二次元NMR

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二次元NMR（にじげん—）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。

[編集] 原理

FT-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を観測するが、FIDの前に一連のパルスおよびバ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バ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。t₁ と t₂ 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。

[編集] 術語

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)

[編集] 分類

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。
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NMR、NOE効果のある核のピーク同士に出るNOE相関NMRがある。
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。

[編集] 主な測定法

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 (J_CH) が変化するが、直接共有結合しているCH対の J_CH 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J_CH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H_A-H_BとH_B-H_Cとはスピン結合しているがH_A-H_Cはスピン結合していない場合に、H_A-H_C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。