NMR入門講座　⑥溶液2次元NMRの原理と読み方

概要

核磁気共鳴（nuclear magnetic resonance：NMR）法は、分子構造や様々な分子間相互作用、分子の運動状態などを調べる手法で、高分子化学、生物化学、医学等の広範囲な分野で活用されています。本講座では、
2次元NMRの簡単な原理と、溶液NMRにおける代表的な2次元NMR測定法4種について説明します。

1．2次元NMRの原理^1,2）

2次元NMR測定は、複数のパルスとそれらの間の待ち時間からなる一連のパルスシーケンスで記述され、一般的に【図1】に示した4つの時間領域（準備期、展開期、混合期、検出期）で構成されます。準備期に励起された磁化は、展開期に核スピンごとの固有の情報（化学シフト、J結合）をもって展開し、混合期に相互作用する他の核スピンと相関づけられた後、検出期にNMR信号（FID）として検出されます。したがって、2次元NMR測定のFIDは核スピン間の相関（相互作用）についての情報を含みます。
2次元NMRでは、【図1】のように展開時間t₁を少し（Δ t）ずつ延ばしながら多数の1次元測定を行うことで、t₁の長さに応じて変調した一連のFIDが取得されます。

得られた一連のFIDを【図2】のようにx軸をt₂軸、y軸をt₁軸として並べると、x軸方向はFIDでありフーリエ変換（FT）可能、y軸方向もFIDをΔ t間隔でサンプリングした形のデータ（インターフェログラム）となりFT可能です。そこでt₁、t₂の両時間軸をFT（周波数軸f₁、f₂に変換）すると2次元NMRスペクトルが得られます。

2．代表的な溶液2次元NMR測定法

代表的な溶液2次元NMR測定法として、一般的に分子の構造解析で使用する測定法4種を紹介します。これらは化学結合を介した相互作用であるJ結合（スピン結合）を利用した測定法です。ここでは例として1-プロパノール重水溶液を試料としています（OH基は重水との交換のため不検出）。

2-1） 同種核相関（¹H-¹H） 2次元測定

¹H間の相関を解析する測定法としてCOSYとTOCSYを紹介します。同種核相関（¹H-¹H）測定では縦軸、横軸はいずれも¹Hの化学シフト軸を示し、対角線上のピーク（対角ピーク）は1次元¹Hスペクトルに対応します。それ以外のピーク（交差ピーク）から目的の相関を読み取ります。

2-1-1） COSY

¹H-¹H COSY（COrrelation SpectroscopY）は、J結合を介した2つのH間の相関を得る測定法で、主に隣接水素の解析に使用します。1-プロパノールの¹H-¹H COSYスペクトルを【図3】に示します。
交差ピークを見ると、ピーク1とピーク2（緑）、ピーク2とピーク3（赤）の間で相関が確認されており、ここから1–2–3の並びで結合していることが分かります。化学シフトより、低磁場側のピーク1がCH₂-OD基、高磁場側のピーク3がCH₃基と判断できます。

COSYの変法として、解析の妨害となりがちな軽水ピーク等の非相関ピークを排除できるDQF（2量子フィルター）-COSYがよく用いられます。

2-1-2） TOCSY

¹H-¹H TOCSY（TOtal Correlation SpectroscopY）は、J結合を介して繋がっている全てのH間の相関を得る測定法です。　1-プロパノールの¹H-¹H TOCSYスペクトルを【図4】に示します。
COSYと同様に交差ピークを見ると、ピーク1からピーク2, 3両方に相関が確認され（紫）、1, 2, 3が隣接した化学結合で繋がっていることが分かります。

TOCSYはCOSYとセットで水素の配列解析に使用され、分子が四級炭素やエーテル結合等を有しJ結合が切れる場合には、部分構造の解析（糖鎖中の単糖ごとの解析等）に特に有効です。TOCSYはHOHAHA（HOmonuclear HArtmann-HAhn spectroscopy）とも呼ばれます。

2-2） 異種核相関（¹H-¹³C）2次元NMR

¹H-¹³C間の相関を解析する測定法としてHSQCとHMBCを紹介します。異種核相関（¹H-¹³C）測定では一般的に縦軸に¹³Cの化学シフト軸、横軸に¹Hの化学シフト軸を表示します。

2-2-1） HSQC

¹H-¹³C HSQC（Heteronuclear Single Quantum Correlation）は、H-Cの直接結合の相関を得る測定法です。1-プロパノールの¹H-¹³C HSQCスペクトルを【図5】に示します。
交差ピークを見ると、3種類の水素のピーク（1～3）と3種類の炭素のピーク（a～c）のうちどれが結合しているか（1–a, 2–b, 3–c）が一目で分かります。

HSQCは結合情報を直観的に把握しやすい測定法であり、構造解析の起点としてよく利用されます。HSQCの変法として、DEPT135（炭素級数の区別が可能）の機能を付加したEdited-HSQCが知られています。

2-2-2） HMBC

¹H-¹³C HMBC（Heteronuclear Multiple Bond Correlation）は、2～3結合離れたH-C間（H-X-CとH-X-X-C）の相関を得る測定法です。1-プロパノールの¹H-¹³C HMBCスペクトルを【図6】に示します。
¹Hのピーク1に着目すると、¹³Cのピークb （隣の炭素）及びピークc （2つ隣の炭素）との相関が確認されます。このように、HMBCではHSQCを補完する隣接した結合の情報が得られます。

HMBCはHSQCとセットで分子構造解析に必須ともいえる測定法ですが、2結合と3結合の両方が観測されるために帰属が曖昧になる場合があります。そのような場合は2結合の観測に特化した測定法としてH2BC（Heteronuclear 2-Bond Correlation）が利用できます。一方、4結合以上離れたロングレンジ（LR）相関を観測できる測定法としてLR-HSQMBC（Heteronuclear Single Quantum Multiple Bond Correlation）があります。

3．まとめ

本講座では、2次元NMRの簡単な原理と、溶液における代表的な2次元NMR測定法を紹介しました。本講座で紹介した測定法を以下にまとめました（【表1】、【図7】）。

【表1】 溶液2次元NMR測定法まとめ

分類	測定法	得られる情報
同種核 1H-1H	COSY	隣接水素
	TOCSY	隣接水素網の全相関
異種核 1H-13C	HSQC	H-C直接結合
	HMBC	2～3結合離れたH-C相関

 

溶液2次元NMRには他にも様々な測定法があり、空間を介した相互作用を利用したNOESY（Nuclear Overhauser Effect SpectroscopY）やROESY（Rotating frame nuclear Overhauser Effect SpectroscopY）では、¹H核の位置関係（一般に5Å以内）を調べることができます。また、感度は低いですが¹³C-¹³Cの直接結合情報が得られる測定法にINADEQUATE（Incredible Natural Abundance DoublE QUAntum Transfer Experiment）があります。溶液2次元NMRに関する詳細は、文献3） 等の成書をご参照ください。

参照文献

• 1) 阿久津秀雄、島田一夫、鈴木榮一郎、西村善文 編、「NMR分光法」、講談社（2016）
• 2) 日本化学会 編、「第5版 実験化学講座8」、丸善（2006）
• 3) T. D. W. Claridge 著、「有機化学のための高分解能NMRテクニック」、竹内敬人、西川実希 訳、講談社サイエンティフィク（2004）