(aneb, Co je NMR spektroskopie?)

Nukleární magnetická rezonance (NMR) byla poprvé experimentálně pozorována koncem roku 1945, téměř současně výzkumnými skupinami Felixe Blocha na Stanfordově univerzitě a Edwarda Purcella na Harvardově univerzitě. První NMR spektra byla poprvé publikována ve stejném čísle časopisu Physical Review v lednu 1946. Blochovi a Purcellovi byla v roce 1952 společně udělena Nobelova cena za fyziku za objev nukleární magnetické rezonanční spektroskopie.

Jednání NMR spočívá v interakci jader některých atomových izotopů se statickým magnetickým polem. Toto magnetické pole způsobuje, že se možné spinové stavy jádra liší energií, a pomocí technik NMR lze dosáhnout toho, že spiny vytvářejí pozorovatelné přechody mezi spinovými stavy. Mezi běžná NMR aktivní jádra patří 1H, 13C, 31P, 15N, 29Si a mnoho dalších. Téměř každý prvek má alespoň jeden izotop, který je NMR aktivní.

Od té doby se NMR spektroskopie stala nepostradatelným nástrojem pro určování molekulární struktury, studium molekulární dynamiky a charakterizaci materiálů na molekulární úrovni chemiky, fyziky a molekulárními biology. Prvních několik desetiletí se výzkumníci spoléhali na jednorozměrná NMR spektra NMR aktivních jader. Tato spektra mají jednu frekvenční osu a analýza se opírá o relativní frekvenční posuny mezi chemicky neekvivalentními jádry v kombinaci s rozdílem relativních integrovaných intenzit píků. V 70. letech 20. století byla objevena dvourozměrná NMR, která rychle rozvinula NMR v mocný nástroj, jímž je dnes pro určování molekulové struktury. Dvourozměrná NMR spektra mají dvě frekvenční osy, které mohou odpovídat podobným jádrům (tj. 1H-1H) nebo různým jádrům (tj. 1H-13C), a třetí rozměr intenzity píků. V poslední době byly vyvinuty NMR experimenty, které obsahují informace ve třech, čtyřech a dokonce pěti rozměrech. Síla NMR při objasňování molekulární struktury se zdá být téměř neomezená. Význam NMR pro vědeckou komunitu ilustrují následné Nobelovy ceny udělené R. R. Ernstovi v roce 1991 (chemie), K. Wütrichovi v roce 2002 (chemie) a P. Lauterbur & P. Mansfieldovi v roce 2003 (medicína).

Užitečnost NMR vychází ze skutečnosti, že chemicky odlišná jádra se ve stejném magnetickém poli liší rezonanční frekvencí. Tento jev je znám jako chemický posun. Kromě toho jsou rezonanční frekvence rušeny existencí sousedních NMR aktivních jader, a to způsobem závislým na vazebných elektronech, které jádra spojují. To je známo jako spin-spinová nebo „J“ vazba. Spin-spinová vazba umožňuje identifikovat spojení mezi atomy v molekule prostřednictvím vazeb, které je spojují. V kombinaci se schopností využít kvantitativní informace z intenzity píků lze velmi přesně určit, jak se atomy spojují, aby vytvořily jedinečnou molekulární strukturu.

Příklad toho, jak lze NMR spektra použít k určení struktury běžné molekuly

Poznejte přístroje NMR, které jsou k dispozici na Coloradské univerzitě v Boulderu

.