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有機化学 III 担当：医薬品製造化学研究室 濱島義隆（准教授） (5742) 内容： NMR分光法の基礎の基礎を学習する。 小テストで出席点とする。
June 4, 2012 June 7, 2012
１） 電磁波と分光法 2) 1H NMRの原理 ３） 化学シフトとは ４） 化学的な等価性とは ５) 積分比について ６） スピンースピン相互作用 ７） 13C NMRについて
参考資料：有機化学者のためのスペクトル解析法（化学同人）
分子が吸収するエネルギーは量子化されている。
分光計で吸収を記録する。分光計は様々な波長の光が透過するように細かく掃引することができる (CW分光計）。 全振動領域をカバーする電磁波パルスを用いる手法 (FT-NMR) Fourier変換
分子固有のエネルギーの位置で起こる吸収の図、スペクトルを得ることができる。
X線, 紫外線, 可視光, 赤外線, マイクロ波, ラジオ波（核スピンの遷移）
NMRとは
運動（物理量）の変化に対応する特有のエネルギーの強さ（周波数）の電磁波を吸収 (pp420-423)
核磁気共鳴法（Nuclear Magnetic Resonance) 分子内の個々の原子(水素、炭素）の繋がり方を解析できる重要な手法
1H NMRは何を見ているのか？
核スピン：原子核が示す一つの軸を中心に回転する性質のこと。
α状態とβ状態のエネルギー差に一致するエネルギーを持つ周波数のラジオ波を吸収すると、共鳴（連続的な励起と緩和）が起こる。
参考： 1H以外にNMRアクティブな各種
・ 水素（プロトン）は荷電しているので、回転すると磁場を生じる（溶液中の棒磁石） ・ α スピン状態：外部磁場と同じ向きの配列 β スピン状態：外部磁場と同じ向きの配列 (p425)
・ エネルギー差は通常の状態では小さく、ボルツマン分布に大きな差がない。 ・ 外部磁場が強いほど、エネルギー差が大きい。 H0 = 70,500 G のとき、水素核の共鳴振動数は 300 MHz (± 3000 Hz)。 *化学シフトは外部磁場の大きさによらず、同じ値となる（後述）。
・ 陽子または中性子が奇数の核種はNMR応答：1H, D, T, 14N, 19F, 31P, 13C ・ 陽子、中性子がともに偶数の各種はNMR不活性：12C, 16O ・ 天然存在比が多い各種は観測されやすい。 ・ 核種に応じて、吸収波長の領域が異なる（図10-6, 10-7）。
NMRピークの位置：化学シフト 分子の各水素を区別することができる（高分解能NMR）
核が強度Hoの磁場に置かれると、それを打ち消すように核の周りの電子は局部磁場Hlocalを発生する。（ 図10-9）
実際のスペクトルでは、化学シフト（吸収波長）は…（図10-11）
各水素の電子密度が異なるために外部磁場の影響に違いが生じる。 ・ 結合している原子の混成 ・ 置換基の共鳴および誘起効果
・ 遮へいが強い核 （電子密度が高い） è 高磁場側（スペクトル右側） ・ 反遮へいされている核（電子密度が低い） è 低磁場側（スペクトルの左側）
・ 水素核の近くの全磁場強度は減少する。 è 遮へい化 (Shielding) ・ 電子密度の大きな核は, 遮へい効果が大きい。 ・ 反対の現象も起こりうる。 è 反遮へい (deshielding)
化学シフトの表し方
正確な振動数（~３０００Hz 内）を求めるより、内部標準との相対的な値として測定する。
気をつけないといけないことは… 外部磁場の強度に依存して共鳴振動数が変わる（比例する）。 è 標準化： (CH3)4Si からの距離（振動数の差）を分光計の振動数で割る。
標準物質： テトラメチルシラン [ (CH3)4Si ]の吸収を ０ Hz とする。 テトラメチルシランのメチル基は電気陰性度の小さいシリコンに結合しているので、通常の有機化合物の水素より電子密度が高い。 è 他のピークから離れているので基準ピークとして利用できる。
δ = ピークの(CH3)4Si からの距離 (Hz)
分光計の振動数 (MHz) ppm
磁場と振動数の関係
どの化合物の 1H NMRスペクトル？
OOH3C
OCH3
A
O CH3
OOCH3B
OH3CCH3
OC
TMS
化学シフトは官能基に特徴的
表10-2 と 10-3: 周辺構造と化学シフトの関係 ・ 遮へいが強い核 （電子密度が高い） è 高磁場側（スペクトル右側） ・ 反遮へいされている核（電子密度が低い） è 低磁場側（スペクトルの左側） ・ 累積効果： （例）CH3Cl, CH2Cl2, CHCl3 ・ 電子求引基の反遮へい効果は距離と共に減少する。
例： 反遮へい効果は距離と共に減少する。 ２−ブロモプロパン, 1-ブロモプロパン (p432)
化学シフトの位置 遮へいの程度 官能基の種類
参考： ベンゼンの水素は炭素に結合しているのに、なぜ大きく低磁場シフトしているのか？ 電気陰性度に加えて、パイ結合の環電流効果による磁気異方性が影響する。
有機分子の水素の一般的な化学シフト−１
R-CH3 第1級アルキル 0.8~1.0 ppm
R-CH2-R’ 第2級アルキル 1.2~1.4 ppm
R3CH 第3級アルキル 1.4~1.7 ppm
アリル位 1.6~1.9 ppm
ベンジル位 2.2~2.5 ppm
カルボニルのα位 2.0~2.5 ppm
アルキン 1.7~3.1 ppm R2C=CH2 末端アルケン 4.6~5.0 ppm
R2C=CHR’ 内部アルケン 5.2~5.7 ppm
CH3
CH3
R CH3
O
HR
有機分子の水素の一般的な化学シフト−２
R-CH2-Cl クロロアルカン 3.6~3.8 ppm
R-CH2-Br ブロモアルカン 3.4~3.6 ppm
R-CH2-I ヨードアルカン 3.1~3.3 ppm
R-CH2-OR’ エーテル 3.3~3.9 ppm
R-CH2-OH アルコール 3.3~4.0 ppm RCO-
OCH2R エステル 3.5~4.2 ppm
Ar-H 芳香族 6.0~9.0 ppm RC(O)-H アルデヒド 9.5~10.2 ppm
RXH (X = O, N, S)
アルコールなど 0.5~5.0 ppm
化学シフトを比較してみよう
HH3C
CH3CH3
CH3
CH3H
H CH3
CH3H
H3C
どちらの水素がより低磁場にシグナルを持つか、あてててみよう。 また、おおよその化学シフトの位置を予想しよう。
CH3
H3C
HH2CNHEt
H3C
H2CO
EtH3C
1) 2)
3) 4)
化学シフトを比較してみよう
CH2Cl
Cl
ClH5)
OCH3H
H
6)
O
H
H
H
9) 8) H3C
O
O
H2CCH3
7) ClOH
O
H H
HOH
O
H H
化学的等価性
＊化学的に等価な水素のピークは同じ化学シフトをもつ。
練習問題10-5
＊立体配座の変換がNMRの時間スケールではやい。
回転と鏡像
・ 室温付近では平均化されたピークを与える。 ・ 低温下で分子の動きを凍結（遅く）すれば、非等価な水素を観測できる 場合もある。
<<1 sec
積分比
＊1H NMR では、ピークの面積比でプロトン数（水素の数）の比を 決定できる。
・ 面積比は、計算機でピーク曲線内側の積分により求められるので、通常積分比という。 ・ 例えば、図10-15
練習問題10-6
Me : CH2 : OH = 9 : 2 : 1
・ すべての核種で、積分比が核の数に比例するわけではない。
A: ４つの水素はすべて等価。 B: 積分比 2:1:1 C: 積分比 1:1
A B C
等価および非等価な水素の区別が必要。
積分比
CH3
Br
H3CHOH2C Cl
CH3
CH3
O
CH3
CH3
CH3
CH3OH3C
次の化合物には、何種類のNMR吸収が推定されるか？ また、その積分比はどうなるか？
H3C
O
O
H2CCH3
非等価な隣接水素の影響
＊ 非等価な核が隣接する（通常３結合以内で） と、隣接する水素の影響でもともとのスピンが 分裂する。 ＊ 隣接する水素ひとつによって、シグナルが 二重線に分裂する。（青） ＊ 隣接する水素の数に応じて、分裂の程度が高 まっていく。（赤）
è スピン−スピン結合 （スピン−スピン分裂または相互作用）
等価な水素核どうしはお互いに何の影響も与えない。 しかしながら非等価な場合… お互いに相互作用して、シグナルに大きな変化をもたらす。
図１０−１６ （p440）
なぜ分裂するのか？
図10-17 と 図10-18 H0 + h H0 - h
5.36 ppm
4.39 ppm
＊ピーク間の距離（カップリング定数）は 互いに等しい。 ＊カップリング定数は、化学シフトの差に 分光計の周波数をかけたもの ＊よって、カップリング定数は外部磁場に 無関係である。
5.36 ppm 4.39 ppm
Jab = 7 Hz Jab = 7 Hz
水素核のα状態とβ状態は室温付近でほぼ1:1であることに由来する。
どこまでカップリングするのか？
＊ ジェミナルカップリング
＊ ビシナルカップリング
同じ炭素に結合している場合 大きなカップリング定数（＞１2 Hz)
隣接する炭素に結合している場合 通常、カップリング定数 ~7 Hz
＊ 等価な核どうしはカップリングしない。
Ethane: 0.85 ppmに一本線のみ観測される。
二つ以上の水素とのスピンースピン分裂-1
＊ N + 1 則 Pascal の三角形
図10-‐21: ブロモエタンの例（P444） 加算性がある
ピーク面積は 変わらない。
前回の復習
練習問題 10-8 分子式C5H12Oのアルコールまたはエーテル
P446, 表10-5 ・ スピン−スピン分裂は近くの非等価な水素の間で起こる。 ・ 水素の吸収は、 N 個の等価な隣接水素によって N + 1本に分裂する （N+1則）。 ・ 分裂ピークの相対強度はPascalの三角形に示される比になる（加算性）。
δ = 0.93 (t, 3H) 1.20 (t, 3H), 1.60 (sextet, 2H), 3.37 (t, 2H) 3.47 (q, 2H)
化学シフト：炭素に結合、メチル カップリング：等価な水素が二つ隣接。
化学シフト：炭素に結合、メチレン カップリング：等価な水素が五つ隣接。
OH の１H がない。è エーテル
[ppm]
化学シフト：酸素に結合 カップリング：等価な水素が二つ隣接。
化学シフト：酸素に結合 カップリング：等価な水素が三つ隣接。
練習問題10-8
二つ以上の水素とのスピンースピン分裂-2
複雑な例（p447）: 現実的にはN+1則に一致しない場合が多い。
１）化学シフトが近い場合（Δν ~ J）: 非一次 単純な N + 1則に従わない。 図10-23：オクタンの例 図10-24: 外部磁場が大きければ、分解能が向上。
N+1則を連続的に適用することで、Hbの分裂パターンを理解できる。
２）非等価な隣接水素が存在する場合
δ = 1.69 ppm (d, J = 6.8 Hz, 3H) 4.35 ppm (dq, J = 3.6, 6.8 Hz, 1H), 5.86 ppm (d, J = 6.8 Hz, 1H),
Ha: 隣接に一つの水素あり。反遮へい効果で低磁場側。 Hb: 等価な水素３つと非等価な水素１つ。 Hc: 隣接に一つの水素あり。
図10-26
二つ以上の水素とのスピンースピン分裂-3 複雑な例（p450）
非等価な水素とのカップリングなのに、N＋１則に一致するように見える 場合がある。
図10-27
Hb
HaとHcは、互いに非等価なはず。
Hbは、Haによる三重線と Hcによる四重線で、１２本？
やや歪んだ六重線 （図10-28）
なぜならば
カップリング定数が似ているため、 多くの線が重なり、分裂パターンが簡略化
cf. 練習問題10-8
デカップリングが起こる場合
図10-11 CH2は二重線？一重線はおかしいのでは？ 一重線になる理由は…
水酸基のプロトンが、NMRの時間スケールで系内の水や酸との間で 十分に速く移動しているため、シグナルが平均化される。
すばやいプロトン交換によりデカップリングされている。
図10-29：メタノールの例 しかし、プロトン交換を遅くすれば、 カップリングの観測が可能。
・ 水や酸を除く。 ・ 低温で測定する。
自己デカップリング
ハロゲンは磁性をもつが、フッ素以外は実質的にカップリングしない。 è NMR時間スケールで速いハロゲンの磁気平衡があるため平均化され、 外部磁場による差が生じにくい。
ジアステレオトピックな水素の非等価性
メチレンの水素は、実は異なる環境にある場合が多い。
メチレンの水素を他の置換基に置き換えるとジアステレオマーが生じる場合、 ジアステレオトピックであるという。 è 非等価な水素
P. 452, ハイライト10-3
鎖状の分子でも、キラル中心を持てば不斉点に近いメチレンはジアテレオトピックになる。
13C NMR
NMR活性な炭素（13C）は、天然にわずか1.11%しか存在しない
13Cは12Cに囲まれているから、炭素−炭素スピン結合を避けられる。
感度が低くなる。 スペクトルが単純化される
なぜならば、
水素のときと同じ原理により、炭素のNMRも測定可能である。 ・ 化学シフトの範囲が大きい。~200 ppm ・ 積分比は核の数に対応しない。
しかし、存在比の大きい水素とのカップリングにより複雑になる。(図10-30)
Ca: 水素との三重線（小）と四重線（大） Cb: 水素との三重線（大）と四重線（小）
水素をデカップルして単純化を図る
どのようにして、水素をデカップリングさせるか？
13C: 62.8 MHz 1H: 250 MHz
13Cスペクトルを測定するときに、 水素の共鳴振動数をカバーする強力な一定幅の ラジオ波を照射し続ける。
α状態とβ状態のスピン反転がすばやく起こり、結果として水素は平均化されてスピンースピン分裂できなくなる。
è 水素とのカップリングが解消され、 13Cは一重線へと単純化される。（図10-32）
結果として、強度も改善される。
図10-30と図10-３１を比較。
広帯域プロトンデカップリング
炭素の化学シフトも官能基に対応
表１０−６ 13C NMRの化学シフト： 構造的な環境（官能基）による特徴的な化学シフトを示す。
電子求引性基 è 反遮へい 一級 ＜ 二級 ＜ 三級 パイ結合による環電流効果（磁気異方性）è反遮へい
13C NMRの積分：
炭素核の数と比例しない。 非等価な炭素の数 è 分子構造の解析に有用
練習問題10-12
4
4 3
1
13C NMRの一般的な化学シフト-1
RCH3 第一級アルキル 5~20 ppm
R-CH2-R’ 第二級アルキル 20~30 ppm
R3CH 第三級アルキル 30~50 ppm
R4C 第四級アルキル 30~45 ppm CR2=CR’-
CH2R’’ アリル／ベンジル 20~40 ppm
R-CH2-OH アルコール／エーテル 50~90 ppm
R-CH2-N アミン 40~70 ppm
R-CH2-Cl クロロアルカン 25~50 ppm
R-CH2-Br ブロモアルカン 20-40 ppm
13C NMRの一般的な化学シフト-1
RCOOR’ カルボン酸/エステル 170~180 ppm
RCONR’ アミド 150~170 ppm
RC(O)-R’ アルデヒド／ケトン 190~210 ppm
RCN ニトリル 110-130 ppm
CR2=CR’2 アルケン 90~150 ppm
アルキン 70~100 ppm
C(arom) 芳香族 100~160 ppm
HR
高度な測定
(A) 広帯域デカップリングスペクトル (B) DEPT-90 ：１個の水素が結合した炭素（CH） (C) DEPT-135: CH3とCH è 正の方向 CH2 è 負の方向
第四級 è 出ない
13C DEPT
相関NMRスペクトル
二次元NMR: カップリングしいているシグナルのクロスピーク（相関）を観測する
水素と炭素の帰属に有用
1H-1H COSY 1H-13C COSY
ハイライト10-5 構造決定
演習問題−１
�� A�B�C�1�a�b�c�2�a�c�b�3�b�a�c�4�b�c�a�5�c�a�b�6�c�b�a
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問31
下の図は分子式 C9H10O2 で表される化合物 A~Dのいずれかの質量スペクトル（EI-MS）である。記述a~dのうち、正しい
ものの組合せはどれか。
96回基礎完成 http://square.umin.ac.jp/Licence-Exam/No96-Exam/No96-Exam-1/...
13 / 24 12/05/29 13:02
有機化学 II 宿題－１ 2012 年 6 月 4 日 学籍番号 名前 ケトン aに対して転位をともなう酸化反応を行ったところ、エステル bと cが得られた。
図A～Cはこの反応の原料及び生成物の1H-NMRスペクトル (500 MHz、CDCl3 ) である。化合
物とスペクトルの正しい組 合せはどれか。
第 96回薬剤師国家試験より抜粋
�d�移動相中の緩衝液のpHを3から7に変えると、安息香酸の k は小さくなる。
��1(a、b)�2(a、c)�3(a、d)�4(b、c)�5(b、d)�6(c、d)
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問28
フューズドシリカを用いたキャピラリー電気泳動法（CE）に関する記述のうち、正しいものの組合せはどれか。
�a�液体クロマトグラフィーと比較して、CEで試料の拡散が少ないのは、電気浸透流が栓流であるためである。
�b�pH4以下の酸性溶液中では、陰極から陽極に向かう電気浸透流が発生する。
�c�ミセル動電クロマトグラフィーでは、中性物質とともにイオン性物質の分離も可能である。
�d�キャピラリーゲル電気泳動法は、ペプチドのアミノ酸配列決定に広く用いられている。
��1(a、b)�2(a、c)�3(a、d)�4(b、c)�5(b、d)�6(c、d)
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問29
試料の前処理法に関する記述のうち、正しいものの組合せはどれか。
�a�溶媒抽出法では、アセトニトリル、メタノールなどの有機溶媒が用いられる。
�b�逆相型の固相抽出法では、一般にクロロホルム、トルエンなどの有機溶媒が用いられる。
�c�除タンパクには、タンパク質変性沈殿法、限外ろ過法などが用いられる。
�d�試料中の有機物の分解には、乾式灰化法、湿式灰化法などが用いられる。
��1(a、b)�2(a、c)�3(a、d)�4(b、c)�5(b、d)�6(c、d)
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問30
ケトンaに対して転位をともなう酸化反応を行ったところ、エステルbとcが得られた。
図A~Cはこの反応の原料及び生成物の1H-NMRスペクトル ( 500 MHz、CDCl3 ) である。化合物とスペクトルの正しい組
合せはどれか。
96回基礎完成 http://square.umin.ac.jp/Licence-Exam/No96-Exam/No96-Exam-1/...
12 / 24 12/05/29 13:02
�� A�B�C�1�a�b�c�2�a�c�b�3�b�a�c�4�b�c�a�5�c�a�b�6�c�b�a
＜解答＞へ・� ＜解説＞へ
問31
下の図は分子式 C9H10O2 で表される化合物 A~Dのいずれかの質量スペクトル（EI-MS）である。記述a~dのうち、正しい
ものの組合せはどれか。
96回基礎完成 http://square.umin.ac.jp/Licence-Exam/No96-Exam/No96-Exam-1/...
13 / 24 12/05/29 13:02
演習問題−2
第 97回薬剤師国家試験より抜粋
演習問題−3
有機化学 II 宿題－２ 2012 年６月７日 学籍番号 名前
第 94回薬剤師国家試験より抜粋
有機化学 II 宿題－２ 2012 年６月７日 学籍番号 名前
第 94回薬剤師国家試験より抜粋
演習問題−4
第 95回薬剤師国家試験より抜粋
第 95回薬剤師国家試験より抜粋
