機器分析化学３．核磁気共鳴（NMR)法（1）

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あかりいせき
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1 機器分析化学 3. 核磁気共鳴 (NMR) 法 (1) 2011 年度

2 5. 核磁気共鳴スペクトル法 (Nucler Mgnetic Resonnce: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 (crbon) 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 )

3 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 )

4 歳差運動 0 B 0 B 0 がない時 B 0 がある時 I=-1/2 B 0 I=1/2 量子論的には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 Up スピンの数 >Down スピンの数 (Boltzmn 分布 ) 磁化の原因磁化の原因 ( 巨視的磁化 )

5 N 巨視的磁化 ( スピンの集合 ) S この磁化もスピンと同じ力学的振る舞いをする!

6 RF 0 N 振動磁場が発生 z 試料 S B 0 x y 0 xy 平面内の回転磁場 ( ) z y 0 0 y x B 1 x

7 回転座標系の導入 z z B 0 B 0 =0 M 0 M 0 y y x 実験室系 z x 回転系 ( 外部磁場がゼロになる ) z M 0 0 M 0 B 0 =0 y y x B 1 x B 1 回転系 ( 回転磁場が xy 平面内の静磁場になる )

8 もしB 1 がとx と一致したとき M 0 はz y 平面内で回転運動をする ( これは歳差運動 ) z このときの回転周波数は x M 0 B 1 1 y 1 B 1 2 B 1 t 1 2 r B ( 一回転の時間 ) RF をこのようにパルス状に加えると Tp の間 M 0 は z y 平面内を回転する Tp そこで Tp を T p 1 4 t r 2 B 1 のように設定すると M 0 は 90 度回転する

9 z z z y y y x x B 1 x これを 90 度パルスという T 2 2 B 1 あたかも y 軸に磁化 M 0 が生じている誘導起電力 =NMR 信号 z z これを実験室系に戻すと x y x y

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

11 化学シフト (Chemicl Shift) 原子核の周りには必ず電子が存在 1s 遮蔽磁場 (Screening Field) 外部磁場 (B 0 ) その結果核の感じる磁場は B=B 0 (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 )

12 CH 3 ー CH 2 ー OH Δ 大中小共鳴周波数が微妙に異なる化合物の構造を推定できる

13 RF-Synthesizer LN 2 LHe SC-Mgnet Computer (+ADC) Pulse Modultor Trnsmitter Reference Signl Probehed Premplifier Receiver (Detector) Control Bus Block Digrm of NMR spectrometer

14 NMR 信号の検出 (detect) について検波 NMR signl Reference signl NMR signl S( t) S Reference signl cos( t )exp( t / * 0 T 2 R( t) R 0 cos( 0t) ) S 0 * ( t) R( t) S0R0 exp( t / T2 ) cos( t ) cos t 1 cos( t )cos 0t cos 0 0) 2 第一項を無視すると ( ) t cos ( t S( t) R( t) * S0R0 exp( t / T2 )cos( ) 0

15 Chemicl Shift( 化学シフト ) 分析において最も重要な informtion ( 電子密度 ) (CH 3 ) 4 Si (TMS) = 0ppm 低磁場 0ppm 高磁場 CH 3 CH 2 OH の水素 (proton) スペクトル OH 1 CH 2 2 CH 3 3 は共鳴線の積分

16 スピン結合ーーー共鳴線の構造 OH ここの二つのプロトンも磁気的に等価実際は CH 3 CH 2 ここの三つのプロトンは磁気的に等価

17 ここ CH 3 の 1s 電子の存在確率がここ CH 2 にもある CH 2 のスピンの配向による小さな磁場を CH 3 のプロトンは感じる!!! 磁場

18 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本来の共鳴点本来の共鳴点

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

20 ー CH 2 -OH は O 原子でスピン結合が非常に小さくなるので CH 3 CH 2 OH のプロトンスペクトルは OH CH 2 CH 3 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

21 スピン結合定数はコンフォメーションに依存する H φ H J φ 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!

22 ここで例題 MSG(Mono Sodium Glutmte: 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 NH 2 -CH(α)-CH 2 (β)-ch 2 (γ)-coon NH 2 ⅰ) 化学シフト α 位置には COOH と NH 2 が結合 β 位置は CH と CH 2 が結合 γ 位置は COON が結合化学シフトテーブルから β 位置の CH 2 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 CH(α) CH 2 (γ) CH 2 (β)

23 ⅱ) 次にスピン結合は? CH(α) はとなりに CH 2 (β) があるためトリプレットになる CH 2 (γ) も隣が CH 2 (β) なのでこれもトリプレットになる問題は CH 2 (β) であるこれは両側の影響を受ける CH(α)-CH 2 (β)-ch 2 (γ) Doublet(J 1 ) Triplet(J 2 ) J 1 CH(α) との結合で Doublet(J 1 ) J 2 次に CH 2 (γ) との結合で Triplet(J 2 ) 合わせると

24 最終的には CH(α) CH 2 (γ) CH 2 (β) NH 2 -CH(α)-CH 2 (β)-ch 2 (γ)-coon COOH

25 実際の実験試料を重溶媒に溶かす D 2 O, CDCl 3,(CD 3 ) 2 CO,C 6 D 6 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

26 シングルパルス法 ( 最もシンプルなプログラム ) RF-PULSE NMR-Signl(Free Induction Decy:FID) Fourier-Trnsformtion

27 ここでフーリエ変換ふたたび 1 F( ) e 2 i t f ( t) dt だと大変なのでコサイン変換だけを考える 2 F ( ) cos t f ( t) dt 0 ここの部分をよく見ると

28 1 = 0 2 = 0 s 3 x 5 = 値 4 = 0 5 = 0

29 s 一般に FID はという形をしている S(, t) S0 cos( t ) exp * T2 振動部分 t 減衰部分 FT 線幅 φ は? ω

30 φ は? 位相 FT

31 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 OH CH3は CH2は CHは Cは qurtet triplet doublet singlet CH 3 CH 2

32 2) スピンカップリングに対する解決策プロトン共鳴周波数の RF( ノイズ ) を照射 1 H Decoupling 13 C 13 C 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

33 CH 2 ( デカップリング無し ) CH 2 ( デカップリング有 ) 13 C の感度も上がる (NOE:Nucler Overhouser Effect)

34 MSG の 13 C スペクトル NH 2 -CH(α)-CH 2 (β)-ch 2 (γ)-c(2)oon C(1)OOH デカップリング無しデカップリング有 C(1) C(2) CH(α) CH 2 (γ) CH 2 (β) PPM NOE により感度アップ

35 13 C の化学シフト 1 H と同じような動き 13 C -C=O -C=C- CH n H 7 0

36 ベンゼン環の置換基分布について 1 置換 b 化学シフトを σ >σ b >σ c と仮定したとき c b 1 H b c 13 C b c 7ppm 120ppm

37 2 置換の場合 ( オルト ) 13 C b b b 120ppm Y Y b b b b 120ppm

38 メタの場合 13 C b b c c b 120ppm b b b c c b Y 120ppm

39 パラの場合 13 C 120ppm Y 120ppm Y

40 3 置換の場合 c Y Y Z b c b Z 120ppm c Y Z b c =Y=Z =b=c Z b Y 120ppm 120ppm

有機4-有機分析03回配布用

有機4-有機分析03回配布用 NMR( 核磁気共鳴 ) の基本原理核スピンと磁気モーメント有機分析化学特論 + 有機化学 4 原子核は正の電荷を持ちその回転 ( スピン ) により磁石としての性質を持つ外部磁場によって核スピンのエネルギー準位は変わる :Zeeman 分裂核スピンのエネルギー準位第 3 回 (2015/04/24) m : 磁気量子数 [+I,, I ] I: スピン量子数 ( 整数 or 半整数 )]

機器分析化学 ３．核磁気共鳴（NMR)法（1）

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