重水素: NMR の溶媒に添加したりする水素の同位体

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このページの最終更新日: 2024/02/14

概要: 重水素とは

水素原子は通常 1 個のプロトンをもつが、これに 1 つ中性子が加わり原子量 atomic weight が 2 になった同位体を重水素 deuterium といい、²H または D と表す。元素記号をもつ同位体は、この重水素とトリチウム ³H (T) のみである (1)。

重水素は、ハロルド・ユーリー Harold Urey によって 1932 年に発見された (1)。わずか 2 年後の1934 年に、ユーリーはこの業績によりノーベル化学賞を受賞している。

²H₂O, または D₂O のことを酸化重水素 deuterium oxide という。重水 heavy water は H₂O よりも重い原子から構成された水分子のことで、³H₂O や H₂¹⁸O なども厳密には含まれるが、D₂O のことを指す場合が多い。

一般に、同位体の化学的性質は同じであるが、原子量の小さい水素の場合は中性子の存在が大きく影響し、D₂O は H₂O と異なる性質をもっている。

たとえば、水を電気分解すると軽水素が先に反応し、重水素を選択的に濃縮することができる (1)。重水は現在この方法で生産されている。

重水素を含む薬品は、NMR 試料の溶媒としてよく用いられる。以下の表に、一般的な重水素化溶媒とその特徴をまとめた。

重水 D₂O	水溶性物質に用いられる。D₂O のみでも良いが、H₂O との混合物にすると exchangable proton も観察できる。安価で単一の強い lock signal が見られること、ラーモア周波数が H と大きく異なるため spectra がきれいなことなどが利点。欠点としては吸湿性があり、古いものは空気中の H₂O のコンタミがあること、また温度でケミカルシフトが変わることなどが挙げられる。
クロロホルム CDCl₃	安価で多くの脂溶性物質を溶かす便利な溶媒。毒性、発ガン性がある。また、光によって酸化し 2 CDCl₃ + O₂ → 2 COCl₂ + 2 DCl のように塩酸を生じる。これが pH に影響を与える可能性がある。
DMSO	図のような構造 (2) をもち、水と任意の割合で混ざる。蒸発しにくいこと、他の溶媒と比べて粘性が高いため、molecule が tangle しやすく、シグナルが乱れる場合があることが欠点。また、融点が高いため、低温での NMR には注意が必要である。さらに吸湿性もある。
アセトン C₃D₆O	極性が中程度の物質に適した溶媒。可燃性が高い。
アセトニトリル CD₃CN	HPLC の溶媒としてよく使われるため、そのまま NMR にかけることができる。他の有機溶媒よりも高価である。

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