松廼屋｜論点解説　薬剤師国家試験対策ノート問 109-107【化学】論点：1H-NMR / 化学シフト / カップリング / プロカイン

第109回薬剤師国家試験｜薬学理論問題 /
問107

一般問題（薬学理論問題）【物理・化学・生物】　

化学｜問 109-107　
Q. 下図は、ある化合物の1H-NMRスペクトル〔400MHz、CDCl3、基準物質はテトラメチルシラン(TMS)〕を示したものである。この化合物の構造式として正しいのはどれか。1つ選べ。なお、×印のシグナルはCDCl3溶媒中に含まれるCHCl3のプロトンに由来するシグナルであり、エのピークは重水(D2O)を添加するとほぼ消失した。

■選択肢
1. 1
2. 2
3. 3
4. 4
5. 5

松廼屋｜論点解説　薬剤師国家試験対策ノート問 109-107【化学】論点：1H-NMR / 化学シフト / カップリング / プロカイン｜matsunoya

こんにちは！薬学生の皆さん。
Mats & BLNtです。

matsunoya_note から、薬剤師国家試験の論点解説をお届けします。
苦手意識がある人も、この機会に、薬学理論問題【化学】を一緒に完全攻略しよう！
今回は、第109回薬剤師国家試験｜薬学理論問題 / 問107【化学】 、論点：1H-NMR / 化学シフト / カップリング / プロカインを徹底解説します。

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松廼屋｜論点解説　薬剤師国家試験対策ノート問 109-107【化学】論点：1H-NMR / 化学シフト / カップリング / プロカイン｜matsunoya

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滝沢 幸穂　　Yukiho Takizawa, PhD

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設問へのアプローチ｜

第109回薬剤師国家試験の問107【化学】（問109-107）では、化学構造から1H-NMR / 化学シフト / カップリング / プロカインなどが問われました。

結論から申し上げますと、1H-NMRのスペクトルから特定される化合物は、選択肢5のプロカインです。

プロカインに関する情報　
Procaine | C13H20N2O2 | CID 4914 - PubChem

• 化学名: Procaine

• 分子式: C13H20N2O2

• PubChem CID: 4914

• IUPAC名: 2-(diethylamino)ethyl 4-aminobenzoate

• CAS番号: 59-46-1

医療用医薬品添付文書　プロカイン塩酸塩　薬効分類名：局所麻酔剤

この問題（第109回薬剤師国家試験　問107）の正答率がどの程度だったか調査できる方は、ぜひ調べて公表してほしいです。

2分30秒で回答できる受験生が存在することは、意図的に想定されないで問題設計されたことがうかがえる、典型的なABCDｱｲｳｴｵ問題といえます。
今回はｱｲｳｴｵｶｷ問題👽(ｶｯｷｰｯ)でしたが。

もしも、選択肢3と選択肢5の2択問題だったら、コアカリキュラムの教育の範囲内で、薬学理論問題として、正当な手続きで、正解を選択できるでしょうか。

両者とも分子式は、C13H20N2O2 で、水素の合計数 20、典型的な化学シフトの分類であるメチル基の水素の数 6、メチレンの水素の数 8（酸素に直接結合した-O-CH2-の水素の数 2、窒素に直接結合した-N-CH2-の数 6）、アミノ基の水素の数 2、ベンゼン環の水素の位置(o, m)と数 4、すべて同じです。
何が違いますか？

精緻な議論を期待します。

明らかな違いは、2つのエチル基のメチルの水素（-CH3）の環境が同一か違うか、そして、アミノ基が芳香族環に結合しているか、エチル基に結合しているかだけです。
メチルの水素（-CH3）の化学シフトとカップリング、そして、芳香族環に結合しているアミノ基の水素の化学シフトと、エチル基に結合しているアミノ基の化学シフトとを区別できるかを問うている問題です。

草案の段階で、レビュアーが責任者に差し戻して、指導と修正指示をすることが、通常の手続きの手順として必要な局面です。

限りなくゼロ点合格を画策👽したベクトルを感じさせる、「絶対に解けない問題」の一つではないかと考えられます。
既に誰かが指摘していますか？🤣

1H-NMR｜プロカインの構造決定

ア: 1.0 – 1.1 ppm, 6H, 3ピーク
　– メチル基 (-CH₃)
イ: 2.6 – 2.7 ppm, 4H, 4ピーク
　– ジエチルアミノ基のメチレン (-CH₂-N(CH₂CH₃)₂)
ウ: 2.8 – 2.9 ppm, 2H, 3ピーク
　– アミン側のメチレン (-CH₂-N-)
エ: 4.0 ppm, 2H, 1ピーク
　– アミノ基 (-NH₂)
オ: 4.3 – 4.4 ppm, 2H, 3ピーク
　– エステル側のメチレン (-CH₂-O-)
カ: 6.6 – 6.7 ppm, 2H, 6ピーク
　– ベンゼン環のプロトン (シールドされた2H)
キ: 7.8 – 7.9 ppm, 2H, 6ピーク
　– ベンゼン環のプロトン (デシールドされた2H)

まず基本的な知識について復習しておきましょう。

■■Grok 2

1H-NMRスペクトルから総水素の数を計算

1H-NMRスペクトルから総水素の数を計算すると、以下の通りになります：

• ア: 6H

• イ: 4H

• ウ: 2H

• エ: 2H

• オ: 2H

• カ: 2H

• キ: 2H

合計すると、20Hがこのスペクトルに示されています。

各選択肢の水素原子数を確認します：

• 選択肢1: 2-Ethoxyethyl 4-aminobenzoate (C11H15NO3) → 15H

• 選択肢2: 2-(diethylamino)ethyl 2-aminobenzoate (C13H20N2O2) → 20H

• 選択肢3: 指定化合物 (C13H20N2O2) → 20H

• 選択肢4: 2-(diethylamino)ethyl 4-hydroxybenzoate (C13H19NO3) → 19H

• 選択肢5: プロカイン (C13H20N2O2) → 20H

スペクトルに示されている総水素数が20であることから、以下の選択肢が該当しないことが証明されます：

• 選択肢1: 2-Ethoxyethyl 4-aminobenzoate (C11H15NO3) - 15Hを持つため、スペクトルの総水素数と一致しない。

• 選択肢4: 2-(diethylamino)ethyl 4-hydroxybenzoate (C13H19NO3) - 19Hを持つため、スペクトルの総水素数と一致しない。

したがって、選択肢1と選択肢4はこのスペクトルに該当しないことが水素の数から証明されます。

ベンゼン環のプロトンのシールド効果とカップリング

選択肢5（プロカイン）の化学構造では、ベンゼン環にアミノ基（-NH₂）が4位に、カルボキシル基（-COOR）が1位に結合しています。これらの官能基の影響を考慮して、ベンゼン環のプロトンのシールド効果とカップリングについて説明します。

シールド効果

• 4位のアミノ基 (-NH₂):

  • アミノ基は電子供与性が強く、ベンゼン環の電子密度を増加させます。これにより、4位に隣接する2つのプロトン（3位と5位）はシールドされ、低い化学シフト値（より上場側）に移動します。このシフトは通常、6.6 - 6.7 ppm付近です。

• 1位のカルボキシル基 (-COOR):

  • カルボキシル基は電子吸引性が強く、ベンゼン環から電子を引き寄せます。これにより、1位に隣接するプロトン（2位と6位）はデシールドされ、高い化学シフト値（より下場側）に移動します。このシフトは通常、7.8 - 7.9 ppm付近です。

カップリング

ベンゼン環のプロトン間のカップリングは、以下のように考えられます：

• オルトカップリング (ortho coupling):

  • 隣り合うプロトン（1位と2位、2位と3位、3位と4位など）では、強いカップリングが発生し、約7-9 Hzのカップリング定数を持ちます。これにより、スペクトル上では、ピークが分裂して複雑なパターンを形成します。

• メタカップリング (meta coupling):

  • 間接的に結合するプロトン（1位と3位、2位と4位など）では、カップリング定数が小さく（約1-3 Hz）、影響は弱いですが、ピークの形状に微妙な変化をもたらします。

• パラカップリング (para coupling):

  • 対角線上にあるプロトン（1位と4位、2位と5位など）では、カップリングが非常に弱いか、または観測されないことが多いです。

具体的な影響

• カ (6.6 - 6.7 ppm, 2H):

  • これは4位のアミノ基によりシールドされた3位と5位のプロトンです。オルトカップリングにより、6つのピークに分裂します。ただし、ピークの形状は主にオルトカップリングによるもので、メタカップリングの影響は小さいです。

• キ (7.8 - 7.9 ppm, 2H):

  • これは1位のカルボキシル基によりデシールドされた2位と6位のプロトンです。オルトカップリングにより、6つのピークに分裂します。ここでも、オルトカップリングの影響が主であり、メタカップリングの影響は比較的弱いです。

結論

4位のアミノ基と1位のカルボキシル基は、ベンゼン環のプロトンのシフトに大きな影響を与え、シールド効果とデシールド効果を引き起こします。カップリングのパターンは主にオルトカップリングによって形成され、それぞれのプロトンの位置とシフトにより、スペクトルのピークが複雑に分裂します。

アミノ基（-NH₂）のプロトンについて

シフト値

• アミノエチル基のNH₂プロトンのシフト値は、通常2.5 ppmから4.0 ppmの範囲にあります。
  具体的には、環境によって変動しますが、主に3.0 ppm前後で観測されることが多いです。これは、アミノ基が他の分子部分とどのように相互作用するか、特に周囲の電子環境によって大きく影響されます。

D₂Oによる消失

• アミノエチル基のNH₂プロトンは、一般的にはD₂O（重水）で消失します。
  これは、N-H結合が水素結合を形成しやすく、D₂Oとの交換反応が起こるためです。D₂Oを添加すると、N-HプロトンはD（重水素）と交換され、NMRスペクトル上でこのプロトンによるシグナルが消失します。

この現象は、以下の理由で発生します：

• 水素交換: アミノ基のプロトンは酸性が高く、水と容易に水素交換を行います。D₂Oとの交換では、HがDに置き換わり、Hのシグナルが見えなくなります。

• NMRの感度: 重水素（D）は、通常のプロトン（H）と比べてNMRで検出されにくいため、D₂Oを添加することでHのシグナルが消失する効果があります。

注意点

• 消失の程度は、溶媒、温度、pHなどに依存します。酸性条件では交換が早くなり、消失がより顕著になります。

• アミノ基が他の分子部分と強く相互作用している場合や、分子内の特定の立体障害があると、交換速度が遅くなり、完全に消失しない場合もあります。

したがって、アミノエチル基のNH₂プロトンは、一般的にD₂OによりNMRスペクトル上で消失しますが、特定の条件下では完全に消失しないこともあります。

アミノ基のプロトンの化学シフトの推定

選択肢5と選択肢3のアミノ基のプロトンの推定される化学シフトについて説明します。

選択肢5: R-O-C(=O)-Ph-NH₂

• 安息香酸の4位のアミノ基（-NH₂）のプロトン:
  このアミノ基はベンゼン環の4位に直接結合しています。
  ベンゼン環が電子を引き寄せるため、このアミノ基のプロトンは比較的デシールドされ、4.0 ppm付近のシフト値を示すことが一般的です。
  具体的には、この位置はそのアミノ基がベンゼン環に直結していることで、多少の電子吸引効果を受けます。

• D₂O処理:
  このプロトンはD₂Oで消失します。なぜなら、アミノ基のプロトンは水素交換によりDと置き換えられるからです。

選択肢3: R'-O-C(=O)-Ph-N-CH₂-CH₂-NH₂

• 安息香酸の4位の -N-CH₂-CH₂-NH₂ のアミノ基のプロトン:
  この場合、アミノ基はアミノエチル基の一部であり、ベンゼン環から一つ離れた位置にあります。これにより、ベンゼン環の直接的な影響は少なく、プロトンの環境は変わります。

  • 化学シフト:
    アミノエチル基のアミノ基のプロトンは、通常3.0 ppmから3.5 ppmの範囲にシフトすることが多いです。これは、Nがベンゼン環から離れているため、直接的なデシールド効果が弱まるからです。ただし、具体的なシフト値は、周囲の分子構造や溶媒の影響を受けます。

  • D₂O処理:
    こちらのアミノ基のプロトンもD₂Oで消失します。アミノ基のプロトンは水素結合を形成しやすく、D₂Oによる水素交換が起こりやすいからです。

要約

• 選択肢5: 4.0 ppm付近

• 選択肢3: 3.0 - 3.5 ppm付近

それぞれのアミノ基のプロトンは、分子構造内の位置や周囲の化学環境により異なる化学シフトを示します。しかし、どちらの場合もD₂Oを添加すると水素交換によりシグナルが消失します。

メチレンの水素の化学シフト：

アミン側のメチレン（-CH₂-N-）とエステル側のメチレン（-CH₂-O-）

ウとオについて、アミン側のメチレン（-CH₂-N-）とエステル側のメチレン（-CH₂-O-）がどのように化学シフトを示すか、また、どちらがジエチルアミノ基のメチレン（-CH₂-N(CH₂CH₃)₂）により似たシフトを示す可能性があるかを検討します。

化学シフトの背景

• アミン側のメチレン (-CH₂-N-):

  • 窒素に隣接しているため、電子密度が増加し、プロトンはシールドされます。これにより、化学シフトは比較的低い値（例えば、2.5 - 3.0 ppm付近）に現れます。

• エステル側のメチレン (-CH₂-O-):

  • 酸素に隣接しており、酸素は電子を引き寄せる性質があるため、プロトンはデシールドされます。したがって、化学シフトはより高い値（例えば、4.0 - 4.5 ppm付近）にシフトします。

ジエチルアミノ基のメチレン (-CH₂-N(CH₂CH₃)₂)との比較

• ジエチルアミノ基のメチレン (-CH₂-N(CH₂CH₃)₂):

  • このメチレンは窒素と直接結合しています。窒素は電子提供性が強いため、シールド効果が大きく、化学シフトは低い値にシフトします（通常、2.5 - 3.0 ppm）。

検討

• ウ (2.8 - 2.9 ppm, 2H):
  このシフト範囲は、窒素に近いメチレンのシフトに一致します。したがって、ウはアミン側のメチレン（-CH₂-N-）に対応する可能性が高いです。なぜなら、この位置は窒素の影響を強く受けるからです。

• オ (4.3 - 4.4 ppm, 2H):
  このシフト範囲は酸素のデシールド効果を示しており、エステル側のメチレン（-CH₂-O-）に対応することが考えられます。酸素の電子吸引性がシフトを高くしています。

結論

• アミン側のメチレン (-CH₂-N-):
  これはジエチルアミノ基のメチレンと同じく、窒素に直接結合しているため、より似たシフト（低い値）を示す可能性が高いです。したがって、ウのシフト（2.8 - 2.9 ppm）がこのメチレンに対応しています。

• エステル側のメチレン (-CH₂-O-):
  酸素に結合しているため、デシールド効果によりシフト値が高くなり、ジエチルアミノ基のメチレンとは異なるシフト（高い値）を示します。オのシフト（4.3 - 4.4 ppm）がこのメチレンに対応しています。

この検討から、アミン側のメチレンがジエチルアミノ基のメチレンとより類似したシフトを示すことが予想されます。

論点およびポイント

■■Grok 2

化学｜問 109-107
論点｜1H-NMR / 化学シフト / カップリング / プロカイン
ポイント｜

• 1H-NMRスペクトルの解釈:
  各ピークのppm値、積分強度、ピーク数からプロトンの種類と数を特定する。

• アミノ基の検出:
  D₂Oによるピークの消失を用いてアミノ基のプロトンを確認。
  特に、プロカインの場合、4.0 ppm付近のピークが消失する。

• 化学シフトの理解:
  各官能基の電子的環境に基づく化学シフトの予測。
  例えば、メチル基のシフトは1.0 - 1.1 ppm、メチレンのシフトは2.6 - 2.9 ppmや4.3 - 4.4 ppm付近。

• カップリングパターンの分析:
  メチルとメチレン間のカップリングによるピーク形状（トリプレット、クアルテット）の確認。

• ベンゼン環のプロトン:
  4位のアミノ基を持つ場合のベンゼン環のプロトンのシフト（6.6 - 6.7 ppmと7.8 - 7.9 ppm）。

• 総プロトン数の確認:
  問題のスペクトルでは総プロトン数が20であることを確認し、その数が一致する構造を選定。

• 構造とスペクトルのマッチング:
  化学シフト、カップリングパターン、総プロトン数がすべて一致する構造を見つける。

薬剤師国家試験　出題基準

出典：　薬剤師国家試験のページ ｜厚生労働省 (mhlw.go.jp)

出題基準　000573951.pdf (mhlw.go.jp)　

論点を整理します。

■■Grok 2

総合的な論点

1: 1H-NMRスペクトルの基本理解

1H-NMRスペクトルは、分子中のプロトン（水素原子）の化学シフト、カップリングパターン、積分強度から化学構造を推定するために使用されます。ここでの主要な論点は以下の通りです：

• 化学シフト:
  各プロトンの位置（ppm）によって、そのプロトンが置かれている電子的環境を示します。異なる官能基や分子構造が異なる化学シフトを引き起こします。

  • 化学シフトの範囲は、官能基の種類やその置換基の影響によって決定されます。例えば、アミノ基（-NH₂）のプロトンは通常3.0-4.0 ppmの範囲に現れますが、ベンゼン環に結合している場合は4.0 ppm付近にシフトすることが多いです。

• カップリングパターン:
  隣接するプロトン同士の相互作用により、シグナルが分裂します。このパターンはプロトンの数や配置による。

  • 例えば、メチル基（-CH₃）隣接のメチレン（-CH₂-）はクアルテット（4本のピーク）、そのメチレン隣接のメチルはトリプレット（3本のピーク）になります。

• 積分強度: 各ピークの面積は、そのプロトンの数に対応します。積分値から分子内のプロトンの相対数を確認できます。

  • 問題のスペクトルでは、各ピークの積分値が明確に示されており、これから各プロトンの数を推定できます。

2: スペクトルと選択肢のマッチング

• スペクトルの詳細解析:
  問題文に示されているように、各ピークのppm値、積分強度、ピーク数を基に、候補となる構造式と比較します。

  • アミノ基のプロトン（エ）がD₂Oで消失することは、そのプロトンがアミノ基に由来することを示します。

  • 各ピークのシフト値と積分強度から、プロトンの総数や種類（メチル、メチレン、アリールなど）が推定でき、これが選択肢の構造と一致するかを判定します。

• 選択肢の構造とスペクトルの比較:
  各選択肢の化学構造式が、スペクトルで示される化学シフト、カップリングパターン、積分強度とどれだけ一致するかを評価します。

  • 例えば、選択肢5のプロカインは安息香酸の4位にアミノ基を持つ構造を持ち、これがスペクトルのカとキのピークの位置やパターンと一致します。

3: 最終的な選定

• 一致度の評価:
  
  各選択肢をスペクトルの情報と照合し、最も一致する構造を選びます。

  • 選択肢5がスペクトルの全ての特徴（化学シフト、カップリング、積分強度、D₂Oによる消失）を満たしていることが示されます。

この問題では、1H-NMRスペクトルの各特性を理解し、それらを具体的な構造式に関連付けることが重要です。

各選択肢の論点および解法へのアプローチ方法

選択肢1
論点:

• 化合物名: 2-Ethoxyethyl 4-aminobenzoate (C11H15NO3)

• 構造上の特徴:

  • アミノ基（-NH₂）はベンゼン環の4位にありますが、エトキシエチル基（-CH₂CH₂OCH₂CH₃）がエステル部分に結合しています。

  • この化合物は、スペクトルで示される水素の総数と一致しません。問題のスペクトルから総水素数は20Hであるのに対し、この化合物は15Hしか持っていません。

アプローチ方法:

1. 化学シフトの比較:

   • アミノ基のプロトン: 4位のアミノ基は4.0 ppm付近にシフトします。これはスペクトルのエ（4.0 ppm, 2H）に対応します。

   • エトキシエチルのプロトン: エトキシエチル基のプロトンは、メチレン（-CH₂-）とメチル（-CH₃）から成り立っていますが、スペクトルのア（1.0 - 1.1 ppm, 6H）やイ（2.6 - 2.7 ppm, 4H）には対応しません。

2. 総水素数の確認:

   • この化合物の分子式がC11H15NO3であることから、総水素数は15で、問題のスペクトルに示される20Hとは一致しません。これは即座にこの選択肢を排除する理由となります。

3. D₂Oによる消失:

   • アミノ基のプロトンはD₂Oで消失しますが、その他のプロトンは影響を受けません。これはスペクトル情報と一致しますが、総水素数が違うため、他の部分で一致しない。

結論:

選択肢1は総水素数がスペクトルと一致しないため、正しい構造式ではありません。

選択肢2
論点:

• 化合物名: 2-(diethylamino)ethyl 2-aminobenzoate (C13H20N2O2)

• 構造上の特徴:

  • アミノ基（-NH₂）はベンゼン環の2位にあり、ジエチルアミノエチル基（-CH₂CH₂N(CH₂CH₃)₂）がエステル部分に結合しています。

  • この化合物の水素総数は20Hで、スペクトルに示される総水素数と一致しますが、アミノ基の位置が異なるため、化学シフトが異なります。

アプローチ方法:

1. 化学シフトの比較:

   • アミノ基のプロトン: 2位のアミノ基は、4位のアミノ基（選択肢5）よりも異なる電子環境にあり、異なるシフト値を持つ可能性が高いです。特に、アミノ基が2位にあると、隣接する3位と5位のプロトンに影響を与え、選択肢5のカとキのシフトとは異なる位置にシフトします。

2. ピークの数とパターン:

   • ジエチルアミノ基のメチレンとメチルのカップリングパターンは、問題のスペクトルに示されるようなピークの数や形状と一致するかもしれませんが、ベンゼン環のプロトンのパターンが異なるため、全体としてのパターンは一致しません。

3. D₂Oによる消失:

   • アミノ基のプロトンはD₂Oで消失しますが、その他のプロトンは影響を受けません。これはスペクトル情報と一致します。

4. 構造とシフトの不一致:

   • 特にベンゼン環のプロトンのシフトが、2位のアミノ基により大きく影響を受けるため、スペクトルで示されるカとキのピークと一致しないことが予想されます。

結論:

選択肢2は総水素数がスペクトルと一致するものの、アミノ基の位置が異なるため、化学シフトやピークのパターンが問題のスペクトルと一致しません。したがって、正しい構造式ではないと判断できます。

選択肢3
論点:

• 化合物名: Benzocaineの変形化合物（C13H20N2O2）

• 構造上の特徴:

  • ベンゾカインの4位の単純なアミノ基が、エチル基（-CH₂CH₃）とアミノエチル基（-CH₂CH₂NH₂）に置換されています。

  • 水素総数は20Hでスペクトルと一致しますが、アミノ基の環境が異なるため、化学シフトが変わります。

アプローチ方法:

1. 化学シフトの比較:

   • アミノ基のプロトン: アミノエチル基のアミノ基は、ベンゼン環から離れているため、選択肢5の4.0 ppmとは異なるシフト値（おそらく3.0 - 3.5 ppm付近）を示す可能性があります。

   • エチル基とアミノエチル基のプロトン: エチル基とアミノエチル基のメチレンやメチルのシフト値は類似しているかもしれませんが、アミノ基の位置と種類が変わることで、全体のピークパターンが異なります。

2. ピークの数とパターン:

   • アミノエチル基の導入により、スペクトルパターンに変化が生じます。特に、アミノ基がベンゼン環から離れているため、カップリングパターンやピークの数が異なる可能性が高いです。

   • エチル基のメチルやメチレンとアミノエチル基のメチレンが形成するカップリングパターンは、選択肢5のパターンと一致しないことが予想されます。

3. D₂Oによる消失:

   • アミノエチル基のアミノ基のプロトンもD₂Oで消失しますが、その消失のシフト位置が異なるため、スペクトルでの位置が一致しません。

4. 構造とシフトの不一致:

   • アミノ基が4位ではなく、アミノエチル基の一部であることが、化学シフトやピークのパターンの不一致につながります。特に、ベンゼン環のアロマティックプロトンのシフトが変わります。

結論:

選択肢3は総水素数がスペクトルと一致するものの、アミノ基の環境が異なるため、化学シフトやピークのパターンが問題のスペクトルと一致しません。したがって、この選択肢も正しい構造式ではないと判断できます。

選択肢4
論点:

• 化合物名: 2-(Diethylamino)ethyl 4-hydroxybenzoate (C13H19NO3)

• 構造上の特徴:

  • ベンゼン環の4位にヒドロキシ基（-OH）があり、ジエチルアミノエチル基（-CH₂CH₂N(CH₂CH₃)₂）がエステル部分に結合しています。

  • 水素総数は19Hで、問題のスペクトルに示される20Hとは一致しません。

アプローチ方法:

1. 化学シフトの比較:

   • ヒドロキシ基のプロトン: ヒドロキシ基のプロトンはD₂Oで消失しますが、シフト位置は通常4.5 - 5.5 ppm付近で、選択肢5のエ（4.0 ppm, 2H）の位置と一致しません。

   • ジエチルアミノエチル基のプロトン: メチルとメチレンのシフトはある程度一致するかもしれませんが、ヒドロキシ基の存在により全体のパターンが異なります。

2. 総水素数の確認:

   • この化合物の分子式がC13H19NO3であることから、総水素数は19で、問題のスペクトルに示される20Hとは一致しません。これは即座にこの選択肢を排除する理由となります。

3. ピークの数とパターン:

   • ヒドロキシ基の影響で、特にベンゼン環のアロマティックプロトンのシフトやカップリングパターンが変わります。また、ヒドロキシ基のプロトンは他のメチレンやメチルのシグナルと混在せず、別のピークを形成します。

4. D₂Oによる消失:

   • ヒドロキシ基のプロトンはD₂Oで消失しますが、そのシフト位置が異なるため、スペクトル上のエのピークとは一致しません。

結論:

選択肢4は総水素数がスペクトルと一致しないため、正しい構造式ではありません。また、ヒドロキシ基の存在により化学シフトやピークのパターンも完全には一致しません。

選択肢5
論点:

• 化合物名: プロカイン (Procaine, C13H20N2O2)

• 構造上の特徴:

  • ベンゼン環の4位にアミノ基（-NH₂）、エステル部分にジエチルアミノエチル基（-CH₂CH₂N(CH₂CH₃)₂）があります。

  • 水素総数は20Hで、問題のスペクトルに示される総水素数と完全に一致します。

アプローチ方法:

1. 化学シフトの比較:

   • アミノ基のプロトン: 4位のアミノ基のプロトンはD₂Oで消失し、4.0 ppm付近にシフトします。これはスペクトルのエ（4.0 ppm, 2H）に完全に一致します。

   • ジエチルアミノエチル基のプロトン:

     • ア（1.0 - 1.1 ppm, 6H）はメチル基（-CH₃）のトリプレットに対応します。

     • イ（2.6 - 2.7 ppm, 4H）はジエチルアミノ基のメチレン（-CH₂-N(CH₂CH₃)₂）のクアルテットに対応します。

     • ウ（2.8 - 2.9 ppm, 2H）とオ（4.3 - 4.4 ppm, 2H）はジエチルアミノエチル基のメチレン（-CH₂-CH₂-N-）で、エステル側とアミン側のメチレンのシフトです。

2. 総水素数の確認:

   • 分子式がC13H20N2O2であるため、総水素数は20Hで、問題のスペクトルと完全に一致します。

3. ピークの数とパターン:

   • メチルとメチレンのカップリングパターンが問題のスペクトルと一致します。特に、メチルのトリプレット、メチレンのクアルテットやトリプレットが見られます。

   • ベンゼン環のアロマティックプロトンも、カ（6.6 - 6.7 ppm, 2H）とキ（7.8 - 7.9 ppm, 2H）で示されるシフトと一致し、ピークの数と形状も一致します。

4. D₂Oによる消失:

   • アミノ基のプロトンはD₂Oでほぼ消失することが問題文で示されており、これは選択肢5の構造と完全に一致します。

結論:

選択肢5（プロカイン）は、総水素数、化学シフト、カップリングパターン、D₂Oによる消失の全てが問題のスペクトルと一致します。したがって、正しい構造式は選択肢5です。

引用文献のリスト:

• Silverstein, R. M., Webster, F. X., Kiemle, D. J., & Bryce, D. L. (2014). Spectrometric Identification of Organic Compounds. 8th ed. Wiley.

• Pavia, D. L., Lampman, G. M., Kriz, G. S., & Vyvyan, J. R. (2014). Introduction to Spectroscopy. 5th ed. Cengage Learning.

• Friebolin, H. (2010). Basic One- and Two-Dimensional NMR Spectroscopy. 5th ed. Wiley-VCH.

以上で、論点整理を終わります。
理解できたでしょうか？

大丈夫です。
完全攻略を目指せ！

はじめましょう。

薬剤師国家試験の薬学理論問題【化学】から1H-NMR / 化学シフト / カップリング / プロカインを論点とした問題です。

なお、以下の解説は、著者（Yukiho Takizawa, PhD）がプロンプトを作成して、その対話に応答する形でGPT4o & Copilot 、Gemini 1.5 Pro、またはGrok 2 (beta) が出力した文章であって、著者がすべての出力を校閲しています。

生成AIの製造元がはっきりと宣言しているように、生成AIは、その自然言語能力および取得している情報の現在の限界やプラットフォーム上のインターフェースのレイト制限などに起因して、間違った文章を作成してしまう場合があります。
疑問点に関しては、必要に応じて、ご自身でご確認をするようにしてください。

Here we go.

第109回薬剤師国家試験｜薬学理論問題 /
問107

一般問題（薬学理論問題）【物理・化学・生物】　

化学｜問 109-107　
Q. 下図は、ある化合物の1H-NMRスペクトル〔400MHz、CDCl3、基準物質はテトラメチルシラン(TMS)〕を示したものである。この化合物の構造式として正しいのはどれか。1つ選べ。なお、×印のシグナルはCDCl3溶媒中に含まれるCHCl3のプロトンに由来するシグナルであり、エのピークは重水(D2O)を添加するとほぼ消失した。

■選択肢
1. 1
2. 2
3. 3
4. 4
5. 5

■■Grok 2

化学｜問 109-107

■論点｜1H-NMR / 化学シフト / カップリング / プロカイン

この問題の論点は、化合物の1H-NMRスペクトルから化学構造を特定することです。

■解説1｜

• 総水素数の一致:
  スペクトルから20Hが示されています。
  選択肢5（プロカイン）の分子式C13H20N2O2は20Hを持ちます。

• アミノ基のプロトン:
  4.0 ppm付近のピークがD₂Oで消失するのは、選択肢5の4位に結合するアミノ基のプロトンと一致します。

• 化学シフトの対応:
  各ピークのppm値と積分強度が選択肢5の構造のプロトンと一致します。例えば、メチル基（ア）、ジエチルアミノ基のメチレン（イ）、エステルとアミンのメチレン（ウ、オ）、ベンゼン環のプロトン（カ、キ）。

ア: 1.0 – 1.1 ppm, 6H, 3ピーク
　｜ メチル基 (-CH₃)
イ: 2.6 – 2.7 ppm, 4H, 4ピーク
　｜ ジエチルアミノ基のメチレン (-CH₂-N(CH₂CH₃)₂)
ウ: 2.8 – 2.9 ppm, 2H, 3ピーク
　｜ アミン側のメチレン (-CH₂-N-)
エ: 4.0 ppm, 2H, 1ピーク
　｜ アミノ基 (-NH₂)
オ: 4.3 – 4.4 ppm, 2H, 3ピーク
　｜ エステル側のメチレン (-CH₂-O-)
カ: 6.6 – 6.7 ppm, 2H, 6ピーク
　｜ ベンゼン環のプロトン (シールドされた2H)
キ: 7.8 – 7.9 ppm, 2H, 6ピーク
　｜ ベンゼン環のプロトン (デシールドされた2H)

■解説2｜

• カップリングパターン:
  ジエチルアミノエチル基のメチルとメチレン間のカップリングによるトリプレットやクアルテットがスペクトルに見られる。
  特に、アの6Hは3ピークのトリプレット、イの4Hは4ピークのクアルテットを形成します。

• ベンゼン環のシフト:
  4位にアミノ基が付くことで、ベンゼン環のプロトンはシールドされ、6.6 - 6.7 ppmと7.8 - 7.9 ppmにシフトします。
  これは選択肢5の構造と一致します。

• アミノ基の位置: 4位のアミノ基は、ベンゼン環のプロトンのシフトに大きな影響を与え、特定のシフトパターンを引き起こします。

■結論｜

選択肢5（プロカイン）が問題で示された1H-NMRスペクトルと最も一致するため、正しい構造式です。

■補足｜

選択肢1:
2-Ethoxyethyl 4-aminobenzoate (C11H15NO3)は総水素数が15Hであり、スペクトルの20Hと一致しない。
選択肢2:
2-(diethylamino)ethyl 2-aminobenzoate (C13H20N2O2)は、アミノ基が2位にあるため、ベンゼン環のプロトンのシフトが異なり、スペクトルと一致しません。
選択肢3:
Benzocaineの変形体（C13H20N2O2）で、4位のアミノ基がアミノエチル基に置換されているため、化学シフトやピークのパターンがスペクトルと一致しません。
選択肢4:
2-(Diethylamino)ethyl 4-hydroxybenzoate (C13H19NO3)は総水素数が19Hで、スペクトルと一致しません。また、ヒドロキシ基の存在により化学シフトが異なります。

これにより、選択肢5が唯一スペクトルの全ての特徴を満たす構造であることが確認できます。

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問107

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化学｜問 109-107　
Q. 下図は、ある化合物の1H-NMRスペクトル〔400MHz、CDCl3、基準物質はテトラメチルシラン(TMS)〕を示したものである。この化合物の構造式として正しいのはどれか。1つ選べ。なお、×印のシグナルはCDCl3溶媒中に含まれるCHCl3のプロトンに由来するシグナルであり、エのピークは重水(D2O)を添加するとほぼ消失した。

■選択肢
1. 1
2. 2
3. 3
4. 4
5. 5

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