분자와 광(전자파) 중에서도 자장 중의 분자와 radio파 사이의 상호작용은 분자에 관해 상당히 많은 정보를 제공한다. 이 자장 중에서 분자의 거동을 나타내는 것이 핵자기 공명법(nuclear magnetic resonance, NMR)이다.
이 방법은 보통 유기분자의 구조결정 뿐만 아니라 측정장치나 computer의 발전에 의하여 단백질이나 다당류의 구조, 반응에 따라서 시시각각으로 변화하는 화합물 등의 측정 등 화학의 넓은 분야에서 적용되고 있다.
통상 NMR의 측정을 위해서는 시료의 용해성에 따라 CDCl3, CCl4, C6D6, (CD3)2SO, D2O 등의 용매를 사용하여 시료를 녹여 측정관에 넣은 후, 이 측정관을 자장 중에 넣어 자장의 크기를 변화시켜 가면서 전파를 발신하여 전파의 흡수 정도를 측정한다. 핵자기 공명 분광법에서 얻을 수 있는 정보로는 chemical shift, peak의 적분강도, spin-spin coupling에 의한 peak의 분열 등으로 이를 종합하여 화합물의 구조를 결정할 수 있다
원리
관찰하고자 하는 화합물이 자기자중에 놓이면 시료중의 핵이 자기장의 방향에 따라서 배열한다. 1H이나 13C처럼 spin양자수가 1/2의 경우는 자장의 방향과 같은 방향과 역방향의 energy상태로 분열하며, 이러한 차에 해당하는 energy를 갖는 전자파가 올 경우 디 energy를 흡수하여 spin이 반전한다.
이것이 핵자기 공명이라는 현상으로 다른 spectrum의 흡수에 해당한다. 핵에 걸리는 자장이 크면 이것이 비례해서 전자파의 energy(진동수)도 크게 된다. 전자파에 의하여 전이된 핵 spin은 relaxation과정을 거쳐서 다시 열평형 상태로 되돌아오게 되며 이사이에 방출되는 energy를 receiver coil에 검출하여 FID를 얻고, 이것을 Fourier transform하여 NMR spectrum을 얻는다.
1H NMR에서 얻을 수 있는 정보
① Chemical chift로부터 수소의 결합 형식
② Signal의 면적으로부터 수소의 상대수
③ Spin-spin 결합에 의한 signal의 분열수와 분열폭(coupling constant)으로부터 각 수소의 위치관계
④ 기지물질의 spectrum과 비교해서 화합물의 동정이 가능
⑤ 분자구조를 추정(탄소골격, 탄소다중결합, 입체화학, 관능기의 위치 추정)
⑥ 혼합물의 정량분석이 가능
⑦ 13C이나 그 외 최근 개발된 technique과 병용하면 복잡한 화합물의 구조, 반응중간체, 입체배위, 온도나 용매에 의한 결합상태의 변화 등 다른 방법으로 입수 곤란한 많은 정보의 획득이 가능
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H NMR에서 피크의 위치나갯수, 면적비와 가라짐 현상등으로 구조를 알 수 있다는 것이 신기했고, 여러가지경우를 생각해봐야 하기 때문에 어렵기도 했다.