核磁気共鳴結晶構造解析

核磁気共鳴結晶構造解析（NMR結晶構造解析）は、主にNMR分光法を利用して固体材料の構造を原子スケールで決定する方法である。したがって、固体NMR分光法が主に使用され、量子化学計算（密度汎関数理論など）、^[1] 粉末回折^[2]などが補完される可能性がある。適切な結晶を成長させることができる場合、有機化合物の場合は分子構造と分子パッキングを含む結晶構造を決定するために、一般に任意の結晶学的方法が好まれる。NMR結晶構造解析の主な関心は、この方法には適しているが、 X線、中性子、電子回折には適していない微結晶材料にある。これは主に、NMR結晶構造解析では比較的短距離の相互作用が測定されるためである。

有機分子に適用する場合、NMR結晶構造解析は、単一分子の構造情報だけでなく、分子のパッキング（すなわち結晶構造）に関する情報も含めることを目指します。^{[3] [4]} X線とは異なり、固体NMRでは単一結晶は必要なく、構造情報は無秩序な固体の高解像度スペクトルから得られます。^[5]たとえば、多形性はNMR結晶構造解析の関心領域です。これは、有機化合物で時折遭遇する（そして多くの場合、以前に発見されていない）ためです。この場合、分子構造や分子パッキングの変化が多形性につながる可能性があり、これはNMR結晶構造解析によって調査できます。^{[6] [7]}

固体NMR分光法による構造解析に通常用いられるスピン相互作用は、磁気双極子相互作用である。^[8] 研究対象システム内の化学シフトや電気四重極子相互作用などの他の相互作用に関する追加知識も役立つ可能性があり、ゼオライトなどの場合のように化学シフトのみが用いられることもある。^[9] 「双極子結合」に基づくアプローチは、例えば溶液中のタンパク質の複数の残留双極子結合を測定し、これらの結合をタンパク質構造計算の制約として使用する点で、ある程度タンパク質NMR分光法と類似している。

NMR結晶構造解析では、有機分子の場合、観測されるスピンは中程度の周波数のスピン1/2核であることが多い（¹³
Ｃ
、¹⁵
いいえ
、³¹
ポ
など）。すなわち¹
H
は、その大きな磁気回転比と高いスピン濃度により、強い同核双極子結合のネットワークにつながるため除外されます。1 Hに関しては^{、 2つの解があります。1}
H
スピン拡散実験（下記参照）と特異的標識²
H
スピン（スピン= 1）。後者は、溶液中および固体中の水素結合のNMR分光研究などでも人気があります。 ^[10] 分子内および分子間構造要素の両方を、例えば重水素REDOR（重水素と他のスピン間の双極子結合を測定するために確立された固体NMRパルスシーケンス）を介して調査できます。^[11] これにより、分子間水素結合などを見つけて特徴付けることができるため、NMR結晶構造調査に追加の制約を提供できます。

上述の双極子相互作用は、例えば多くの有機化合物中の¹³ C/ ^{15 Nのような異核スピンのペアの間で直接測定することができます。 [4]}さらに、双極子相互作用の強さは縦緩和時間やスピン拡散速度などのパラメータを変調するため、構造情報を得るために調べることができます。例えば、¹ Hスピン拡散は測定されており、豊富な構造情報を提供しています。^[12]

化学シフト相互作用は、双極子相互作用と組み合わせて使用​​​​して、分子フレーム（双極子化学シフト分光法）に対する双極子相互作用フレーム（主軸システム）の方向を決定することができます。 対称性引数（sp ²混成）により、ケトンの¹³ C スピンの場合と同様に、化学シフト相互作用テンソルの方向に関する規則が存在する場合があります。 双極子相互作用（対象のスピンとたとえば別の異核との間の）の方向が化学シフト相互作用座標系に対して測定される場合、これら 2 つの情報（化学シフトテンソル/分子方向と双極子テンソル/化学シフトテンソル方向）を組み合わせると、分子フレーム内の双極子テンソルの方向が得られます。^[13]ただし、この方法は小さな分子（またはポリグリシンなどの小さな繰り返し単位を持つポリマー）にのみ適しており、選択的な（通常は分子内の）構造情報のみを提供します。

双極子相互作用は、スピン間の距離を測定できるため、構造に関する最も直接的な情報をもたらします。しかし、この相互作用の感度は不十分であり、双極子ベースのNMR結晶構造解析によって構造の解明が可能になったとしても、高解像度の構造を得るには他の方法が必要です。これらの理由から、化学シフト異方性、J結合、四極子相互作用などの他のNMR観測値の使用を含めるために多くの作業が行われました。これらの異方性相互作用は3Dローカル環境に非常に敏感であるため、粉末サンプルの構造を単結晶X線回折の品質に匹敵する構造に精製することができます。ただし、これらは構造に直接依存しないため、これらの相互作用を予測するための適切な方法に依存しています。^{[14] [15]}

NMR結晶構造解析の欠点は、この方法が通常、X線結晶構造解析よりも時間がかかり、高価（分光計のコストと同位体標識のため）であること、構造の一部しか解明されないことが多く、重要な構造情報を得るために同位体標識と実験を調整する必要がある可能性があることです。また、特定の分子構造は、純粋なNMRベースのNMR結晶構造解析アプローチに常に適しているとは限りませんが、マルチモダリティ（NMR+回折）研究において重要な役割を果たすことができます。^[16]

回折法の場合とは異なり、NMR 結晶構造解析はケースバイケースで作業する必要があるようです。その理由は、異なる分子システムではスピン物理が異なり、調査できる観測可能なものも異なるためです。したがって、異なるシステムでは、それらを研究するためにカスタマイズされた実験設計が必要になるため、この方法は広く使用されることはないかもしれません。