Kernmagnetiese resonansie

Die atoomkern van 'n isotoop besit 'n kernspin, waarvan die grootte van die isotoop afhang. Resonansie word veral toegepas op kerne soos ¹H wat 'n spin I=½ besit. Dit is ook moontlik om resonansie te bestudeer vir 'n isotoop soos deuterium ²H=D maar dit het 'n spin I=1 en daardeur 'n kwadrupool, wat verbreding van die pieke veroorsaak. Dit bemoeilik die interpretasie van die resultate en verminder die inligting wat ingewin kan word.

Wanneer 'n atoomkern met 'n spin I=½ in 'n sterk magneetveld geplaas word, kan dit twee toestande aanneem wat verskillende energie besit. Vir 'n groter kernspin kan daar meer as twee spintoestande wees. Die aantal toestande is 2I+1. Die energieverskil tussen die toestande is taamlik klein en direk eweredig aan die sterkte van die magneetveld. 'n Foton uit die radiogolfgebied van die elektromagnetiese spektrum is voldoende om die spin van die een in die ander toestand te laat oorgaan.

In die oorspronklike uitvoering van 'n resonansie-eksperiment is 'n stof met kernspin (meestal waterstof) in 'n radiosender met 'n konstante frekwensie ν en 'n magneetveld geplaas. Die sterkte van die magneetveld is geskandeer en by 'n bepaalde sterkte het die stof begin om fotone te absorbeer en dit kan as 'n absorpsiepiek gemeet word. Hierdie "resonansie" tree op wanneer die energieverskil tussen die (twee) toestande gelyk is aan E_foton= hν.

NMR-spektrum vir etanol in verdunde oplossing[1]

Gewoonlik is daar egter nie een resonansiepiek nie, maar meer as een, omdat die magneetveld soos dit op die kern waargeneem word ook 'n bietjie deur die chemiese omgewing van die atoom beïnvloed word. Dit lei tot verskuiwings in die waargenome resonansiepiek en dié fenomeen word chemiese verskuiwing of isomeerverskuiwing (Eng: chemical shift) genoem.

Indien die stof byvoorbeeld uit 'n mengsel van twee organiese verbindings bestaan sal beide stowwe hul eie patroon gee, omdat die waterstofatome wat aan die molekules geheg is, in verskillende chemiese omgewings is. Die patroon van 'n bepaalde suiwer stof bestaan egter dikwels ook uit meer as een piek omdat waterstofatome wat deel van dieselfde molekule uitmaak in verskillende dele van die molekule in 'n verskillende omgewing verkeer.

Maar daar is 'n tweede effek omdat kerne — veral as hulle naaste bure is — mekaar ook deur koppeling beïnvloed. Dit beteken dat die patroon van 'n bepaalde stof baie inligting bevat oor die struktuur van die molekule. Dit het van kernspinresonansie een van die belangrikste werktuie in die organiese sintese gemaak.

Vir etanol CH₃CH₂OH byvoorbeeld (sien afbeelding) is daar waterstofatome in drie verskillende chemiese omgewings: die drie H-atome van die metielgroep CH₃-, die twee atome van die metileengroep -CH₂- en die een H-atoom van die hidroksielgroep -OH. Hulle besit verskillende chemiese verskuiwings en dit veroorsaak drie pieke wat egter by hoër resolusie uit 'n kwartet, 'n triplet en 'n enkele piek bestaan. Die kwartet en die triplet word deur die koppeling tussen die metiel- en die metileenatome veroorsaak.