まえがき
核磁気共鳴 NMR は機器分析法の一つですが，これほど長年にわたって進歩し続けてきた例は，ほかにないのでは，と思います。近年では，NMR の最大の弱点である感度の低い点を改善すべく，超高磁場化，動的核偏極 DNP 法，
超高速マイクロプローブの開発など，依然として進歩し続けています。一方，
NMR を使う研究者は多くおられるように思いますが，NMR で新しいことにチャレンジしようとする，若い研究者は減ってきているようにも感じられます。
そこで，本書では幅広い研究分野で，現在，活発に活躍されておられる
NMR 研究者，すなわち NMR の威力や魅力を十分に知り，それを使いこなしている約 40 人の研究者を選び，研究内容を紹介いただくとともに，これまで社の NMR を用いた研究を通して感じてきた想いを熱く書いていただきました。
40 人の NMR 研究者の選び方については，浅野，出村，中澤，長澤，堀，松田，三輪，山崎，山本，朝倉 （敬称略）に，各 10 人ずつ，現役の NMR 研究者の中から候補者をあげていただき，その中から，40 人を選びました。そしロナて執筆いただくテーマによって便宜的に「合成高分子・先端材料」「生体分子」「医療・医薬」「分析・NMR の進歩」の 4 分野に分けました（「分析・NMR の進歩」では，装置の進歩，解析する方法論の進歩，NMR の新しい使い方など，
前の三つの分野に収まらないテーマをまとめています）。執筆していただきた
い方は，もっと多かったのですが，分野が重ならないようにしました。特に，生体分子の分野での NMR 研究の候補者は多く，その選考には苦労しました。

コ

執筆いただいた研究者からは，今までこのような研究経験から得た感激をぜ
ひ書きたかった，あるいは若い人にそれを伝えたかったという声を数多くいただきました。

本書は，大学や研究所で NMR を使って研究を始めようとする学部生，大学院生，若手研究者，あるいは，NMR の分野で現在，活躍されておられる大学
教員や研究員の方，あるいは，NMR を購入して新たに研究を開始しようとされる会社の責任者の方など，これから NMR 研究に携わろうとする方ならびに，現在，携わっている方にも一読をお勧めしたいと思います。
最後に，本書の出版にかかわっていただいたコロナ社の皆さんに厚くお礼申し上げます。
2011 年 2 月

朝倉

哲郎

i

目

テーマ

分野

緩和現象とポリマーブレンド，ナノコンポジット

固体

緩■合成高分子和物の種類

ポリマーブレンド

フッ化ビニリデン系高分子の結晶相転移における構造変化

固体19

F CP/MAS

含フッ素高分子

パルス NMR によるポリエチレンの構造形成機構の解明

固体

パルス NMR

ポリオレフィン

高分子固体の自由体積空間のサイズ決定

固体

Xe NMR

ガラス状高分子加硫ゴムの架橋点の構造決定

固体

FG-MAS

共重合ポリエステルの長距離連鎖構造解析

溶液

2 次元 CH，
モデル化合物

コポリマー

C 化学シフト計算

ポリオレフィン

CP/MAS，MQMAS，
2D DOQSY
1
H 固体，緩和，
2 次モーメント
磁場勾配，
電場印加 NMR

無機固体酸塩，
燃料電池

固体

水素結合型無機固体酸塩におけるプロトン伝導メカニズム

固体

ロ
ナ

有機 EL 材料の構造と発光特性

溶液

13

社

ポリオレフィンの立体規則性と回転異性体近似

溶液

電池材料の中のイオンの動きを見る

テーマ

分野

ゴ

ム

有機 EL

リチウム電池

■生 体

方法論

物の種類

H 化学シフトDNA 転写因子1ペプチドの機能と構造：最小へリックスの暗号溶液

蛋白質の分子形態変化の観測

溶液

DIORITE 法

膜結合生理活性ペプチドの固体 NMR 構造解析

固体

化学シフト振動解析

エラスチンの固体 NMR 構造解析

固体

細胞内環境での蛋白質の立体構造解析

溶液

野生種の蚕が作り出す特殊な絹の構造を見る

固体

常磁性 NMR が拓く分子科学の新しい世界溶液

常磁性 NMR蛋白

高圧力 NMR で見る蛋白質の高エネルギー構造の世界

溶液

高圧力 NMR，
多次元 NMR蛋

白キチンの水素結合構造

固体

C 化学シフト糖

鎖

レチナール蛋白質の固体 NMR 構造解析

固体

REDOR

蛋

白

家蚕絹の繊維化前の構造の決定

固体

2 次元スピン拡散，
REDOR

コ

ii

方法論

2 次元スピン拡散，
REDOR
in-cell NMR，
多次元 NMR2 次元スピン拡散，
REDOR

13

蛋

白

ペプチド
ペプチド
蛋

白

ペプチド

ペプチド，蛋白次（執筆者の所属は 2011 年 3 月現在）

・先端材料■

キーワード

執筆者

所

PMAA / PVAc

モルフォロジー

浅野敦志

防衛大学校

2

PVDF

構造解析，相転移，
結晶，非晶

安藤慎治

東京工業大学6

超高分子量 PE

非晶構造，分子運動性

上原宏樹

群馬大学

10

PS，PC

気体透過性

吉水広明

名古屋工業大学

14

加硫天然ゴム

架橋点，溶液状態測定

河原成元

長岡技術科学大学

18

polyester

連鎖分布性

松田裕生

PP, PB

立体規則性

朝倉哲郎

Alq3

デバイス，発光特性

梶弘典

CsHSO4

プロトン伝導性林

繁信

Li, F イオン輸送，
LiPF6

方法論

分 子■

帝人株式会社齋藤唯理亜

属

構造解析研究所

ページ

22

東京農工大学

26

京都大学

30

産業技術総合研究所

34

産業技術総合研究所

38

社

ロ
ナ

物

キーワード

執筆者

所

DNA 結合，転写

出村

誠

北海道大学

42

高分子量蛋白

方法論

楯

真一

広島大学

46

内藤

晶

横浜国立大学50

University of Hawaiʼi at Manoa（ハワイ大学マノア校）

54

生体膜，ハチ毒
生体素材

コ物

DNA 結合蛋白

磁場配向膜
弾

性

大郷耕輔

属

ページ

大腸菌，細胞内伊藤隆

首都大学東京58

シルク

エリ蚕，構造中澤靖元

東京農工大学62

ミオグロビン

構造と機能

山本泰彦

筑波大学

66

b ユビキチン

運動性，構造変化

北原

立命館大学

70

キチン

結晶，非晶

農業生物資源研究所

74

ビタミン A

異性化

川村

出

横浜国立大学

78

構

朝倉哲郎

東京農工大学82

TTHA1718

シルク

造

亮

亀田恒德

iii

テーマ

分野

アルツハイマー ㌼ アミロイド構造の解析

固体

蛋白質複合体相互作用部位の決定

■医療・

方法論
13

物の種類

C 相関 2 次元 NMR

蛋

白

溶液

飽和移動法

蛋

白

HIV プロテアーゼ / 阻害剤複合体の NMR 構造解析

溶液

NOE，多次元 NMR蛋

白生理活性ペプチド含有脂質膜の固体 NMR 解析

固体

角度依存固体 NMR，
REDOR

ペプチド

マイトトキシンの構造決定

溶液

多次元 NMR

天然有機化合物

海産マクロライドの全合成と NMR 構造決定

溶液

NOE

天然有機化合物

13

温度可変 C NMR，
化学シフト
CP/MAS，DD/MAS
温度可変

固体

血液適合性ポリマーの分子運動と活性の相関

固体

ヒト脳の MRI 画像コントラストは何で決まるか

MRI

MRI

生

体

溶液

in vivo NMR

生体

生きている蚕体内の絹構造を NMR で直接見る

有機化合物
血液適合性

■分析・NMR

分野

方法論

溶液

LC-NMR，DOSY

合成ゴム，
プラスチック

医薬品不純物および代謝物の構造決定と LC-NMR

溶液

LC-NMR，分離

有機化合物

LC-NMR の化粧品分析への応用

溶液

物の種類

LC-NMR

有機化合物
代謝物

1

尿の NMR メタボノミクス

溶液

H NMR，
多変量解析

コ

一次構造の分布

ロ
ナ

テーマ

社

医薬品の結晶多形の解析

合成高分子の NMR スペクトルの分光学的分離法

溶液

多変量解析

ポリアミド

不均一系材料中のドメイン成分抽出（ROSY 法）

固体

ROSY 法

混合材料

鉄鋼スラグの精密構造の決定

固体

無機ガラス・融体

固体 2 次元 NMR 測定における時間短縮

固体

MQMAS，
高温 in-situ NMR
Hadamard 法，
多次元 NMR

超微量高速固体 NMR プローブの開発

固体

超微量 NMR

有機化合物

DNP 高感度固体 NMR による膜蛋白質構造解明

固体

DNP-CP 法

強磁場固体 NMR

固体

超高磁場 NMR

有機化合物

有機化合物，
蛋白
有機化合物，
無機化合物■ NMR を学ぶための
■ 注
iv

医薬■

物

キーワード

執筆者

所

属

ページ

University of Illinois at Chicago（イリノイ大学シカゴ校）

86

嶋田一夫

東京大学

90

療

山崎俊正

農業生物資源研究所

94

ハチ毒

生体膜

堀由美子

昭和大学

98

マイトトキシン

医療，毒

村田道雄

大阪大学

102

海綿，
マクロライド

全合成，医薬長澤和夫
中田 忠

東京農工大学
東京理科大学106

インドメタシン医療，医薬品

増田勝彦

田辺三菱製薬株式会社

110

三輪優子

株式会社東レリサーチセンター

114

三森文行

国立環境研究所

118

東京農工大学122

医

コラーゲン結合蛋白質

療

相互作用部位

HIV プロテアーゼ

医

医

PEMA
脳内の水

療

医療，緩和

蚕

構

の進歩■

造

朝倉哲郎

キーワード

執筆者

高分子特性解析

右手浩一

酢酸ゲラニル

医療，代謝

紫外線吸収剤

化粧品，ヘルスケア

ロ
ナ

物

EPDM，
アクリル樹脂

尿

医

療

ページ

株式会社東レリサーチセンター

130

福原忠雄

株式会社資生堂

134

明樂一己

松山大学

138

木村一雄

株式会社東レリサーチセンター

142

西山裕介

日本電子株式会社

146

新日本製鐵株式会社150

淳

アジレント・テクノロジー株式会社

154
158

川口

謙

スラグ

サイト決定，四極子核

金橋康二

時間短縮，高感度化，
方法論

芦田

コ

属

126

アセトアミノフェン，
エタンザミドアセチルベンゼン，
ヒスチジン

所

徳島大学

成分分離，方法論，
混合割合
成分分離，方法論，
医薬品

ナイロン 6，66

社

石井佳誉

アミロイド

アラニン

高感度化，装置，方法論

山内一夫

King Abdullah University of Science and Technology（アブドラ国王科学技術大学）

脂質二重膜

高感度化，装置，方法論

藤原敏道

大阪大学

162

葉緑素

高感度化，装置

物質・材料研究機構

166

清水

禎

参考図書─推薦図書 ■ 170
釈 ■ 178v

凡例

1 ページ目

2 ページ目溶液 NMR
溶液 NMR

分野

ポリオレフィンの立体規則性とポリオレフィンの立体規則性と回転異性体近似
回転異性体近似條先生と一緒に，ポリオレフィンの 13C NMR 立体規則性ピークの計算を行う

執筆者

朝倉哲郎
朝倉哲郎

構造を回転異性状態近似によって取り扱うためのモデルの作成とそれに基づく

13高分子の物性や構造評価の研究が蓄積されていた。もともと，高分子の両末端13側鎖がメチル基の PP とエチル基の PB について，立体規則性化学シフトを計算することからスタートした。当時，PP の立体規則性ピークの帰属は行われていたが，PB についてはまったく手が付け（ a ） PB

られていなかった。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

社

■研究の内容立体規則性化学シフトは，炭素間の位置関係

がゴーシュ状態にある確率と c 効果との積で評価した。確率は，PP 鎖のランダムコイル状態

1

研究の内容についてを取り扱う，Suter Flory による 5 行 5 列の回転異性状態マトリックス を用いて計算した。
簡単に紹介

mmmm
mmmr
rmmr
mmrr
mmrm
rmrr
mrmr
rrrr
mrrr
mrrm

2 3 4 5 6 7 8 9 10

（ b ） PP

分析・

1）

図 2 は，PP と PB の主鎖に直接結合していみを実測と一致させた以外，計算にはまったく実測の情報を用いていない。それにもかかわら3 ページ目

23

4 5 6 78 9 10−1 . 0
化学シフト〔ppm〕−2 . 0

図 2 PB および PP の側鎖メチレンおよび側鎖メチルピークと化
学シフト計算に基づく帰属

27

4 ページ目ず，計算値と実測値を対応させることによって，容易に帰属を行うことができ個の炭素の立体規則性ピークの帰属も詳細に行うことができた 3 ）。さらに，帰た。このことは，回転異性状態マトリックスが，高分子鎖のランダムな構造を属された 4 個の炭素の立体規則性ピークから独立に計算した PB の立体規則性

研究の内容
の続き
しかしながら，そう単純ではなかった。立体規則性のあまり変わらない両ポ

は，おのおのの間できわめてよく一致し，帰属が正しいことが証明された。

リマーの主鎖メチレン炭素の実測（図 1）を見てみると，PP では立体規則性

ること，計算によって立体規則性ピークの源を明らかにできること，回転異性13的確に再現していること， C 溶液 NMR 立体規則性化学シフトがその検証デーに基づくシフト差は 2 . 5 ppm に及ぶのに対し，PB では 0 . 2 ppm しかなかった。
この分裂の大きな違いの原因はまったくわからなかった。この違いが計算で説明できなければ上述の結論とはならない。そこで，悲壮な決意で主鎖メチレ
ン炭素の立体規則性化学シフトの計算にチャレンジした。その結果，見事にそ

mmr

mmm

rrr

rmr

mrm

C

C

−0 . 5

詳細については，下記の文献を参照のこと。
C

C

C

C
vss

C

r

C

1 ） U. W. Suter and P. J. Flory : Macromolecules, 8, pp. 765〜776（1975）
2 ） T. Asakura, S. Omaki, S. N. Zhu and R. Chujo : Polymer J. 16, pp. 717〜726（1984）
3 ） T. Asakura, M. Demura, K. Yamamoto and R. Chujo : Polymer, 28, pp. 1037〜m
計算結果に，実験的に容易ではないポリオレフィンの 13C NMR スペクトルの帰属を計

つぎに化学シフト計算に基づいて帰属を報告していった。

vmm
C

C

0.5
0.0

C

研究内容についてさらに詳しく知りたい読者のために文献をに帰属されていない，さまざまなポリオレフィンの立体規則性について，つぎ3 件程度紹介

体近似は溶液中の高分子鎖のランダムコイル状態を正確に再現すること，さら算のみで行えると結論することができた。その結果に強い自信をもち，実験的実測結果−1 . 0：主鎖炭素からの寄与（vm）， ■：側鎖炭素からの寄与（vs），●：主鎖と側鎖炭素からの寄与（vm＋vs）■最後にひと言深夜，学生と研究室に残り，計算し終えたばかりの PB の主鎖メチレン炭素について個別の計算結果を前にした。主鎖からの c 効果と側鎖からの c 効果の計算結果を，立体規則性ピークごとに 1 個 1 個加えていった。きれいにキャンセルされ，立体規則性による分裂がほとんどなくなり，分裂の大きな PP とまったく違った計算結果となった。これまで，まったくわからなかった PP とPB の著しい分裂の違いの原因が明らかとなった。溶液中で時間平均として出る。一方，PP では側鎖がメチル基であるので，主鎖の炭素からの c 効果（ ）現する高分子の主鎖と側鎖が動いている様子が浮かんできて，回転異性状態近のみの寄与であり，打ち消し合うことがないので立体規則性によるシフト差は似が溶液中の高分子のランダムコイル鎖を見事に再現している，と確信するに大きいままである。図 1 の計算結果（棒スペクトル）は，最終的に，実測結果至った瞬間であった。

N
M
R

の進歩

効果（■）が加わり，両者がほぼ打ち消し合ってシフト差（●）がわずかにな

分析・

これから NMR を使って研究を行う
人に対するアドバイス，自らの研究
c 効果（ ）に，さらに側鎖がエチル
すなわち，PB では主鎖の炭素からのc 位となるため，その炭素からの c基であるので，側鎖末端メチル基の炭素がのエピソードなど
図 3 PB の主鎖メチレン炭素の 13C NMR 立体規則性化学シフトに及ぼす c ゴーシェ効果の理論的計算

1040（1987）

医療・医薬Dd〔ppm〕

1.0

mrrの違いを計算によって再現することができた（図 3）。

このことから，立体規則性で分裂したすべての 13C NMR ピークは，主鎖ならびに側鎖のコンフォメーションを解析するための重要な検証データとなりう

生体分子

コ

タとして使用できることを示していると思われた。

合成高分子・先端材料

ロナ

イソタクテックピーク（1：mmmm）の位置の

1

0.0

の進歩

N
M
R

る側鎖炭素の立体規則性ピークと 13C NMR 化

学シフトの計算値（棒スペクトル）である。ア

医療・医薬

26
26

C NMR 立体規則性ピークをその検証データとして使用できるのではないか

と考えた。

生体分子

間距離のように分子鎖全体で平均化される量を局所的な回転異性状態近似の検なぜこの研究を行ったのか，きっかけや証データとすることに疑問をもっていたので，局所的な構造情報を与える
経緯について記述

本テーマの要約
NMR で何がわかったか，自らの研究で
NMR を用いて解明されたことの要約

ピークと化学シフト計算に基づく帰属

該当する項目が太文字で示機会を得た。多くの先人たちによって，溶液中で出現する高分子のランダムなされている
東京工業大学の指導教官の安藤先生および西岡先生のもとで，高分子化学シフトの理論的計算の内容で博士号を取得後，しばらくたって，同指導教官の中テーマ

C 溶液 NMR スペクトルと化学シフト計算に基づく帰属を組み合わせて，
13
C 溶液 NMR スペクトル（ a ） PBm
ポリオレフィンの物性を大きく左右する立体規則性に関する詳細な情報を得ると化学シフト計算に基づく帰ことができた。化学シフトの計算は，Flory（高分子の分野でノーベル賞受賞）
属を組み合わせて，ポリオレ
らの回転異性体近似による高分子鎖のランダムな溶液構造の取扱いと，
PB
フィンの物性を大きく左右す
1 mrr
13
2 rrr
C NMR 化学シフトの c 効果（トランス状態に比較してゴーシュ状態では数る立体規則性に関する詳細な
3 mrm
r 5
4 rrm
ppm 高磁場シフトするとい
3
情報を得ることができた。化
5 mmm
12 46
6 mmr
う効果）を組み合わせてい学シフトの計算は，Flory（高る。例えば，試料の立体規則
（
b
）
PP
（
a
）
PB
分子の分野でノーベル賞受m
性はほとんど変わらないにも
1
mrmrm
11
mrrrm
賞）らの回転異性体近似によPP
2 mrmrr 12 rmmmr
か か わ ら ず， 立 体 規 則 性
13 rmrrr
3 rrmrr
る高分子鎖のランダムな溶液
4 mrrrm 14 mmrrm
PB
NMR ピークの出現の様子が
16
15 mmmmr
mrrrr
1 5mrr
構 造 の 取 扱 い と，13C NMR
14
2 6rrrrmmrm 16 mmmmm
7 9 11 13
まっ た く 異 な る， 図 1（ a ）
7
rrrrr
17
mmrrr
3 mrm
化学シフトの c 効果（トランr 51517 1819 20123456 8 1012
rmmrr 18 rmrmr
4 8rrmポリ 1 ブテン（PB）と（ b ）mmmrm 19 mrmmr
1 . 5 1 . 0 0 . 53 0 . 0 −0 . 5−1 . 0 5 9mmm
ス状態に比較してゴーシュ状
mmmrr 20 mmrmm
12 46
6 10mmr
化学シフト〔ppm〕
ポリプロピレン（PP）の主
態では数 ppm 高磁場シフト13
図 1 PB お よ び PP の（ bC）NMR
PP 主 鎖 メ チ レ ン
鎖メチレン炭素について，厳ピークと化学シフト計算に基づく帰属するという効果）を組み合わ
密な帰属を行うとともに，異
11
1
mrmrm
mrrrm
PP
せている。例えば，試料の立
2 mrmrr 12 rmmmr
13 rmrrr
3 rrmrrなる原因を解明することがで
体規則性はほとんど変わらないにもかかわらず，立体規則性
NMR ピークの出
4 mrrrm 14 mmrrm
16
5 mrrrr
15 mmmmr
きた。このように実験的に帰14
現の様子がまったく異なる，図
1
（
a
）
ポリ
1
ブテン（PB）と（ b ）ポリプロ
6 rmmrm 16 mmmmm
7 9 11 13
7 rrrrr
17 mmrrr
属の困難な一連のポリオレ
1ピレン（PP）の主鎖メチレン炭素について，厳密な帰属を行うとともに，異23456 8 1012 1517 1819 20
8 rmmrr 18 rmrmr
9 mmmrm 19 mrmmr
1 . 5 1 . 0 0 . 5 0 . 0 −0 . 5−1 . 0
フィンの立体規則性ピークの10 mmmrr 20 mmrmm
なる原因を解明することができた。このように実験的に帰属の困難な一連のポ化学シフト〔ppm〕
帰属法を確立した。
リオレフィンの立体規則性ピークの帰属法を確立した。
図 1 PB お よ び PP の 13C NMR 主 鎖 メ チ レ ン■研究のきっかけ

合成高分子・先端材料

合成高分子・先端材料
合成高分子・先端材料の違いを見事に再現した 2 ）。同様の化学シフト計算によって，PB のほかの 2

28

29

1

合成高分子・先端材料

固体 NMR

緩和現象とポリマーブレンド，
ナノコンポジット
浅野敦志
2 種類以上の合成高分子を混合（ポリマーブレンド）したときの，ポリマー間の距離的情報や分子運動変化を解明した。また，ポリマーに無機物を混合した有機無機ナノコンポジット材料の結晶構造やモルフォロジー解析を行った。
固体 NMR 法から得られる緩和現象を解析すると，分子運動のみならず，ス
0 . 2 nm PVAc
H

H
PMAA

相互作用の有無，分子運動性を議論できる。また，

ロナ

H

序性の乏しい合成高分子の構造や距離情報を解明することが可能となり，ポリマーブレンドの相溶性や

0 . 37 nm
OO

ピン拡散現象を通して距離的情報を抽出できる。秩

社

C

O

コ

図 1 NMR 法から得られた
PMAA（ポリメチルアク
リ ル 酸 ）/ PVAc（ポ リ 酢
酸ビニル）ブレンドの高分子鎖間相互作用部位

有機無機ナノコンポジットでは，ポリマーの信号のみならず無機物の多核 NMR 信号からも構造や運動に 関 す る 情 報 が 得 ら れ る。 図 1 に PMAA 側 鎖 のCOOH と PVAc 側 鎖 OCOCH3 の CO 間 距 離 を NMRから決定し，分子力場計算により最適化を行った結果 1 ）†を示す。

■研究のきっかけ
ポリマーブレンドに関連する NMR 分野の先駆的研究は，1970 年代後半から
米国の Bell 研究所において，Bovey 先生，Douglass 先生，Kwei 先生，McBrierty
先生，西敏夫先生（現 東北大学教授）らを中心に行われ，溶液 NMR やパル
ス NMR を用いて精力的に論文が発表されていた。
筆者が東京農工大学（朝倉哲郎先生の研究室）から北海道大学大学院（引地†2

肩付き数字は各「研究の内容」の最後に紹介する文献の番号を表す。

→巻末の注釈を参照。

┃━

法）装置は現在ほど一般的ではなかったが，すでに市販品として存在していた。当時，助手の竹腰清乃理先生（現 京都大学教授）が興味をもっておられた，ポリマーブレンド中のポリマー間の相互作用ならびに相分離過程を，筆者が固体高分解能 NMR 法を用いて解析することとなった。この頃には，世界的にも固体高分解能 NMR 法によるポリマーブレンドの研究が盛んになっていた。

合成高 分 子 ・ 先 端 材 料

邦男先生の研究室）に進学した 1989 年頃には，固体高分解能 NMR（CP / MAS

また，有機無機ナノコンポジットの研究は，筆者が防衛大学校の助手時代に，米国の国立標準技術研究所（NIST）への留学の機会を得て，固体 NMR 法

生体分子を用いた高分子材料の研究分野において著名な D. L. VanderHart 博士と，研究社をご一緒させていただいたことで手掛けるようになった（1999〜2000 年）。
■研究の内容溶液は温度を上げると相溶することが多い（UCST 型：上限臨界相溶温度型

ロ
ナ

の相図）
。一方，異なる性質のポリマーどうしを混合した場合には，温度を上げると相分離する LCST 型（下限臨界相溶温度型）の相図を示すことが多い。

医療・医薬

このことは，何らかの発熱的な相互作用（負のエンタルピー）が働いていると考えると理解できる。実際，図 1 で示した PMAA / PVAc ブレンドも，ポリマー間に水素結合が働いて相溶し，透明なポリマーブレンドとなる。水素結合は，

コ

NMR ピークをシフトさせるほど強い相互作用であり，PMAA / PVAc＝3 / 1 ブ
レンドのカルボニル領域（CO 領域）のピークは，混合する前からは想像できのカルボニル基のピークを重ねて示す 2 ）。これは，PMAA のカルボキシル基（COOH 基）と PVAc の CO 基との間で水素結合が部分的に形成され，それぞ

分析・ないほど複雑なスペクトルとなる。図 2 左下側にブレンド前の PMAA と PVAc

N
M
R

れのピークが水素結合の強さに応じてシフトした結果と解釈される。一般に，の進歩

水素結合が形成されるとピークは低磁場側（高周波数側：左側）にシフトする。同時に，実際に相互作用している部分の分子運動性は，単体のポリマーの場合から変化する。
図 2 は，CO 領域の 13C 核のスピン 格子緩和時間（T1C ）を観測している途
3

x
60 s

中の部分緩和した

×4

ピークの強度変化

×2

40 s
20 s

を示している。波

90
80

5s

形解析により，ピー

70
60
T1

C

300 ms
PMAA

40

PVAc

各ピークの T1C を

30

1 ms
200

クごとに分離して50

求め，PMAA のモ

20
180

160

化学シフト〔ppm〕

200

180

160

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

化学シフト〔ppm〕

PMAA のモル分率（ a ）実測の 13C NMR （ b ）波形解析 （ c ）PMAA のモル分率に
スペクトル
の結果
対する T1C の変化社

図 2 PMAA / PVAc＝3 / 1 ブレンドの T 測定途中のピーク強度変化
C
1

ル分率に対して
T1C をプロットした〔図（ b ）〕。T1Cを組成に対してプロットすると，PVAc と比較して剛直なポリマーである PMAA では，ほとんど
組成依存が観測されない（○と◇）。一方，PVAc の T1C は大きく変化しているロナ（ ）。これは，柔軟なポリマーである PVAc が PMAA と相互作用することで，分子運動が大きく制限されていることを示している。図から，ほかとは異なる
組成依存を示すピークが存在していることが示される（□と●）。これらのピー
クは，もとの PMAA や PVAc のピークと比べ，それぞれ高磁場側，低磁場側にシフトしている。このことは，これらのピークがたがいにポリマー間で水素コ結合を形成することを示している。相互作用前は，PVAc のカルボニル基は分子内では水素結合していないが，PMAA のカルボキシル基は分子内で水素結合している。したがって，PVAc と PMAA 間で分子間水素結合したことで，水素結合の強さが分子内水素結合より弱まり，PMAA は高磁場側にシフトしたと考えられる。さらに，波形解析により得られた積分値から，相互作用部位のユニット化が，すべてのブレンド組成において［PMAA］：［PVAc］＝3：2（図 1）となることが明らかとなった 1 ），2 ）。
固体 NMR 法の空間分解能は，1H スピン拡散（エネルギーの伝搬）の拡がりを解析する場合には，1 〜 100 nm 程度であるといえる。一般に，固体 NMR で観測する緩和は，1H スピン拡散の影響を受ける。したがって，実測の 1H 緩和

4

合成高 分 子 ・ 先 端 材 料

曲線を，1H スピン拡散の影響を考慮に入れた緩和モデルを用いて再現する
1{M0−M(t)} / M0

ことで， H スピンが拡散する最大のドメインサイズを評価できる。
粘土鉱物をポリマーに混入して物性

c CR

a

a CR
アモルファス

c
1

MMT
MMT
P
T ＝23 . 25 nm
acを改良した材料（有機無機ナノコンポ

h

0.0

c

x＝24 . 5 nmxジット）が，90 年代に飛躍的に発展し

a

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

t〔s〕

た。粘土鉱物の一種であるモントモリ

図3を含み，その常磁性がポリマーの 1H

ナイロン 6 / MMT ナノコンポジットの 1H 緩和曲線（実線は図中のモデルを用いてシミュレーションした結果）

社

緩和曲線に影響を与える。この影響は 1H スピン拡散を介して緩和曲線をゆが

生体分子

ロナイト（MMT）は鉄イオン（Fe3＋）

める。図 3 に，ナイロン 6 と MMT からなるナノコンポジット中の，ナイロン
6 の c 結晶相由来（ ）と a 結晶相由来（●）の 1H 緩和曲線を，モデル緩和曲

ロナ

線（実線）を用いて再現した結果を示す。実測とシミュレーションは非常によく一致しており，緩和曲線からモルフォロジー解析が可能であることが明らか
詳細については，以下の文献を参照のこと。
1 ） A. Asano : Polym. J., 36, 1, pp. 23〜27（2004）

コ2 ） A. Asano, M. Eguchi, M. Shimizu and T. Kurotsu : Macromolecules, 35, 23, pp.

医療・医薬となった 3 ）。

8819〜8824（2002）
3 ） D. L. VanderHart, A. Asano and J. W. Gilman : Chem. Mater., 13, 10, pp. 3781〜

分析・

3795, pp. 3796〜3809（2001）■最後にひと言N
M
R

NMR 法は，ほかの分光法と比べてひと筋縄ではいかない。測定法が多種多の進歩様で，感度も悪く，解析も面倒なことが多い。しかし，解析の先にある成果は非常に大きい。NMR 法は勉強しても理解できない場合もあると思うが，だからこそほかの分光法では味わえないおもしろさがあり，ずっとかかわっていきたいと思わせる数少ない測定法である。

5

合成高分子・先端材料

固体 NMR

フッ化ビニリデン系高分子の結晶相転移における構造変化
安藤慎治
ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）やポリフッ化ビニリデン（PVDF）に代表される含フッ素ポリマーは，難燃性や耐寒性に優れ，低誘電率や耐薬品・耐溶剤性などを示すことから機能性高分子の中で独自の位置を占めている。特に PVDF は a 型（tgtg ），b 型（tttt），c 型（tttgtttg ）など複数の結晶系

社

をとり，また，分極処理をされた b 型は強誘電性を示すことから，圧電材料
や焦電材料として利用されている。しかし，PVDF は a 型結晶が最も安定のた
め，均一な b 型試料を得るには融点付近での一軸延伸処理などが必要となる。

ロナ

一方，VDF とトリフルオロエチレン（TrFE）や TFE との共重合体は b 型が最安定であるため，溶融成形や溶媒キャストの状態でも強誘電相を有し，前者は最大で PVDF の 5 倍以上の強誘電性を示す。筆者らは，温度可変の 19F MAS
および 1H → 19F CP / MAS NMR 法を用いて PVDF，P（VDF / TrFE），エチレン
テトラフルオロエチレン（ETFE）などの半結晶性含フッ素ポリマーの結晶 /コ

非晶構造や結晶相転移に伴う分子運動性を系統的に解析した結果，微細なポリマー連鎖単位での構造や運動性の変化を追跡することに成功した。
■研究のきっかけ
自発分極を示す PVDF（b 型や d 型）や P（VDF / TrFE）は実用材料としての重要性に加え，強誘電 常誘電転移（キューリー温度，Tc）付近での結晶相転移挙動の特異性から，これまでも X 線回折や赤外吸収（IR）スペクトルなどによる構造研究がなされてきた。しかし，研究目的に調製された理想的な試料と異なり，VDF 系の実用材料では複数の結晶系が混在することから，結晶系の分離と定量化は困難であった。一方，固体 NMR はその測定技術が急速に発

6

注

釈

【か】
■ 角度依存固体 NMR 法
固体状態の試料は，分子の配置方向がランダム（無配向）である場合には，パウダーパターンと呼ばれる固体試料特有の信号として観測される。しかし，分子がある方向に配向していると，その分子配向軸の方向と磁場の方向によって化学シフトが異なる。これは，化学シフトが方向に依存するテンソル量であるからである。したがって，試料を磁場方向に対して回転しながら磁場となす角度を変えて NMR を測社

定すれば，角度に依存した化学シフトで観測される。これをシミュレーション解析することにより，分子配向軸方向に関する定量的な情報を得ることが可能となる。

【く】

ロ
ナ

■ クロスポーラリゼーション法→「CP 法」の項を参照。

【こ】■ 固体高分解能 NMR

固体高分解能 NMR は，マジック角回転（MAS）法と呼ばれる方法，ハイパワーデ

コ

カップリングおよび多重パルス法による 1H 核との間の双極子相互作用による線幅を消去する方法，ならびにクロスポーラリゼーション（CP）法などを組み合わせることによって実現される。

→「CP 法」，「CP/MAS 法」，「MAS 法」，「MQMAS」の項を参照。

【し】■ 質量分析
質量分析（mass spectroscopy，MS）とは，分子をイオン化して磁場や電場中を通過させたときの影響度に依存して，分離定量解析する分析法である。分子のイオン化に工夫を要する。
→「CID-MS/MS」，「FAB 質量分析」の項を参照。

178

【た】
■ 多変量解析
多変量解析（multivariate analysis）は，複数の変数からなる大量のデータについて，変数間の相関などデータ構造を明らかにすることによって有用な情報を取り出す統計的手法の総称。おもに分類や検量などの目的で用いられる。例えば，医薬品
服用後の体液のスペクトルデータについて多変量解析を行うと，薬効・毒性の評価に役立つ情報が得られる。

【と】
■ 等価体
合成等価体（synthetic equivalent），あるいはシントン（synthon）ともいう。化合物の合成を行う際，直接的に目的とする化合物の合成が困難な場合は，後に変換可社

能な状態でいったん合成を行う。このとき，後者の化合物を前者の合成等価体という。例えば，本文にあるカルボン酸は，還元反応を経てメチル基に変換できること

ロナから，メチル基の等価体と見なすことができる。

【ま】■ マジック角回転法→「MAS 法」の項を参照。

【よ】■ 陽電子消滅寿命測定（PALS）法コ

陽電子消滅寿命測定（positron annihilation lifetime spectroscopy：PALS）法は，材料内に存在する 1 原子からナノメートルレベルまでの空孔サイズが測定できる方法である。ごく簡単に原理を説明すると，電子の反粒子である陽電子を物質中に打ち込み，これが物質中の電子と巡り合って消滅するまでの時間（寿命）を測定する。
陽電子には空孔サイズに応じて消滅寿命が長くなる性質があるので，材料内の空孔サイズやその分布の度合いが調べられる。ただし，消滅寿命はあまりにも短いので，陽電子自体や材料分子の動きを気にする（調べる）ことはできない。

【C】■ CID-MS/MS
CID / MS-MS とは，質量分析の一つの手法であり，分子を分解するのに衝突誘起解

179

離 法（collision-induced dissociation，CID）， ま た は 衝 突 活 性 解 離 法（collisionallyactivated dissociation，CAD）を用いる。MS / MS とは，一度質量分析（MS）で分離した特定のイオンを再度質量分析で分析することで，構成官能基を同定することが可能になる測定手法である。2 次元 NMR 法とイメージ的には似ている。
→「質量分析」の項を参照。
■ cogwheel 位相回し
cogwheel 位相回しは，効率のよいコヒーレンス経路の選択を行う手法である。適切なコヒーレンス選択は，TOSS 法や MQMAS 法などに必須の技術である。通常は複数のパルスの位相を個別に変化させることにより，コヒーレンス選択を行うので，多くの回数の位相回しが要求される。一方，cogwheel 位相回しでは複数のパルスの
位相を

同時に

変化させることにより，より少ない回数で位相回しが完了する。

詳細は原著論文（M. H. Levitt, P. K. Madhu and C. E. Hughes : J. Magn. Reson., 155,社

pp. 300〜306（2002））参照。
■ CP 法CP 法とは，クロスポーラリゼーション（cross polarization，交差分極）法のこと

ロナであり，1H の分極を 15N や 13C の希釈スピンに移すことにより，希釈スピンの感度を向上させ，しかも短時間で測定可能にする方法である。
一般に，13C ならびに 15N 核のような希釈スピンの場合，スピンどうしが十分に離れているため，スピン 格子緩和時間 T1 がきわめて長くなり，分のオーダーとなる。
これは，スペクトルの積算を考えるときわめて不利である。一方，1H 核は密度が高く，1H の T1 は短い。そこで，1H 核からの磁化と，この希釈スピン間の交差緩和をコ利用して，1H 核からの磁化を希釈スピンに移そうというのが CP 法である。積算の効率化によって，希釈スピンの著しい感度の向上を得ることができる。
■ CP / MAS 法

CP 法と MAS 法を組み合わせて実現される固体高分解能 NMR の手法。
→「CP 法」，「MAS 法」の項を参照。

【D】■ double filter 法
13

C や 15N などの安定同位体で標識した分子と未標識の分子が混在する試料から，未標識分子由来の NMR 信号だけを選択的に取り出す方法で，13C や 15N に直接結合したプロトン（H 13C / 15N）の信号を選択的に消去して，天然に存在する 12C や 14N に180結合したプロトン（H 12C / 14N）の信号を観測する。標識蛋白質と未標識リガンドの複合体の構造解析に有効である。double ﬁlter 法 COSY や TOCSY を利用した未標識
リガンドのシグナル帰属に続いて，double ﬁlter 法 NOESY によりリガンド分子内のNOE を選択的に測定し，蛋白質に結合したリガンドの構造を決定する。
→「half ﬁlter 法」の項を参照。

【F】■ FAB 質量分析
FAB（fast atom bombardment）法とは，分子量の大きい化合物のイオン化の方法の一つである。高速原子衝撃法ともいう。FAB 法により分子をイオン化して質量分析することを FAB 質量分析（FAB-MS）という。

社→「質量分析」の項を参照。

【H】■ half filter 法

C や 15N などの安定同位体で標識した分子と未標識の分子が混在する試料から，

ロ
ナ

13

標識分子と未標識分子の分子間相互作用に由来の NMR 信号だけを選択的に取り出す
方法で，標識蛋白質と未標識リガンドの複合体の構造解析に有効である。NOE が観測される二つのプロトン軸（F1 あるいは F2）のうち，一方の軸では 13C や 15N に直接結合したプロトン（H 13C / 15N）の信号を選択的に観測し，他方の軸では 13C や 15Nに直接結合したプロトン（H 13C / 15N）の信号を選択的に消去して天然に存在する
12

C や 14N に結合したプロトン（H 12C / 14N）の信号を観測することで，H 13C / 15N とコ

H 12C / 14N の間の NOE だけを選択的に観測する。
→「double ﬁlter 法」の項を参照。

【M】■ MAS 法MAS（magic angle spinning）法は，試料をローターに充てんし，外部磁場に対してマジック角，すなわち 54 . 7 ° 傾けて人工的に異方性を消去して 1 軸まわりに高速回転させる方法である。ここで 54 . 7 ° とは，3 cos2 a−1＝0 となる角度 a のことである。このように回転させることにより，化学シフト異方性が平均化され，等方的化
学シフト v1＝(v11＋v22＋v33)/3 だけが残る。基本的に，溶液の場合の化学シフトと一致することになる。

181

■ MASE 法
MASE（multi­echo adiabatic spin echo）法は，スライス選択やエコー信号の不完
全なリフォーカスによる信号損失を防止し，マルチエコー法により正確な T2 緩和時間を測定できる測定法。通常のパルスでは，照射ラジオ波の中心周波数からずれた
位置のピークでオフレゾナンス効果が強くなるが，断熱的パルス（adiabatic パルス）を用いて，ゆっくりとすべての磁化を徐々にオンレゾナンス状態とすると，信号損失を極小にとどめることができる。また，断熱的パルスを用いるリフォーカスを二重に行うことにより，単一のパルスの不完全性に由来する位相反転の乱れも補償される。
■ MCR ALSMCR（multivariate curve resolution）法は多変量解析の一種である。主成分解析との違いは，MCR 法が，多成分スペクトルが単純に複数の単一スペクトルの和からなると仮定することにある。ただし，その純スペクトルから多成分スペクトルを推定

社

することは，各純スペクトルの寄与率を知ることと同一であるから，解は一義的には決まらない。最小 2 乗法を繰り返して解を導く方法として MCR ALS（multivariate
curve resolution alternating least squares） 法 が あ る。 ス ペ イ ン CSIC IDAEA の R.

ロナ

Tauler 教授らが MCR ALS 法のフリーソフトを公開している（http://www.mcrals.
info / または http://www.cid.csic.es / homes / rtaqam / 参照）。
■ MQMAS 法

MQMAS（multiple quantum magic angle spinning）法は，多量子（3 量子，5 量子，…）と単量子（中央遷移）との 2 次元相関スペクトルを得ることで，ゼーマン相互作用に対して二次の核四極子相互作用を平均化できる手法である。DOR（double rotation）法や

コ

DAS（dynamic angle spinning）法と比較して，通常の MAS プローブでの測定が可能であり，CP（cross polarization）などのほかのパルスシーケンスとの組合せが容易であることから，四極子核の固体高分解能スペクトルを得るための手法として広く用いられている。

【T】
■ TAT
TAT（thrombin­antithrombin III complex，トロンビンアンチトロンビン III 複合体）
は，血液凝固系活性化の指標の一つである。血液凝固系が活性化された場合，凝固に深くかかわるトロンビンと呼ばれる酵素が生体内で産生される。生体内では蛋白質アンチトロンビンⅢがただちにトロンビンと複合体を形成して，トロンビンの活性を阻害する。血液中の TAT を定量すると，この量はほぼ産生トロンビン量と一致するため，血液凝固系活性化の程度を評価する指標となる。

182

─ 編著者略歴 ─社

1977 年 東京工業大学大学院理工学研究科博士課程修了（化学工学専攻）
工学博士
1981 年 東京農工大学助教授
1990 年 米国フロリダ州立大学化学科招聘教授
1993 年 東京農工大学教授
現在に至る

広がる NMR の世界─ 40 人の研究者からの熱いメッセージ ─ロナ

The NMR World is Expanding─ The Enthusiastic Messages from 40 Reserchers ─2011 年 4 月 22 日

初版第 1 刷発行
あさ

朝

編 著 者

コ

検印省略

Ⓒ Tetsuo Asakura

くら

倉

★
てつ

お

哲

郎

発 行 者

株式会社

コロナ社

代 表 者

牛来真也

印 刷 所

萩原印刷株式会社

112-0011

東京都文京区千石 4-46-10

発行所

株式会社

コ

2011

ロ

ナ

社

CORONA PUBLISHING CO., LTD.
Tokyo Japan
振替 00140-8-14844・電話（03）3941-3131（代）ISBN 978-4-339-06619-7 （柏原） （製本：愛千製本所）
Printed in Japan
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