二次元NMR

二次元NMR（2D-NMR）の基礎：複雑な分子構造を解き明かす強力なツール

二次元NMR（2D-NMR、または2次元核磁気共鳴分光法）は、核磁気共鳴（NMR）分光法を高度化させた分析手法です。通常の1次元NMRでは、複数の原子核からの信号が重なり合ってしまい、スペクトルの解析が困難になることがあります。2D-NMRは、この問題を解決するために開発されました。測定結果であるスペクトルは、横軸に原子核の化学シフト、縦軸に様々なパラメータをとり、2次元平面上に表示されます。各点の強度は、対応する原子核の量を示します。

2D-NMRの原理：パルスシーケンスとフーリエ変換

2D-NMRの測定では、フーリエ変換NMR（FT-NMR）を用います。まず、一連のパルス列（パルスシーケンス）をサンプルに照射し、原子核の磁化を制御します。パルスシーケンスの中には、展開期と呼ばれる時間間隔があり、この時間間隔の長さを変えることで、複数の1次元NMRスペクトルを取得します。これらのスペクトルをフーリエ変換することで、2次元スペクトルが得られます。

2D-NMRスペクトルには、対角ピークと交差ピークという2種類のピークが現れます。対角ピークは、横軸と縦軸の化学シフトが同じ原子核からの信号に対応します。一方、交差ピークは、互いに相互作用する原子核間の相関を示す信号であり、構造解析の鍵となります。交差ピークの出現機構はパルスシーケンスによって異なり、様々な種類の2D-NMR測定法が生み出されています。

2D-NMRの歴史：革新的な発想とノーベル賞

2D-NMRの基礎となる概念は、1971年にジャン・ジェーネルによって提唱されました。その後、リヒャルト・R・エルンストがこれを発展させ、二次元フーリエ変換分光法を開発しました。この功績により、エルンストは1991年にノーベル化学賞を受賞しました。

2D-NMRの分類：様々な測定法

2D-NMRは、縦軸のパラメータの種類によって様々な測定法に分類されます。代表的なものを以下に示します。

1. スピン結合定数（J）分解NMR: 縦軸にスピン結合定数、横軸に化学シフトをとったスペクトルです。スピン結合によるピークの分裂を分離して解析することができます。同種核（例：1H-1H）と異種核（例：1H-13C）の両方で用いられます。

2. 化学シフト相関NMR: 縦軸と横軸が共に化学シフトである場合、核種が同じものを同種核2次元NMR、異なるものを異種核2次元NMRと呼びます。主な測定法としては、スピン結合している核のピーク間に交差ピークが現れるシフト相関NMRや、NOE（核オーバーハウザー効果）のある核のピーク間に交差ピークが現れるNOE相関NMRなどがあります。

3. 拡散係数相関NMR (DOSY): 縦軸に拡散係数、横軸に化学シフトをとったスペクトルです。溶液中の分子の拡散係数を測定することで、分子量の推定や、混合物中の成分の分離などに利用できます。

代表的な2D-NMR測定法

ここでは、いくつかの代表的な2D-NMR測定法について詳しく説明します。

1. COSY (Correlation Spectroscopy): 同種核間のスピン結合を検出する最も基本的な手法です。互いにカップリングしたプロトンの化学シフトを特定することで、分子骨格の解析に役立ちます。COSY-90、COSY-45、DQF-COSYなど、いくつかのバリエーションが存在します。

2. ECOSY (Exclusive Correlation Spectroscopy): 小さなJ結合の精密測定に特化した手法です。

3. TOCSY (Total Correlation Spectroscopy): スピン結合によってつながった複数のプロトン間の相関を検出します。複雑なスピン系の解析に有用です。

4. INADEQUATE (Incredible Natural Abundance Double Quantum Transfer Experiment): 隣り合う炭素原子間の13Cカップリングを検出します。天然存在比の低い13Cを検出するため、感度が低いのが欠点です。

5. HETCOR (Heteronuclear Correlation Spectroscopy): 異種核間のスピン結合を検出します。1H-13C相関がよく用いられます。感度はHSQCやHMBCに劣ります。

6. HSQC (Heteronuclear Single Quantum Correlation Spectroscopy): 1結合でつながった異種核間の相関を検出します。HETCORよりも感度が高く、広く用いられます。

7. HMQC (Heteronuclear Multiple Quantum Correlation Spectroscopy): HSQCと同様の情報を提供しますが、多量子コヒーレンスを利用するため、ピークが広がる可能性があります。

8. HMBC (Heteronuclear Multiple Bond Correlation Spectroscopy): 複数結合でつながった異種核間の相関を検出します。遠距離の結合情報を取得できるのが利点です。

9. NOESY (Nuclear Overhauser Effect Spectroscopy): 空間的に近い核間の相関を検出します。分子構造の立体配置の決定に有効です。

10. ROESY (Rotating Frame Nuclear Overhauser Effect Spectroscopy): NOESYと同様の情報を提供しますが、回転相関時間が短い分子に適しています。

2D-NMRデータの処理：投影と対称化

2D-NMRデータの解析には、投影と対称化といった特有の処理が用いられます。

投影: 2次元スペクトルから特定の方向に沿った1次元スペクトルを抽出する処理です。複雑なスペクトルを簡略化し、特定の情報の抽出に役立ちます。

対称化: 2次元スペクトルにおいて、対角線に対して対称な部分のデータを平均化することで、ノイズを低減する処理です。

まとめ

2D-NMRは、複雑な分子構造を解明するための強力なツールです。様々な測定法とデータ処理手法によって、幅広い用途に適用できます。本記事で紹介した基礎知識を元に、更なる学習を進めていただければ幸いです。

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