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NMR(核磁気共鳴)分光法の基本-原理と操作-まとめ(作成中)

NMRって何?

有機合成を初めて一番重要といっても過言ではないのが、NMR解析だと思います。でも初心者からするとNMRって理解も難しいし、スペクトル解析を読むのは結構大変ですよね。なので今回はそんなNMRを分かりやすく攻略できるようにまとめてみます。

NMRの原理

化合物は目で見てもどのような構造をしているのかは分かりません。例えば料理をしていてい塩と砂糖を間違えたりしませんか?典型的な例ですよね。結晶の形からなんとなく想像できますが、それが粉々に砕かれてたりすると舐めてみるまでそれが塩か砂糖かは分かりませんよね。そのように目ではどんな構造か判断できない化合物に対して、化学者は分光法という手法を使って構造を決定します。その分光法の一つがNMR分光法です。

核磁気共鳴(NMR)分光法は簡単に言ってしまえば原子核を検出し、その原子核が一体どのような状態なのかを教えてくれます。同じ元素の原子でも隣についた官能基が違えば、その原子核の状態が変わるので、測定している分子がどんな化合物なのかを特定することができます。

核磁気共鳴(NMR)ってどんなもの?

さきほど、原子核の状態を教えてくれるものがNMRだと書きましたが、それは強力な磁場を使って測定します。実は原子核の中には磁場の影響を受ける核(1Hや13Cなど)があり、スピンという性質を持ちます。この原子核を強力な磁場に置くと二つのエネルギー順位に分かれます。簡単に言えば安定な場内と不安定な状態ですね。この状態が原子核が磁気によって共鳴している(核磁気共鳴)になるわけです。

さて、この核磁気共鳴を一定のエネルギー順位(この場合不安定な状態)に変えるためにエネルギーとしてラジオ波を照射して全てを不安定な状態にします。そしてラジオ波の照射をやめると、不安定な状態にあったエネルギー順位が安定なエネルギー順位に戻ることで、エネルギーが放出されます。このときにエネルギーとして出てくるのがラジオ波で、これを受信することで検出できます。

この磁場を受けている状態は、原子核の周りに存在する電子によって邪魔をされています(遮蔽された状態)。電子の分布状態は化合物の極性や共鳴状態によってことなるので、遮蔽され具合というのが原子核一つ一つによって異なります。その遮蔽され具合によって、NMR分光法で得られてくるピークが異なるため、原子核の状態と周りの電子状態を測定することができます。

NMRの装置について

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NMRの種類

NMRと一言にいっても核種(元素核の種類)や二次元測定など様々な方法があります。一般的な有機合成に最低限必要な測定法としては1HNMRと13CNMRですが、それらを使っても判断できない場合は、その他の核種や二次元測定も使って化合物の構造を決定します。

1HNMR

1HNMRはその名の通り水素原子の原子核をNMRで測定する手法です。1HNMRはプロトンNMRとも呼ばれます。1HNMRは化合物の構造決定に重要な手法で、水素原子はほとんどの化合物に含まれており、NMRから得られる情報も多いです。正直1HNMRだけでもほとんどの化合物はある程度構造決定が可能です。この1HNMRから読み取れる情報は大きく分けて三つあり、それぞれケミカルシフト、積分比、カップリング(J値)になります。下の図にはアスピリンの1HNMRの予測チャートを載せてあります。まずはそれぞれについて簡単に解説します。

ケミカルシフト(化学シフト)

1HNMRのケミカルシフトというのは上の1HNMRチャートでいえば横軸に書いてある数字の部分で、ppm(ぴーぴーえむ)で表されます。例えば2.3ppm付近に一つピンと大きく伸びたピークがありますね。そしてそれ以外のものは7ppm付近にあります。実はこのケミカルシフトはHの近くにある電子状態によって位置が変化するため、どのような電子状態にあるのかを予測することができます。

積分比

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カップリング (J値)

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13CNMR

13CNMRは炭素原子を測定するNMRです。

ケミカルシフト

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カップリング(J値)

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DEPT

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その他NMR

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二次元NMR

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NMR解析のやり方

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NMRでみられる不純物

 

 

実際の実験操作

実際の実験操作は下記を参照してください。

NMRの測定方法!サンプル調製からスペクトルを得るまで

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