機器分析学担当：（前半）1

後半は神保雄次先生が担当

落合 文吾 （居室 GMAP棟302）
研究室電話番号：0238-26-3092
E-mail: ochiai@yz.yamagata-u.ac.jp

・

有機化学の実験・研究を進める上で必要な機器分析について学ぶ
核磁気共鳴法（NMR)の詳細
赤外分光法（IR)・質量分析法（MS)の概要

・

有機合成を扱う研究で特に重要（質量分析は成分分析などでも活躍）
大体の資料はWebClassにアップロードされます2

授業の概要（シラバス抜粋）①・授業の目的びどでででペびぶででグ

び

び

ぶで

デで

化合物およ 材料の性質、反応、およ 合成法な を理解する
上 、その構造を正確に知ることは非常に重要 ある。この知識と技能を修得するため、前半 は特に一般的な有機化学の研究室 日常的に用いられている機器分析法 ある核磁気共鳴法について学 。一方、後半 は無機・分析化学 特に重要な紫外・可視分光法、蛍光分光分析法、原子ス クトル分析法、電気分析法を学 、さらにX線を用いた構造解析と、分離技術として重要なクロマト ラフィーを学 。
これらにより、①核磁気共鳴法についての基礎的な知識を習得し、有機化合物の構造決定法を習得すること、およ ②定性・定量分析に用いられる種々の化学分析法の原理、得られる情報、 ータの取り扱い方を習得すること、を目的とする。

授業の概要（シラバス抜粋）②【授業の到達目標】
1) 核磁気共鳴法の基礎的な理論を説明 きるようになる。【知識・理解】
2) 核磁気共鳴法を用いて有機化合物の構造を決定 きるようになる。【技能】
3) 定性・定量分析に用いられる種々の化学分析法の原理を説明 きるようになる。【知識・理解】
4) 上記の化学分析法から得られる情報、 ータの取り扱うこと 出来るようになる。【技能】。
【授業概要(キーワー )】機器分析による構造解析・分析。NMR、紫外・可視分光法、蛍光分光分析法、原子ス クトル分析法、電気分析法、X線分析法、クロマト
ラフィーで

がでデでバドペバ

化学・ イオ工学基礎I，化学・ イオ工学基礎II，無機化学 I・II，分析化学，物理化学 I・II・III，有機化学 I・II・IIIを履修していること望ましい。
がグ

3

4

テキストなど前半•マクマリー有機化学（上）に準拠（なくてもＯＫ）•毎回プリントを配付•講義室で受けてもZoomで受けてもＯＫ•前日までに資料はアップロードするので、見ておくと予習になる。昨年のものは常にダウンロードできるようになっており、大きな変更はない。
後半
講義資料を事前に配布します。テキストはありません。
分析化学のテキストを持っている方は後半が機器分析ですので参考にして下さい。

5

成績評価の方法
前後半で各５０点の計１００点のうち６０点以上で合格前半分の詳細（シラバスから変更有り）
小テスト（毎回の演習） １４点
中間テスト
３０点
講義への質問と回答６点•小テストでは教室での質問はOKとする。WebClassで期限までに解答（当日紙提出も可とする）•中間試験は通常の試験と同じだが、教科書・配布プリント等持ち込み可。一部はWebClassで解答。
•講義への質問と解答を行う掲示板をWebClass上に開設。ここへの参加状況で６点分を評価。

6前半の授業の注意（＠主に教室）許可されていない時間の私語は慎むこと（二度目の注意では退室）。
途中での演習などは、周囲と話しながら考えるのを推奨（もちろん騒がしくはしないこと）。
書き写す時間を基本的には取るので、落合が話しているときは聞くのを勧める。
書き写すために取っている時間内に携帯電話等で撮影しても構わないが、落合が話しているときは他の人の迷惑になることがあるので撮影しないこと。また、画像の二次利用等は基本的に禁ずる（相談の上、許可することはある）。

7

この授業で扱う３つの分析法
核磁気共鳴分光法
Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy

赤外分光法
Infrared Spectroscopy

質量分析法
Mass Spectrometry
spectroscopyとspectrometryは重なりもあるが、少し用途が違う

8

まず分光法ってなに？
分光法（Spectroscopy）
ある物理的観測量を、物理量の関数として表すことで、対象物の定性・定量もしくは物性の評価を行う科学的な手法

吸収率

吸収スペクトルだとこんな感じ

波長

赤い水
その他は
吸収

波長が異なる光

透過率

例えば吸収率

透過スペクトル

波長
赤が透過吸収率（透過光が赤く見える）透過率 と波長の関数

9NMRってどんな測定？
分子を構成する原子を区別して見ることができる測定
山形大学工学部のNMR装置（ECX-400）

例：エタノールの1H-NMRスペクトル

CH3 CH2 OH

簡単な原理は来週

スペクトルはMarvin Sketch（アカデミック版はフリー）で予測
無茶苦茶優秀なアプリなので、有機化学系の人は絶対インストール推奨

10

NMRはどんな時に測定する？
測定対象

サンプル形態

主に有機化合物（無機化合物にも使える）
主に溶液（この講義では溶液のみ）
固体・液体・ゲルなどの直接測定も可

どんなときに使う？

同定・定量・特性評価

測定の簡便さ普通の測定は簡単

細かい話は来週以降

より重要

11

その他のNMRの利用例
MRI：nuclear Magnetic Resonance Imaging
体内に大量に存在する1Hや常磁性の造影剤の原子の状態を観測する

Wikipediaよりhttps://pixabay.com/

より

12

この授業で扱う３つの分析法
核磁気共鳴分光法
Nuclear Magnetic Resonance Spectrometry

赤外分光法
Infrared Spectrometry

質量分析法
Mass Spectrometry

13

赤外分光でわかるCO2の温室効果
空気のIRスペクトル









Wavenumber (cm-1)



空気中に0.04％しか存在しないCO2由来の吸収が大きく観測される
CO２が赤外線を吸収して運動する（運動＝熱）14

IRで何が分かるか？
主に原子の電子状態にNMR・・・・・関する情報が得られるIR・・・・・

それぞれの情報を得るには？

OC結合の状態に関する情報が得られる
NMR
IR
NMR

15

IRはどんな時に測定する？
測定対象
サンプル形態
どんなときに使う？
測定の簡便さ主に有機化合物（無機化合物にも使える）
そのまま、溶液など多様（自由度が高い）
どんな官能基があるか・同定・定量（目立つ物は少量でも目立つし、目立たない物は大量にいても見えない）

普通の測定は簡単

細かい話はこの講義では扱わないので、専門書もしくは２０１８年までの資料を見て下さい16

IRの測定装置と測定方法
吸収を測定
光源

赤外線反射を測定（ATR法）

透過した
サ 赤外線
ン

プル

サンプル

検出器

光源

赤外線

反射した
赤外線

検出器

本当はもっと複雑に曲げているが単純化
試料表層にもぐりこんだ赤外光の吸収を利用

島津製作所製 IRSpirit

いずれも様々な波長の赤外光を入射させて、波長ごとにサンプルに吸収された残りの透過ないしは反射光を測定する

サンプルの形態と一般的な測定方法
液体・フィルム
粉末

KBrに混ぜて錠剤にして測定
そのまま測定（ATR)

溶液

溶液セルで測定
そのまま測定（ATR)

ATR (Attenuated Total Re ection 全反射測定法：近年主流。吸収測定より低波数が強く、高波数が弱く検出される）
fl※そのまま測定17

この授業で扱う３つの分析法
核磁気共鳴分光法
Nuclear Magnetic Resonance Spectrometry

赤外分光法
Infrared Spectrometry

質量分析法
Mass Spectrometry

18

質量分析法とは？
おもに測定対象の分子量がわかる
正確な分子量がわかれば分子式もわかる

分子を適切に切断した切片の分子量も測定できる
これによる構造同定も可能

応用例：タンパク質の配列解析など

19

MSはどんな時に測定する？
測定対象

主に低分子有機化合物（タンパク質など高分子にも使える）

サンプル形態

主に溶液（まれにそのまま）

どんなときに使う？

同定（構造解析）

測定の簡便さ

やや難しい（うまくでないことも良くある）

細かい話はこの講義では扱わないので、専門書もしくは2018年度までの資料を見て下さい20

質量分析における分解（フラグメンテーション）
プロパンの質量スペクトル

マクマリー有機化学（上）より

44 - 29 = 15
全体から分子量15だけ切れた構造

相対強度ｍ/ｚ= 29ｍ/ｚ= 15ｍ/ｚ= 44

分子イオン（古くは親イオン）
102030405060708090100110ｍ/ｚ

プロパン
CH3CH2CH3（C3H8, 分子量：44.06）

CH3CH2： 12ｘ2+1ｘ5=29： 12ｘ1+1ｘ3=15
CH3

21

試験には出ませんが、一応記載

こんな時にはなにを使う？
※

化合物、および測定者の好みと持っている技量、有る装置に大きく依存はします

新しい化合物を作った！
既知化合物を作った！

純度を見たい成分を見たいまずNMR

IRも多分できてそうならMS
元素分析・クロマト
グラフィーなどもまずNMR
クロマト
グラフィー先かもIRも一応測るかもガスもしくは液体クロマトグラフィー

NMR and/or クロマト

固体は融点測定NMR and/or クロマト

IRも一応測るかも（MS付きがあると嬉しい）22

今日のレポート
2-プロパノールの1H-NMRスペクトルでは何種類のピークが観測されるか？
理由とともに答えよ。
（まだ習っていないことなので
CH3
CH3
間違ってもOK。10ページ参照）
CH
OH

WebClassで解答して下さい