2.15: 核磁気共鳴 (NMR) 分光法

1. NMR 開始材料の準備

1. きれいな NMR 管材料を開始 〜 10 mg を追加します。
2. ~0.7 mL 重水素化溶媒 (例 CDCl₃) の原料を溶解します。良いスペクトルの溶媒の適切な高さは 4.5-5 cm です。
3. NMR 管を慎重にキャップし、キャップのサンプル名を書きます。
4. すべての材料が解散していたように優しくサンプルを振る。溶媒とサンプルの可能な汚染につながるキャップ間の接触を避けるために注意してください。
5. スピナーに NMR チューブを慎重に挿入します。一度サンプル全体が均一な磁場を経験するように磁石を挿入、スピナーが回転します。指紋や汚れを除去するために NMR チューブと 2-プロパノールとラボの組織とスピナーの外側を清掃します。
6. 場所サンプル深度のスピナー ゲージ分光計を損傷する恐れが多分に、NMR チューブの底部は NMR プローブに余りにずっと挿入しないようにします。異なるプローブは異なるサンプル深さを有し、特定の深さゲージのユーザー必要があります。
7. NMR 分光計にサンプルを配置します。ここで、オートサンプラー装備 Varian 400 MHz の分光器が使用されました。
8. NMR の測定が完了したら、スペクトルを処理し、スペクトルのピークを割り当てます。

2. 3 M NaOH とカルコン合成の準備

1. 60 mg 水酸化ナトリウムを 50 mL のメスフラスコに加えます。
2. 脱イオン水をフラスコの半分に追加して水酸化ナトリウムを溶解します。マークに到達するまでより多くの水を追加することによってさらにソリューションを希釈します。
3. 磁気攪拌棒 50 mL 丸底フラスコにエタノール 10 mL を追加します。
4. その後、680.5 mg 4-メトキシベンズアルデヒドと同じフラスコに手順 2.1 で水酸化ナトリウム溶液 5 mL を追加します。
5. 攪拌した溶液をその後 671 mg 4 methylacetophenone を追加、フラスコのキャップし、室温で攪拌します。
6. ¹H-NMR による出発原料の完全消費までの 30 分間隔 (手順 3. を参照) で反応の進行を監視します。
7. 反応が完了 (~ 3 h) に達したときは、5 mL の水を追加します。結果として得られる沈殿物をフィルターし、1:2 エタノール/水 20 mL で洗浄します。沈殿物の空気が乾燥してみましょう。
8. 得られた製品の収率を計算します。1.2.2.7 のステップにしたがって NMR サンプルを準備します。¹H NMR と純度を確認してください。場合ない純粋なエタノールと再結晶を介して製品を浄化します。
9. パスツール ピペットを用いて NMR 管に反応混合物の約 3 滴を追加し、重水素化溶媒とピペットをすすいでください。
10. 1.2-1.8 の手順を繰り返します。

3. 簡単な NMR スペクトルの解釈

1. 適切なプログラム (例 MestReNova) のスペクトラムを処理します。
2. 表 1に NMR シフトに異なるピークを関連付けます。化学シフトは、環境に存在するプロトンの種類のヒントを与えます。
3. それぞれのピークに対応する水素の数を与えるピークを統合します。すべてのピークの統合は、総プロトンの相対的な数を与えます。
4. 近所の人の数を示すプロトン ピークの分割を評価します。
5. 陽子を互いに接続する方法を参照してくださいに J カップリングを測定します。

核磁気共鳴(NMR)分光法は、有機化学におけるサンプルの分子構造と純度を決定するための重要な方法です。

NMR分光法では、サンプルは強い磁場にさらされます。曝露すると、特定の原子核が離散的なエネルギーレベル間で遷移または共鳴します。これらのレベル間のエネルギーギャップは、スペクトルとして測定および視覚化できます。このデータを用いて、試料の化学構造を解明することができます。

すべての核がNMR活性に必要な特性を持っているわけではありません。

このビデオでは、NMRの原理を紹介し、化学反応のさまざまな段階からのNMRサンプルの調製例を順を追って説明し、いくつかのアプリケーションについて説明します。

NMR装置では、液体窒素とヘリウムを用いて超伝導磁石を冷却します。磁石はサンプルに一定の磁場を印加します。サンプル内では、奇数の陽子および/または中性子を持つ原子核が、場に整列して低エネルギー状態を採用するか、またはそれに対して高エネルギー状態を採用するかのいずれかになります。

2つのレベル間のエネルギー差は共振周波数であり、これは印加された磁場の強度と原子核の種類に依存します。NMRで使用される磁石の場合、値は無線周波数(RF)の範囲です。

RFコイルは、無線周波数パルスでサンプルを励起し、低エネルギー原子核をより高い状態に移動させてから、元に戻ります。コイルはこれらの磁化の変化を検出し、ピークとして表示されます。

NMRの強みは、原子核(この場合は水素)を化学環境によって区別する能力にあります。隣接する原子上の電子は、磁場の一部から原子核をブロックまたは「シールド」します。この有効磁場は、化学シフトと呼ばれる特定の原子核の共振周波数を変化させます。エタノールでは、メチレン、ヒドロキシル、およびメチルプロトンはすべて独自の共鳴周波数を持っています。各ピークの下の面積を決定することで、各種類の陽子の数が明らかになります。

磁気強度の異なる機器は共振周波数をシフトするため、サンプルに添加された標準分子(多くの場合、テトラメチルシラン、またはTMS)を基準としています。周波数の化学シフトは非常に小さく、多くの場合、100万分の1(ppm)で報告されます。

高分解能の強力な磁石を使用すると、ピークがサブピークに分裂することがあります。これは隣接する原子核によって引き起こされ、その一部は磁場と整列し、一部は磁場に逆らっています。原子核に適用される有効磁場をさらに変更します。エタノールでは、2つのメチレンプロトンがメチルピークを2回トリプレットに分割し、3つのメチルプロトンがメチレンピークを3回分割してカルテットに分割します。分裂(Jカップリング)の距離は、原子核の距離に関連し、定性的な発見に役立ちます。

NMRの基本原理を理解したところで、プロトンNMRを用いてアルデヒドとケトンからのカルコンの合成をモニターする手順の例を見てみましょう。

パスツールピペットを使用して、ビーカーに少量の出発物質を追加することから始めます。ヒュームフードに移動し、出発物質を0.7mLの重水素化溶媒で希釈します。重水素の共振周波数が陽子の範囲外であるため、重水素化溶媒が使用されます。

パスツールピペットを使用して、希釈した出発物質0.7 mLをきれいな5μmm NMRチューブに加え、底部4.5μ5 cmを満たします。NMRチューブにキャップをしてラベルを付けます。サンプルとキャップが接触しないように注意しながら、チューブを静かに振ってください。次に、チューブをスピナーに挿入します。

チューブとスピナーの外側を2-プロパノールとラボティッシュを使用して清掃します。次に、サンプルアセンブリをデプスゲージに入れ、挿入深さを校正します。

キャリブレーション後、サンプルアセンブリを手動またはオートサンプラーを使用してNMR分光計にロードします。最後に、コンピュータワークステーションを使用してNMRスペクトルを取得します。

この手順を使用して、反応の各出発物質についてNMRスペクトルを生成します。カルコンの合成には、メトキシベンズアルデヒドとメチルアセトフェノンの両方についてスペクトルを生成する必要があります。

次に、フラスコ内で出発物質と試薬を組み合わせてサンプル合成を行い、反応を開始します。

30分間隔で、パスツールピペットを使用して反応混合物の小さなアリコートを取り出し、きれいなNMRチューブに3滴加えます。

この粗反応生成物を重水素化溶媒で希釈し、前述の手順でNMRを調製します。

反応が進行すると、黄色の沈殿物が形成されます。反応が完了したら、沈殿物を洗浄してろ過し、精製した反応生成物のNMRスペクトルを生成します。

化学反応の各段階でNMRスペクトルを生成したので、それらを分析しましょう。

各出発物質のNMRスペクトルのピークは、その化学シフトと各ピークに寄与する陽子の数に応じて、分子内の異なる陽子基に割り当てられます。ここでは、メチルアセトフェノンとメトキシベンズアルデヒドの4つの主要なプロトン基を割り当て、アルデヒドのピークが9.5〜10.5ppmであることに注目します。異なる時点における原反反応生成物のNMRスペクトルを比較することで、カルコンを合成する化学反応の進化を解明します。例えば、出発物質であるメトキシベンズアルデヒド由来のアルデヒドピークは、反応の30分後もまだ存在していますが、3時間後には完全に消失し、反応の完了を意味します。

精製された生成物のスペクトルを調べることで、各ピークをカルコン構造のプロトン基に割り当てることができます。たとえば、ピーク 3 と 4 を調べると、それらの積分は両方とも 1 であり、陽子が 1 つだけ含まれるグループに対応していることがわかります。

ピーク3とピーク4は、1つの隣接する陽子を示すいわゆるダブレットです。どちらもJ結合定数は16Hzであり、陽子がE二重結合を横切って位置していることを示唆しています。精製した反応生成物のNMRピークを全てアサインすることで、純粋なカルコンの合成を確認します。

NMR分光法は幅広い用途があり、多くの科学および医療分野で使用されています。

このアプリケーションでは、プロトンNMRを用いて、NMRスペクトルが異なるピーク分割パターンを持つジアミドカルベンとモノノアミドカルビンの合成と構造を検証します。これらのカルベンは、白リンと組み合わせると、一見異なる反応生成物も生成しました。DAC1は明るい赤色の反応生成物を生成し、MAAC2は明るいオレンジ色の生成物を生成しました。これらの反応生成物の違いは、NMRの2回目のアプリケーションである31P?NMRは、リン原子核の共鳴周波数の違いに基づいてスペクトルを生成します。

ここでは、核磁気共鳴画像法(MRI)を使用して、脳の解剖学的マップを作成し、関心のある脳領域を選択しました。次に、NMR分光法を使用して、主要な代謝物のスペクトルを生成しました。最後に、MRIを用いて、異なる実験条件における脳代謝の変化を評価した。

このアプリケーションでは、NMRを使用して結合特性を解析し、銅結合ペプチドの3D構造を提案しました。まず、NMRスペクトルでペプチドの非結合状態と銅結合状態を比較しました。次に、より高度な2次元NMR技術を使用して、ペプチドの構造のさまざまな電位コンフォメーションを評価しました。最後に、これらのNMRから得られた構造的制約条件を用いて、非結合ペプチドの3次元構造を提案することにしました。

JoVEのNMR分析の紹介をご覧になりました。これで、NMRスペクトルの生成と分析の背後にある基本的な原理、およびNMRサンプル調製の手順を理解できたと思います。

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