La résonance magnétique nucléaire (RMN) utilise des champs magnétiques et des ondes radio pour déterminer la structure des molécules. C'est l'une des techniques d'analyse les plus puissantes en chimie. Mise au point dans les années 1940, elle a valu à ses auteurs le prix Nobel de physique en 1952 et celui de chimie en 1991 et 2002. Elle est à la base de l'imagerie par résonance magnétique (IRM), qui permet de visualiser le corps humain.

Cette technique fonctionne car certains noyaux atomiques, comme l'hydrogène-1 et le carbone-13, possèdent un spin magnétique. Dans un champ magnétique intense, ces spins s'alignent soit avec le champ, soit à l'opposé. Des ondes radio de fréquence appropriée inversent cet ordre de spin. La fréquence dépend de l'environnement chimique du noyau. Les électrons protègent le noyau du champ magnétique, et cette protection dépend des atomes voisins. Il en résulte un spectre de pics à différentes fréquences, révélant la structure de la molécule.

La RMN permet de déterminer la connectivité des atomes, la stéréochimie des molécules et la dynamique des mouvements moléculaires. Elle permet d'étudier les protéines en solution, de suivre les réactions chimiques en temps réel et d'analyser des mélanges sans séparation. Non destructive, elle ne nécessite qu'un petit échantillon.

Ces instruments sont coûteux et nécessitent des installations spécialisées. Un spectromètre RMN à haut champ peut coûter des millions de dollars et requiert un aimant supraconducteur refroidi à l'hélium liquide. Mais pour la détermination structurale, rien d'autre n'offre une telle performance.