多次元 ¹H–¹¹B 相関測定の実現

〜¹¹B卓上NMR分光法は、もはや"退屈"(Boring)ではない〜

ホウ素は医療分野における応用でますます注目されています[1]。

過去20年間で、ホウ素有機化学の大きな進歩が創薬設計および医薬品開発に深い影響を与えてきました[1]。これらの進展により、ホウ素含有官能基を医薬品へ組み込むことが可能となり、その実用性と利用可能性が向上しました。実際に、ホウ素を含むいくつかのFDA承認薬が開発されています。例えば、ボルテゾミブ（Velcade）、タバボロール（Kerydin）、イキサゾミブ（Ninlaro）、クリサボロール（Eucrisa）、およびバボルバクタム（メロペネムとの併用薬Vabomere）などがあります[1]。さまざまなホウ素の化学環境を識別することが極めて重要になっています。

ホウ素にはNMR活性をもつ同位体が2種類あります。¹¹B（天然存在比80.1%）はスピン3/2、¹⁰B（天然存在比19.9%）はスピン3を持ちます。¹¹Bは天然存在比が高く、磁気回転比が大きく、四重極モーメントが小さいため、NMR実験においてより高感度を示します。
現在、多くのベンチトップ型 ¹¹B NMRは1次元（1D）測定に利用されてきました。これは、ベンチトップNMRが識別可能な構造や応用範囲を大きく制限する要因となっています。

本アプリケーションノートでは、90 MHz Spinsolve Ultra ベンチトップNMR分光計を用いて実施したHSQCおよびHMBCによる多次元¹¹B NMR実験を紹介します。結果は、Spinsolveがホウ素含有化合物を解析できる能力を有し、ホウ素化学への応用可能性を示しています。

NMR結果と考察

ヘテロ核単一量子相関（HSQC）法は、主に¹H–¹³Cや¹H–¹⁵Nのスピン対に適用されており、¹H–¹¹Bなどへの応用例は比較的限られています。一部の¹¹B含有化合物では、1次元¹¹B NMR実験だけでホウ素中心周辺の化学環境を識別できる場合もあります[2,3]。しかし、ホウ素シグナルが重なり合うクラスター構造では、スペクトルの帰属を助けるために多次元アプローチが必要になります[2,3]。

その一例がカルボランです。カルボランは、ホウ素・炭素・水素からなる電子非局在化（非古典的結合）クラスターです[2,3]。カルボランおよびその誘導体は抗腫瘍研究分野で広く用いられ、ホウ素中性子捕捉療法（BNCT）、BNCT/光線力学療法のデュアル増感剤、抗がん性リガンドなどに利用されています[2]。

オルト-カルボランの構造とその1D ¹¹Bおよび ¹H NMRスペクトルを図1に示します。

図1：
(A) ¹Hデカップリングなしの¹¹B NMRスペクトル       (C) ¹¹Bデカップリングなしの ¹H NMRスペクトル      
(B) ¹Hデカップリングありの¹¹B NMRスペクトル       (D) ¹¹Bデカップリングありの ¹H NMRスペクトル     

¹Hデカップリングなしの1D ¹¹B NMRスペクトルでは、重なったマルチプレットが観測されます。同様に、¹¹Bデカップリングなしの1D ¹H NMRでも重なったマルチプレットが見られます。
高磁場NMRデータに基づけば、¹Hおよび¹¹Bデカップリング下では4本の¹¹Bシグナルと4本の¹Hシグナルが期待されます[2,3]。しかし、ベンチトップ装置では磁場強度が低いため化学シフト分散（Hz単位）が小さく、さらに四重極緩和による線幅の広がりも加わり、ピーク分離が困難となります。、図1(B)および図1(D)では¹¹Bが3本、¹Hが2本しか観測されませんでした。

このように、スペクトル重なりを解消するには多次元NMRアプローチが有効です。
^1Hおよび^11Bの1Dスペクトルの重なりを解消するため、¹H–¹¹B HSQC法を実施しました。その結果を図2に示します。

2D HSQCスペクトルからは4本の¹¹Bシグナルが観測され、オルト-カルボラン構造上に帰属されました[2,3]。本化合物では4種のホウ素部位があり、実際に4本のピークが確認されたことから、ベンチトップ周波数における多次元¹¹B NMRが構造確認に有用であることが示唆されました。

図2：17分間（8スキャン、64インクリメント、繰り返し時間1秒）で取得した2D ¹H–¹¹B HSQCスペクトル。間接次元の周波数識別にはEcho/Anti-Echo法を使用。

HSQCは1結合スカラー結合（¹J_BH）に基づく実験であり、直接結合した¹H–¹¹Bスピン対の解析に有効である。一方、¹Hが直接結合していないホウ素部位では¹J_BHが存在しないため、HSQCでは相関シグナルを観測することができない。

このような場合には、複数結合を介した長距離スカラー結合（nJ_BH）を利用する必要があり、¹H–¹¹B HMBC法が有効である[4]。

テトラフェニルボレート（TPB）を例として¹H–¹¹B HMBCの応用を示します（図3）。TPBでは最も近い¹Hがホウ素中心から4結合離れており、HMBC適用の好例となります。また、四重極緩和の影響を低減し、多次元NMR測定を可能にします。

図3：Spinsolve 90 MHzで取得した¹H NMRスペクトル（¹¹Bデカップリングあり／なし）

TPB を解析する第一段階として、¹¹B デカップリングの有無で 1D ¹H 実験を取得した（図3参照）。

¹¹B デカップリングを行うことで ¹H NMR スペクトルの分解能は向上し、その向上の程度はプロトンが ¹¹B 金属中心にどれだけ近接しているかに比例する。

例えば、オルト位のプロトンは、メタ位およびパラ位のプロトンと比較して、¹¹B とのカップリングの影響を非常に強く受ける。
2D HMBC 実験における ¹H–¹¹B 磁化移動を最適化するため、長距離 ¹H–¹¹B 移動時間を変化させた一連の HMBC 実験を取得し、その HMBC から抽出した 1D トレースを図4に示す。

この一連のスペクトルは、¹H–¹¹B 移動時間に依存した変調パターンを示している。
これらのスペクトルに基づき、¹H–¹¹B の J カップリングによって決定される最適な移動時間を求め、その条件を用いて図5に示す 2D 1H–11B HMBC NMR スペクトルを取得した。

このスペクトルは、¹¹B と ¹H の間で、複数結合を隔てた長距離相関を明確に与えることに成功しており、直接結合した ¹H–¹¹B スピン対を持たない有機ホウ素化合物に対して、スペクトル帰属のための有効な手段を提供する。

図4：トレース下に記載された長距離 ⁿJ_BH カップリングに対応する異なる移動時間で取得した、一連の ¹H–¹¹B HMBC NMR スペクトルから抽出した ¹H トレース投影図。
移動時間の違いにより、それぞれの基の J カップリング定数に依存した異なる変調パターンが生じる。
最適な J カップリング値は、フェニル環のオルト位、メタ位、パラ位における ¹H シグナル強度が最大となる条件に基づいて決定された。

最適化した長距離 ⁿJ_BH（12 Hz）を用いて取得した2D ¹H–¹¹B HMBCスペクトルを図5に示します。

図5：ⁿJ_BH = 12 Hzで取得した2D ¹H–¹¹B HMBCスペクトル。5分間（4スキャン、64インクリメント、繰り返し時間1秒）で取得。

このスペクトルにより、複数結合を介した¹¹B–¹H長距離相関が確認され、直接結合のない有機ホウ素化合物のスペクトル帰属に有効であることが示されました。

結論

本アプリケーションノートでは、Spinsolve分光計を用いた多次元¹H–¹¹B NMR実験（HSQCおよびHMBC）の実施例を示した。これらの2D実験は、1D測定のみでは分離・帰属が困難な¹¹Bおよび¹Hシグナルの相関情報を提供し、ホウ素含有化合物の構造解析に有用であることを実証した。

特に、¹¹B中心の周囲に高い対称性を持つ化合物では、電場勾配が小さくなることで四重極緩和の影響が低減し、より良好な分解能と感度が得られる。その結果、多次元¹¹B NMR測定をより効果的に実施できる。一方で、対称性が低く四重極緩和が大きい系では、シグナルの広幅化により多次元測定が制限される場合がある。

それでも、¹¹Bの高い天然存在比および感度に加え、ヘテロ核間の自動切替えが可能なSpinsolve NMR装置は、ホウ素含有化合物の構造解析、帰属、および検証に対して有用なプラットフォームを提供する。

References

1. Bhaskar C. Das, et al. Boron Chemicals in Drug Discovery and Development: Synthesis and Medicinal Perspective. Molecules. 2022, 27(9), 2615.
2. Rüttger, F; Stalke, D; and Michael, J; Resonance and structural assignment in (car)borane clusters using ¹¹B residual quadrupolar couplings. Chemical Communication. 2023, 59, 14657-1466.
3. https://u-of-o-nmr-facility.blogspot.com/2008/04/1-h-11-b-hmqc.html (access Feb 9th, 2025).
4. 4. Furrer, J. A comprehensive discussion of hmbc pulse sequences, part 1: The classical HMBC. Concepts in Magnetic Resonance B. 2012, 102-127.

Magritek関連資料は、下記もご覧ください。