NMR 装置を用いた有機物質の構造解析の基礎○西村真弓、近藤一元
工学系技術支援室

分析物質技術系

はじめにNMR（核磁気共鳴）装置は、有機化合物の構造に関する情報が多く得られ構造の決定に大きく寄与していることから非常に高い頻度で測定が行われている。そのため担当の技術職員には NMR の性能を常に高い状態に保持することが求められており、日々の管理業務としてパラメータの設定やシム調整などの操作を行いながら装置の性能維持に関わる基礎事項を習得してきた。しかし測定業務についてはまだ経験が十分ではなかった為、今後の測定依頼に柔軟に対応できるよう、また NMR についての知識・理解を更に深めることを目的とし、装置を用いて有機物質の構造解析を行うこととした。

１．使用する装置とサンプル解析を行う試料は l-menthol（溶媒 CDCl3、内部標準として TMS 添加、図 1）、装置は Varian 社 INOVA 700MHzを用い、1H－および 13C－NMR の様々な測定を行った。既知情報として分子式 C10H20O であることが与えられているとする。個々の測定で得られる情報をまとめ、NMR 初心者が有機物質の構造解析を行う際にどのような測定を選択すればよいかという基礎的な流れを習得した。

２．測定項目詳細
構造解析のために、以下 6 つの測定を行った。

2.11

図1. l-menthol

H－NMR

分子中のプロトン核の個数、化学的環境、カップリング様式など、分子構造に関する情報が読み取れる。図2 に得られたスペクトルを示し、表 1 に各ピークについてまとめた。この結果より、20 個のプロトンを持っていると推測され、先に与えられた分子式のプロトンの数と一致することが確認できた。
表1.

図2.

1 H-NMRスペクトル（溶媒中の CHCl3 シグナルはδ7.27 に確認）

1H-NMRスペクトルの分類

3.41

td

1Coupling
Constants(Hz)10.5, 4.7

2.14-2.20m

1-

1.95-2.00m

1-

1.65-1.70m

1-1.55-1.63m

2-

1.38-1.48m

1-1.09-1.15m1-0.93d3

7.00.92d3

6.3

0.83-1.030.81md337.0

Peak at(ppm)

SplittingPatternIntegral

2.2

13C－NMR分子中の異なった種類の炭素の数とその核の化学的環境の情報が得られる。この結果より、10 個の炭素を持っていると推測され、先に与えられた分子式の炭素の数と一致することが確認できた。

13C-NMR (CDCl3)
δ71.71, 50.28, 45.1934.69, 31.79, 25.99
23.29, 22.35, 21.15
16.24

図3.

13 C-NMRスペクトル（溶媒のシグナルはδ77.16 に確認）

2.3
13DEPT

C－NMR で得られたシグナルが、CH3, CH2, CH, 四級炭素のいずれからのものであるかが同定できる。

結果を図 4 に示す。これより、化学的環境が異なる CH3 は 3 個, CH2 は 3 個, CH は 4 個, 四級炭素は 0 個含まれることがわかった。13C-NMR との結果のまとめを表 2 に示す。
CH3 carbons

表2. 13 C-NMRとDEPT
13CH2 carbons

CH carbons

all protonatedcarbons

図4.

DEPTスペクトル

C Peak at(ppm)

DEPT

Carbonnumber71.71

CH

C150.28

CH

C245.19

CH 2C334.69

CH 2C431.79

CHC525.99

CH

C623.29

CH 2C722.35

CH 3C821.15

CH 3C916.24

CH 3C10(ppm)

DEPT 結果から H と C の数を計算すると、[CH3]×3＋[CH2]×3＋[CH]×4＝[C10H19]である。ここで、この物質の分子式が[C10H20O]であることと比較すると、[OH]基が存在することが推測される。

2.41HETCOR

H の化学シフトとそれに結合する 13C の化学シフト上に相関ピークが得られ、1H-13C の相関が検出される。

結果を図 5 に示す。

C2C1C3C4C7C5C8C9 C10C613 C-NMR
1 H-NMR

図5.

HETCOR スペクトル

ここで、2.3 DEPT 結果よりこの物質には OH 基が存在していることが推察されている。OH 基が置換していると電子求引性の誘起効果を与えることが知られており、より低磁場側でシグナルが観測されるようになる。よって、OH 基は C1 に置換していることが考えられる。
HETCOR による 1H-13C 相関をまとめたものを表 3 に示す。

表3.
1HETCORで判明した 1 H-13 C相関

H Peak at(ppm)

Numberscheme

3.41

11.55-1.63(OH)1.09-1.15
1.95-2.00

23a0.83-1.03
1.65-1.70

3b4a0.83-1.03

4b1.38-1.48
2.14-2.20

561.55-1.63

7a0.83-1.03
0.92

7b813

C Peak at(ppm)

DEPT

71.71

CH50.28CH

45.19

CH234.69

CH231.79
25.99

CHCH

23.29

CH222.35

CH30.93921.15

CH30.811016.24CH3

2.5

1H-1H COSY

2 または 3 結合だけ離れた 1H 同士を検出する。結果を図 6 に示す。
9 861

7a4a3a25107b4b3b対角ピーク
104b8
9 7b, 3b2
57a, 4a5/4, 5/87a/2, 7a/7b4a/7b, 4a/4b3a/5,3a/3b3a6

相関ピーク（交差ピーク）

6/2, 6/9, 6/10

11/3a1/2 1/3bCH3(8)
CH(5)

図6.

91

6 3aCH2(3)CH2(7)CH(1)COSYスペクトル

これらの相関を満たす構造は図 7 となり、menthol の骨格と推定できた。

7a4a 5CH2(4)8CH(2)OHCH(6)

10CH3(9)7b3b2 4b

図 7.
2.6CH3(10)COSY からの推定構造式

NOESY

NOE を観測し、プロトン間の空間的な近さを確認する。結果を図 8 に示す。
8 10 4b97b, 3b2
57a, 4a5/1

3a63a/1

この結果より、3 位の水素 a に対して 1 位の水素と 5位の水素が空間的に近いことが判明した。すなわち、5/3a

1 位の炭素に結合している OH 基と、5 位の炭素に結合している 8 位の CH3 基が空間的に近いということとなり、図 1 に示したような menthol であることが確認できた。

しかし、今回行った測定では鏡像異性体の旋光度の違1いを判別することは難しく、d 体 l 体を判別することはできなかった。
図8. NOESY スペクトル３．まとめ
構造解析を行った物質は 1H-NMR によって 20 個の水素を有し, 13C-NMR によって 10 個の炭素を有することがわかった。また、DEPT 測定によって CH3 基が 3 個、CH2 基が 3 個、CH 基が 4 個含まれることがわかり、先に与えられた分子式から OH 基を有することが考えられた。HETCOR 測定によって 1H-13C 相関が、COSY測定によってプロトン同士の相関が得られ、また NOESY によってプロトン間の空間的な近さを確認できた
ことで分子の位置関係が推察され、C10H20O の menthol と同定できた。

おわりに有機物質の構造解析を目的としたときに測定すべき基礎的な項目を実施した。しかし、より複雑な物質が対象となった場合は COSY だけではプロトン共鳴の明確な解析ができなくなることもあり、補完情報として同じ J 結合ネットワーク上のプロトンスピン系を決定する TOCSY 法やロングレンジの 1H-13C 相関が観測される gHMBC 法を用いることも一般的である。これらの実験も含め今後も更なる技術の習得を目指していきたい。

参考文献
1)

福士江里,宗宮創

これならわかる二次元 NMR

2)

Varian ユーザーズミーティング資料 (2008)

化学同人 (2007)

pp.3-29.

pp.14-21.