化学シフト

核磁気共鳴（NMR）分光法において、化学シフトとは磁場内の標準に対する原子核の共鳴周波数のことである。化学シフトの位置と数は、分子の構造を診断する上でしばしば用いられる。^{[1] [2] [3]化学シフトは、}光電子分光法などの他の形式の分光法における信号の説明にも用いられる。

一部の原子核は磁気モーメント（核スピン）を持っており、これが磁場内で異なるエネルギー準位と共鳴周波数を生じさせる。核が受ける全磁場には、分子軌道内の電子の流れによって誘導される局所磁場が含まれる（電子自体が磁気モーメントを持っている）。同じ種類の核（例：¹ H、¹³ C、¹⁵ N）の電子分布は通常、局所的な形状（結合相手、結合長、結合間の角度など）に応じて変化し、それに伴い各核の局所磁場も変化する。これはスピンエネルギー準位（および共鳴周波数）に反映される。同じ種類の核の核磁気共鳴周波数の、電子分布の変化による変化を化学シフトと呼ぶ。化学シフトの大きさは、基準周波数または基準サンプル（化学シフトの参照も参照）、通常はほとんど歪んでいない電子分布を持つ分子を基準として与えられる。

磁石の動作周波数（またはラーモア周波数） （通常はMHz単位の絶対値で示される）は、ラーモア方程式^{[4]から計算される。}${\displaystyle \omega _{0}}$

${\displaystyle \omega _{0}=-\gamma B_{0},}$

ここで、B ₀は磁石の誘導（SI単位のテスラ）、は核の磁気回転比（各核の構造の詳細によって決定される経験的に測定された基本定数）です。たとえば、1テスラの磁石の陽子動作周波数は次のように計算されます。 ${\displaystyle \gamma}$

${\displaystyle \omega _{0}=-4.258\cdot 10^{7}~{\frac {\text{Hz}}{\text{T}}}\times 1.000~{\text{T}}=-42.58~{\text{MHz}}.}$

MRI スキャナは磁場強度B ₀で呼ばれることが多い(例: 7 T スキャナ) 一方、NMR 分光計は対応する陽子ラーモア周波数で呼ばれるのが一般的です (例: B ₀が7 T の 300 MHz 分光計)。単位がさまざまな磁場強度にわたって同等になるように化学シフトが参照されますが、実際の周波数間隔(ヘルツ単位) は磁場強度 ( B _{0 ) に比例します。その結果、2 つの信号間の化学シフトの差 (ppm) は、} B ₀が大きいマシンではより大きなヘルツ数を表すため、結果として得られるスペクトルで信号が重なり合う可能性が低くなります。この解像度の向上は、分析にとって大きな利点です (磁場が大きいマシンは、磁気スピン状態のボルツマン分布から生じる本質的に高い信号を持つため、好まれます)。

化学シフトδは通常、周波数の百万分の一（ppm）で表されます。これは^[5]から計算されるためです。

${\displaystyle \delta ={\frac {\nu _{\text{sample}}-\nu _{\text{ref}}}{\nu _{\text{ref}}}},}$

ここで、ν _sampleはサンプルの絶対共振周波数、ν _{ref は}、同じ印加磁場B ₀で測定された標準参照化合物の絶対共振周波数です。分子は通常ヘルツで表され、分母はメガヘルツで表されるため、δ はppm で表されます。

¹ H、¹³ C、および²⁹ Si 核の検出周波数 (Hz)は通常、TMS (テトラメチルシラン)、TSP (トリメチルシリルプロパン酸)、またはDSS を基準とします。これらを基準として選択した場合、上記の定義により化学シフトはゼロになります。他の核の化学シフトを設定するには、他の標準物質が使用されます。

したがって、TMSの共鳴周波数が300MHzであるTMSからの信号よりも300Hz高い周波数で観測されたNMR信号は、化学シフトが

${\displaystyle {\frac {300~{\text{Hz}}}{300\times 10^{6}~{\text{Hz}}}}=1\times 10^{-6}=1~{\text{ppm}}.}$

絶対共鳴周波数は印加磁場に依存しますが、化学シフトは外部磁場の強度に依存しません。一方、NMR の分解能は印加磁場とともに増加します。

実際には、NMR実験で化学シフトを参照するためにさまざまな方法が使用される可能性があり、それらは間接参照法と直接参照法に細分化できます。^[5]間接参照では、化学シフトスケールを正しく調整するために、対象のチャネル以外のチャネルを使用します。つまり、重水素（ロック）チャネルの溶媒信号を使用して、¹ H NMRスペクトルを参照できます。^[5]間接参照と直接参照はどちらも、3つの異なる手順で実行できます。

1. 内部参照では、参照化合物が研究対象のシステムに直接追加されます。」^[5]この一般的な方法では、ユーザーは¹ Hまたは¹³ C NMRスペクトルの残留溶媒信号を較正されたスペクトルテーブルで調整します。^{[6] [7]}溶媒自体以外の物質を内部参照に使用する場合は、サンプルを参照化合物と組み合わせる必要があり、化学シフトに影響を与える可能性があります。
2. 外部参照法では、サンプルと参照試料が同軸円筒管に別々に収納されます。^[5]この方法では、参照試料とサンプルはガラスの壁で物理的に分離されていますが、参照信号は対象スペクトル内で依然として表示されます。サンプルと参照相の磁化率の差は理論的に補正する必要があり、^[5]この方法の実用性は低くなります。
3. 置換法: サンプルと参照化合物に別々の円筒形チューブを使用し、（原則として）それぞれのスペクトルを個別に記録します。^[5]外部参照と同様に、この方法ではサンプルの汚染なしに参照できます。重水素化溶媒の² H 信号によるフィールド/周波数ロックを使用し、参照と分析物の溶媒が同じである場合、この方法の使用は簡単です。参照化合物とサンプルに異なる溶媒を使用すると、（外部参照の場合と同様に）磁化率の差を理論的に補正する必要があるため、問題が発生する可能性があります。^{[5] [8]}フィールド/周波数ロックなしのこの方法を使用する場合、サンプルと参照間のシミング手順は、適用される磁場を変更するため（それによって化学シフトに影響を与えるため）、避ける必要があります。^[5]

現代のNMR分光計では一般的に絶対スケールが使用されており、^{[8] [5]}ではTMSの1H信号を^プロトンNMRで0 ppmと定義し、他のすべての核の中心周波数をTMS共鳴周波数のパーセンテージとして定義しています。^{[5] [8]}

${\displaystyle \Xi [\%]=100\times {\frac {\upsilon _{X}^{\text{obs}}}{\upsilon _{\text{TMS}}^{\text{obs}}}}.}$

重水素（ロック）チャネル、つまり重水素化溶媒の^{2 H 信号と絶対スケールの Ξ 値の使用は、内部参照の一形態であり、特に異核 NMR 分光法で有用である。これは、局所参照化合物が常に利用可能であったり、簡単に使用できないことがあるためである（つまり、 15} N NMR 分光法の液体 NH ₃）。ただし、このシステムは、分光計ソフトウェアにリストされている正確に決定された^{2 H NMR 化学シフトと、IUPAC によって正しく決定された Ξ 値に依存している。 [5] [8] 19} F NMR 分光法に関する最近の研究では、絶対スケールとロックベースの内部参照の使用が化学シフトのエラーにつながることが明らかになった。^{[9] [10]}これらは、較正された参照化合物を含めることで打ち消される可能性がある。^{[9] [10]}

原子核の周りの電子は磁場内を循環し、二次誘導磁場を作ります。この磁場はレンツの法則で規定されているように印加磁場と反対であり、そのため、誘導磁場が高い（つまり電子密度が高い）原子は、電子密度が低い原子に比べて 遮蔽されていると呼ばれます。たとえば、電子供与性のアルキル基は遮蔽を増大させますが、ニトロ基などの電子吸引性の置換基は原子核の遮蔽を解消します。置換基だけが局所誘導磁場を引き起こすわけではありません。結合電子も遮蔽効果と遮蔽解消効果をもたらすことがあります。その顕著な例はベンゼンのπ結合です。超共役系を通る循環電流は、分子の中心で遮蔽効果を、分子の端で遮蔽解消効果を引き起こします。化学シフトの傾向は、遮蔽または遮蔽解消の度合いに基づいて説明されます。

核は内部標準の左側（まれに右側）の広い範囲で共鳴することが分かっています。より高い化学シフトで信号が見つかった場合：

• 共鳴周波数が固定されている場合（従来のCW分光計のように）適用される有効磁場は低くなります。
• 印加磁場が静的な場合、周波数は高くなります（FT分光計の通常のケース）。
• 核はより遮蔽されていない
• 信号またはシフトは、ダウンフィールド、低磁場、または常磁性です。

逆に、より低い化学シフトは反磁性シフトと呼ばれ、高磁場でより遮蔽されます。

実際の分子では、陽子は隣接する結合と原子による電荷の雲に囲まれています。印加磁場 ( B ₀ ) では、電子が循環し、印加磁場に対抗する誘導磁場 ( B _i ) を生成します。原子核での有効磁場はB = B ₀ − B _iになります。原子核は反磁性シールドを受けていると言われています。

化学シフトに影響を与える重要な要因は、電子密度、隣接基の電気陰性度、異方性誘導磁場効果 です。

電子密度は原子核を外部磁場から保護します。たとえば、陽子 NMR では、電子の少ないトロピリウムイオンの陽子は 9.17 ppm の低磁場にありますが、電子の多いシクロオクタテトラエニルアニオンの陽子は 6.75 ppm の高磁場に移動し、そのジアニオンはさらに高磁場の 5.56 ppm に移動します。

電気陰性度の高い原子の近くにある原子核は電子密度が減少し、その結果、原子核は遮蔽解除されます。メチルハライド(CH ₃ X)の陽子 NMRでは、メチル陽子の化学シフトはI < Br < Cl < Fの順に2.16 ppm から 4.26 ppm に増加し、この傾向を反映しています。炭素 NMRでは、炭素原子核の化学シフトは同じ順に約 -10 ppm から 70 ppm に増加します。また、電気陰性度の高い原子がさらに遠ざかると、効果は減少し、もはや観察できなくなります。

異方性誘導磁場効果は、原子核が受ける局所誘導磁場の結果であり、電子の循環によって生じます。電子は、印加磁場と平行な場合は常磁性、反対の場合は反磁性になります。これは、二重結合が外部磁場に対して垂直に配向され、π 電子が同様に直角に循環するアルケンで観察されます。誘導磁場線は、アルケン陽子の位置で外部磁場と平行になるため、4.5 ppm から 7.5 ppm の範囲に磁場がシフトします。反磁性シフトが発生する 3 次元空間は、外部磁場と揃った円錐状の形状を持つシールド ゾーンと呼ばれます。

芳香族化合物のプロトンは、反磁性リング電流の結果として、ベンゼンの信号が 7.73 ppm でさらに低磁場にシフトします。

対照的に、アルキンのプロトンは 2～3 ppm の範囲の高磁場で共鳴します。アルキンの場合、最も効果的な配向は、三重結合の周りの電子の循環と平行な外部磁場です。このようにして、アセチレンのプロトンは円錐形の遮蔽領域に配置され、高磁場シフトが発生します。

¹ H と¹³ C は、NMR 実験の影響を受ける唯一の核ではありません。さまざまな核も検出できますが、問題の核の NMR 実験における相対感度が小さい ( ¹ H と比較して) ため、このような技術が使用されることは一般にまれです。また、まれにしか使用されないもう 1 つの要因は、自然界や有機化合物中にそれらの核がほとんど存在しないことです。

¹ H、¹³ C、¹⁵ N、¹⁹ F、³¹ P は、NMR 実験で最も重要な 5 つの核です。

• ¹ Hは高感度であり、有機化合物中に広く存在するため
• ¹³ C は、スピンが 0 で NMR 不活性である炭素¹² Cの主要同位体と比較して存在量が低い (1.1%) にもかかわらず、すべての有機化合物の主要成分であるためです。
• ^{15 Nは}タンパク質やDNAなどの重要な生体分子の主要成分であるため
• ¹⁹ F 相対感度が高いため
• ³¹ Pは有機化合物中に頻繁に存在し、相対的な感受性が中程度であるため

一般的に、信号対雑音比と分解能の向上により、ますます高い磁場強度へと移行しています。ただし、限られたケースでは、より低い磁場が好まれます。たとえば、化学交換システムでは、NMR 実験に対する交換速度によって、追加の混乱を招く線幅の広がりが生じる可能性があります。同様に、2 次結合は一般的に避けることが望ましいですが、この情報は化学構造の解明に役立ちます。MRIのスピンエコー法に類似した方法で、自由誘導減衰の連続ポイントの記録の間に配置した再フォーカスパルスを使用すると、化学シフトの展開をスケーリングして、高磁場分光計で見かけ上の低磁場スペクトルを提供できます。^[12]同様に、従来のスピン展開に散在する追加の J 結合展開期間を含むパルスシーケンスを使用して、化学シフトに対する J 結合の効果を拡大することができます。^[13]

ナイトシフト（1949年に初めて報告）とシューラリー則は、それぞれ純金属とメチレン基で観察されている。NMR化学シフトが現在の意味で初めて学術誌に登場したのは1950年のことである。異なる意味を持つ化学シフトは、特定の化学環境による原子核レベルのエネルギーのシフトとしてX線光電子分光法に現れる。この用語はメスバウアー分光法でも使用され、NMRと同様に局所的な化学結合環境によるピーク位置のシフトを指す。NMRの場合と同様に、化学シフトは原子核の電子密度を反映している。^[14]

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• オンラインチュートリアル（これらは通常、 IR、^1H NMR、^13C NMR、質量分析を組み合わせて使用​​します）
  • 問題集 1 (スピン-スピン結合に関する詳細な背景情報については、このリンクも参照してください)
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  • 問題セット5（問題1～32）と（問題33～64）の複合解答