二次元NMRスペクトルを用いた有機化合物の構造解析

本コラムでは、二次元NMR (2D-NMR) スペクトルを利用した有機化合物の構造解析方法について解説します。

一次元NMR（1D-NMR）での構造解析

一次元NMRは、NMR分光法の中で最も基本的な測定方法であり、スペクトルが一つの軸 (ケミカルシフト) に沿って表示される形式のNMRスペクトルです。前回のコラムで紹介したように、ケミカルシフト、積分比、分裂パターン (カップリング) の情報から、対象物の構造解析を行います。しかし、一次元NMRでは、検出された信号の数が多く、重なり合う位置に信号が現れたり、カップリングが複雑だったりすると、一次元NMRのデータだけで構造解析を行うことが困難となる場合もあります。
本コラムでご紹介する二次元スペクトルの解析法は、基本的な手順に従って解析するため、解析対象物によらずに広汎に使用することが可能です。また、基本的な手順を守れば、初心者の方でも機械的に、構造解析を行うことができます。

二次元NMR (2D-NMR) とは？

二次元NMR（2D-NMR）は、一次元NMRよりも複雑な分子構造を詳しく調べるときに利用する手法で、数多くの測定手法があり、ここでは、代表的な測定法をご紹介します。

スピン結合相関を利用した構造解析

今回ご紹介するのは、化学結合を介した相互作用である「スピン結合相関」を利用した構造解析の手法の一例です。下記の4つのStepを進めることで、対象物の構造解析を進めます。

Step1では、¹³Cの一次元スペクトルとDEPTから、原子団の判別や、原子団や官能基の推定をします。

Step2では、HMQCと¹Hの一次元スペクトルを使って、直接結合した¹³Cと¹Hの組み合わせを見つけます。

Step3では、COSYを使って、隣り合う¹H同士は、どれなのかを調べます。

Step2とStep3の情報を合わせると、ある程度の部分構造を決定できます。

Step4では、HMBCを使って、より離れた¹³Cと¹Hのつながりを調べて、残された部分の構造を決定していきます。

C₆H₁₀O₂の構造解析の例

Step 1 ¹³C (1D-NMR) & DEPT

Step1では、¹³Cの一次元スペクトルと DEPTのスペクトルを使って、原子団の判別をしていきます。
まずは、図1で示すように、¹³Cの一次元スペクトルの各信号に記号を付けます。スペクトルの右側、高磁場側の信号から順に、A, B, C...というように記号を付けていきます。
そして、それぞれの信号の 化学シフトを小数点以下一位まで読み取ります。読み取った情報は、表1のようにまとめておきます。

表1 ¹³Cスペクトル情報

次に、DEPTスペクトルの結果を確認します。
DEPTは、水素が直接結合した炭素を観測するため、対象の炭素原子の級数 (対象の炭素に直接結合した水素の数) がわかります。つまり、CH₃, CH₂, CHといった原子団の判別が可能です。(DEPTでは、4級炭素のスペクトルは検出できない)
DEPTでは、測定パラメータに変え、3種類のスペクトルを取得します。(DEPT135, DEPT90, DEPT45)

表2は、3種類のDEPTスペクトルにおける、信号出現パターンの一覧です。
DEPT135では、CH₃の信号とCHの信号が上向きに検出され、CH₂の信号は下向き (逆位相) に出ます。ケミカルシフトから、CH₃かCHかの判別ができることも多く、DEPT135の測定だけで十分な場合も多くあります。
DEPT135のみで判別しづらい場合は、CHの信号のみが検出されるDEPT90を測定します。

表2 DEPTの信号出現パターン

DEPTスペクトルを使って、今回のサンプルの原子団の判別を行っていきます。
図2のように。¹³Cの一次元スペクトルとDEPTスペクトルの信号出現パターンを照らし合わせて、各信号の原子団を判別していきます。

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DEPT135・・・上向きの信号：CH₃かCH、下向きの信号：CH₂
DEPT90・・・検出される信号：CH
¹³Cの一次元スペクトルのみで検出され、DEPTスペクトルで検出されていない信号：4級炭素
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これらの情報を利用すると、
それぞれの信号の原子団は、右から、A (CH₃), B (CH₃), C (CH₂), D (CH), E (CH), F (4級炭素) と判別することができました。

ここまでの情報を表3にまとめます。この情報を使って原子団と官能基を推定します。

表3 ¹³Cスペクトル情報 (2)

図3は、¹³Cのケミカルシフト表です。
おおよそ100 ppmを境にして、右に飽和炭素、左に不飽和炭素の信号が検出されます。表3でまとめた情報とケミカルシフト表を照らし合わせていきます。
まず、D (122.8 ppm) とE (144.0 ppm) に注目すると、不飽和炭素の領域にあるので、このCHは、不飽和炭素由来ということがわかります。
次に、Fに注目すると、ケミカルシフト値は、166.2ppmで、エステルの領域にあります。
また、今回の物質の分子式はC₆H₁₀O₂で、Oが2個あることから、Fの4級炭素は、COO基由来と推定されます。

ここまでの情報を表4にまとめます。

表4 ¹³Cスペクトル情報 (3)

Step 2 HMQC & ¹H

Step2では、HMQCと¹Hの一次元スペクトルを使って、直接結合した¹³Cと¹Hの組み合わせを見つけていきます。
HMQCでは、直接結合している¹Hと¹³Cの組み合わせがわかります。スピン結合は、記号で ¹J_CH のように書きます。スピン結合を表すJの左上に結合の数を書いて、Jの右下に結合している核を書きます。

図4に、HMQCスペクトルを示します。二次元スペクトルでは、それぞれの軸のところに、高分解能の一次元スペクトルが表示されます。HMQCは、X軸に¹Hスペクトル、Y軸に¹³Cスペクトルが表示されます。
Step2では、Step1の¹³Cスペクトルで各信号に付けたものと同じ記号を、Y軸の¹³Cスペクトルの信号に付けます。Y軸は、上側が高磁場側 (ケミカルシフトの小さい)、下側が低磁場側 (ケミカルシフトの大きい) です。

次に、Y軸の¹³C信号から HMQCの相関信号に線を引いて、¹³Cと直接結合している¹Hを確認します。例えば、¹³Cの信号Cに注目すると、横に向かって線を引き、相関信号にぶつかったら、そこから上に線を引きます。ここでたどり着いた¹Hの信号が、¹³Cの信号Cと直接結合している相手になります。このようにして、対応する¹Hが見つかったら、その¹Hに相手の¹³Cと同じ記号を付けていきます。
¹³Cの信号Cの相手なので、この¹Hにも Cという記号を付けます。相関を持つすべての組み合わせに、同様の記号付けを行います。

Step 3 ¹H-¹H COSY

図6が、COSYの実測スペクトルになります。COSYは、X軸もY軸も¹Hスペクトルが表示されます。Step1では、¹³Cの各信号に記号を付けました。Step2では、HMQCを使って、¹³Cと直接結合している¹Hの各信号に記号を付けました。
Step3では、まず、X軸とY軸の¹Hスペクトルの信号に、Step2で付けたものと同じ記号を振ります。先ほど使ったHMQCスペクトル (図4) を見て、そのX軸の¹Hスペクトルの信号に付いている記号を、そのまま写します。

図6では、高磁場側からアルファベット順に並んでいますが、このサンプルでは偶然そうであっただけで、¹H信号の記号は、いつもアルファベット順になるわけではないことに注意してください。
また、COSYスペクトルでは、対角線を引くと、対角線上に信号が並び (対角信号と呼ぶ) ますが、これらは、構造解析の情報としては利用しません。対角線から外れたところにある信号が、COSYの相関信号となります。

相関信号からX軸とY軸のスペクトルに向かって線を引き、スピン結合している¹H同士を見つけます。
例えば、緑の丸で囲った相関信号に注目すると、X軸へたどると¹Hの信号C、Y軸へたどると¹Hの信号Aに突き当たります。そのため、信号CとAは、互いにスピン結合している (隣り合っている) ことがわかります。相手がわかったら、例えばC/Aのように、相関信号に記号を付けて、³J_HHの関係にある¹H同士であることを明記しておきます。また、COSYの相関信号は、対角線に対して、線対称な位置に現れため、全ての相関信号について、同じように、³J_HHの相手を見つけます。

COSYの相関信号の情報が出揃ったら、各信号の相関表を作ります。
表5が、COSYの相関表です。
縦横の¹H信号の記号を、¹H-¹H COSYの軸のデータのスペクトル通りに書きます。(このサンプルの場合は、たまたまアルファベット順に並びましたが、COSYのスペクトルを見て、化学シフト順に記載してください。)
例えば、CとAの相関信号であれば、CとAの交差したところに印を付けていきます。
このようにして、全ての相関信号をCOSYの相関表に記入していきます。

ここで、COSYの相関信号 (図7)
今回のサンプルでは、Cの¹HとAの¹Hの間にCOSYの相関信号が観測されました。
また、HMQCスペクトルからCの¹HとCの¹³Cは直接結合していることがわかりました。同じように、Aの¹HとAの¹³Cも直接結合しています。
したがって、CとAの間のCOSYの相関信号は、Cの¹³CとAの¹³Cが隣り合っているということを導くことが可能です。

つまり、COSYの情報を使うと、隣り合う¹Hのつながりから、間接的に、隣り合う¹³Cのつながりも見つけることができます。

ここまでに揃った情報は、¹³Cスペクトルの情報 (表4) とCOSYの相関表 (表5) です。
COSYの相関表から、¹³Cの信号A-C、B-E、D-Eに由来する炭素原子が、それぞれ隣り合っていることが分かります。また、Eは、BとDの両方と隣り合っているので、B-E-Dであることがわかります。¹³Cスペクトルの情報と組み合わせて、記号を原子団で書き換えると、A-C：「CH₃-CH₂-」、B-E-D：「CH₃-CH=CH-」となります。FはStep1で「COO」ということがわかっているので、今回の化合物は、以下の三つの部分構造から構成されていることがわかりました。

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部分構造1：CH3-CH2-　・・・ A-C
部分構造2： CH3-CH=CH-　・・・ B-E-D
部分構造3： COO　・・・ F
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次に、各部分構造をつなげて、どんな分子になるかを考えていきます (図8)。三つの部分構造の組み合わせから考え得る分子構造を全てリストアップしていきます。分子構造を考えるときは、CH₃は構造の末端に位置するために、CH₃を含む部分構造に注目するとわかりやすいです。
今回、考え得る構造は二つです。部分構造1と2は、CH₃を含むので、分子構造の端であることがわかります。
そして、1と2が端に位置することから、部分構造3が、1と2の間に挟まれる構造になっていると予測することができます。部分構造3の向きの違いによって、2種類の推定構造 (I, II) を作ることができました。どちらの推定構造が妥当なのかは、COOの向きによって判断できます。そのため、COOに関するロングレンジのスピン結合を確認するために、HMBC測定します。

Step 4 HMBC

図10が、HMBCの実測スペクトルです。HMBCの軸は、HMQCと同じで、X軸に¹Hスペクトル、Y軸に¹³Cスペクトルが表示されます。
Step4では、X軸とY軸の一次元スペクトルの各信号に、Step2のHMQCスペクトルで振り分けたものと同じ記号を付けます。
次に、相関信号から X軸とY軸のスペクトルへ線を引いて、スピン結合している¹³Cと¹Hの組み合わせを見つけます。ここで、オレンジ色で囲んだ二つ横並びになっている信号は、¹Hと¹³Cの直接結合¹J_CHの信号です。これらは、消え残り信号なので、全ての直接結合で 観測されるわけではありません。直接結合は、HMQCで観測済みなので、ここでは、着目する必要ありません。
HMBCスペクトルでは、直接結合の信号は無視して、ロングレンジの情報のみを読み取ります。
例えば、緑で囲った相関信号に注目すると、Y軸へたどるとC、X軸へたどるとAなので、Cの¹³CとAの¹Hが互いにロングレンジスピン結合していることがわかります。
相手がわかったら、例えばA/Cのように、相関信号に記号を付けて、²J_CHもしくは³J_CHの、ロングレンジスピン結合している¹Hと¹³Cであることを示しておきます。
全ての相関信号について、同じようにして、ロングレンジスピン結合の相手を見つけて、相関信号に記号を付けておきます。HMBCの相関信号の情報を書き出したら、相関表を作ります。

表6が、HMBCの相関表です。横に¹H信号の記号、縦に¹³C信号の記号を、スペクトル通りに書きます。(¹H信号の記号は、必ずしもアルファベット順にならないことに注意)
HMBCスペクトルの相関信号を 記入していきます。
例えば、Cの¹³CとAの¹Hの相関信号であれば、相関表で、¹³CのCと¹HのAの交差したところに印を付けます。
このようにして、全ての相関信号をHMBCの相関表に記入します。

HMBCの情報を使って、部分構造をつなげます。
先ほど記入したHMBCの相関表 (表7) を見ます。相関信号の印のうち、Step3のCOSYまでに解析済みの結合を〇、HMBCで初めてわかった結合を●とします。HMBCで初めてわかった結合はFのCOOの相関です。これは、FがC、D、Eとロングレンジのスピン結合をしていることを示しています。

推定構造IとIIで、COOがどちら向きに付いている方が正しい構造なのかを、Fのロングレンジの相関であるF-C、F-D、F-E の相関を見ます。(図11)
まず、推定構造Iで、Fの¹³CとCの¹Hは、結合を三つ介しているので、³J_CH、Fの¹³CとDの¹Hは、結合二つで²J_CH、Fの¹³CとEの¹Hは、三結合で³J_CHです。
次に推定構造IIを見ます。
Fの¹³CとCの¹Hは、結合二つで²J_CH、Fの¹³CとDの¹Hは、結合三つで³_JCH、Fの¹³CとEの¹Hは、結合四つで⁴J_CHです。
⁴J_CHが観測される可能性は低いため、推定構造Iが、妥当な構造であると予想できます。

推定構造Iが、本当に正しいかどうか、最後に一次元スペクトルの情報と照らし合わせます。
推定構造Iでは、記号CのCH₂は、酸素と結合しています。そして、このCの¹³Cの化学シフトは59.8 ppmでした（表1）。
CH₂の¹³Cの化学シフト表 (表8) を見ると、通常のCH₂であれば20-45 ppmに観測されますが、酸素と結合したCH₂は、低磁場シフトして、40-70 ppmに観測されます。このことから、得られたNMRデータと推定構造Iの辻褄が合っているので、「構造Iが正しい」と判断できます。

表8 CH₂の¹³C化学シフト

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