(oder: Was ist NMR-Spektroskopie?)

Die magnetische Kernresonanz (NMR) wurde erstmals Ende 1945 experimentell beobachtet, und zwar fast gleichzeitig von den Forschungsgruppen von Felix Bloch an der Stanford University und Edward Purcell an der Harvard University. Die ersten NMR-Spektren wurden in der gleichen Ausgabe der Zeitschrift Physical Review im Januar 1946 veröffentlicht. Bloch und Purcell erhielten 1952 gemeinsam den Nobelpreis für Physik für ihre Entdeckung der Kernresonanzspektroskopie.

Das NMR-Phänomen beruht auf der Wechselwirkung der Kerne bestimmter Atomisotope mit einem statischen Magnetfeld. Dieses Magnetfeld bewirkt, dass sich die möglichen Spinzustände des Kerns in ihrer Energie unterscheiden, und mit Hilfe von NMR-Techniken können die Spins dazu gebracht werden, beobachtbare Übergänge zwischen den Spinzuständen zu erzeugen. Übliche NMR-aktive Kerne sind 1H, 13C, 31P, 15N, 29Si und viele andere. Fast jedes Element hat mindestens ein NMR-aktives Isotop.

Seitdem ist die NMR-Spektroskopie für Chemiker, Physiker und Molekularbiologen zu einem unverzichtbaren Werkzeug für die Bestimmung der Molekülstruktur, die Untersuchung der Molekulardynamik und die Charakterisierung von Materialien auf molekularer Ebene geworden. In den ersten Jahrzehnten stützten sich die Forscher auf eindimensionale NMR-Spektren von NMR-aktiven Kernen. Diese Spektren haben eine Frequenzachse, und die Analyse beruht auf den relativen Frequenzverschiebungen zwischen chemisch nicht äquivalenten Kernen, kombiniert mit Unterschieden in den relativen integrierten Intensitäten der Peaks. In den 1970er Jahren wurde die zweidimensionale NMR entdeckt und entwickelte sich rasch zu dem leistungsfähigen Instrument, das sie heute für die molekulare Strukturbestimmung ist. Zweidimensionale NMR-Spektren haben zwei Frequenzachsen, die gleichen Kernen (z. B. 1H-1H) oder verschiedenen Kernen (z. B. 1H-13C) entsprechen können, und eine dritte Dimension der Peakintensität. In jüngerer Zeit wurden NMR-Experimente entwickelt, die Informationen in drei, vier und sogar fünf Dimensionen enthalten. Die Möglichkeiten der NMR zur Aufklärung der Molekülstruktur scheinen nahezu grenzenlos zu sein. Die Bedeutung der NMR für die Wissenschaft wird durch die Nobelpreise deutlich, die 1991 an R.R. Ernst (Chemie), 2002 an K. Wütrich (Chemie) und 2003 an P. Lauterbur & P. Mansfield (Medizin) verliehen wurden.

Der Nutzen der NMR ergibt sich aus der Tatsache, dass sich chemisch unterschiedliche Kerne im gleichen Magnetfeld in ihrer Resonanzfrequenz unterscheiden. Dieses Phänomen ist als chemische Verschiebung bekannt. Darüber hinaus werden die Resonanzfrequenzen durch die Existenz benachbarter NMR-aktiver Kerne gestört, und zwar in einer Weise, die von den Bindungselektronen abhängt, die die Kerne verbinden. Dies wird als Spin-Spin- oder „J“-Kopplung bezeichnet. Die Spin-Spin-Kopplung ermöglicht es, die Verbindungen zwischen den Atomen eines Moleküls durch die Bindungen, die sie verbinden, zu identifizieren. Kombiniert mit der Fähigkeit, quantitative Informationen aus den Peak-Intensitäten zu nutzen, kann man sehr genau bestimmen, wie die Atome sich verbinden, um eine einzigartige Molekülstruktur zu bilden.

Ein Beispiel dafür, wie NMR-Spektren verwendet werden können, um die Struktur eines gewöhnlichen Moleküls zu identifizieren

Erfahren Sie mehr über die NMR-Instrumente, die an der Universität von Colorado in Boulder zur Verfügung stehen