コア コンセプト
この有機化学のチュートリアルでは、IR および NMR スペクトル分析の手法を使用して未知の化合物を特定する方法を探ります。例を使用して分析プロセスを説明する前に、各手法について簡単に説明します。
有機構造を理解する
化学者が持つことができる最も重要なスキルの 1 つは、未知の物質を識別することです。有機物質の場合、通常、1 つの分析方法では、未知の構造に関する詳細がわずかしか得られません。その結果、有機化学者は、同定を行う前に、多くの場合、複数の分析を実行する必要があります。 IR および NMR 分光法と組み合わせた飽和分析は、複数の一般的な有機化合物の同定を可能にする分析技術の 1 つのグループです。
これら 3 つの方法のそれぞれがどのように機能するかを簡単に見てみましょう。次に、問題例でそれらがどのように連携するかを見てみましょう。
プレスペクトル分析:不飽和度
飽和分析を実行して不飽和度を計算するには、未知の分子式を知る必要があります。完全な構造を知らなくても、これを見つける方法はいくつかあります。このような方法には、質量分析、可燃性の場合の燃焼分析、化学量論による副産物分析、およびその他のいくつかの方法が含まれます。
化学式を使用すると、各成分の比率を使用して化合物の不飽和度を計算できます。具体的には、次の式を使用します:
不飽和度 =(2(C) + 2 – (H + X – N))/2
C =式中の炭素数
H =式中の水素の数
X =式中のハロゲンの数
N =式中の窒素の数
式の仕組みについて詳しくは、この記事をご覧ください。より詳しい説明が記載されています。
化合物の不飽和度は常に整数であり、存在するパイ結合と環構造の合計に等しくなります。たとえば、上記の式をシクロペンタジエン (C5 H6 )、不飽和度 3 を計算します。したがって、シクロペンタジエンには 1 つの環構造と 2 つの pi 結合があります。
未知の不飽和度を知ることは、さらなる分析に役立つ重要な手がかりを提供します。
スペクトル分析 I:IR 分光法
次に、IR スペクトル分析を使用して、未知の物質に存在する特定の官能基をさらに特定できます。未知の構造と化学に基づいて、その化学結合はそれぞれ特定の周波数で振動します。 IR 理論では、分子構造はその結合振動の周波数と共鳴する周波数でのみ赤外線放射を吸収すると述べています。 IR分光計はこれらの吸光度を拾い上げ、IRスペクトルの形で分子に関連する各共鳴周波数を提供します。 IR 分光法の背後にある科学の詳細については、この記事をご覧ください。
IR スペクトルでは、特定の「ピーク」(またはむしろ「谷」) が、化合物に見られる結合の重要な共鳴周波数に対応します。
x 軸は逆センチメートル (cm) の単位で表示され、「波数」とも呼ばれ、共振周波数の逆数を示します。一般に、波数が高いほど結合が強いことを示します。例えば、炭素-炭素二重結合 (~1680cm) は、芳香族炭素-炭素結合 (~1500cm) より波数が高いが、炭素-炭素三重結合 (~2200cm) よりは低い。
重要なことに、分子内の周囲の領域の化学的性質に応じて、同じ結合が異なる波数を持つ可能性があります。アミドのカルボニル基 (~1690cm) は通常、カルボン酸のカルボニル基 (~1750cm) とは異なる共鳴を持っています。共役は、特にカルボニルの場合、波数にも影響を与える可能性があります。
y 軸はピークの強度を示し、双極子モーメントが強い結合ほど増加する傾向があります。たとえば、カルボニル基は、非極性の炭素-炭素二重結合よりもはるかに高い強度を持つ傾向があります.
幸いなことに、ほとんどの結合の IR 共鳴周波数は、多くの教科書やオンライン リソースで表にされています。一般的な結合波数の包括的なリストは、こちらにあります。
スペクトル分析 II:NMR 分光法
最後に、最も重要な官能基がわかれば、NMR スペクトル分析を使用して、分子の炭化水素骨格をよりよく理解できます。原子が核スピンを持つとき、それは磁気双極子モーメントを表します。したがって、この双極子モーメントは、NMR が周波数として測定する原子の基底状態からのエネルギー変化を伴います。ただし、これは水素-1 (H) や炭素-13 (C) などの核スピンを持つ原子にのみ適用されます。 NMR 分光法の物理について詳しく知りたい場合は、この記事をチェックしてください。
最も一般的な方法である H NMR では、化学的に異なる水素が測定可能なほど異なる周波数を発します。 NMR 分光法はこれらの周波数を ppm で定量化し、値が高いほど双極子モーメントが強いことを示します。重要なことに、分子内の電子の分布に応じて、水素の近くにある他の原子の磁場がその核スピンをシフトします。一般に、電子が少ない水素または「遮蔽されていない」水素は、電子が豊富な水素または「遮蔽された」水素よりも高い ppm を持ちます。 NMR スペクトログラムは、化学的にユニークな水素のこの「化学シフト」を反映しています。一般的な NMR 化学シフトの包括的なリストは、こちらにあります。
NMR のピークは、しばしば 2、3、4 などにグループ化されていることに気付くかもしれません。これは、「n + 1」の規則に従う、隣接する水素の「分裂」効果によるものです。 4 つのピークのグループは、隣接する原子に 3 つの水素があることを示し、3 つのピークは近くに 2 つの水素があることを示します。
最後に、ピークのグループを統合できます。ピーク群の下の相対面積は、その頻度での水素の数を示します。具体的には、3 つの水素を表すピークは、1 つの水素を表すピークの 3 倍の面積、6 つの水素を表すピークの半分の面積などになります。
次のセクションで説明するように、これらすべての複雑さにより、NMR は強力な分析ツールです。
完全なスペクトル分析:例
これらの各方法が互いに補完し合う方法を十分に理解するために、例を見てみましょう。覚えておいてください:大学の有機化学の試験では、教授はよくこのような問題を使用します!
ある日、未知の化合物が実験室で偶然生成されたとしましょう。サンプルで質量分析を実行すると、式は次のようになります:C8 H9 オン。次に、サンプルに対して IR および NMR 分光法を実行すると、次のスペクトルが生成されます。
不飽和分析
まず未知数を理解するために、その不飽和度を計算する必要があります。この式により、未知数には 5 度の不飽和があることがわかります。
DoU =(2(C) + 2 – (H + X – N))/2 =(2(8) + 2 – (8 – 1))/2 =5
IR スペクトル分析
次に、3296cm と 1662cm の IR 周波数がおそらく最も重要であることがわかります。他の IR ピークは、C-H および C-C 結合に対応している可能性が高く、あまり有用な情報は得られません。 IR 周波数の表を見ると、3296cm のピークは N-H 結合または O-H 結合に対応している可能性があります。 1662cm のピークは、C=O または C=C 結合を示している可能性があります。これらの結合のそれぞれは、私たちの式から可能です.
NMR スペクトル分析
第 3 に、2.1ppm の NMR ピークは重要なようです。 27.9 の積分値と 9.2 のグラフの最小値を考えると、このピークは 3 つの水素に対応する必要があります。 NMR 周波数の表を参照すると、2.1ppm はカルボニルに隣接するメチル基に対応する傾向があることがわかります。これは、以前に C=O が可能であることを指摘したため、理にかなっています。また、これは、メチル水素を分割する隣接する水素がないことを意味します。したがって、2.1ppm のピークには分裂がまったくありません。
化合物の同定
カルボニルの確認により、構造内に酸素が 1 つしか存在しないため、3296cm のピークとして O-H を除外できます。したがって、どこかにN-Hが必要です。さらに、カルボニルは 5 つの不飽和ユニットのうちの 1 つを占め、残りの 4 つです。これはおそらく、残りの不飽和単位を吸収するためにどこかにフェニル基を追加する必要があることを意味します.
NMR に戻ると、7.0 と 7.5 の間に 3 つの分割ピークのグループが見られます。積分 (19.4、20.5、10.7) は、このグループが 5 つの合計水素に対応することを示しています。分裂を考慮すると、2 つの水素と 1 つの隣接する水素、2 つの水素と 2 つの隣接する水素、1 つの水素と 2 つの隣接する水素が見られます。これらのデータ ポイントはすべて、一置換フェニル基を示しています。
このフェニルは、残りの不飽和単位を占める 3 つの pi 結合と 1 つの環を提供します。
9.2ppm の最終ピークは、N-H 結合の水素に対応する必要があります。このピークには分割がなく、隣接する水素がないことを示しています。
これが構造に存在するためには、窒素をフェニルとカルボニルの間に配置して、最終的な構造を得る必要があります.
したがって、この最終構造は二級アミドを有する。最終チェックとして、2 級アミドの C=O 結合の頻度は通常 1680cm であることがわかります。これは、IR スペクトルの 1669cm 波数に非常に近いことがわかります。
