核磁気共鳴分光法 (NMR)

NMR 分光法の原理化学シフト積分強度

スピンカップリング

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核磁気共鳴分光法 (NMR)

電子 水素の原子核

炭素の原子核

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核種 天然存在比 スピン 磁気モーメント(µN)

磁気回転比（107 rad T‒1 s‒1)

1H 99.99% 1/2 2.792 26.751312C 98.94% 0 0 013C 1.07% 1/2 0.7022 6.726214N 99.64% 1 0.4035 1.933115N 0.36% 1/2 ‒0.2830 ‒2.711616O 99.76% 0 0 017O 0.038% 5/2 ‒1.894 ‒3.6264電子 ‒ 1/2 ‒1836 ‒17608.6

磁気モーメントの単位は核磁子 = µN = eħ/2mp = 5.051×10–27 J/T

(e: 電荷素量 = 1.602×10–19 A s, mp: プロトンの質量 = 1.677×10–27 kg)

T （テスラ）= kg A–1 s–2 は磁束密度の単位

各種原子核の磁気的性質

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磁場中での磁石の挙動

N

S

磁場の中へ

方位磁石

磁場と平行

N

S

水素-1の原子核

磁場の中へ

磁場と平行

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磁場中の磁石にエネルギーを加えると？

N

S エネルギー加える

磁場と平行

N

S

角度が変化方位磁石＝古典力学

N

S

磁場と反平行

N

S

磁場と平行

エネルギー加える

原子核の磁気モーメント＝量子力学

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核磁気共鳴 (NMR) 現象

N

S

磁場と反平行

N

S

磁場と平行

電磁波のエネルギー

（より安定）

電磁波の波長：0.75 m～3.0 m 前後（ラジオ波）

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化学シフト

スペクトルとシグナル

外部磁場と局所磁場

化学シフトの値

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磁場

信号強度

CH3CH2OH の 1H NMR スペクトル

なぜ３本のシグナルが現れたのか？

スペクトル：ある物理量（上の例では磁場）の変化に対して信号強度の変化を表示したもの

シグナル：スペクトルの中で分離して観測される個別の信号

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CH3‒CH2‒OH

原子核は電子に囲まれている

磁場

局所磁場

電子

B = Bo – σBo = (1 – σ)Bo

外部磁場 局所磁場（外から加える）（電子が作り出す）

= 化学シフト

外部磁場と局所磁場

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磁場

信号強度

1.6 µT 2.1 µT

外部磁場 = 0.76 T = 760000 µT

HO–CH2–CH3

CH3CH2OH の 1H NMR スペクトル

シフト幅／外部磁場＝2.1×10‒6, 2.8×10‒6＝2.1 ppm, 2.8 ppm

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12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

ホルミル基カルボキシル基フェノール性OH

アルケン芳香族

O, Nが結合したsp³ C‒H

OH

R–CO2HR–CHO

H HOCO

R H

COR

H

CNH

C HC C H

ppm

C が結合したsp³ C‒H

CO

C H

CO H

O

化学シフトの代表的な値

※　実際のスペクトル解析の際にはこの図では不十分。必ず専門書を参照すること

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CH2CH3

【練習問題】下の 1H NMR の各シグナルの帰属を決定しなさい。

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積分強度・スピンカップリング

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2 : 3 : 3

CO

O CH2CH3CH3

1H NMR の積分強度は水素原子の数に比例する

��������

������

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5 : 2 : 3CH2OCH3

【練習問題】下の 1H NMR の各シグナルの帰属を決定しなさい。

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核A

核B 磁場

外部磁場と逆向きの局所磁場

局所磁場磁場

局所磁場

外部磁場と同じ向きの局所磁場

核 B のシグナルはほぼ同じ強度の２本に分裂する

核 A のスピンが磁場と同じ向きか逆向きかで、核 B の共鳴磁場が変化する

スピンカップリング

（同じ理由で、核 A のシグナルも分裂する）

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隣の炭素に水素原子が２個結合

隣の炭素に水素原子が３個結合

HBで２本に分裂

HB'でそれぞれが２本に分裂

真ん中が高くなる(1:2:1)

C C HB'HA HB

C CHB"HB'HA HB

HBで２本に分裂

HB'でそれぞれが２本に分裂

(1:3:3:1)

HB"でそれぞれが２本に分裂

合計３本

合計４本

スピンカップリングによるシグナルの分裂

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CO

CH2CH3CH31 32 4

0 個

一重線積分強度＝３2.1 ppm

CO

CH2CH3CH31 32 4

0 個 3 個合計 3 個四重線

積分強度＝２2.5 ppm

CO

CH2CH3CH31 32 4

2 個三重線

積分強度＝31.1 ppm

CO

CH2CH3CH31 32 4

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1H NMR データの表記

1H NMR (CCl4) δ 2.5 (2H, q), 2.1 (3H, s), 1.1 (3H, t).

測定核 溶媒

化学シフトを表す記号＝デルタ（σ［シグマ］やρ［ロー］と

間違えないように）

化学シフトの値 積分強度から求めたHの数

シグナルの分裂パターン

・帰属を書く場合：・スピンカップリング定数を書く場合：

2.5 (2H, 3-H, q)

2.5 (2H, 3-H, q, J = 7.2 Hz)

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90 MHz

400 MHz

異なる共鳴周波数でのスペクトルの違い

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ab

cCO

O CHCH3CH3

CH3

【練習問題】下の 1H NMR の各シグナルの帰属を決定しなさい。

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