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炭素13（C13）核磁気共鳴（最も一般的には炭素13 NMR分光法、13 C NMR分光法、または単に炭素NMRと呼ばれることもある）は、核磁気共鳴（NMR）分光法を炭素に適用したものである。これはプロトンNMR（1¹H NMRは、プロトンNMRが水素原子を識別するのと同様に、有機分子中の炭素原子を識別することを可能にする。¹³C NMRは¹³Cのみを検出する。炭素同位体。主要な炭素同位体である¹²C。CはNMR信号を生成しません。1H NMR分光法よりも感度が約100万分の1と低いものの、 13C NMR分光法は有機化合物や有機金属化合物の特性評価に広く用いられています。これは主に、 1Hデカップリング13C -NMRスペクトルがより単純で、化学構造の違いに対する感度が高く、複雑な混合物中の分子の同定に適しているためです。 [ 1 ] 同時に、このようなスペクトルには、異なる種類の炭素原子核の原子比に関する定量的情報がありません。これは、1Hデカップリング13C-NMR分光法で使用される核オーバーハウザー効果により、水素原子の数が多い炭素原子からの信号が、水素原子の数が少ない炭素原子からの信号よりも強く増強されること、および（実験時間を短縮するために）13C原子核の完全な緩和が通常達成されず、緩和時間が短い原子核ほど強い信号を生成するためです。
炭素の主要同位体である12C同位体はスピン量子数がゼロであるため、磁気的に活性ではなく、したがってNMRでは検出できません。 スピン量子数が1/2である13Cは存在量が少なく（1.1%）、一方、1H、19F、31Pなどの他の一般的な原子核は存在量が100 %です。
13 C NMR分光法は、 1 H NMR分光法が水素に対して示す感度よりも炭素に対する感度がはるかに低い（約4桁低い）。これは、 13 Cの存在量が1 H（>99%）よりも低い（1.1%）ことと、核磁気モーメントが低い（0.702対2.8）ためである。言い換えれば、磁気回転比（6.728284 10 7 rad T −1 s −1 ）は1 Hのわずか1/4である。[ 2 ]
一方、13C NMR分光法の感度は、非四級13C原子の信号強度を高める核オーバーハウザー効果によってある程度向上する。
「受容性」の欠点は、13 C NMR 信号が原子核の化学環境に対して非常に敏感であること、つまり化学シフトの「分散」が大きく、約 250 ppm をカバーしていることで補われます。この分散は、1 H 以外の原子核が励起状態（遮蔽テンソルへの「常磁性」寄与。この常磁性寄与は常磁性とは無関係）によって強く影響を受けるという事実を反映しています。 [ 3 ] 例えば、ほとんどの有機化合物の1 H NMR 信号のほとんどは 15 ppm 以内です。
13Cの化学シフト基準は テトラメチルシラン（TMS）の炭素であり、 [ 4 ] その化学シフトはあらゆる温度で0.0 ppmに設定されている。
13C -NMRにおける典型的な化学シフト
同核13C - 13Cカップリングは、通常、 13Cが濃縮されたサンプルでのみ観測されます。1結合1J ( 13C , 13C )の範囲は50～130Hzです 。2結合2J ( 13C , 13C )は10Hz付近です 。
J( 1 H, 13 C) と J( 13 C, 13 C) の傾向は似ていますが、13 C の核磁気モーメントの値が小さいため、J( 1 H, 13 C) の方が小さくなっています。1 J( 1 H , 13 C) の値は125 ～ 250 Hzの範囲です。2 J ( 1 H, 13 C)の値は5 Hz 付近で、負の値になることがよくあります。
13 C NMR分光法は、受容性が低いため、プロトンNMR分光法では見られない複雑な問題を抱えています。この原子核の受容性の低さを補うために、多くの対策を講じることができます。たとえば、内径の広い高磁場磁石は、より大きなサンプルチューブ（13 C NMR では通常直径10 mm 、 1 H NMRでは5 mm ）を受け入れることができます。 緩和剤を使用すると、より高速なパルスが可能になります。[ 5 ]典型的な緩和剤は、アセチルアセトン酸クロム(III)です。典型的なサンプルでは、13 C NMRスペクトルの記録には数時間かかる場合がありますが、1 H NMRでは15〜30分です。核双極子モーメントが弱く、アルファ状態とベータ状態のエネルギー差はプロトンNMRの4分の1であり、ボルツマン分布差もそれに応じて小さくなります。[ 6 ] 受容性の低さを補うための最後の対策は、同位体濃縮です。
クライオプローブと呼ばれる一部のNMRプローブは、通常のNMRプローブに比べて20倍の信号増強効果を提供します。クライオプローブでは、RF発生および受信エレクトロニクスはヘリウムガスを使用して約25Kに維持され、感度が大幅に向上します。[ 7 ] トレードオフとして、クライオプローブは高価です。
もう一つの潜在的な問題は、炭素と水素の間に大きな一結合J結合定数（通常100～250Hz ）が存在することです。これらの結合は有益な情報をもたらす可能性がありますが、スペクトルを複雑にし、感度を低下させる可能性があります。これらの理由から、13C -NMRスペクトルは通常、プロトンNMRデカップリングで記録されます。13Cの天然存在比が低いため、炭素間の結合は無視できます。したがって、各プロトン位置に対して多重線を示す典型的なプロトンNMRスペクトルとは対照的に、炭素NMRスペクトルは、化学的に非等価な炭素原子ごとに単一のピークを示します。[ 8 ]
さらに、 ¹H NMRとは対照的に、シグナルの強度は等価な¹³C原子の数に比例しないことが多い。むしろ、シグナル強度は周囲のスピン（通常は¹H ）の数に強く影響され、それに比例する。遅延時間が長い場合、つまり遅延時間が緩和時間を大きく超える場合、積分はより定量的になる。
13 C スペクトルを記録する最も一般的なモードは、プロトンノイズデカップリング（ノイズデカップリング、プロトンデカップリング、またはブロードバンドデカップリングとも呼ばれる）、オフ共鳴デカップリング、およびゲートデカップリングです。これらのモードは、13 C - H (110～320 Hz)、13 C - C - H (5～60 Hz)、および13 C - C - C - H (5～25 Hz) の大きな J 値に対処することを目的としており、そうしないと、完全にプロトン結合した13 C スペクトルの解釈が困難になります。[ 9 ]
ほとんどのスペクトル測定で用いられるプロトンノイズデカップリングでは、ノイズデカップラーが試料に、プロトンの核スピンが変化する 周波数範囲（例えば、23,486ガウスの磁場では100MHz）をカバーする広範囲（約1000Hz）の無線周波数を強く照射します。プロトンのスピンが急速に変化することで、効果的な異核デカップリングが実現し、核オーバーハウザー効果 （NOE）によって炭素信号強度が増強され、スペクトルが単純化されて、非等価な炭素原子それぞれがシングレットピークとして現れます。
炭素原子と水素原子はどちらもスピンを持ち、NMR活性である。核オーバーハウザー効果は一般的に、2種類の原子のうち一方に放射線を照射し、もう一方の原子のNMRスペクトルを測定すると現れる。観測された（つまり、照射されていない）原子の吸収強度が変化すれば、増強が起こる。この効果は、関与する原子の種類によって、正にも負にもなり得る。[ 10 ]
相対強度は信頼できない。なぜなら、一部の炭素はスピン格子緩和時間が長く、他の炭素はNOE増強が弱いからである。[ 9 ]
ゲートデカップリングでは、ノイズデカップラーは自由誘導遅延の初期にゲートオンされ、パルス遅延中はゲートオフされます。これにより、NOE増強がほぼ防止され、個々の13Cピークの強度を積分によって意味のある形で比較できますが、全体の感度が半分から3分の2低下します。[ 9 ]
オフ共鳴デカップリングでは、ノイズデカップラーは、プロトン共鳴周波数より1000～2000 Hz アップフィールドまたは 2000～3000 Hz ダウンフィールドでサンプルを照射します。これにより、 13 C 原子に隣接するプロトン間のカップリングは保持されますが、ほとんどの場合、他のカップリングは除去され、結合プロトンごとに 1 つの追加ピークを持つ狭い多重線が可視化されます (結合メチレンプロトンが非等価でない場合は、二重線のペアが観測される可能性があります)。[ 9 ]
偏極移動による歪みのない増強（DEPT）[ 11 ]は、第一級、第二級、第三級炭素原子の存在を決定するために使用されるNMR法です。DEPT実験では、選択角度パラメータ（最後の1Hパルスの先端角度）を変化させることで、CH、CH2、CH3基を区別します。135°の角度では、CH2とは逆位相のすべてのCHとCH3が得られます。90 °の角度では、CH基のみが得られ、他の基は抑制されます。45°の角度では、プロトンが付着しているすべての炭素（数に関係なく）が同位相になります。
四級炭素やプロトンが結合していないその他の炭素からの信号は常に存在しない（プロトンが結合していないため）。
1Hから13Cへの偏極移動には、通常の13Cスペクトル（ 1Hデカップリングによる核オーバーハウザー効果（NOE）によるわずかな増強がある）よりも感度を高めるという二次的な利点がある。
分子内の炭素原子がいくつのプロトンと結合しているかを決定するもう1つの有用な方法は、付加プロトンテスト（APT）を使用することです。これは、付加水素原子の数が偶数か奇数かを区別します。適切なスピンエコーシーケンスは、S、I 2 S と I 1 S、I 3 S のスピンシステムを区別できます。前者はスペクトルに正のピークとして現れ、後者は負のピーク（下向き）として現れます。また、広帯域プロトンデカップリングであるため、スペクトルは比較的単純です。
この手法では CH n基を完全に区別することはできませんが、非常に簡単で信頼性が高いため、スペクトルのピークを割り当てて構造を解明するための最初の試みとして頻繁に使用されます。[ 12 ]さらに、第 4 級炭素やプロトンが結合していない他の炭素からの信号も検出できるため、多くの場合、追加の従来の13 C スペクトルは必要なく、これは DEPT よりも優れています。ただし、CH と CH 2 の信号が偶然にも同じ化学シフトを持ち、逆位相のために APT スペクトルで相殺される可能性があります。このため、従来の13 C{ 1 H} スペクトルまたは HSQC も時々取得されます。