二次元NMR

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二次元NMR(にじげんエヌエムアール)は核磁気共鳴 (NMR) 分光法のひとつの手法であり、2D-NMRとも略称する。測定結果であるスペクトルは横軸を被測定核の化学シフトとし縦軸を測定法による種々のパラメーターとした2次元平面の各点の強度として示される。二次元NMRスペクトルのピークは両パラメータ軸への平行線の交点に現れるという意味から交差ピークまたはクロスピークと呼ばれる。縦軸のパラメーターの種類とクロスピークの出現機構により非常にたくさんの二次元NMR測定の種類が考えられ実際に使用されている。普通は後述の対角ピークは交差ピークには含まない。

さらにパラメーター軸を追加した3次元NMRや多次元NMRも開発され使用されている。通常のNMRを多次元NMRと特に区別したい場合には「1次元NMR (1D-NMR)」と呼ぶことがある。

原理[編集]

FT-NMR(フーリエ変換 NMR、Fourier Transform NMR)において一番簡単な測定では1個の励起パルスの直後からFID(Free Induction Decay, 自由誘導減衰)を観測するが、FIDの前に一連のパルスおよびパルス間隔を入れて測定することで特徴あるスペクトルが得られる。この一連のパルス列を「パルスシーケンス (pulse sequence)」と呼び、2D-NMRではパルスシーケンスの中のあるパルス間隔の長さを変えた複数の1D-NMRスペクトルを得る。この長さ可変な期間を展開期 (evolution period) と呼び、2D-NMRではひとつの軸にFID期間中の時間 t2、他方の軸に展開期間中の時間 t1 を示す時間領域 (time-domain) スペクトルが得られる。時間領域スペクトルの両軸をフーリエ変換して周波数領域 (frequency-domain) スペクトルを得る。パルスシーケンス中で展開期がFIDより先であるため、伝統的に展開期を t1 で示しFIDを t2で示す。t1t2 に対応した周波数領域スペクトルの両軸はそれぞれ F1 および F2 と表す。

パルスシーケンスによりクロスピークの出現機構が変わり、さまざまな種類の測定法が考えだされている。

術語[編集]

パルスシーケンス (pulse sequence)
対角ピーク (diagonal peak, diagonal signal)
同種核2D-NMRでは両軸の同一化学シフトの交点、すなわち対角線上に強いピークが現れる。これを対角ピークと呼び、対角ピーク以外のピークを交差ピークと呼ぶ。知りたい情報は交差ピークの方に含まれ対角ピークはその妨害となるので、パルスシーケンスやデータ処理の工夫により抑制するのが望ましい。
投影 (projection)
対称化 (symmetrization)

分類[編集]

  1. 縦軸がスピン結合定数 - J分解NMRと呼ばれる。横軸に投影したスペクトルはスピン結合によるピークの分裂が消え、等価な被測定核ごとに唯1本のみのピークが対応した1D-NMRスペクトルとなる。縦軸からスピン結合定数が高精度で求められる。スピン結合の相手が被測定核と同種の場合は同種核J分解NMR、異なる場合は異種核J分解NMRと呼ばれる。
  2. 縦軸が化学シフト - 縦軸と横軸が同じ種類の核種の化学シフトであるものを同種核2次元NMR (homonuclear 2D-NMR)、異なるものを異種核2次元NMR (heteronuclear 2D-NMR)と呼ぶ。核種の組み合わせだけでも種類が多くなるが、さらにクロスピークの出現機構により多くの種類がある。主な機構としては、スピン結合している核のピーク同士にクロスピークが出るシフト相関NMRNOE効果のある核のピーク同士に出るNOE相関NMRがある。
  3. 縦軸が拡散係数 - 傾斜磁場パルスを使ったFT-NMRで溶液中の分子の自己拡散係数を測定できるが、その自己拡散係数を縦軸とし化学シフトを横軸とした2D-NMRスペクトルとして表現できる。この測定方法はDOSY (Diffusion Ordered SpectroscopY) と呼ばれる。t1 軸に沿ったピーク強度は単調減少するのみで周期変動するわけではなく、F1 への変換もフーリエ変換ではない。ゆえにその原理は、本来の2D-NMRよりはLC-NMR等のクロマトグラフィーと結合したNMRスペクトルやピークごとの T1 測定(縦緩和時間測定)のNMRスペクトルに似ているといえる。

主な測定法[編集]

COSY (COrrelation SpectroscopY, COrrelated SpectroscopY)
両軸が化学シフトでピーク間にスピン結合があるときクロスピークが生じる。有機構造解析の強力な手段である。
HH-COSY
1H観測の同種核COSY、つまり両軸とも1H化学シフトのCOSY。結合距離の近い水素同士が判定できるので有機構造解析の強力な手段である。
CH-COSY
F2軸(観測核周波数軸)が13Cの化学シフトでF1軸(照射核周波数軸)が1Hの化学シフトである異種核COSY。13C観測で1H照射であることを明確に示すためには13C{1H}-COSYと表記する。水素原子と炭素原子の結合が解析できるので有機構造解析の強力な手段であるが感度は後述のHSQCやHMBCに劣る。測定パラメータによりクロスピークが観測できるCH対のスピン結合定数 (JCH) が変化するが、直接共有結合しているCH対の JCH は110–200Hz、1つ以上の原子を挟んで間接的に結合しているCH対のJCHは20Hz以下なので両者は明確に区別できる。間接的に結合しているCH対のクロスピークを観測する場合を特に、長距離相関法 (long-range CH-COSY) と呼ぶ。
NOESY (NOE correlated SpectroscopY)
両軸が化学シフトでピーク間にNOE結合や化学交換があるときクロスピークが生じる。NOEによるクロスピーク強度から原子間の距離が推定できるので構造生物学の強力な手段である。
TOCSY(TOtally Correlated SpectroscopY)
HOHAHAの別名
HOHAHA(HOmo-nuclear HArtmann-HAhn experiment)
間接的にスピン結合している水素原子核同士の相関が観測できる。例えばHA-HBとHB-HCとはスピン結合しているがHA-HCはスピン結合していない場合に、HA-HC間のクロスピークも生じる。さらに2個以上の核スピンを介してつながっている核同士のクロスピークも観測できるが、どこまで遠くの核とのクロスピークが観測できるかは測定パラメータにより変わるので、測定パラメータを変えた複数のスペクトルから解析を行うことが多い。
HSQC (Hetero-nuclear Single Quantum Coherence)
CH-COSYとは逆にF2軸(観測核周波数軸)が1Hの化学シフトでF1軸(照射核周波数軸)が13Cの化学シフトである異種核2D-NMRだが、パルスシーケンスおよび原理はCOSYとは異なる。13Cの天然存在比が少ないため単純な1Hの観測では1H-12C対の信号が強く、観測したい1H-13C対の信号の妨害となる。そこで1H-12C対の信号を抑制するためにこのシーケンスが使われる
HMQC (Hetero-nuclear Multiple Quantum Coherence)
HSQCと同様に13C照射で1H観測しスピン結合しているCH対のクロスピークが観測できる。その名の通りHMQCは多量子コヒーレンス、HSQCは一量子コヒーレンスによるシーケンスを使っており、HSQCの方がピーク幅が狭く分解能を高くしやすい。
HMBC (Hetero-nuclear Multiple-Bond Connectivity)
HMQCパルスシーケンスで測定パラメータを変えて長距離相関のクロスピークを観測する方法。
INADEQUATE (Incredible Natural Abundance DoublE QUAntum Transfer Experiment)[1]
13C間の結合を観測する。通常、13C は 1.1% しか含まれないため、13C 同士が結合を持つ可能性は約1万分の1程度と極めて低く、同位体標識を用いないと観測は難しい。そのために、実際に13C同士の結合をみることは不可能ということでinadequate(不適当な、不十分な)と呼ばれている。[2] しかし、測定できれば構造決定が極めて容易になる。

データ処理[編集]

2D-NMRでのデータ処理の中で、1D-NMRにはない2D-NMR固有の処理について述べる。

投影[編集]

2D-NMRスペクトルのある軸に平行な複数の1D-スペクトルに和などの演算をほどこしてひとつの1D-スペクトルを作り出す処理。ここでスペクトルの和というのは、異なるスペクトルの同一座標の強度値の和を結果のスペクトルの当該座標の値とする演算をいう。つまりスペクトルデータを座標軸上のデータ点数だけの次元のベクトル量と見なした時のベクトル和をいう。

単純に和を取る処理が最もよく使われ、この場合ノイズは平均化されて減少するためS/N比も改善される。和の他の演算としては、複数の1D-スペクトル中の最大値を取るものも使われる。

単に投影と言えば、ある軸に平行な全ての1D-スペクトルに処理をほどこす場合を指すことが多い。それに対して、あるシグナルが存在する範囲だけなどの一定範囲の1D-スペクトルのみを投影に使うこともある。その一定範囲が狭い場合は、1個の1D-スペクトルのみを取り出す、つまり断面(cross section)を取り出す処理に近くなる。

投影処理は以下のような場合に有用である。

  1. J分解スペクトルの化学シフト軸への投影はスピン分裂が消えて単純化されたものになる。特に1H-NMRのように同種核同士のスピン結合で複雑になるスペクトルでは、各シグナルを明確に分離できる効用がある。
  2. 同種核相関スペクトルの投影もスピン分裂が消えて単純化されたものになる。

対称化[編集]

2つの軸が同じ種類の量である2D-NMR(例えばHH-COSY)のスペクトルでは、原点を通る傾き45度の対角線に関して対称な点は原理的に同一値である。ゆえにその観測値に違いがあれば、それは測定誤差やノイズであると考えられる。このことを利用して、対角線に対して対称な点同士の値が異なるものは消すような処理を行えばノイズを減らせると考えられる。この処理が対称化である。具体的な演算には様々な方法がある。

参考文献[編集]

関連項目[編集]

脚注[編集]

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