Die Kernspinresonanz (NMR) nutzt Magnetfelder und Radiowellen zur Bestimmung der Molekülstruktur. Sie zählt zu den leistungsstärksten Analysemethoden der Chemie. Entwickelt wurde sie in den 1940er-Jahren und erhielt 1952 den Nobelpreis für Physik sowie 1991 und 2002 den Nobelpreis für Chemie. Sie bildet die Grundlage der Magnetresonanztomographie (MRT), die Bilder des menschlichen Körpers erzeugt.

Die Technik funktioniert, weil bestimmte Atomkerne, wie Wasserstoff-1 und Kohlenstoff-13, einen magnetischen Spin besitzen. In einem starken Magnetfeld richten sich die Spins entweder parallel oder entgegengesetzt zum Feld aus. Radiowellen mit der richtigen Frequenz kehren die Spinrichtung um. Die Frequenz hängt von der chemischen Umgebung des Atomkerns ab. Elektronen schirmen den Kern vor dem Magnetfeld ab, und diese Abschirmung hängt von den benachbarten Atomen ab. Das Ergebnis ist ein Spektrum mit Peaks bei verschiedenen Frequenzen, das die Struktur des Moleküls offenbart.

Die NMR-Spektroskopie ermöglicht die Bestimmung der Atomverknüpfungen, der Stereochemie von Molekülen und der Dynamik molekularer Bewegungen. Sie eignet sich zur Untersuchung von Proteinen in Lösung, zur Echtzeitüberwachung chemischer Reaktionen und zur Analyse von Gemischen ohne vorherige Trennung. Die Methode ist zerstörungsfrei und benötigt nur eine geringe Probenmenge.

Die Geräte sind teuer und erfordern spezielle Einrichtungen. Ein Hochfeld-NMR-Spektrometer kann Millionen von Dollar kosten und benötigt einen supraleitenden Magneten, der mit flüssigem Helium gekühlt wird. Doch für die Strukturaufklärung ist es unübertroffen.