機器分析化学 ３．核磁気共鳴（NMR)法（1）

機器分析化学

３．核磁気共鳴（NMR)法（1）

5.核磁気共鳴スペクトル法（Nuclear Magnetic Resonance:NMR) キーワード 原子核 磁気 共鳴 ⅰ） 原子核 （陽子＋中性子） 原子番号（＝陽子数） 質量数（＝陽子数+中性子数） もし原子番号も質量数も偶数の場合 その原子核はスピンを持たない。 そうでない場合（どちらか、あるいは一方が奇数）は核スピンを持つ。 例） 水素原子核（proton） 1_{H spinあり} 炭素（carbon） 12_{C spinなし} 13_{C spinあり} 窒素 14_{N spinあり} 15_{N spinあり} Spin 自転 角運動量 h/2 → 1/2 → 磁気モーメント （電子の場合は磁石の原因）

Spinとは？ 角運動量のベクトル表示 角運動量の性質 I M R R=I x M （ベクトル積）

歳差運動 物質中の各核スピンは普段はバラバラ の方向を向いているが、磁場が加わる ことにより磁場方向を中心とする歳差運動 を引き起こす。 B₀がない時 B₀がある時 I=-1/2 I=1/2 B₀ 量子論的には Upスピンの数＞Downスピンの数 （Boltzman分布） 磁化の原因 _{（巨視的磁化）}磁化の原因 0 0



B





N

S

N

S









y z x 回転座標系の導入 実験室系 y’ z’ x’ 回転系（外部磁場がゼロになる） B₀ B₀=0 M_{0 M} 0 y z x B₁ 0



y’ z’ x’ M₀ B₁ もしB₁がとx’と一致したとき M₀はz’y’平面内で回転運動をする （これは歳差運動） このときの回転周波数は 1



2

1

B

t



_





_



B





2

4

1

B

t

T











2







B

y’ z’ x’ B1 y’ z’ x’ y’ z’ x’ これを90度パルスという 1 2

2 B

T







y z x y z x y z x その後 y z x y z x 信号の減衰 信号が無くなる t S さらにその後 初期状態

化学シフト(Chemical Shift) 原子核の周りには必ず電子が存在 1s 外部磁場(B₀) 遮蔽磁場（Screening Field) その結果 核の感じる磁場は B=B₀(1-Δ) Δ:電子の磁化率（その原子の化学的環境に 依存する。 →化学シフト（ppmオーダー）

CH

₃

ーCH

₂

ーOH

Δ

大

中

小

共鳴周波数が微妙に異なる

X RF-Synthesizer Pulse Modulator Transmitter Preamplifier Receiver (Detector) Computer (+ADC) Reference Signal Control Bus LN₂ LHe SC-Magnet Probehead

NMR信号の検出（detect）について → 検波 X NMR signal Reference signal NMR signal Reference signal

)

/

exp(

)

cos(

)

(

t

S

t

t

T

S











)

cos(

)

(

t

R

t

R







t

t



T

t

R

S

t

R

t

S

(

)



(

)



exp(



/

)

cos(







)

cos















)

cos(

)

/

exp(

)

(

)

(

t



R

t



S

R



t

T









S













Chemical Shift（化学シフト） 分析において、最も重要なinformation







スピン結合ーーー共鳴線の構造 CH₃ CH₂ OH ここの三つのプロトン は磁気的に等価 ここの二つのプロトン も磁気的に等価 実際は

ここCH₃の1ｓ電子の存在確率がここCH₂にもある

磁場

CH₂のスピンの配向による

小さな磁場をCH₃のプロトン

スピンは磁場中では上向き（_↑）か下向き（_↓）の二通り（量子化） 大きい磁場を感じる 磁場はキャンセルして 感じない 小さい磁場を感じる Ｘ Ｘ 本来の共鳴点 本来の共鳴点

合わせると 1：2：1の三重線(triplet) 1 ２ 1 CH₃ CH₂ 一方CH₂に注目すると 相手はCH₃ つまりスピンが三つ 磁場の強さ 1：３：３：1の四重線(quartet) 1 3 3 1 この間隔は等しくなる（結合定数：J） スピン結合（スカラーカップリング） _{結合定数～数Hz}

ーCH₂－OH はO原子でスピン結合が非常に小さくなる ので CH₃ CH₂ OH CH₃CH₂OHのプロトンスペクトルは プロトン共鳴線の微細構造は隣の炭素についている 水素の数で決まる！！

重要

スピン結合定数はコンフォメーションに依存する H H’ φ φ J これは、化合物の局所的な構造を探るためには重要な情報となる！

ここで、例題

MSG（Mono Sodium Glutamate:グルタミン酸ナトリウム）の

Proton NMR スペクトルはどのような風になるか予測してみる。 NH₂ -CH(α)-CH₂(β)-CH₂(γ)-COONa NH₂ ⅰ）化学シフト α位置にはCOOHとNH₂が結合 β位置はCHとCH₂が結合 γ位置はCOONaが結合 化学シフトテーブルから、β位置のCH₂が最も高磁場にシフトしていると 考えられる。αとγを比べるとαはメチンであることとアミドが結合している ことから、αの方が低磁場シフトすると考えられる。 CH₂(β) CH₂(γ) CH(α)

ⅱ）次にスピン結合は？ CH(α)はとなりにCH₂(β)があるためトリプレットになる。 CH₂(γ)も隣がCH₂(β)なので、これもトリプレットになる。 問題はCH₂(β)である。これは両側の影響を受ける。 CH(α)-CH₂(β)-CH₂(γ) Doublet(J₁) Triplet(J₂) CH(α)との結合でDoublet(J₁) 次にCH₂(γ)との結合でTriplet(J₂) 合わせると J₁ J₂

CH₂(β) CH₂(γ) CH(α) 最終的には NH₂ -CH(α)-CH₂(β)-CH₂(γ)-COONa COOH

実際の実験 試料を重溶媒に溶かす D₂O, CDCl₃,(CD₃)₂CO,C₆D₆・・・・・・ 試料管に入れる → 測定 重溶媒の役割は二つ ⅰ）溶媒のプロトン信号を出さない（100％はないので、多尐は出る） ⅱ）磁場ロック（単に 「ロックをかける」 という＝重水素のNMR信号を 使う。） 測定するためのパルスプログラムを選択 →測定（積算） →フーリエ変換 →スペクトルの吟味

シングルパルス法（最もシンプルなプログラム）

RF-PULSE NMR-Signal(Free Induction Decay:FID)

ここでフーリエ変換 ふたたび

dt

t

f

e

F

(

)

2

1

)

(









dt

t

f

t

F

(

)

2

cos

(

)











x = = = = = 5 























1





























cos(

)

exp

)

,

(

T

t

t

S

t

S







φは？ 位相

13_{C-NMRについて} 問題点 _{1）感度が低い（1.1％）} 2）水素とのスピンカップリング 3）スピン格子緩和時間が長い CH₃ CH₂ OH CH3は quartet CH2は triplet CHは doublet Cは singlet

Decoupling ２）スピンカップリングに対する解決策 13_C 1_H プロトン共鳴周波数のRF（ノイズ）を照射 高速回転・・・・時間平均するとプロトンスピンが 作る磁場はゼロ 1_H 13_C

CH₂（デカップリング無し）

CH₂（デカップリング有）

MSGの13_{Cスペクトル} 200 150 100 50 PPM デカップリング無し デカップリング有 NH₂ -CH(α)-CH₂(β)-CH₂(γ)-C(2)OONa C(1)OOH C(1) C(2) CH₂(β) CH₂(γ) CH(α) NOEにより感度アップ

13_{Cの化学シフト・・・・・}1_H と同じような動き 0 200 CH_n - -C=C--C=O 0 7 13_C 1_H 100

ベンゼン環の置換基分布について 1置換 X c b b a a 化学シフトを _σa＞_σb＞_σcと仮定したとき 7ppm a b c 120ppm 13_C 1_H a b c X

X b b _a a ２置換の場合（オルト） X X b’ b a’ a Y 120ppm 13_C 120ppm X Y a a’ b b’ X a b

X b c a b X X b’ c a b Y メタの場合 120ppm 13_C X _a b _c 120ppm X _{a b b’ c}

X a X X a’ a a パラの場合 120ppm 13_C X a 120ppm X a a’ a a a Y a’ Y

X Z a b c ３置換の場合 Y X Z a b c Y 120ppm X a b Y c Z 120ppm a=b=c X=Y=Z X a b Y c Z 120ppm