NMRチャートの読み方

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化学者はどのように分子構造を決定しているのだろうか?

沸点の違いによって、特定の液体を蒸留することはよく知られている。

しかし、その他にも複雑な構造をしている分子は多くある。

あれを、どのように決定するのだろうか?

目に視ることができないのに。

実は、構造決定の方法は色々ある。

その1つに 『 NMR(核磁気共鳴)』 がある。

NMRとは、外部静磁場において原子核が固有の周波数の電磁波と相互作用する現象である。

原子に強い磁場をかけると、各原理に固有の電磁波の吸収・放出が起こる。

これらの電磁波の波長(振動数)を測定すれば、原子の種類が分かるというわけである。

しかも、これら電磁波の波長(振動数)は原子の化学結合の状態によって変化する。

これを 『 化学シフト(ケミカルシフト) 』 という。

逆に、電磁波の波長(振動数)を調べることができれば、化学結合の状態も分かる。

こうして、分子の構造を調べることができる。

ちなみに、医療現場で用いられている 『 MRI(核磁気共鳴画像法)』 も原理は同じである。

MRIは体内の臓器の断面図などを撮影するために用いられる。

研究機関(大学など)には NMR を測定する装置が置かれている。

ここに合成した有機物質を入れると、電磁波の様子がチャートで表示される。

このチャートを印刷して、有機化合物の構造を推定するのである。

むろん、測定するときには、余計な物質が入っていると困る。

なぜなら、目的の物質とは関係のない物質までNMRチャートに現れてしまうからである。

だから、事前に物質を精製して、目的の物質以外は試料から除去しておく必要がある。

物質を精製する方法は様々である。

例えば、還流、カラムクロマトグラフィー、再結晶法などがある。

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NMRの使い方を簡単に紹介する。

前提知識は必要ない。

10分程度でザッと説明する。

例えば、ベンゼンの 『 H NMRチャート 』 は次のようになる。



ppmというのは、磁場の強さを表す単位である。

右側にいくほど(すなわち値が小さいほど)磁場が強いことを意味する。

このNMRチャートによれば、7.4ppm の辺りに1つピークが現れていることが分かるであろう。

これはベンゼンの水素原子を表しているのである。

このとき、

「 ベンゼンの水素原子は6つあるのに、なぜピークは1つしかないのだろう?」

・・・と思う人がいるかもしれない。

簡単に言えば、これはベンゼンの水素原子はいずれも完全に対称的だからである。

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メタンの 『 H NMRチャート 』 は次のようになる。



今回は 0.3ppm の辺りにピークが現れていることが分かる。

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プロパンの 『 H NMRチャート 』 は次のようになる。



今回は、0.9ppm と 1.4ppm の辺りにピークが現れていることが分かる。

しかも、ややピークの形が崩れて山のようになっていることが分かる。

ピークが崩れることには色々と理由があるが、ここにはそれについては踏み込まない。

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トルエンの 『 H NMRチャート 』 は次のようになる。



今回は、7.3ppm と 2.3ppm の辺りにピークが現れていることが分かる。

ところで、先ほど紹介したベンゼンの水素原子のピークは7.4ppmであった。

このことから、芳香族の水素原子のピークは 7ppm の付近に現れることが分かるであろう。

一方、メタンの水素原子は0.4ppmであった。

ところが、今回のチャートでは、メチル基の水素原子のピークは2ppm付近にある。

すなわち、メチル基がベンゼン環に結合すると、ピークは低磁場に移動する。

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では、メチル基に炭素をもう1つ結合させるとどうなるのだろう?

すなわち、ベンゼンにエチル基(-CHCH)を結合させるとどうなるのだろう?

エチルベンゼンの 『 H NMRチャート 』 は次のようになる。



エチル基の外側の炭素に結合した水素のピークは1ppm付近に現れている。

どうやら、ベンゼン環から離れたところにある水素はベンゼン環の影響をあまり受けないようだ。

ピークが分裂していることにも理由はあるが、ここではこの説明は省略する。

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ここまでは炭素に結合した水素のみを観察してきた。

では、水酸基(-OH基)などの場合はどのようになるのであろうか?

そこで、ベンゼン環に OH基 が結合した構造を考えてみよう。

フェノールの 『 H NMRチャート 』 は次のようになる。



ピークは、7.2ppm、6.9ppm、6.8ppm、5.4ppmに現れている。

しかも、今回はベンゼン環の水素もギリギリピークが分かれている。

これは OH基との位置関係が影響しているのである。

ただ、単純にOH基に近いほど低磁場にシフトする・・・というわけではないようだ。

これはベンゼン環の構造が関係しているが、ここではこの説明は省略する。

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エタノールの 『 H NMRチャート 』 は次のようになる。



今回は、3.7ppm、2.6ppm、1.2ppm にピークが現れている。

アルカンの水素は1ppm辺りに現れるはずだが、OH基の影響でかなり低磁場にシフトしていることが分かる。

OH基が直接に結合している炭素の水素はなんと4ppmまでシフトしている。

けれども、そこから1つ離れた炭素に結合している水素はほとんど影響を受けていないようだ。

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・・・という具合である。

既に述べたが、周囲の化学結合の状態によってピークが変化することを化学シフトという。

化学シフトを検証することによって有機化合物の構造を推測することができるというわけである。