芳香属性再考～その1～：NICS法について

芳香属性は、今日では化学の世界では基礎的な教科書レベルで習う概念として広く知られています。しかしながら、この芳香属性に対する誇大広告（Hype）的とも言える過剰な概念の拡張が、Hoffman先生によって問題提起されています。

NICS法は、Nucleus Independent Chemical Shift（核非依存化学シフト）の略称であり、分子の芳香族性を評価するために用いられる計算化学的手法です。1996年にPaul v. R. Schleyerによって提唱され、今日では芳香族性の同定と定量化のための主要な計算手法となっています。ということで、芳香属性の研究で多用されるNICS法について、再考してみようという次第です。

1. NICS法とは？

NICS法は、外部磁場に対する芳香族系の応答を利用して芳香族性を評価する「磁気的判断基準」に分類されます。外部磁場が印加されると、芳香環中のπ電子が環電流を誘起し、その結果、環の中心部に誘起磁場が発生します。NICS法では、この誘起磁場の強さを「仮想的なプローブ原子」の化学シフトとして計算することで、芳香族性を評価します。

2. NICS値はどのように解釈すればよいか？

一般的に、負のNICS値は反磁性環電流（芳香族性を示唆）を示し、正のNICS値は常磁性環電流（反芳香族性を示唆）を示します。ただし、NICS値の解釈は、プローブ原子の配置や計算方法、対象となる分子系によって異なる場合があるため注意が必要です。

3. なぜNICS法は芳香族性の指標として広く用いられるのか？

NICS法は、その簡便さと計算コストの低さから、芳香族性の指標として広く用いられています。従来の芳香族安定化エネルギー(ASE)などの指標と比較して、NICS法は、非芳香族参照系を必要とせず、計算が容易であるという利点があります。また、NICS法は、さまざまな分子系に対して適用することができ、芳香族性に関する定性的な情報だけでなく、定量的な情報も得ることができます。

NICS法は、その使いやすさから広く採用されていますが、その解釈には注意が必要です。さまざまなNICS法のバリエーション、制限、一般的な誤用、より正確な化学的洞察を得るための方法について説明します。

4. NICS法にはどのような種類があるか？

NICS法には、プローブ原子の配置や計算方法の違いにより、さまざまな種類があります。芳香族性を評価するためのNICSベースの方法の進化を、単一点NICS法と多点NICS法に分けて説明します。さらに、σ電子とπ電子の寄与を分離するために、NBO解析やσ-onlyモデルを用いたNICS計算もよく行われます。主なNICS指標としては、以下のようなものがあります。

 - 単一点NICS法

NICS(0): 環の中心（幾何学的中心）にプローブ原子を配置して計算したNICS値

この最も初期のバージョンでは、NICSプローブを調査対象のリングの幾何学的中心に配置します。プローブは、芳香族性を示す負の値、または反芳香族性を示す正の値を報告します。ただし、この方法は、σ結合からの局所的な遮蔽効果の影響を受けやすく、誤った解釈につながる可能性があります。

NICS(1): 環の中心から1Å上方（または下方）にプローブ原子を配置して計算したNICS値

 この方法は、σ電子の寄与を最小限に抑えるために、分子平面から1Å上にNICSプローブを配置します。ただし、σ電子からの汚染は依然として問題となる可能性があります。

NICS(r): 環の中心から任意の距離rにプローブ原子を配置して計算したNICS値 

NICS(r)_ZZ: 環の中心から任意の距離rにプローブ原子を配置し、化学シフトテンソルのZZ成分のみを計算したNICS値

この方法は、化学シフトテンソルのZZ成分（面外成分）のみを考慮することにより、σ電子の影響をさらに低減します。ただし、σ電子は依然としてNICS(r)_ZZ値に影響を与える可能性があります。

NICS(r)_π: σ電子の寄与を完全に排除するために、局在化分子軌道（LMO）-NICS、正準分子軌道（CMO）-NICS、およびσのみモデルを含む、さまざまな方法が開発されています。これらの方法は、π電子電流によって生成されたNICS値を提供し、芳香族性を評価するためのより正確な尺度を提供します。

 - 多点NICS法

これらの方法は、単一点NICS法に伴う情報の損失に対処するために開発されました。

芳香族環電流遮蔽（ARCS）: この方法は、分子平面に垂直な線上にある離散点で計算された磁気遮蔽を使用して、誘起環電流の強度を決定します。

等化学シフト表面: この方法では、対象分子の周りの格子点のグリッドにNICSプローブを配置し、磁気異方性の影響を視覚化します。

NICSスキャン: この方法は、環の中心から始まる、分子平面に垂直な線に沿って配置された一連のNICSプローブを使用します。得られたNICS値を距離の関数としてプロットすると、ジアトロピック（反磁性）系とパラトロピック（常磁性）系に特徴的な形状が得られます。

∫NICS: この方法は、1D NICSスキャンに沿ったすべてのNICS(r)_π値を統合することにより、任意の高さでサンプリングされた値ではなく、誘起された総磁場を考慮します。

  

 - 多環式骨格のNICS法

多環式骨格の芳香族性を評価するためのNICSベースの方法の適用について説明します。局所的（1つのリング）、半大域的（2つ以上のリング）、および大域的（骨格全体を包含する）環電流が同時に存在する可能性があるため、多環式骨格の芳香族性の定量化は課題となります。NICS値を解釈する際の潜在的な落とし穴と、「局所的な芳香族性」という用語の使用に関する懸念について説明します。

NICS-XYスキャン: この方法は、骨格の長さに沿って一定の高さで配置された一連のNICSプローブを使用し、多環式骨格内のさまざまな種類の環電流を識別できるようにします。

 

 - マクロ環状骨格のNICS法

マクロ環状多環芳香族骨格の課題と、これらの骨格の芳香族性を特徴付けるためにNICSベースの方法を使用する際の考慮事項について説明します。

NICS(0)等値面: これらの骨格では、π軌道とσ軌道を分離することが計算上困難または不可能な場合が多いため、NICS(0)等値面が実行可能なアプローチとして提案されています。ただし、これらの結果の解釈は細心の注意を払って行う必要があり、結果は同様の骨格と比較する必要があることを強調しておきます。

 - 分割NICSの重要性

環電流と芳香族性を正しく解釈するために、π電子効果を他のすべての効果から分離することの重要性を強調しておきます。σ電子汚染の影響を受けやすい等方性NICSメトリックの使用から生じる可能性のある誤った解釈を説明するために、後ほど、アントラセンのパラドックスやコロネンの例を示します。

5. 多環芳香族炭化水素ではNICS法をどのように適用すればよいか？

特定の環の上に計算されたNICS値は、実際には、隣接する環からの寄与を含んでいる可能性があり、個々の環の環電流の強度を明確に定量化することが困難になります。この問題を説明するために、まずは「アントラセンのパラドックス」を考えてみましょう。

 - アントラセンのパラドックス

アントラセンでは、中心環の上のNICS値は、隣接する環よりも絶対値で約33％大きく、従来のNICSの解釈によれば、より強い芳香族性を示唆しています。しかし、この中心環は、例えば水素化反応やディールス・アルダー反応においても反応性が高く、個々の環を他の環から独立したものと考えると、芳香族性のエネルギー的基準によれば、芳香族性が低いことを示唆しています。 

この明らかな矛盾は、アントラセンが6つの異なる電流（3つのベンゼン環電流、2つのナフタレン環電流、1つのアントラセン環電流）を維持するという提案によって解決できます。中心環は、最も多くの回路に関与しているため、その周りの電流密度が高くなり、それがNICS値に反映されます。しかし、これは、この環が隣接する環よりも個別に「より芳香族性が高い」ことを意味するものではありません。 

さらに、各環電流は、分子環の外周の外側に、反対方向に誘起磁場を生成することも強調しておきます。 この現象は、縮環系では、ある環の上に計算されたNICS値が、隣接する環の影響を受ける可能性があることを意味します。 

これらの課題に対処するために、多環芳香族系を調べる際には、NICS-XYスキャンを使用することが推奨されています。 垂直方向のNICSスキャンと同様に、NICS-XYスキャンでは、一連のNICSプローブを使用して、より包括的な環電流像が構築されます。ただし、NICS-XYスキャンでは、プローブは、分子の長さ（通常は対称要素）を横切る線に沿って、一定の高さに配置されます。この方法は、系内のさまざまな種類の環電流を識別し、局所的および大域的な芳香族性をより正確に把握するのに役立ちます。

 - コロネンの芳香族性

コロネンの芳香族性を評価する際にNICSを使用する場合、等方性NICS指標を使用すると誤った解釈につながる可能性があります。たとえば、コロネンの各環の中心に配置された等方性NICS(1)プローブは、弱い大域的な反磁性電流と、6員環のそれぞれに弱い局所的な常磁性電流を示唆しています。 しかし、これは、σ電子の寄与がこの測定に含まれているため、誤解を招く可能性があります。 σ電子の寄与は、π電子系の挙動を覆い隠し、芳香族性に関する不正確な描像につながる可能性があります。 

より正確な解釈を得るには、NICS(1)_πZZなどの解析NICS指標を使用する必要があります。これは、化学シフトテンソルのZZ成分のみを考慮し、σ電子の寄与を削除します。コロネンに適用されたNICS(1)_πZZは、周辺の環の周りに強い大域的な反磁性電流と、中心の環に中程度の強さの常磁性電流を示しています。 重要なのは、NICS(1)_πZZは、等方性NICS(1)が示唆するのとは対照的に、周辺の環に常磁性電流を示しません。 したがって、コロネンの芳香族性のより正確な記述は、大域的な反磁性環電流と、中心の環に局在する常磁性環電流を持つことです。 

等方性NICS指標だけではσ電子の寄与を考慮していないため、芳香族性の定量的評価には信頼性が低いと繰り返し強調しておきます。 したがって、コロネンなど、NICSを使用して任意の分子の芳香族特性を評価する場合、特に等方性NICS指標を使用する場合には注意が必要です。 可能であれば、化学シフトテンソルに対するπ電子の寄与のみを反映した、より洗練されたNICS指標であるNICS(1)_πZZを使用する必要があります。

以上、NICS法について概説しました。そのうち、具体的な計算法について、特にプローブ原子の配置の仕方は結構みなさん苦戦しているようなので、一例としてのやり方なども紹介できればと思っています。

以下余談のお気持ち表明ですみませんが、Hoffman先生によって問題提起された芳香属性に限った話ではないですが、私自身もこのような21世紀の誇大広告（Hype）的な概念拡張（すぐ教科書を書き換えたがる）について、色々と思うところはあります。この辺りは個々人の信念に依存する部分が大きいと思うので、他人のすることにあまりとやかく言うのも野暮ですが、少なくとも学会や研究会に関しては、同好会やファンクラブ等とは一線を画した存在であると言うのであれば、「あらーお宅の新しいお花キレイに咲いてはりますね」と、ご近所さん同士の庭の褒め合いじゃないのだから、ただ褒め称え合うだけでなく、正しく問題提起され、学会で議論され、学者たちが議論した上での結論として、何かしら提言されるべきではないかと思っています。そして、そのような提言がされない学会に参加して何が楽しいですか？各々のお気持ちだけが掲載されるような雑誌を誰が読みたいですか？そもそも高い金払ってまでそんな学会維持する必要ありますか？化学の普及活動は別団体でやればいいのでは？と個人的なご意見ばかり垂れ流しても仕方ないのですが、私個人としては、教科書を書き換える研究よりかは、人生の最後に教科書がかけるような研究の展開ができればと思っているところです。←なんでもかんでもすぐマニュアル化したがる癖はこの心情から来ているのかもしれません。

お目汚し失礼いたしました。

それではまた。