L'NMR è una tecnica utilizzata per analizzare la struttura di molte molecole chimiche, in primo luogo composti organici. Un composto tipico potrebbe essere costituito da atomi di carbonio, idrogeno e ossigeno.

Nella sua forma più semplice, un esperimento NMR consiste di tre passaggi:

Dalle frequenze emesse gli analisti possono dedurre informazioni sul legame e sulla disposizione degli atomi nel campione. I nuclei NMR attivi nel campione risuonano a frequenze diverse, chiamate  frequenze di risonanza. Queste frequenze sono emesse dai nuclei quando sono eccitati dall'impulso di radiofrequenza. Il valore di una frequenza di risonanza dipende da due fattori:

Il nucleo di ogni isotopo è costituito da una particolare combinazione di protoni e neutroni. La struttura nucleare determina in larga misura il valore della frequenza di risonanza. Quindi ogni isotopo visualizza una  frequenza di risonanza di base. I nuclei di ¹³C avranno una frequenza di risonanza di base diversa rispetto a quella di ¹H, ecc. Si noti la sensibile differenza nelle frequenze di risonanza di base tra diversi isotopi come elencato nella seguente tabella:

Alla frequenza di risonanza di base si somma l'effetto dell'intorno atomico in cui è situato un isotopo. Il valore preciso della frequenza di risonanza di un nucleo di ¹H in un particolare composto dipenderà dagli atomi a cui è legato e da cui è circondato. Il nucleo è circondato da elettroni che possono essere considerati come cariche elettriche in movimento con campi magnetici associati. Questi elettroni agiscono come una  schermatura magnetica per il nucleo. L'entità di questa schermatura dipende dal preciso intorno atomico locale. L'entità delle variazioni del campo locale (che determinano una variazione della frequenza) dipenderà dall'isotopo e dall'intensità del campo magnetico in cui è posto il campione. La tabella che segue riporta la variazione tipica della frequenza per due dei nuclei NMR più usati, ¹H e ¹³C. È chiaro che l'intorno atomico locale ha un effetto relativamente limitato sulla frequenza di risonanza di base.

I segnali NMR sono generalmente presentati come spettri e analizzati in base a due caratteristiche: frequenza  e intensità . Nell'NMR è convenzione tracciare la frequenza sull'asse orizzontale e crescente verso sinistra.

 

Come accennato in precedenza, la frequenza fornisce informazioni qualitative sull'intorno atomico locale. L'intensità integrata  intensità  di un segnale è una misura della  forza del segnale e si determina integrando l'area sottostante il picco. L'integrale è direttamente proporzionale al numero di nuclei che danno origine a un segnale a una particolare frequenza (a parità di eccitazione dei nuclei), fornendo quindi informazioni quantitative sulla struttura chimica.

Per eccitare un dato nucleo in un esperimento NMR, la frequenza dell'impulso di eccitazione deve coincidere con la frequenza di risonanza del nucleo. Questa frequenza è detta  frequenza portante. Pertanto, se gli esperimenti vengono effettuati utilizzando un magnete di 11,7 T, i nuclei ¹H richiedono una frequenza portante di circa 500 MHz, mentre i nuclei di ¹³C una frequenza portante di circa 126 MHz. La frequenza portante è definita dal parametro SFO1 . Il nucleo che viene eccitato da questa frequenza portante è denominato  nucleo osservato.

Si noti che esistono esperimenti in cui vengono eccitati più nuclei, per esempio durante il trasferimento di polarizzazione o disaccoppiamento. In questi casi ci sono più frequenze portanti, ma una sola frequenza di osservazione.

Non tutti gli  isotopi risponderanno a impulsi di radiofrequenza, cioè non tutti sono  NMR attivi. In natura esistono tre isotopi dell'elemento idrogeno: ¹H (idrogeno), ²H (deuterio) e ³H (trizio, radioattivo!). L'abbondanza naturale di questi isotopi è rispettivamente pari a 99,98%, 0,015% e 0,005%. Tutti e tre sono NMR attivi, anche se, come si può vedere nella tabella 3.1, mostrano una grande variazione nella frequenza di risonanza. Per analizzare un campione contenente idrogeno, viene eccitato l'isotopo ¹H, in quanto è di gran lunga il più abbondante. Di tutti gli isotopi di carbonio presenti in natura, solo uno è NMR attivo. Purtroppo l'isotopo più abbondante, il ¹²C (98,89% di abbondanza naturale) è inattivo. Quindi, l'analisi NMR di composti organici per il carbonio si basa sui segnali emessi dall'isotopo ¹³C, che ha un'abbondanza naturale solo dell'1,11%. Ovviamente, l'analisi NMR per il carbonio è più difficile di quella, per esempio, di ¹H (ci sono altri fattori che influiscono sulla sensibilità, che saranno discussi nei prossimi paragrafi di questo capitolo).

Sulla base della breve introduzione all'NMR descritta sopra, è un buon esercizio vedere in che modo può essere utilizzata la tecnica per analizzare la composizione del cloroformio (CHCl₃).