陽子核磁気共鳴

陽子核磁気共鳴（陽子NMR、水素-1 NMR、または¹ H NMR）は、物質の分子内の水素-1核に関するNMR分光法における核磁気共鳴の応用であり、その分子の構造を決定します。 ^[1]天然水素（H）が使用される サンプルでは、​​実質的にすべての水素は同位体¹ H（水素-1、つまり核として 陽子を持つ）で構成されています。

単純な NMR スペクトルは溶液中で記録され、溶媒の陽子が干渉しないようにする必要があります。特に NMR で使用するための重水素化(重水素 = ² H、多くの場合 D と表記) 溶媒が推奨されます。たとえば、重水素化水( D ₂ O)、重水素化アセトン((CD ₃ ) ₂ CO)、重水素化メタノール(CD ₃ OD)、重水素化ジメチルスルホキシド((CD ₃ ) ₂ SO)、重水素化クロロホルム(CDCl _{3)などです。ただし、}四塩化炭素(CCl ₄₎や二硫化炭素(CS ₂ )などの水素を含まない溶媒も使用できます。

歴史的に、重水素化溶媒には、各分析対象物のプロトンの化学シフトを参照するための内部標準として、少量（通常 0.1%）のテトラメチルシラン（TMS）が添加されていました。TMS は四面体分子で、すべてのプロトンが化学的に等価であり、1 つの信号を与え、化学シフト = 0 ppm を定義するために使用されます。 ^[2]揮発性で あるため、サンプルの回収も簡単です。現代の分光計は、溶媒中の残留プロトンに基づいてスペクトルを参照できます（例： 99.99% CDCl ₃中の 0.01% のCHCl ₃）。現在、重水素化溶媒は TMS なしで供給されるのが一般的です。

重水素化溶媒では、重水素周波数フィールドロック（重水素ロックまたはフィールドロックとも呼ばれる）を使用して、NMRの磁場の自然ドリフトの影響を相殺することができます 。重水素ロックを提供するために、NMRは溶媒からの重水素信号の共鳴周波数を常に監視し、共鳴周波数を一定に保つために変更を加えます。^[3]さらに、ロック溶媒の共鳴周波数とロック溶媒と0 ppm（TMS）の差はよく知られているため、重水素信号を使用して0 ppmを正確に定義することができます。 ${\displaystyle B_{0}}$${\displaystyle B_{0}}$

ほとんどの有機化合物のプロトン NMR スペクトルは、+14 ～ -4 ppm の範囲の化学シフトとプロトン間のスピン間結合によって特徴付けられます。各プロトンの積分曲線は、個々のプロトンの存在量を反映します。

単純な分子のスペクトルは単純です。塩化エチルのスペクトルは、1.5 ppm の三重線と 3.5 ppm の四重線が 3:2 の比率で存在します。ベンゼンのスペクトルは、反磁性リング電流により、7.2 ppm の単一のピークで構成されます。

炭素 13 NMRと併せて、陽子 NMR は分子構造の特性評価のための強力なツールです。

δで表される化学シフト値は正確ではなく、一般的な値であるため、主に参考値として考えてください。偏差は ±0.2  ppmの範囲で、場合によってはそれ以上です。化学シフトの正確な値は、分子構造、溶媒、温度、スペクトルが記録されている磁場、およびその他の隣接する官能基によって異なります。水素原子核は、水素原子が結合している原子の混成および電子効果の影響を受けやすいです。原子核は、電子密度を引き離す基によって遮蔽解除される傾向があります。遮蔽解除された原子核はより高い δ 値で共鳴し、遮蔽された原子核はより低い δ 値で共鳴します。

電子吸引性置換基の例としては、 −OH、−OCOR、−OR、−NO ₂およびハロゲンがある。これらは、C _α（問題の置換基に直接結合した脂肪族C原子）上のH原子に対して約2～4 ppmのダウンフィールドシフトを引き起こし、C _{β （C α}に結合した脂肪族C原子）上のH原子に対して1～2 ppm未満のダウンフィールドシフトを引き起こす。カルボニル基、オレフィンフラグメントおよび芳香族環は、脂肪族鎖にsp ²混成炭素原子を提供する。これにより、C _αで1～2 ppmのダウンフィールドシフトが発生する。

不安定な陽子（−OH、−NH ₂、−SH）には特徴的な化学シフトがないことに注意してください。ただし、このような共鳴は、D ₂ Oと反応するとピークが消えることで識別できます。これは、重水素が陽子原子を置き換えるためです。この方法は、 D ₂ O シェイクと呼ばれます。酸性の重水素イオン（例：メタノール-d 4 ）を含む溶媒を使用すると、酸性の陽子も抑制される可能性があります。炭素に結合していない陽子_を識別するための別の方法は、異核単一量子コヒーレンス（HSQC）実験です。これは、互いに結合が1つ離れた陽子と炭素を相関させます。炭素に結合していない水素は、HSQCスペクトルにクロスピークがないため識別できます。

NMR信号の積分強度は、理想的には分子内の核の比率に比例します。^[4]化学シフトおよび結合定数と合わせて、積分強度から構造の割り当てが可能になります。混合物の場合、信号強度を使用してモル比を決定できます。これらの考慮事項は、T ₁値によって決定される影響を受ける信号が完全に緩和するのに十分な時間が与えられる場合にのみ有効です。さらに複雑なのは、非常に異なる線形の信号を積分することが難しいことです。

化学シフトに加えて、NMRスペクトルではスピン-スピン結合（および積分強度）によって構造を割り当てることができます。原子核自体が小さな磁場を持っているため、互いに影響を及ぼし合い、共鳴するときに近くの原子核のエネルギーと周波数を変えます。これをスピン-スピン結合と呼びます。基本的なNMRで最も重要なタイプはスカラー結合です。2つの原子核間のこの相互作用は化学結合を通じて発生し、通常は3つの結合まで見ることができます（3-J結合）。ただし、4つから5つの結合以上で見られる場合もありますが、これらはかなり弱い傾向があります。

スカラー結合の効果は、1 ppm で信号を持つプロトンを調べることで理解できます。このプロトンは、3 つの結合を隔てて別のプロトン (たとえば、CH−CH グループ) が存在する仮想分子内にあります。隣接するグループ (磁場) により、1 ppm の信号が 2 つに分割され、一方のピークは 1 ppm より数ヘルツ高く、もう一方のピークは 1 ppm より同じ量だけ低くなります。これらのピークはそれぞれ、以前のシングレットピークの半分の面積を持ちます。この分割の大きさ (ピーク間の周波数の差) は結合定数として知られています。脂肪族プロトンの一般的な結合定数の値は 7 Hz です。

結合定数は、分光計の磁石ではなく別の原子核の磁場によって発生するため、磁場の強さとは無関係です。したがって、 ppm (化学シフト) ではなく、ヘルツ(周波数)で表されます。

別の分子では、陽子が 2.5 ppm で共鳴し、その陽子も 1 ppm の陽子によって 2 つに分割されます。相互作用の大きさは同じなので、分割は 7 Hz 離れた同じ結合定数を持ちます。スペクトルには 2 つの信号があり、それぞれが二重線です。両方の二重線はそれぞれ 1 つの陽子によって生成されるため、各二重線の面積は同じになります。

架空の分子CH−CHの1 ppmと2.5 ppmの2つの二重線は、CH ₂ −CHに変換されます。

• _{1 ppm CH 2}ピークの総面積は、2.5 ppm CH ピークの 2 倍になります。
• CH ₂ピークは CH ピークによって二重線に分割され、1 つのピークは 1 ppm + 3.5 Hz に、もう 1 つのピークは 1 ppm − 3.5 Hz に現れます (合計分割または結合定数は 7 Hz)。

その結果、2.5 ppm の CH ピークは、 CH _{2からの各プロトンによって}2 回分割されます。最初のプロトンはピークを 2 つの等しい強度に分割し、2.5 ppm の 1 つのピークから、2.5 ppm + 3.5 Hz と 2.5 ppm - 3.5 Hz の 2 つのピークに移行します。これらのピークはそれぞれ等しい強度を持ちます。ただし、これらは 2 番目のプロトンによって再び分割されます。周波数はそれに応じて変化します。

• 2.5 ppm + 3.5 Hz 信号は 2.5 ppm + 7 Hz と 2.5 ppm に分割されます。
• 2.5 ppm − 3.5 Hz 信号は 2.5 ppm と 2.5 ppm − 7 Hz に分割されます。

最終的な結果は、4 つのピークではなく 3 つのピークから成る信号です。1 つの信号は 2.5 ppm より上の 7 Hz にあり、2 つの信号は 2.5 ppm にあり、最後の 1 つは 2.5 ppm より下の 7 Hz にあります。それらの高さの比率は 1:2:1 です。これは三重線として知られ、プロトンが CH ₂基からの 3 つの結合であることを示しています。

_{これはどの CH n}グループにも拡張できます。化学シフトとカップリング定数を同一に保ちながら、 CH _{2 −CH グループを CH 3} −CH ₂に変更すると、次の変化が観察されます。

• CH _{3 サブ}ユニットと CH ₂サブユニット間の相対面積は 3:2 になります。
• CH ₃は 1 ppm 付近で 2 つのプロトンと結合して 1:2:1 の三重項を形成します。
• CH _2は3 つのプロトンと結合しています。

3 つの同一の陽子によって分割されたものは、四重線と呼ばれる形状になり、各ピークの相対的な強度は 1:3:3:1 になります。

ピークはn個の同一の陽子によって、パスカルの三角形のn番目の行の比の大きさの成分に分割されます。

n行目にはn + 1 個の成分があるため、このタイプの分割は「 n + 1 規則」に従うと言われます。つまり、 n 個 の隣接陽子はn + 1 個のピークのクラスターとして現れます 。

2-メチルプロパン (CH ₃ ) ₃ CH を別の例として挙げると、CH プロトンは 3 つの同一のメチル基に結合しており、合計 9 つの同一のプロトンが含まれています。スペクトルの C−H 信号は、n  + 1 の多重度規則に従って 10 のピークに分割されます。以下は、このタイプのいくつかの単純な多重線に対応する NMR 信号です。9 線 (2 番目のピークの 1/8 の高さしかありません) の外側の線はほとんど見えず、表面的には 7 線に似ていることに注意してください。

1 つの陽子が 2 つの異なる陽子と結合すると、結合定数が異なる可能性が高く、三重項ではなく、二重項の二重項が見られます。同様に、1 つの陽子が、ある種類の他の 2 つの陽子と、異なる小さな結合定数を持つ別の種類の 3 番目の陽子と結合すると、二重項の三重項が見られます。以下の例では、三重項の結合定数が二重項の定数よりも大きくなっています。慣例により、最大の結合定数によって作成されるパターンが最初に示され、より小さな定数の分割パターンが順に名前で示されます。以下のケースでは、三重項の四重項を四重項の三重項と呼ぶのは誤りです。このような多重項 (ここに示すものよりもはるかに複雑になる場合があります) の分析は、研究対象の分子の構造に関する重要な手がかりを提供します。

上で説明した NMR 信号のスピン-スピン分裂の簡単なルールは、カップリング パートナーの化学シフトがそれらの間のカップリング定数よりも大幅に大きい場合にのみ適用されます。そうでない場合は、ピークの数が増え、個々のピークの強度が歪んでしまいます (二次効果)。

分子内に他のNMR活性核が存在する場合、ヘテロ原子と陽子の間でスピン-スピン結合が観察されます。これは、リンまたはフッ素を含む化合物で最も頻繁に発生します。これらは両方とも100%存在比のスピン1/2核です。たとえば、フルオロメタンの陽子の1H信号は、フッ素原子によって二重線に分割されます。逆に、この化合物のフッ素-19 NMRスペクトルは、3つの陽子によって分割されるため、四重線を示します。フッ素と陽子間の典型的な2J結合定数は48 Hz程度ですが、結合の強さは4J結合で2 Hzに低下します。^[5]

ホスフィンでは、特にプロトンがリンに直接結合している場合、さらに大きな結合定数が見られることがあります。これらのプロトンの結合定数は、たとえばジエチルホスフィンでは 1J P−H 結合定数が 190 Hz であるのに対し、200 Hz ほどになることがよくあります。^[6]これらの結合定数は非常に大きいため、1 ppm を超える距離に及ぶ可能性があり (分光計によって異なります)、分子内の他のプロトン信号と重なり合う傾向があります。

^{時々、メインの1} H NMR ピークの肩に小さなピークが見られることがあります。これらのピークは、陽子間結合の結果ではなく、隣接する炭素 13 ( ^{13 C) 原子への1} H 原子の結合によって生じます。これらの小さなピークは小さく、メインの¹ H ピークの周囲に現れる、つまり衛星のように現れるため、炭素サテライトと呼ばれます。炭素サテライトが小さいのは、サンプル内の分子のうち、希少な NMR 活性^{13 C 同位体としてその炭素を持つものが極めて少ないためです。単一のスピン 1/2 核による結合の場合と同様に、 13} Cに結合した H の信号分割は二重線です。より豊富な¹² C に結合した H は分割されないため、大きな一重線になります。最終的な結果は、メインの信号の周りに等間隔に配置された一対の小さな信号です。 H 信号が H-H カップリングまたはその他の効果によりすでに分割されている場合、各サテライトもこのカップリングを反映します (異なるカップリング パートナーによる複雑な分割パターンでは通常どおり)。他の NMR 活性核もこれらのサテライトの原因となる可能性がありますが、有機化合物のプロトン NMR スペクトルでは炭素が最も一般的な原因です。

¹ H ピークの周囲に他のピークが見られることがあります。これはスピニング サイドバンドと呼ばれ、 NMR チューブの回転速度に関係しています。これらは分光分析自体の実験的アーティファクトであり、化学物質のスペクトルの固有の特徴ではなく、化学物質やその構造に特に関係するものでもありません。

炭素サテライトと回転サイドバンドは不純物ピークと混同してはならない。^[7]

• 質量分析
• ポプル記法– 結合スピンシステムの文字指定
• タンパク質の核磁気共鳴分光法

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• 有機化合物のスペクトルデータベース
• プロトン化学シフト
• 教育的な例の豊富なセット
• [1] 1DプロトンNMR] 1D NMR実験