 줄여 반응 속도를 증가시킨다. 이는 전이 상태에서 아자이드에서 플루오르화된 사이클로옥틴으로의 전하 이동을 증가시켜 상호작용 에너지(더 낮은 음의 값)와 전체 활성화 에너지를 증가시킨다. LUMO의 하강은 초공액과 알카인 π 공여 궤도와 CF σ* 수용체 간의 상호 작용의 결과이다. 이러한 상호 작용은 결합이 왜곡될 때 공여체/수용체 능력이 증가함에 따라 주로 전이 상태에서 안정화를 제공한다. NBO 계산에 따르면 전이 상태 왜곡은 상호 작용 에너지를 2.8 kcal/mol 증가시킨다.
평면 외 π 결합 간의 초공액은 평면 내 π 결합의 정렬이 좋지 않기 때문에 더 크다. 그러나 전이 상태 굽힘은 평면 내 π 결합이 상호 작용을 용이하게 하는 더 반대 평면 배열을 가지도록 허용한다. 형성되는 CN 결합으로 인해 σ*의 전자 밀도가 증가하여 추가적인 초공액 상호 작용 에너지 안정화가 달성된다. σ* CF 결합과의 음의 초공액은 이러한 안정화 상호 작용을 향상시킨다.
현재 구리 없는 클릭 화학의 이미징 응용 분야에서 위치선택성이 큰 문제는 아니지만, 약물 설계 또는 펩티도모방체와 같은 분야의 미래 응용을 방해하는 문제이다.
현재 대부분의 사이클로옥틴은 위치 이성질체 혼합물을 형성하기 위해 반응한다. [m] 계산 분석에 따르면 기체상 위치선택성은 1,4 첨가보다 1,5 첨가를 활성화 에너지에서 최대 2.9 kcal/mol 더 선호하는 것으로 계산되었지만, 용매화 보정 결과 두 위치 이성질체 모두 동일한 에너지 장벽을 갖는 것으로 나타났다. DIFO의 고리화 첨가에서 1,4 이성질체는 더 큰 쌍극자 모멘트로 인해 불리하지만, 용매화는 1,5 이성질체보다 더 강하게 안정화하여 위치선택성을 침식시킨다.
BCN(bicyclo[6.1.0]nonyne)과 같은 대칭형 사이클로옥틴은 고리화 첨가 시 단일 위치 이성질체를 형성하며 미래에 이 문제를 해결하는 데 도움이 될 수 있다.
구리 없는 클릭 화학의 가장 널리 퍼진 응용은 아자이드 태그가 부착된 생체분자와 이미징 에이전트를 포함하는 사이클로옥틴을 사용하여 살아있는 세포나 동물에서 생물학적 이미징을 하는 것이다.
DIBO의 형광 케토 및 옥심 변형은 사이클로옥틴의 형광이 반응에서 형성되는 트리아졸에 의해 소멸되는 형광 스위치 클릭 반응에 사용된다. 반면에, 쿠마린이 접합된 사이클로옥틴인 coumBARAC은 알카인이 형광을 억제하는 동안 트리아졸 형성이 형광 양자 수율을 10배 증가시키도록 개발되었다.
광활성화 가능한 사이클로옥틴을 사용하여 기질 표지의 공간적 및 시간적 제어가 연구되었다. 이를 통해 농도 구배로 인한 인공물을 줄이기 위해 반응 전에 알카인의 평형을 맞출 수 있다. 마스킹된 사이클로옥틴은 어둠 속에서 아자이드와 반응할 수 없지만, 빛에 노출되면 반응성 알카인이 된다.
구리 없는 클릭 화학은 PET 이미징 제제 합성에 사용하기 위해 연구되고 있다. 이 제제는 화합물이 투여되기 전에 동위원소 붕괴를 최소화하기 위해 높은 순도와 수율로 신속하게 만들어져야 한다. SPAAC의 높은 반응 속도 상수와 생체직교성은 PET 화학에 적합하다.
기타 생체직교 반응.
니트론 쌍극자 고리화 첨가 반응.
구리 없는 클릭 화학은 아자이드 대신 니트론을 1,3-쌍극자로 사용하도록 개조되었으며 펩타이드 변형에 사용되었다.
니트론과 사이클로옥틴 간의 이 고리화 첨가 반응은 N-알킬화 이속사졸린을 형성한다. 반응 속도는 물에 의해 향상되며, 니트론의 치환에 따라 12~32 M−1•s−1의 2차 속도 상수로 매우 빠르다. 이 반응은 매우 빠르지만, 대사 표지를 통해 니트론을 생체분자에 통합하는 데 어려움을 겪는다. 표지는 번역 후 펩타이드 변형을 통해서만 달성되었다.
노보넨 고리화 첨가 반응.
1,3 쌍극자 고리화 첨가 반응은 나이트릴 산화물을 1,3-쌍극자로, 노보넨을 쌍극자성 친화체로 사용하여 생체직교 반응으로 개발되었다. 주요 용도는 자동화된 올리고뉴클레오타이드 합성기에서 DNA 및 RNA를 표지하는 데 그리고 살아있는 세포 존재 하에 폴리머 가교하는 데 사용되었다.
노보넨은 변형 유발 반응성과 안정성 사이의 균형 때문에 쌍극자성 친화체로 선택되었다. 이 반응의 단점으로는 강한 친전자성으로 인한 나이트릴 산화물의 교차 반응성과 느린 반응 속도가 있다.
옥사노르보르나디엔 고리화 첨가 반응.
옥사노르보르나디엔 고리화 첨가 반응은 1,3-쌍극자 고리화 첨가 반응 후 역-딜스-알더 반응을 통해 트리아졸 연결된 접합체를 생성하고 퓨란 분자를 제거하는 반응이다. 예비 연구는 펩타이드 표지 실험에서의 유용성을 입증했으며, SPECT 이미징 화합물 생성에도 사용되었다. 최근에는 옥사노르보르나디엔의 사용이 촉매 없는 상온 "iClick" 반응에서 기술되었는데, 이는 모델 아미노산이 금속 부분에 연결되는 새로운 생체직교 반응 접근 방식이다.
옥사노르보르나디엔의 고리 변형과 전자 부족은 고리화 첨가 속도 결정 단계에 대한 반응성을 증가시킨다. 역-딜스-알더 반응은 그 후 빠르게 일어나 안정적인 1,2,3 트리아졸을 형성한다. 문제점으로는 옥사노르보르나디엔의 전자를 변경할 수 있는 치환기에 대한 낮은 내성과 낮은 반응 속도(2차 속도 상수가 10−4 정도)가 있다.
테트라진 결찰.
테트라진 결찰은 역-전자-요구 딜스-알더 반응에서 트랜스-사이클로옥텐과 s-테트라진의 반응으로, 이어서 역-딜스-알더 반응을 통해 질소 가스를 제거한다. 이 반응은 2000 M−1–s−1(9:1 메탄올/물에서)의 2차 속도 상수로 매우 빨라서 극히 낮은 농도에서도 생체분자 변형이 가능하다.
바흐의 계산 연구에 따르면 Z-사이클로옥텐의 변형 에너지는 두 개의 트랜스아눌라 상호 작용 손실로 인해 사이클로옥탄의 12.4 kcal/mol에 비해 7.0 kcal/mol이다. E-사이클로옥텐은 고도로 뒤틀린 이중 결합으로 인해 17.9 kcal/mol의 변형 에너지를 갖는다. 따라서 고도로 변형된 트랜스-사이클로옥텐은 반응성 다이엔 친화체로 사용된다. 다이엔은 3,6-다이아릴-s-테트라진으로, 물과의 즉각적인 반응을 막기 위해 치환되었다. 반응은 초기 고리화 첨가에 이어 역 딜스-알더 반응을 통해 N2를 제거하고 반응의 가역성을 방지한다.
이 반응은 물에 대한 내성이 있을 뿐만 아니라 수성 매체에서 속도가 증가하는 것으로 밝혀졌다. 노보넨을 다이엔 친화체로 사용한 반응도 수성 매체에서 1 M−1•s−1 정도의 2차 속도로 수행되었다. 이 반응은 살아있는 세포 표지 및 폴리머 커플링에도 적용되었다.
[4+1] 고리화 첨가 반응.
이 아이소시아나이드 클릭 반응은 [4+1] 고리화 첨가 반응에 이어 N2의 역 딜스-알더 제거 반응이다.
이 반응은 초기 [4+1] 고리화 첨가 반응에 이어 열역학적 싱크를 제거하고 가역성을 방지하기 위한 역반응으로 진행된다. 3차 아민 또는 아이소시아노프로파노에이트를 사용하면 이 생성물은 안정하다. 2차 또는 1차 아이소시아나이드를 사용하면 생성물은 빠르게 가수분해되는 이민 (화학)을 형성한다.
아이소시아나이드는 작은 크기, 안정성, 비독성 및 포유류 시스템에 부재하다는 점 때문에 선호되는 화학적 보고자이다. 그러나 이 반응은 10−2 M−1•s−1 정도의 2차 속도 상수로 느리다.
테트라졸 광클릭 화학.
광클릭 화학은 광유도 고리 제거를 이용하여 N2를 방출한다. 이는 질소 가스의 손실을 통해 짧은 수명의 1,3 나이트릴 이민 중간체를 생성하며, 이 중간체는 알켄과 1,3-쌍극자 고리화 첨가 반응을 거쳐 피라졸린 고리화 첨가 생성물을 생성한다.
광유도는 세포에 대한 광손상을 최소화하기 위해 짧은 시간 동안 빛에 노출(파장은 테트라졸에 따라 다름)함으로써 발생한다. 이 반응은 수성 조건에서 향상되며 단일 위치 이성질체를 생성한다.
일시적인 나이트릴 이민은 왜곡 에너지를 감소시키는 굽은 구조 때문에 1,3-쌍극자 고리화 첨가 반응에 매우 반응성이 높다. 페닐 고리에 전자 공여 그룹을 치환하면 1,3 나이트릴 이민에 위치할 때 HOMO 에너지를 증가시키고 반응 속도를 증가시킨다.
이 접근 방식의 장점으로는 반응을 공간적 또는 시간적으로 제어할 수 있는 능력과 유전적 암호화와 같은 간단한 생물학적 방법을 사용하여 알켄과 테트라졸 모두를 생체분자에 통합할 수 있는 능력이 있다. 또한, 테트라졸은 반응 진행 상황을 모니터링하기 위해 형광성으로 설계될 수 있다.
쿼드리사이클란 결찰.
쿼드리사이클란 결찰은 고도로 변형된 쿼드리사이클란을 사용하여 π 시스템과 [2+2+2] 고리화 첨가 반응을 한다.
쿼드리사이클란은 비생물적이고, 생체분자와 반응하지 않으며(완전 포화로 인해), 비교적 작고, 고도로 변형되어 있다(~80 kcal/mol). 그러나 상온 및 생리적 pH의 수성 조건에서 매우 안정하다. 전자 결핍 π 시스템과 선택적으로 반응할 수 있지만, 단순한 알켄, 알카인 또는 사이클로옥틴과는 반응하지 않는다.
비스(다이티오벤질)니켈(II)은 반응성을 기반으로 한 후보 스크리닝을 통해 반응 파트너로 선택되었다. 빛에 의해 노보르나디엔으로 역전되는 것을 방지하기 위해 다이에틸다이티오카바메이트가 첨가되어 생성물에서 니켈과 킬레이트를 형성한다.
이러한 반응은 0.25 M−1•s−1의 2차 속도 상수로 수성 조건에서 향상된다. 특히 흥미로운 점은 옥심 형성 및 구리 없는 클릭 화학 모두에 대해 생체직교적임이 입증되었다는 것이다.
생체직교화학은 핵의학영상 및 방사선 치료 분야의 사전 표적화 실험에 매력적인 도구이다.
자기화학(magnetochemistry)은 화합물과 원소의 자기적 특성과 관련된 학문이다. 자기적 특성은 화합물에 포함된 전자의 스핀과 궤도 각운동량에서 비롯된다. 화합물은 홀전자가 없는 전자쌍을 포함할 때 반자성을 띤다. 하나 이상의 홀전자를 포함하는 분자 화합물은 상자성을 띤다. 상자성의 크기는 유효 자기 모멘트 μeff로 표현된다. 1차 전이 금속의 경우 μeff의 크기는 1차 근사적으로 홀전자 수의 단순 함수, 즉 스핀 전용 공식이다. 일반적으로 스핀-궤도 결합은 μeff가 스핀 전용 공식에서 벗어나게 한다. 더 무거운 전이 금속, 란타넘족 및 악티늄족 원소의 경우 스핀-궤도 결합을 무시할 수 없다. 교환 상호작용은 클러스터 및 무한 격자에서 발생할 수 있으며, 개별 스핀의 상대적 방향에 따라 강자성, 반강자성 또는 준강자성을 초래한다.
자기 감수율.
자기화학의 주요 측정값은 자기 감수율이다. 이는 물질을 자기장에 놓았을 때 상호작용의 강도를 측정한다. 기호 formula_1로 표시되는 부피 자기 감수율은 다음 관계식으로 정의된다.
여기서 formula_3은 재료의 자기화 (단위 부피당 자기 모멘트)이며, 암페어/미터 (SI 단위)로 측정되고, formula_4는 자기장 세기이며, 역시 암페어/미터로 측정된다. 감수율은 무차원량이다. 화학 응용 분야에서는 몰 자기 감수율 (χmol)이 선호되는 양이다. 이는 m3·mol−1 (SI) 또는 cm3·mol−1 (CGS)로 측정되며 다음과 같이 정의된다.
여기서 ρ는 kg·m−3 (SI) 또는 g·cm−3 (CGS) 단위의 밀도이고 M은 kg·mol−1 (SI) 또는 g·mol−1 (CGS) 단위의 몰 질량이다.
자기 감수율을 측정하는 다양한 방법이 있다.
자기적 거동 유형.
고립된 원자가 자기장에 놓이면, 원자 내 각 전자가 자석처럼 거동하므로 상호작용이 발생한다. 즉, 전자는 자기 모멘트를 갖는다. 두 가지 유형의 상호작용이 있다.
원자가 화합물 내에 존재할 때, 그 자기적 거동은 화학적 환경에 의해 변형된다. 자기 모멘트의 측정은 유용한 화학 정보를 제공할 수 있다.
특정 결정질 물질에서는 개별 자기 모멘트가 서로 정렬될 수 있다(자기 모멘트는 크기와 방향을 모두 갖는다). 이는 강자성, 반강자성 또는 준강자성을 유발한다. 이들은 결정 전체의 특성이며 화학적 특성에는 거의 영향을 미치지 않는다.
반자성은 전자쌍을 포함하는 모든 화합물에 보편적으로 나타나는 특성이다. 홀전자가 없는 화합물은 반자성이라고 한다. 이 효과는 유도 자기 모멘트의 크기에 따라 달라지므로 약하다. 전자쌍의 수와 전자쌍이 속한 원자의 화학적 특성에 따라 달라진다. 이는 효과가 가산적이라는 것을 의미하며, "반자성 기여" 또는 파스칼 상수 표를 만들 수 있다. 상자성 화합물의 경우 관찰된 감수율은 표의 값으로 계산된 소위 반자성 보정 값을 더하여 조정할 수 있다.
상자성.
메커니즘 및 온도 의존성.
배위 착물에 있는 Cu2+와 같이 홀전자를 하나만 가진 금속 이온은 상자성 메커니즘을 가장 간단하게 설명해준다. 개별 금속 이온은 리간드에 의해 서로 멀리 떨어져 있어 자기 상호작용이 없다. 이 시스템은 자기적으로 희석되어 있다고 말한다. 원자의 자기 쌍극자는 무작위 방향으로 향한다. 자기장을 인가하면 1차 제이만 분열이 발생한다. 자기장에 정렬된 스핀을 가진 원자가 비정렬된 스핀을 가진 원자보다 약간 더 많다. 1차 제이만 효과에서 두 상태 사이의 에너지 차이는 인가된 자기장 세기에 비례한다. 에너지 차이를 ΔE라고 하면 볼츠만 분포는 두 집단의 비율을 formula_6로 나타내며, 여기서 k는 볼츠만 상수이고 T는 켈빈 단위의 온도이다. 대부분의 경우 ΔE는 kT보다 훨씬 작으며 지수 함수는 1 – ΔE/kT로 전개될 수 있다. 이 식에 1/T가 존재한다는 사실로부터 감수율이 온도에 반비례한다는 것이 따른다.
이것은 퀴리 법칙으로 알려져 있으며 비례 상수 C는 퀴리 상수로 알려져 있으며, 몰 감수율의 경우 그 값은 다음과 같이 계산된다.
여기서 N은 아보가드로 상수이고, g는 랑데 지 인자이며, μB는 보어 마그네톤이다. 이 처리에서는 전자 바닥 상태가 비퇴화 상태이며, 자기 감수율이 전자 스핀에만 기인하고 바닥 상태만 열적으로 채워져 있다고 가정했다.
일부 물질은 퀴리 법칙을 따르지만, 다른 물질은 퀴리-바이스 법칙을 따른다.
Tc는 퀴리 온도이다. 퀴리-바이스 법칙은 온도가 퀴리 온도보다 훨씬 높을 때만 적용된다. 퀴리 온도보다 낮은 온도에서는 물질이 강자성을 띠게 될 수 있다. 더 무거운 전이 원소에서는 더 복잡한 거동이 관찰된다.
유효 자기 모멘트.
퀴리 법칙이 준수될 때 몰 감수율과 온도의 곱은 상수가 된다. 유효 자기 모멘트 μeff는 다음과 같이 정의된다.
C가 CGS 단위 cm3 mol−1 K를 가질 때, μeff는 다음과 같다.
C가 SI 단위 m3 mol−1 K를 가질 때, μeff는 다음과 같다.
μeff의 양은 사실상 무차원이지만, 종종 보어 마그네톤 (μB) 단위로 표현된다.
퀴리 법칙을 따르는 물질의 경우 유효 자기 모멘트는 온도에 독립적이다. 다른 물질의 경우 μeff는 온도에 의존하지만, 퀴리-바이스 법칙이 성립하고 퀴리 온도가 낮으면 의존성은 작다.
온도 독립 상자성.
반자성으로 예상되는 화합물은 이러한 종류의 약한 상자성을 나타낼 수 있다. 이는 자기장 세기의 제곱에 비례하는 추가 분열이 발생하는 2차 제이만 효과에서 비롯된다. 화합물이 필연적으로 반자성적으로 자기장과 상호작용하기 때문에 관찰하기 어렵다. 그럼에도 불구하고 과망가니즈산 이온에 대한 데이터가 존재한다. 우라닐 화합물과 같이 무거운 원소의 화합물에서 더 쉽게 관찰된다.
교환 상호작용.
교환 상호작용은 물질이 자기적으로 희석되지 않고 개별 자기 중심들 사이에 상호작용이 있을 때 발생한다. 교환 상호작용의 결과를 보여주는 가장 간단한 시스템 중 하나는 결정성 아세트산 구리(II), Cu2(OAc)4(H2O)2이다. 이 화학식은 두 개의 구리(II) 이온을 포함하고 있음을 나타낸다. Cu2+ 이온들은 네 개의 아세트산 리간드에 의해 서로 연결되어 있으며, 각 리간드는 두 구리 이온 모두에 결합한다. 각 Cu2+ 이온은 d9 전자 배치를 가지므로 홀전자 하나를 가져야 한다. 구리 이온 사이에 공유 결합이 있다면, 전자들은 짝을 이루고 화합물은 반자성이 될 것이다. 대신, 홀전자의 스핀이 부분적으로 서로 정렬되는 교환 상호작용이 있다. 실제로 스핀이 평행한 상태와 스핀이 반대인 상태의 두 가지 상태가 생성된다. 두 상태 사이의 에너지 차이가 너무 작아서 그들의 개체수는 온도에 따라 크게 달라진다. 결과적으로 자기 모멘트는 시그모이드 패턴으로 온도에 따라 변한다. 스핀이 반대인 상태는 에너지가 더 낮으므로, 이 경우 상호작용은 반강자성으로 분류될 수 있다. 이는 아세트산 리간드의 산소 및 탄소 원자에 의해 매개되는 초교환의 한 예로 여겨진다. 다른 이합체 및 클러스터도 교환 거동을 나타낸다.
교환 상호작용은 1차원에서는 무한 사슬, 2차원에서는 평면, 3차원에서는 전체 결정에 걸쳐 작용할 수 있다. 이들은 장거리 자기 질서의 예이다. 이들은 개별 스핀의 성질과 상대적 방향에 따라 강자성, 반강자성 또는 준강자성을 유발한다.
퀴리 온도 이하의 온도에서 화합물은 강자성 형태의 장거리 자기 질서를 나타낸다. 또 다른 임계 온도는 닐 온도이며, 이 온도 이하에서는 반강자성이 발생한다. 염화니켈 육수화물, NiCl2·6H2O는 닐 온도가 8.3 K이다. 감수율은 이 온도에서 최대이다. 닐 온도 이하에서는 감수율이 감소하고 물질은 반강자성을 띠게 된다.
전이 금속 이온의 착물.
하나 이상의 홀전자를 가진 전이 금속 이온을 포함하는 화합물의 유효 자기 모멘트는 홀전자의 총 궤도 및 스핀 각운동량, 각각 formula_13과 formula_14에 의존한다. 이 문맥에서 "총"은 "벡터 합"을 의미한다. 금속 이온의 전자 상태가 러셀-사운더스 결합에 의해 결정되고 스핀-궤도 결합이 무시할 수 있을 만큼 작다는 근사치에서 자기 모멘트는 다음과 같이 주어진다.
스핀 전용 공식.
궤도 각운동량은 퇴화된 궤도 집합의 궤도에 있는 전자가 회전에 의해 해당 집합의 다른 궤도로 이동할 때 생성된다. 낮은 대칭의 착물에서는 특정 회전이 불가능하다. 이 경우 궤도 각운동량은 "소거"되었다고 하며 formula_13은 예상보다 작거나(부분 소거), 0(완전 소거)이다. 다음의 경우에 완전 소거가 발생한다. dx2–y2 또는 dz2 궤도의 퇴화된 쌍에 있는 전자는 대칭으로 인해 다른 궤도로 회전할 수 없다는 점에 유의한다.
궤도 각운동량이 완전히 소거되면 formula_17이고 상자성은 전자 스핀에만 기인한다. 총 스핀 각운동량은 홀전자의 수의 절반이며, 스핀 전용 공식은 다음과 같다.
여기서 n은 홀전자의 수이다. 스핀 전용 공식은 1차 전이 금속의 고스핀 착물에 대한 좋은 1차 근사치이다.
스핀 전용 공식에서 벗어나는 작은 편차는 궤도 각운동량이나 스핀-궤도 결합을 무시했기 때문에 발생할 수 있다. 예를 들어, 사면체 d3, d4, d8, d9 착물은 동일한 이온의 팔면체 착물보다 스핀 전용 공식에서 더 큰 편차를 보이는 경향이 있는데, 이는 사면체 경우 궤도 기여의 "소거"가 덜 효과적이기 때문이다.
저스핀 착물.
결정장 이론에 따르면, 팔면체 착물에서 전이 금속 이온의 d 궤도는 결정장에서 두 그룹으로 분리된다. 분리가 전자를 동일한 궤도에 반대 스핀으로 배치하는 데 필요한 에너지를 극복할 만큼 충분히 크다면, 저스핀 착물이 생성될 것이다.
홀전자 1개인 경우 μeff 값은 1.8에서 2.5 μB 범위이며, 홀전자 2개인 경우 범위는 3.18에서 3.3 μB이다. Fe2+와 Co3+의 저스핀 착물은 반자성을 띤다. 반자성을 띠는 또 다른 착물 그룹은 Ni2+, Rh+, Au3+와 같은 d8 이온의 정사각형 평면 착물이다.
스핀 교차.
고스핀과 저스핀 상태 간의 에너지 차이가 kT(k는 볼츠만 상수, T는 온도)와 비슷할 때, "전자 이성질체"라고 불리는 스핀 상태들 사이에 평형이 설정된다. 트리스-다이티오카밤산 철(III), Fe(S2CNR2)3는 잘 알려진 예시이다. 유효 모멘트는 80 K에서 일반적인 d5 저스핀 값인 2.25 μB에서 300 K 이상에서는 4 μB 이상으로 다양하게 변한다.
2열 및 3열 전이 금속.
결정장 분리는 위에서 논의된 전이 금속보다 더 무거운 전이 금속의 착물에서 더 크다. 이로 인해 저스핀 착물이 훨씬 더 흔해진다. 스핀-궤도 결합 상수 ζ도 더 크며, 기본적인 처리에서도 무시할 수 없다. 자기적 거동은 다음과 같이 광범위한 데이터 표와 함께 요약되었다.
란타넘족 및 악티늄족.
러셀-사운더스 결합, LS 결합은 란타넘족 이온에 적용되며, 결정장 효과는 무시할 수 있지만 스핀-궤도 결합은 무시할 수 없다. 결과적으로 스핀 및 궤도 각운동량은 다음과 같이 결합되어야 한다.
그리고 계산된 자기 모멘트는 다음과 같이 주어진다.
악티늄족에서는 스핀-궤도 결합이 강하고 결합은 j j 결합에 근접한다.
이는 유효 모멘트를 계산하기 어렵다는 것을 의미한다. 예를 들어, 착물 [UCl6]2−의 우라늄(IV), f2는 온도 독립 상자성 기여를 포함하여 측정된 유효 모멘트가 2.2 μB이다.
주족 원소 및 유기 화합물.
주족 원소 화합물 중 상자성을 띠는 것은 매우 드물다. 주목할 만한 예로는 산소, O2; 일산화 질소, NO; 이산화 질소, NO2; 이산화 염소, ClO2 등이 있다. 유기화학에서 홀전자를 가진 화합물은 자유 라디칼이라고 한다. 자유 라디칼은 몇 가지 예외를 제외하고는 수명이 짧은데, 이는 한 자유 라디칼이 다른 자유 라디칼과 빠르게 반응하기 때문이다. 따라서 그 자기적 특성을 연구하기 어렵다. 그러나 라디칼이 저온의 고체 매트릭스에 있는 희석 용액에서 서로 잘 분리되어 있다면 전자 스핀 공명 (EPR)으로 연구할 수 있다. 이러한 라디칼은 방사선 조사로 생성된다. 광범위한 EPR 연구는 자유 라디칼의 전자 비편재화에 대해 많은 것을 밝혀냈다. CH3• 라디칼의 시뮬레이션 스펙트럼은 각 스핀이 1/2인 3개의 동등한 수소 핵과 전자의 상호작용으로 인한 초미세 분열을 보여준다.
스핀 표지는 유기 분자에 삽입하여 EPR로 연구할 수 있는 수명이 긴 자유 라디칼이다.
예를 들어, 니트록사이드 MTSL, 즉 TEtra Methyl Piperidine Oxide, TEMPO의 기능화된 유도체는 부위 특이적 스핀 표지에 사용된다.
가돌리늄 이온, Gd3+는 모든 스핀이 평행한 f7 전자 배치를 갖는다. Gd3+ 이온의 화합물은 MRI 스캔용 조영제로 사용하기에 가장 적합하다. 가돌리늄 화합물의 자기 모멘트는 어떤 전이 금속 이온보다도 크다. 가돌리늄은 비퇴화 전자 바닥 상태를 가지기 때문에 유효 모멘트가 더 큰 다른 란타넘족 이온보다 선호된다.
오랫동안 산소헤모글로빈, Hb-O2의 본질은 논란이 많았다. 실험적으로는 반자성으로 밝혀졌다. 데옥시헤모글로빈은 일반적으로 +2 산화수를 가진 철의 착물로 받아들여지며, 즉 스핀 전용 값인 4.9 μB에 가까운 고스핀 자기 모멘트를 가진 d6 시스템이다. 철이 산화되고 산소가 초산화물로 환원된다고 제안되었다.
Fe3+와 O2−의 전자가 교환 메커니즘을 통해 짝을 이룬다고 제안되었다. 이제 실제로 산소 분자가 철에 한 쌍의 전자를 제공할 때 철(II)이 고스핀에서 저스핀으로 변한다는 것이 밝혀졌다. 데옥시헤모글로빈에서 철 원자는 헴 평면 위에 놓여 있지만, 저스핀 착물에서는 유효 이온 반지름이 감소하고 철 원자가 헴 평면에 놓인다.
이 정보는 인공 산소 운반체를 찾는 연구에 중요한 영향을 미친다.
갈륨(II) 화합물은 최근까지 알려지지 않았다. 갈륨의 원자 번호가 홀수(31)이므로 Ga2+는 홀전자를 가져야 한다. 그것이 자유 라디칼로 작용하여 수명이 매우 짧을 것이라고 가정되었다. Ga(II) 화합물의 부재는 소위 비활성 전자쌍 효과의 일부였다. [GaCl3]−와 같은 실험식을 가진 음이온의 염이 합성되었을 때, 이들은 반자성인 것으로 밝혀졌다. 이는 Ga-Ga 결합과 이합체 화학식인 [Ga2Cl6]2−의 형성을 의미했다.
석탄화학 또는 카보케미스트리(carbochemistry)는 석탄 (역청탄, 콜타르, 무연탄, 갈탄, 흑연, 숯)을 유용한 제품 및 원료로 변환하는 것을 연구하는 화학 분야이다. 석탄화학에 사용되는 공정에는 탄화 및 코크스화와 같은 탈가스화 공정, 가스화 공정, 액화 공정 등이 있다.
석탄화학의 시작은 16세기로 거슬러 올라간다. 그 당시에는 철광석 제련을 위해 많은 양의 숯이 필요했다. 숯 생산은 재생 속도가 느린 많은 양의 목재를 필요로 했기 때문에 석탄 사용이 연구되었다. 순수한 석탄의 사용은 생성되는 액체 및 고체 부산물의 양 때문에 어려웠다. 취급을 개선하기 위해 석탄은 처음에는 가마에서 목재와 같이 처리되어 코크스를 생산했다.
1684년경 존 클레이튼은 석탄에서 발생하는 석탄 가스가 연소 가능하다는 것을 발견했다. 그는 자신의 발견을 왕립학회의 철학적 거래에 기술했다.
법화학(forensic chemistry)은 화학과 그 하위 분야인 법의독물학을 법적 환경에 적용하는 학문이다. 법화학자는 범죄현장에서 발견된 미확인 물질을 식별하는 데 도움을 줄 수 있다. 이 분야의 전문가들은 미확인 물질을 식별하는 데 도움이 되는 다양한 방법과 도구를 가지고 있다. 여기에는 고성능 액체 크로마토그래피, 기체 크로마토그래피-질량 분석법, 원자 흡수 분광법, 푸리에 변환 적외선 분광법, 박층 크로마토그래피 등이 포함된다. 일부 기기의 파괴적인 특성과 현장에서 발견될 수 있는 수많은 미확인 물질로 인해 다양한 방법의 범위는 중요하다. 법화학자들은 증거를 보존하고 어떤 파괴적인 방법이 최상의 결과를 낼지 결정하기 위해 비파괴적인 방법을 먼저 사용하는 것을 선호한다.
다른 법의학 전문가들과 함께 법화학자들은 자신의 조사 결과에 대해 전문가 증언으로 법정에서 증언하는 경우가 많다. 법화학자들은 압수 약물 분석에 관한 과학 연구 작업 그룹(Scientific Working Group on the Analysis of Seized Drugs)을 포함하여 다양한 기관과 관리 기관에서 제안한 일련의 표준을 따른다. 그룹이 제안한 표준 운영 절차 외에도 특정 기관은 결과 및 기기의 품질 보증 및 품질 관리에 관한 자체 표준을 가지고 있다. 보고하는 내용의 정확성을 보장하기 위해 법화학자들은 기기가 올바르게 작동하고 있으며 다양한 양의 다른 물질을 여전히 감지하고 측정할 수 있는지 일상적으로 확인하고 검증한다.
조사에서의 역할.
법화학자의 분석은 조사관에게 단서를 제공할 수 있으며, 그들의 의심을 확인하거나 반박할 수 있다. 현장에서 발견된 다양한 물질의 식별은 조사관에게 수사 중에 무엇을 찾아야 하는지 알려줄 수 있다. 화재 조사 중에 법화학자들은 휘발유나 등유와 같은 화재 촉진제가 사용되었는지 여부를 판단할 수 있다. 만약 그렇다면, 이는 화재가 방화임을 시사한다. 법화학자들은 또한 범죄에 사용된 물질에 접근할 수 있는 사람들로 용의자 목록을 좁힐 수 있다. 예를 들어, 폭발물 조사에서 트리메틸렌트리니트로아민 또는 C-4 (폭약)의 식별은 해당 물질이 군용 폭발물이기 때문에 군사적 연관성을 나타낸다. 반면에 트라이나이트로톨루엔의 식별은 군대뿐만 아니라 철거 회사에서도 사용되기 때문에 더 넓은 용의자 목록을 만들 것이다. 독극물 조사에서 특정 독극물의 탐지는 형사에게 잠재적 용의자를 심문할 때 무엇을 찾아야 할지 아이디어를 줄 수 있다. 예를 들어, 리신 (독소)과 관련된 조사는 조사관에게 리신의 전구체인 아주까리 씨앗을 찾도록 지시할 것이다.
법화학자들은 또한 마약 또는 알코올 사건에서 조사관의 의심을 확인하거나 반박하는 데 도움을 준다. 법화학자가 사용하는 기기는 미세한 양을 감지할 수 있으며, 음주 운전과 같은 범죄에서는 처벌이 시작되거나 증가하는 특정 혈중 알코올 농도 기준치가 있기 때문에 정확한 측정이 중요할 수 있다. 과다복용 의심 사례에서는 사람의 체내에서 발견된 약물의 양이 과다복용이 사망 원인인지 여부를 확인하거나 배제할 수 있다.
역사적으로 비소, 벨라돈나, 독미나리, 스트리크닌, 쿠라레 등 다양한 독극물이 살인에 사용되었다. 19세기 초까지는 특정 화학 물질이 존재하는지 정확하게 판단할 방법이 없었고, 독살범들은 범죄에 대해 거의 처벌받지 않았다. 1836년, 영국의 화학자 제임스 마시가 법화학에 대한 최초의 주요 공헌 중 하나를 소개했다. 그는 비소 탐지를 위한 마시 테스트를 만들었고, 이는 이후 살인 재판에서 성공적으로 사용되었다. 또한 이 시기에 법의독물학이 별개의 분야로 인식되기 시작했다. "독물학의 아버지"인 마티외 오르필라는 19세기 초에 이 분야에 큰 발전을 이루었다. 법의현미경 개발의 선구자인 오르필라는 혈액과 정액 탐지를 위한 이 방법의 발전에 기여했다. 오르필라는 또한 부식제, 마약, 수렴제와 같은 범주로 다른 화학 물질을 성공적으로 분류한 최초의 화학자였다.
독극물 탐지의 다음 발전은 1850년 화학자 장 스타스가 인간 조직에서 식물성 알칼로이드를 탐지하는 유효한 방법을 만들었을 때 일어났다. 스타스의 방법은 빠르게 채택되어 법정에서 니코틴 중독으로 처남을 살해한 이폴리트 비사르 드 보카르메 백작을 유죄 판결하는 데 성공적으로 사용되었다. 스타스는 피해자의 장기에서 알칼로이드를 성공적으로 분리할 수 있었다. 스타스의 프로토콜은 이후 카페인, 퀴닌, 모르핀, 스트리크닌, 아트로핀, 아편에 대한 테스트를 포함하도록 변경되었다.
법화학 분석을 위한 광범위한 기기들도 이 시기에 개발되기 시작했다. 19세기 초에는 요제프 폰 프라운호퍼에 의해 분광학이 발명되었다. 1859년 화학자 로베르트 분젠과 물리학자 구스타프 키르히호프는 프라운호퍼의 발명을 확장했다. 그들의 분광학 실험은 특정 물질이 특정 파장의 빛에 노출될 때 고유한 스펙트럼을 생성한다는 것을 보여주었다. 분광학을 사용하여 두 과학자는 스펙트럼을 기반으로 물질을 식별할 수 있었고, 미확인 물질에 대한 식별 방법을 제공했다. 1906년 식물학자 미하일 츠베트는 박층 크로마토그래피의 초기 선구자인 종이 크로마토그래피를 발명했으며, 이를 사용하여 엽록소를 구성하는 식물 단백질을 분리하고 조사했다. 혼합물을 개별 구성 요소로 분리하는 능력은 법화학자가 미확인 물질의 각 부분을 알려진 제품 데이터베이스와 비교하여 조사할 수 있도록 한다. 분리된 구성 요소의 보존 계수를 알려진 값과 일치시킴으로써 물질을 식별할 수 있다.
현대의 법화학자들은 범죄 현장에서 발견된 미확인 물질을 식별하기 위해 수많은 기기에 의존한다. 20세기에는 화학자들이 더 적은 양의 물질을 더 정확하게 감지할 수 있도록 하는 많은 기술 발전이 있었다. 이 세기의 첫 번째 주요 발전은 1930년대에 적외선(IR)으로 생성된 신호를 측정할 수 있는 분광계가 발명되면서 이루어졌다. 초기 IR 분광계는 단색기를 사용했으며 매우 좁은 파장 대역에서만 빛 흡수를 측정할 수 있었다. 1949년 피터 펠겟이 간섭계를 IR 분광계와 결합한 후에야 전체 적외선 스펙트럼을 한 번에 측정할 수 있게 되었다. 펠겟은 또한 신호를 개별 주파수로 분해할 수 있는 수학적 방법인 푸리에 변환을 사용하여 물질의 완전한 적외선 분석에서 받은 엄청난 양의 데이터를 해석했다. 그 이후로 푸리에 변환 적외선 분광법(FTIR) 기기는 비파괴적이고 사용하기 매우 빠르기 때문에 미확인 물질의 법의학적 분석에서 중요해졌다. 분광학은 1955년 앨런 월시가 현대 원자 흡수 분광 광도계를 발명하면서 더욱 발전했다. AA 분석은 시료를 구성하는 특정 원소와 그 농도를 감지할 수 있어 비소 및 카드뮴과 같은 중금속의 쉬운 감지가 가능하다.
크로마토그래피 분야의 발전은 1953년 앤서니 T. 제임스와 아처 존 포터 마틴이 기체 크로마토그래피를 발명하면서 이루어졌는데, 이는 끓는점이 유사한 구성 요소를 가진 휘발성 액체 혼합물을 분리할 수 있게 했다. 비휘발성 액체 혼합물은 액체 크로마토그래피로 분리할 수 있었지만, 유사한 보존 시간을 가진 물질은 1970년 차바 호르바트가 고성능 액체 크로마토그래피(HPLC)를 발명할 때까지 분리할 수 없었다. 현대 HPLC 기기는 농도가 조분의 일(ppt) 정도로 낮은 물질도 감지하고 분리할 수 있다.
법화학에서 가장 중요한 발전 중 하나는 1955년 프레드 맥래퍼티와 롤랜드 골케가 기체 크로마토그래피-질량 분석법(GC-MS)을 발명하면서 이루어졌다. 기체 크로마토그래프와 질량 분석기의 결합으로 광범위한 물질을 식별할 수 있게 되었다. GC-MS 분석은 감도와 다용도성, 그리고 존재하는 물질의 양을 정량화하는 능력 때문에 법의학 분석의 "황금 표준"으로 널리 간주된다. 기기 감도의 증가는 화합물 내의 미세한 불순물까지 감지할 수 있는 수준으로 발전하여 조사관이 화학 물질을 제조업체의 특정 배치 및 로트까지 추적할 수 있게 할 수 있다.
법화학자들은 현장에서 발견된 미확인 물질을 식별하기 위해 다양한 기기에 의존한다. 동일한 물질의 정체를 확인하는 데 다른 방법을 사용할 수 있으며, 어떤 방법이 최상의 결과를 낼지는 검사관이 결정해야 한다. 법화학자들이 검사를 수행할 때 고려할 수 있는 요소는 특정 기기가 물질을 검사하는 데 걸리는 시간과 해당 기기의 파괴적인 특성이다. 그들은 추가 검사를 위해 증거를 보존하기 위해 비파괴적인 방법을 먼저 사용하는 것을 선호한다. 비파괴적인 기술은 또한 가능성을 좁히는 데 사용될 수 있어 파괴적인 방법을 사용할 때 처음부터 올바른 방법을 사용할 가능성을 높인다.
법화학을 위한 두 가지 주요 독립형 분광학 기술은 FTIR과 AA 분광학이다. FTIR은 적외선을 사용하여 물질을 식별하는 비파괴적인 과정이다. 약화 전반사 샘플링 기술은 분석 전에 물질을 준비할 필요성을 없앤다. 비파괴성과 제로 준비의 결합은 ATR FTIR 분석을 미확인 물질 분석의 빠르고 쉬운 첫 단계로 만든다. 물질의 양성 식별을 용이하게 하기 위해 FTIR 기기에는 미확인 물질의 스펙트럼과 일치하는 알려진 스펙트럼을 검색할 수 있는 데이터베이스가 로드되어 있다. 혼합물의 FTIR 분석은 불가능하지는 않지만, 반응의 누적적 특성으로 인해 특정 어려움을 제시한다. 하나 이상의 물질을 포함하는 미확인 물질을 분석할 때, 결과 스펙트럼은 각 구성 요소의 개별 스펙트럼의 조합이 된다. 일반적인 혼합물은 파일에 알려진 스펙트럼을 가지고 있지만, 새로운 혼합물은 해결하기 어려울 수 있으므로 FTIR은 허용되지 않는 식별 수단이 된다. 그러나 이 기기는 존재하는 일반적인 화학 구조를 결정하는 데 사용될 수 있어 법화학자가 다른 기기로 분석하기 위한 최상의 방법을 결정할 수 있도록 한다. 예를 들어, 메톡시기는 3,030에서 2,950 파수 (cm−1) 사이에서 피크를 나타낼 것이다.
원자 흡수 분광법(AAS)은 분석된 시료를 구성하는 원소를 결정할 수 있는 파괴적인 기술이다. AAS는 시료를 극도로 높은 열원에 노출시켜 물질의 원자 결합을 끊고 자유 원자를 남김으로써 이 분석을 수행한다. 그런 다음 빛 형태의 방사선이 시료를 통과하여 원자가 더 높은 에너지 상태로 점프하도록 강제한다. 법화학자는 분석 중에 해당 원소의 원자를 더 높은 에너지 상태로 강제하는 해당 파장의 빛을 사용하여 각 원소를 테스트할 수 있다. 이러한 이유와 이 방법의 파괴적인 특성 때문에 AAS는 일반적으로 예비 테스트에서 시료에 특정 원소의 존재를 나타낸 후 확인 기술로 사용된다. 시료 내 원소의 농도는 빈 시료와 비교했을 때 흡수된 빛의 양에 비례한다. AAS는 비소, 납, 수은, 카드뮴과 같은 중금속 중독이 의심되는 경우에 유용하다. 시료 내 물질의 농도는 중금속이 사망 원인인지 여부를 나타낼 수 있다.
분광학 기술은 테스트하는 시료가 순수하거나 매우 일반적인 혼합물일 때 유용하다. 미확인 혼합물을 분석할 때는 개별 부분으로 분해해야 한다. 크로마토그래피 기술은 혼합물을 구성 요소로 분해하여 각 부분을 별도로 분석할 수 있도록 한다.
박층 크로마토그래피(TLC)는 더 복잡한 크로마토그래피 방법의 빠른 대안이다. TLC는 잉크와 염료를 개별 구성 요소로 추출하여 분석하는 데 사용될 수 있다. 이는 현장에 남겨진 메모나 섬유를 조사하는 데 사용될 수 있는데, 각 회사의 제품은 약간씩 다르며 이러한 차이는 TLC로 확인할 수 있기 때문이다. TLC 분석의 유일한 제한 요소는 구성 요소가 분석 플레이트를 통해 구성 요소를 운반하는 데 사용되는 어떤 용액에든 용해되어야 한다는 필요성이다. 이 용액을 이동상이라고 한다. 법화학자는 각 구성 요소가 이동한 거리를 보고 미확인 물질을 알려진 표준과 비교할 수 있다. 시작점과 비교한 이 거리는 각 추출된 구성 요소에 대한 보존 계수(Rf)로 알려져 있다. 각 Rf 값이 알려진 시료와 일치하면 이는 미확인 물질의 정체를 나타낸다.
고성능 액체 크로마토그래피(HPLC)는 용액에 용해된 혼합물에서 개별 구성 요소를 추출하는 데 사용될 수 있다. HPLC는 기체 크로마토그래피에 적합하지 않은 비휘발성 혼합물에 사용된다. 이는 구성 요소가 다른 시간에 분리되거나 용출되어 각 구성 요소를 확인할 수 있도록 하기 때문에 약물이 복합 약물인 약물 분석에 유용하다. HPLC 컬럼에서 용출된 물질은 다양한 크로마토그래피 검출기로 공급되어 컬럼에서 용출될 때 농도에 비례하는 그래프의 피크를 생성한다. 가장 일반적인 유형의 검출기는 자외선-가시광선 분광기인데, HPLC로 테스트되는 가장 일반적인 관심 품목인 의약품은 자외선 흡수 능력이 있기 때문이다.
기체 크로마토그래피(GC)는 액체 크로마토그래피와 동일한 기능을 수행하지만 휘발성 혼합물에 사용된다. 법화학에서 가장 일반적인 GC 기기는 질량 분석법을 검출기로 사용한다. GC-MS는 방화, 중독, 폭발 조사에서 무엇이 사용되었는지 정확히 결정하는 데 사용될 수 있다. 이론적으로 GC-MS 기기는 농도가 펨토그램 () 범위인 물질을 감지할 수 있다. 그러나 실제로는 신호 대 잡음비 및 기기 개별 부품의 노후화와 같은 다른 제한 요인으로 인해 GC-MS의 실제 검출 한계는 피코그램 () 범위이다. GC-MS는 또한 감지하는 물질의 양을 정량화할 수 있다. 화학자들은 이 정보를 사용하여 물질이 개인에게 미칠 영향을 결정할 수 있다. GC-MS 기기는 단순히 감지하는 데 필요한 양보다 약 1,000배 더 많은 물질을 정량화하는 데 필요하다. 정량 한계는 일반적으로 나노그램 () 범위이다.
법의독물학.
법의독물학은 약물동역학, 즉 물질이 신체에 미치는 영향과 약물동태학, 즉 신체가 물질에 미치는 영향을 연구하는 학문이다. 특정 약물이 인체에 미치는 영향을 정확하게 판단하기 위해 법독물학자들은 개인이 축적할 수 있는 다양한 수준의 약물 내성과 다양한 의약품의 치료유효량을 알고 있어야 한다. 독물학자들은 신체에서 발견된 독소가 사고의 원인이 되거나 사고에 기여했는지, 또는 그 영향이 너무 낮았는지 여부를 판단하는 임무를 맡고 있다. 부상이나 사망을 유발할 수 있는 다양한 물질의 수로 인해 특정 독소를 결정하는 데 시간이 오래 걸릴 수 있지만, 특정 단서는 가능성을 좁힐 수 있다. 예를 들어, 일산화 탄소 중독은 선명한 붉은 피를 유발하는 반면, 황화 수소 중독으로 인한 사망은 뇌가 녹색을 띠게 한다.
독물학자들은 또한 특정 약물이 신체 내에서 분해될 수 있는 다양한 대사물질을 알고 있다. 예를 들어, 독물학자는 헤로인의 분해에서만 생성되는 6-모노아세틸모르핀이 시료에 존재함으로써 개인이 헤로인을 복용했음을 확인할 수 있다. 합법 및 불법을 막론하고 새로운 약물의 지속적인 생성은 독물학자들이 이러한 새로운 물질을 테스트하기 위한 새로운 연구와 방법을 계속 파악하도록 강요한다. 새로운 제제의 흐름은 음성 테스트 결과가 반드시 약물을 배제하는 것은 아님을 의미한다. 탐지를 피하기 위해 불법 마약 제조업체는 화학 물질의 구조를 약간 변경하는 경우가 많다. 이러한 화합물은 일상적인 독성학 검사에서 종종 감지되지 않으며 동일한 시료에 알려진 화합물이 존재하여 가려질 수 있다. 새로운 화합물이 발견되면 알려진 스펙트럼이 결정되고 참조 표준으로 다운로드하여 사용할 수 있는 데이터베이스에 입력된다. 실험실은 또한 지역적으로 발견되는 물질에 대한 자체 데이터베이스를 유지하는 경향이 있다.