Kernspinresonanzspektroskopie

Kernspinresonanzspektroskopie, kurz NMR-Spektroskopie, ist eine analytische Methode zur Bestimmung der Struktur und Dynamik von Molekülen. Sie nutzt die Eigenschaften von Atomkernen mit nicht-Null Spin in einem äußeren Magnetfeld, um mikroskopische Energieunterschiede zwischen Zeeman-Zuständen abzuleiten.

In einem starken Magnetfeld richten sich die Kernspinzustände aus und resonieren bei einer frequenzabhängigen Larmor-Frequenz, die durch das Feld bestimmt wird. Durch Anregung mit Radiowellen und anschließende Detektion der induzierten Signale (Free Induction Decay, FID) erhält man Spektren, die in chemische Verschiebung (ppm), Integrale und Kopplungsmuster zerlegt werden. Die chemische Verschiebung reflektiert die Elektronendichte am Kern und ermöglicht Rückschlüsse auf die lokale Umgebung. Hinweise auf Struktur ergeben sich außerdem aus Kopplungskonstanten (J-Kopplung) und Relaxationszeiten T1 und T2, die Informationen zu Dynamik und Mobilität liefern.

Die häufigsten Messkerne sind Wasserstoff-1 (1H) und Kohlenstoff-13 (13C); weitere wichtige Kerne umfassen 15N, 19F, 31P. Proben werden oft in deuterisierten Lösungsmitteln gelöst, um Hintergrundsignale zu reduzieren. Neben qualitativer Analytik erlaubt NMR auch quantitative Bestimmungen und liefert Informationen zu Konformation und Dynamik durch Messung von Relaxationsparametern.

Moderne NMR-Spektroskopie nutzt Fourier-Transform-NMR (FT-NMR) und mehrdimensionale Experimente wie COSY, HSQC und HMBC, um Kopplungen und Bindungswege klar abzuleiten. Instrumentell arbeiten Forscher mit Hochfeld-Magneten (typisch 7–23 Tesla), Frequenzen im Bereich von ca. 300–900 MHz für 1H, spezialisierten Spulen, Shim-Systemen und Computersteuerung. Anwendungen reichen von der Strukturaufklärung organischer Verbindungen und Naturstoffe bis hin zu Biopolymersystemen, Medikamenten und Reinheitsprüfungen. Die Grundlagen der NMR wurden in den 1940er/50er-Jahren von Bloch, Purcell und Rabi gelegt; heute ist NMR eine zentrale Methode der modernen Strukturaufklärung.