🔬 NMRの原理
核スピンとゼーマン分裂
スピン量子数（I）が 0 でない原子核（¹H、¹³C、¹⁹F、³¹P など）は磁気モーメントをもつ。
外部磁場（B₀）をかけると、エネルギー準位が 2I+1 個に分かれる。
✅ スピン量子数 I = 1/2 の原子核（¹H, ¹³C など）は外部磁場で 2 つのエネルギー準位に分かれる
→ これを ゼーマン分裂 という
この 2 準位間のエネルギー差に対応する電磁波（ラジオ波）を吸収する現象が 核磁気共鳴（NMR）。
測定対象核の比較
| 測定核 | 感度 | 用途 |
|---|---|---|
| ¹H | 高い | 水素の化学環境・官能基・骨格推定 |
| ¹³C | 低い（天然存在比 1.1%） | 炭素骨格を直接観測 |
| ¹⁹F | 高い | フッ素含有薬物の分析 |
| ³¹P | 高い | 核酸・リン脂質の分析 |
📊 化学シフト（δ値）
周囲の電子密度によって共鳴周波数が変化する。この変化を 化学シフト（δ）[ppm] で表す。
基準物質：TMS（テトラメチルシラン）→ δ = 0 ppm
✅ 電子密度が低い（非遮蔽）→ 低磁場（δ 大きい）
✅ 電子密度が高い（遮蔽される）→ 高磁場（δ 小さい）
¹H NMR 代表的な化学シフト
| プロトンの種類 | δ (ppm) | 遮蔽・非遮蔽 |
|---|---|---|
| TMS（基準） | 0 | — |
| R-CH₃（アルキル基） | 0.9〜1.5 | 高磁場（遮蔽される） |
| R-O-CH₃（メトキシ基） | 3.3〜3.5 | 中程度 |
| Ar-H（芳香族） | 6.5〜8.5 | 低磁場（非遮蔽・環電流効果） |
| R-CHO（アルデヒド） | 9〜10 | 非常に低磁場 |
| R-COOH（カルボキシル） | 10〜12 | 最も低磁場 |
⚠️ 芳香族プロトンが低磁場に現れる理由：芳香族の環電流効果（ring current effect）により、π電子が磁場を増幅し、プロトンを非遮蔽化する。
🔢 積分値とプロトン数
¹H NMRでは、シグナルの積分値（面積）がプロトン数の比に比例する。
✅ 積分値 = プロトン数の「比」（絶対数ではない）
例：積分比 3:2:1 → CH₃ : CH₂ : CH（比率）
⚠️ CDCl₃中の「×印」：重クロロホルム（CDCl₃）溶媒中に微量含まれる CHCl₃ に由来するシグナルが δ ≈ 7.26 ppm に現れる。これは試料のシグナルではなく、問題文では「×」で示される。
🔗 スピン-スピン結合（n+1則）
隣接する炭素上の水素（等価なH）の数 n によってシグナルが分裂する。
分裂数 = n + 1
| 隣のH数（n） | 分裂数 | 名称 |
|---|---|---|
| 0 | 1本 | 一重線（singlet, s） |
| 1 | 2本 | 二重線（doublet, d） |
| 2 | 3本 | 三重線（triplet, t） |
| 3 | 4本 | 四重線（quartet, q） |
例：エタノール（CH₃CH₂OH）
- CH₃（3H）：隣の CH₂ が 2H → 2+1 = 三重線（t）
- CH₂（2H）：隣の CH₃ が 3H → 3+1 = 四重線（q）
- OH（1H）：水素結合のため分裂が観測されにくい（重水添加で消失）
✅ 重水（D₂O）添加で消えるシグナル = 活性プロトン（OH, NH, SH など）
💊 医薬品分析への応用
| 用途 | 内容 |
|---|---|
| 構造確認 | 合成した医薬品・原薬の構造が正しいか確認 |
| 純度試験 | 不純物・異性体のシグナルを検出 |
| 代謝物同定 | 体内で生じた構造変化の検出 |
| 日本薬局方収載 | ¹H NMR が確認試験として収載されている品目あり |
✅ IR（赤外）1770 cm⁻¹ 付近の強い吸収 → 酸無水物や特殊なエステルの C=O 伸縮振動（通常のエステル ~1735 cm⁻¹ より高波数）
📋 国試頻出まとめ
| # | ポイント | 内容 |
|---|---|---|
| 1 | ゼーマン分裂 | I=1/2 の核が外部磁場で 2 つのエネルギー準位に分かれる現象 |
| 2 | 化学シフト | 低磁場（δ大）= 非遮蔽 / 高磁場（δ小）= 遮蔽される |
| 3 | 積分値 | シグナル面積 ∝ プロトン数の比 |
| 4 | n+1則 | 隣のHが n 個 → n+1 本に分裂 |
| 5 | TMS | 基準物質（δ = 0 ppm） |
| 6 | CDCl₃の×印 | δ≈7.26 に溶媒由来（CHCl₃）のシグナル |
| 7 | 重水（D₂O）添加 | OH・NH・SHなど活性プロトンのシグナルが消失 |
| 8 | 芳香族H | δ 6.5〜8.5 ppm（環電流効果で低磁場） |
| 9 | ¹H vs ¹³C | ¹H は感度高・積分値でプロトン数比がわかる。¹³C は炭素骨格を直接観測 |
📝 国試過去問チェック
第110回薬剤師国家試験 問4（必須）
スピン量子数が1/2である原子核が外部磁場の中に置かれると、そのエネルギーが2つのエネルギー準位に分かれることを表しているのはどれか。1つ選べ。
１. 化学シフト
２. McLafferty（マクラファティー）転位
３. ラジカル開裂
４. 超微細分裂
５. ゼーマン分裂
解答と解説を見る
正解：5
5○ ゼーマン分裂（Zeeman splitting）：スピン量子数 I = 1/2 の原子核（¹H, ¹³C など）が外部磁場に置かれると、エネルギーが 2（= 2I+1）つの準位に分かれる現象。これがNMR（核磁気共鳴）の原理。正しい。
1✗ 化学シフト（δ）は、周囲の電子密度によって共鳴周波数がずれる現象（ゼーマン分裂後の話）。「エネルギー準位が2つに分かれること」ではない。
2✗ McLafferty転位は、質量分析（MS）においてγ位のH転位を伴う特徴的なフラグメント化反応。NMRとは無関係。
3✗ ラジカル開裂は、質量分析のフラグメント化機構の一つ。NMRとは無関係。
4✗ 超微細分裂（hyperfine splitting）は、電子スピン共鳴（ESR）でラジカルの核スピンによりシグナルが分裂する現象。NMRのゼーマン分裂とは異なる。
第108回薬剤師国家試験 問109（一般）
ある化合物の ¹H-NMR スペクトル（400 MHz、CDCl₃、基準物質はTMS）と各シグナルの積分比（下表）、および IR スペクトル（1770 cm⁻¹ 付近に強い吸収）から、この化合物の構造式を選ぶ問題。なお、×印のシグナルは CDCl₃ 中に含まれる CHCl₃ のプロトンに由来する。
シグナル 化学シフト 積分比 ア δ 7.1〜7.2（芳香族） 3 イ δ 7.1〜7.2（芳香族） 3 ウ δ 1.2〜1.3 2 エ δ 2.6〜2.7 2 オ δ 1.2〜1.3 2 ※選択肢は構造式のため、原典（108回試験問題）を参照のこと。
解答と解説を見る
正解：1
NMRスペクトルの読み取りポイント：
① IR 1770 cm⁻¹：通常のエステルの C=O 伸縮（~1735 cm⁻¹）より高波数。酸無水物（~1850 + 1770 cm⁻¹）やアリールエステル・ビニルエステルなど、カルボニルが活性化された C=O を示す。
② NMR 積分比とシグナル解釈：
- ア・イ（各3H、δ 7.1〜7.2）：2 種類の芳香族プロトン → 芳香環上のH
- ウ・エ・オ（各2H）：脂肪族の CH₂ グループ3種 → 合計6H の脂肪族
- 総プロトン数：6（芳香族）+ 6（脂肪族）= 12H
③ 構造推定の流れ：
- IR から高活性 C=O が存在する（1770 cm⁻¹）
- 芳香族 6H（2種 × 3H ずつ） + 脂肪族 CH₂ × 3 の骨格
- これらを満たす構造（選択肢1）が正答
×印（δ ≈ 7.26）は CDCl₃ 由来のシグナル → 試料のシグナルではない