高等学校の化学への核磁気共鳴スペクトルの導入－１
橋本 典史＊

Introduction of Nuclear Magnetic Resonance Spectra into High School Chemistry - 1
Norifumi HASHIMOTO

概要
新高等学校学習指導要領は，平成 34 年度(令和 4 年度)から年次進行で実施される。高等学校
学習指導要領(平成 30 年告示)解説の理数編の「理数科における探究的な学習の③分析・考察・推論」において，得られたデータを分析し推論する一連の思考過程の重要性が挙げられている。
現在，高等学校の化学の有機化合物の構造解析では，ヨードホルム反応や銀鏡反応などの実験が教科書に記載されている。現在の有機化学の構造解析では，これらの実験を行って分子の構造を決定することはない。大学や研究機関等における有機化合物の構造解析には，核磁気共鳴スペクトルデータが必須である。この核磁気共鳴スペクトルデータに付随する内容は高度であるが，内容を厳選すれば高等学校レベルでも十分理解できる。
この論文では，核磁気共鳴スペクトルの基本的な内容と代表的な有機化合物のスペクトルデータを示し，未知の有機化合物の構造を決定する教育方法を述べている。この教育方法は，与えられたスペクトルデータを学生や生徒が分析して，有機化合物の構造を決定する一連の思考過程の形成に十分役立つ内容である。

Keywords : 高等学校の化学, 核磁気共鳴スペクトル, 新高等学校学習指導要領

現在の有機化合物の構造決定は，NMR(核磁気共鳴と1. 緒 言
医薬品の合成やプラスチックの製造の基となる化学呼ばれる)スペクトルを解析する分析方法が主流であ分野は，「有機化学」である。目標の有機化合物が狙いる。13C の炭素核と 1H の水素核から得られる情報を基に通りに合成(目標の構造になっている)されているかどして，有機化合物の構造を解析する。

うかを確認するために，その有機化合物を分析するこ

NMR を高等学校レベルの教育課程に取り入れる試みとは重要な手続きである。

は報告されているが，内容が高度なため，実際に報告

高等学校レベルの化学の教科書等において紹介され例に沿った学習を行うのは困難であると思われる 1)-2)。ている有機化合物の分析方法として，ヨードホルム反新学習指導要領には，得られたデータを分析し推論応，フェーリング反応，銀鏡反応，オゾン分解などがあする一連の思考過程の重要性が挙げられている。このる。生徒や学生は，これらの分析方法が現在でも「有機論文では，NMR の基本と代表的な有機化合物の NMR ス化学」の分析方法として使用されていると思っている。

ペクトル 3)(13C NMR スペクトルと 1H NMR スペクトル)を残念ながら，有機化合物の構造決定において，これら解説し，与えられた未知の NMR スペクトルから，そのの分析方法を用いることはない。

有機化合物の構造を決定することを目指す。

＊ 香川高等専門学校 一般教育科135

独立行政法人国立高等専門学校機構香川高等専門学校研究紀要 13(2022)

2. NMR の基本と NMR スペクトルの解説

学生や生徒に提示するスペクトルデータに関して，

1313

有機化合物の分子において， C NMR スペクトルで得C NMR スペクトルでは各シグナルに，化学シフト値とられる情報は，分子中の化学的環境が異なる炭素の数炭素に結合している水素の情報(C，CH，CH2，CH3)を付と種類である。

記し，1H NMR スペクトルでは各シグナルに化学シフト

1H NMR スペクトルで得られる情報は，分子中の化学値とシグナルの積分による H の数を付記した。

113

C の化学シフトおよび 1H の化学シフトを各々表1 と的環境が異なる水素の数と種類である。更に，H NMR ス
ペクトルでは，シグナルが分裂するものがあり，分裂表 2 に示す。これらの表は，有機化合物の構造解析にのパターンや分裂したシグナルの間隔からも水素に関大いに役立つ。これら 2 つの表の数値を学生や生徒にする情報が得られる。この論文では，シグナルの間隔は記憶させない。実際の授業や試験では，これら 2 つについての情報は扱わない。加えて，シグナルの積分の表を示し，学生や生徒に利用させて，未知化合物のと分子式から，そのシグナルの H の数が算出される。

構造を決定させる。

131

化学シフトとは， C または H のシグナルが，それぞ取り扱わない内容として，脂環式化合物，ベンゼン環れのスペクトル上で表示される位置のことである。単以外の芳香環の環状物，ベンゼン環の3以上の置換体，位はｐｐｍ。13C NMR スペクトルの 13C の化学シフトかシス－トランスの異性体の区別，直鎖状炭素骨格の炭らカーボン(炭素)の種類が推定できる。例えば，カル素原子数が 5 以上のもの，複素環化合物。

1ボニル基の炭素であるなど。一方， H NMR スペクトルの 1H の化学シフトからプロトン(水素)の種類が推定できる。例えば，ベンゼン環の水素であるなど。ここで使表21H NMR スペクトルの化学シフト13用している「カーボン」とは C の炭素核のことであり，「プロトン」とは 1H の水素核のことである。

表11313C NMR スペクトルの化学シフト

C の種類

化学シフト/ppm

136

1H の種類

化学シフト/ppm

橋本典史 : 高等学校の化学への核磁気共鳴スペクトルの導入ペ１3. 分子式 CxHyO の NMR スペクトルの解説⑥シグナルの化学シフト値と炭素の種類を記入したエタノールの 13C NMR スペクトルの図 3 を示す。

NMR の専門書とは異なり，分子式 CxHyO で表される有機化合物の 13C NMR スペクトルと 1H NMR スペクトル⑦エタノールの CH3CH2O の炭素核の各化学シフト値を最初に取り扱う。酸素原子を 1 つ含む有機化合物にが表 1 の記載内容と矛盾しないことを確認する。エタは，アルコール，エーテル，アルデヒドおよびケトンがノールには化学的環境が異なる炭素は 2 種類しかないある。これらは有機化合物の根幹物質である。

ので，これで終了する。

各 NMR スペクトルの化学シフト値の基準となる物質⑧各シグナルの化学シフト値と水素数を記入したエ
タノールの 1H NMR スペクトルの図 4 を示す。のシグナルは省略している。
①シグナルの化学シフト値と炭素の種類を記入した⑨CH3 の H，CH2 の H は化学的に等価である。これら

13

メタノールの C NMR スペクトルの図 1 を示す。の隣接する 2 種類の H は，カップリングという現象を②メタノールの CH3O の炭素核の化学シフト値が表 1引き起こす。CH3 の H は隣の CH2 の H が 2 個あるため，13の C NMR の化学シフト値の範囲に入っていることをCH3 のシグナルは，2+1 の 3 本に分裂する。一方，CH2 の確認する。メタノールには化学的環境が異なる炭素はH は隣の CH3 の H が 3 個あるため，CH2 のシグナルは，1 種類しかないので，これで終了する。

3+1 の 4 本に分裂する。この現象は，n+1 則と呼ばれて③各シグナルの化学シフト値と水素数を記入したメいる。n は隣接する等価な H の数を表す。

1タノールの H NMR スペクトルの図 2 を示す。

⑩エタノールの CH3，CH2 および OH の水素核の各化④CH3 の H は化学的に等価であるため，1 本のシグナ

学シフト値が表 2 の記載内容と矛盾しないことを確認

ルとして表れていることを伝える。一方，OH の H は独する。OH の H の形状はメタノールと同様で，OH 基の特特な形をしていることをシグナルを拡大して示す。

徴である。エタノールには化学的環境が異なる水素は⑤メタノールの CH3 と OH の水素核の化学シフト値が3 種類，各シグナルの積分値も矛盾しないので，これで1

表 2 の H NMR の化学シフト値の範囲に入っていること終了する。

を確認する。メタノールには化学的環境が異なる水素⑪エタノールの分子式 C2H6O は NMR スペクトルの情は 2 種類しかないので，これで終了する。

報によって，CH3CH2OH の構造であると確定された。

49.8

CH3OH
49.8

図 1 メタノールの 13C NMR スペクトル3.48OH

4.3

3H

3.484.3

1H

図 2 メタノールの 1H NMR スペクトル137

独立行政法人国立高等専門学校機構香川高等専門学校研究紀要 13(2022)

57.9

17.4

CH2CH3図 3 エタノールの 13C NMR スペクトル1.183H3.592H
4.71H

図 4 エタノールの 1H NMR スペクトル4. 分子式 CxHyO の NMR スペクトルの講義内演習

ペクトルである図 9～図 16 を講義内演習②として学生①分子式 C3H8O のアルコールに関して，シグナルのや生徒に示す。

13

化学シフト値と炭素の種類を記入した C NMR スペク⑦各アルコールの 13C NMR スペクトルから，化学的環トルとシグナルの化学シフト値とその水素数を記入し境が異なる炭素に関して，図 9 は 4 種類，図 11 は 4 種

た 1H NMR スペクトルである図 5 と図 6 および図 7 と図類，図 13 は 3 種類，図 15 は 2 種類。特に，図 9 と図8 を講義内演習①として学生や生徒に示す。
各図の四角

15 のアルコールの分子構造は極めて容易に決定できる。に囲まれた分子式と名称は，当然隠した状態にする。

つまり，図 9 と図 10 は，1-ブタノールであり，図 15 と13②図 5 と図 7 の C NMR スペクトルから，2 種類のア

図 16 は，2-メチル-2-プロパノールである。

ルコールの構造が容易に推定できる。化学的環境が異⑧図 11 と図 13 のアルコールの顕著な違いが明確になる炭素は，図 5 のアルコールは 3 種類，図 7 では 2示されているのは，2 種のアルコールの 1H NMR に関す種類である。各化学シフト値は表 1 を満足している。

る CH のシグナルの分裂様式である。図 12 の CH の H は

1③各シグナルの化学シフト値と積分値を記入した H6 本に分裂しているため，CH は CH2 と CH3 が隣接してい

NMR スペクトルの図 6 と図 8 のシグナルの分裂様式は，ると予想される。一方，図 14 の CH の H は明らかに 6n+1 則を満足している。各化学シフト値は表 2 の範囲本以上に分裂しているため，CH に隣接している C にはに存在している。

多くの H が存在していると予想される。つまり，図 11④図 5 と図 6 は，1-プロパノールであり，図 7 と図と図 12 は，2-ブタノールであり，図 13 と図 14 は，2-8 は，2-プロパノールであることが結論付けられる。

メチル-1-プロパノールである。

⑤NMR 測定は試料を破壊しない測定である。
試料を破⑨全てのスペクトルの化学シフト値は，表 1 と表 2壊するヨードホルム反応による構造解析は全く意味がの範囲に存在し，各 1H NMR の各シグナルの積分値から無いことが容易に理解できる。

算出された水素数とそのシグナルに関連する分裂様式⑥次に，分子式 C4H10O のアルコールに関して，C3H8Oに矛盾がないため，分子式 C4H10O のアルコールの 4 種のアルコールと同様な情報を付記した 2 種類の NMR ス類の構造が特定される。

138

橋本典史 : 高等学校の化学への核磁気共鳴スペクトルの導入ペ１65.0

CH226.3

10.1CH2CH365.0

10.1

OH26.313

図5C NMR スペクトル (講義内演習①) 1-プロパノール
3.590.94

2H3H
1.592H

4.71H1

図6H NMR スペクトル (講義内演習①) 1-プロパノール

25.3

CH364.2

CH

図713C NMR スペクトル (講義内演習①) 2-プロパノール
1.21

6H

4.8

4.02

1H

1H

図81

H NMR スペクトル (講義内演習①) 2-プロパノール

139

独立行政法人国立高等専門学校機構香川高等専門学校研究紀要 13(2022)

62.5

34.4

18.7

14.1

CH2

CH2

CH2

CH313

図9C NMR スペクトル (講義内演習②) 1-ブタノール
0.94

3H

3.642H1.562H
4.7

1.391H

2H

1

図 10H NMR スペクトル (講義内演習②) 1-ブタノール

70.332.823.2

9.5CHCH2CH3CH3

図 1113C NMR スペクトル (講義内演習②) 2-ブタノール
1.233H

0.89

3H
4.84.03

1.461H2H1H

図 121H NMR スペクトル (講義内演習②) 2-ブタノール

140

橋本典史 : 高等学校の化学への核磁気共鳴スペクトルの導入ペ１

図 1369.5

30.9

19.2

CH2CHCH313C NMR スペクトル (講義内演習②) 2-メチル-1-プロパノール
0.91

6H

3.452H

図 144.24

1.321H1H

1H NMR スペクトル (講義内演習②) 2-メチル-1-プロパノール

30.9

CH370.3C

図 1513C NMR スペクトル (講義内演習②) 2-メチル-2-プロパノール
1.209H

4.491H

図 161H NMR スペクトル (講義内演習②) 2-メチル-2-プロパノール

141

独立行政法人国立高等専門学校機構香川高等専門学校研究紀要 13(2022)

59.3

CH3

図 1713C NMR スペクトル (自宅演習) ジメチルエーテル
3.306H

図 181H NMR スペクトル (自宅演習) ジメチルエーテル

67.7

59.0

14.9

CH2CH3CH3

図 1913

C NMR スペクトル (自宅演習) エチルメチルエーテル
3.23

3H
1.18

3H

3.53

2H

図 20

1

H NMR スペクトル (自宅演習) エチルメチルエーテル

142橋本典史 : 高等学校の化学への核磁気共鳴スペクトルの導入ペ１

66.3

15.2

CH2CH313

図 21C NMR スペクトル (自宅演習) ジエチルエーテル
1.216H

3.48

4H

図 22

1

H NMR スペクトル (自宅演習) ジエチルエーテル

75.2

59.3

CH2CH375.2

10.4

10.4

CH2CH359.3

O22.7

図 2322.713C NMR スペクトル (自宅演習) メチルプロピルエーテル
3.23

3H
3.350.99

3.35

1.49

3.23O2H

図 24

1H NMR スペクトル (自宅演習) メチルプロピルエーテル

143

1.490.99

2H3H

独立行政法人国立高等専門学校機構香川高等専門学校研究紀要 13(2022)

22.0

図 25

76.3

56.5

CHCH3CH313C NMR スペクトル (自宅演習) メチルイソプロピルエーテル
3.41

1.13

3H

6H

3.651H図 26

1H NMR スペクトル (自宅演習) メチルイソプロピルエーテル

5. 分子式 CxHyO で表されるエーテルの自宅演習

参考文献①図 17～図 26 に分子式 CXHYO のエーテル(炭素数は131)楠山芳章,根来武司,化学教育における NMR(核磁気共12～4)の C NMR スペクトルと H NMR スペクトルを自宅鳴スペクトル)の利用,和歌山大学教育学部実践研究セ演習として学生に配布する。各図の四角に囲まれた分

ンター紀要,8,157-164,1998.

子式と名称は，当然隠した状態にする。

2)伏見圭司,谷俊雄,熊野善介,化学教育における有機
1②エーテルでは OH 基特有のシグナルが H NMR スペ

化合物の構造決定の手法を応用した教育教材-NMR パズ

クトル上に現れないが，学習したシグナルの分裂様式

ル-,日本理科教育学会東海支部大会研究発表要旨の n+1 則と表 1 と表 2 で各スペクトルの化学シフト値

集,58,A11,2012.

を確認できる。

3)各 NMR スペクトルは，PerkinElmer の ChemBioDraw を用いて作成した。

6. 結 言
今回示した教育方法によって，学生や生徒は，核磁気共鳴スペクトルの基本的な内容と代表的な有機化合物のスペクトルデータを理解し，未知の有機化合物の構造を決定する手順を習得できる。つまり，この教育方法は，新学習指導要領の目標の一つである「学生や生徒が，得られたデータを分析し推論する一連の思考過程の形成」に役立つ内容である。
次回は，アルデヒド，ケトン，カルボン酸の NMR ス
ペクトルの教材を開発し，その有効性を示したい。

144