译者序
核磁共振（NMR）波谱是化学、物理、生物、医学、材料等领域鉴别（液体或固体）纯化合物和混合物结构最常用、最直接的手段之一。目前，我国拥有的核磁共振波谱仪数量接近2000台套，部分科研院所、高校的核磁共振波谱仪超过10台套，不少单位已经实现了独立自主上机测试。然而，NMR技术起源于物理科学，涉及量子力学、无线电技术、应用数学、计算机等多个学科，理论深奥，这为仪器管理员和用户了解其工作原理，拓展应用提出了诸多挑战，充分发挥NMR仪器的最大效用成为当前仪器管理员和用户的迫切需求。
译者从事NMR仪器管理和技术应用工作近20年，阅读过大量的NMR书籍文献，仔细斟酌后选译了“Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy: An Introduction to Principles, Applications, and Experimental Methods”这本书。该书以具体的有机结构分析实践为例，对核磁共振波谱学中的关键概念和实验方法进行了简明扼要的讨论，全面介绍了核磁共振波谱技术在分子结构解析中的应用，实现了有机结构分析和核磁共振实验的无缝对接，这些内容对核磁仪器管理员、科研工作者以及与NMR密切相关的师生都有一定的参考价值。
翻译过程中对原著中一些明显错误之处已予更正，在一些值得商榷之处则加上译者注以供读者参考。
本书内容中翻译分工如下：周秋菊第1～3章，崔洁第4、7、8章，武宁宁第5章和第6章，其余部分以及全书的修订和完善主要由向俊锋负责。中国科学院化学研究所王德先研究员和王其强研究员、中国科学院大学齐婷教授和信阳师范学院郑凌云实验师详细校订了本书不同章节，特此致谢。也感谢同事张阳阳在修订改错过程中提供的帮助。特别感谢中国科学院大学化学学院对本书翻译工作的大力支持以及张晓航和李悦老师的帮助。
限于译者水平，译文中难免有翻译不妥之处，欢迎读者批评指正。

向俊锋
2021年4月
于中国科学院化学研究所核磁室

前言：

前言
在本书第一版出版后的15年间，核磁共振实验技术有了显著的发展，并持续改变操作NMR的方式。在本书第二版中，我们将从化学专业高年级本科生和低年级研究生的角度来介绍和解释一些新的核磁技术。
第一个新技术是非均匀采样，这是一种增强间接维NMR数据分辨率的数据处理方法。它具有：①较短时间内获得与过去分辨率相同的间接f1维NMR谱，或②与采集标准二维谱的时间相同，但获得的NMR谱在f1维上的分辨率更高。
第二个新技术是纯位移NMR谱，它涉及NMR数据的累加和处理。这种方法可以同时获得对全部质子去耦的一维和二维NMR谱。在面对现在氢谱重叠严重越来越普遍的情况时，这种方法非常有用。
第三个是协方差NMR，它也是一种数据处理方法。它有两种形式：同核直接协方差和异核广义间接协方差。直接协方差应用于对称的同核二维数据，如COSY和NOESY谱，得到f1和f2维分辨率相同的二维谱数据。广义间接协方差与异核数据相结合，这样就可以将两个相对用时较短的NMR实验如HSQC谱和TOCSY谱组合起来，获得HSQC+TOCSY谱，它比直接采集HSQC-TOCSY谱所需的时间更短。
我们认为这是一本知识性的书籍，书中讨论的主题目前没有在其它书籍中出现过。除了增添这些新内容之外，我们还对整本书进行了修订，对内容做了些许改进，增加了许多新问题，使它能满足21世纪20年代对NMR方法的要求。

Joseph B. Lambert（得克萨斯州圣安东尼奥）
Eugene P. Mazzola（马里兰州大学公园）
Clark D. Ridge（马里兰州大学公园）
2018年1月18日




原著第一版前言
核磁共振波谱（缩写为NMR）已经成为化学家结构解析和研究相互作用最常用的重要工具，它是少数能够用于检测三种物态的技术之一，非常灵敏，甚至可以分析出质量不足1 mg样品的结构。二十世纪六十年代初核磁共振技术采用纸带记录仪来绘制谱图，后来随着电子技术的不断发展，该领域的重大进展日新月异。1991年Richard R. Ernst教授和2002年Kurt Wüthrich教授分别获得诺贝尔奖，这充分彰显核磁共振技术的重要性。然而，这个领域所包含的内容丰富多样，让许多用户望而生畏。其中有些NMR技术高度专业，远超普通用户的理解范畴，如何充分利用这些方法的优势来解决我们的实际问题呢？为了回答这个问题，作者编写了本书。本质上本书重点强调NMR在结构分析中的应用，而不是对整个领域进行一个数学层面的介绍。
本书前几章内容主要介绍经典的核磁谱。在开始核磁分析之前，需要彻底了解质子和碳的化学位移（第3章）。其它杂核NMR谱是检查分子中是否含有杂原子的关键。耦合常数（第4章）提供了原子核之间立体化学和连接关系的信息。本书特别强调了化学位移和耦合常数这两个早期的概念，它们为现代NMR脉冲序列的应用提供了理论基础。
第5章和第6章阐述了现代核磁共振谱的基础知识，详细介绍了弛豫、化学动力学和多共振现象，探索如何利用一维多脉冲序列测定碳原子上所含的质子数目，提高检测灵敏度，确定碳原子间的相互连接。而以前许多被认为高级的概念，如相位循环、组合脉冲、脉冲场梯度和整形脉冲已慢慢变成常见。二维方法是当前NMR领域的高级技术，本书将大量讨论这些实验。为了用户更好地掌握这些技术，我们不仅要讲述脉冲序列的作用，还要阐述它们的工作原理。
本书专门安排两个章节来讨论具体的NMR实验方法。尽管现在有专业技术人员负责为大家提供谱图，但是越来越多的化学家必须自己采集图谱，他们必须考虑和优化大量的实验参数以获得最佳性价比的仪器使用机会。这些内容不仅涉及基本的参数，如谱宽和采集时间，还涉及更高级的技术参数，如谱编辑技术和二维谱。
第8章以一个复杂的天然产物为例，用核磁共振方法进行全面的结构论证，总结了如何使用现代核磁共振波谱学。本章阐述了如何利用核磁技术进行结构解析的过程，从一维谱的指认到二维谱相关谱，最后利用核Overhauser效应分析它的立体化学。
核磁共振波谱学本身背后的理论不仅博大精深，而且它还为发展NMR方法学提供深入理解的机会。因此，书后提供了一系列附录，全面论述了它的理论基础，这些内容不仅对物理或分析化学家来说非常有必要，而且对合成有机或无机化学家来说可能仍有一定的启发意义。
本书提供的内容如下：
·质子和其它核的常见化学位移和耦合常数分析；
·现代多脉冲技术和多维谱方法的解析；
·与运行NMR实验相关的实验步骤和实用建议；
·以T-2毒素为例，用整章内容来阐述如何使用现有NMR方法来确定复杂天然产物的平面结构和立体结构；
·附录里介绍了使用积算符和相干序图最新NMR方法的理论基础；
·本书提供了大量思考题。

Joseph B. Lambert
Eugene P. Mazzola 

目录：

第1章 绪论 001
1.1 原子核的磁性质 002
1.2 化学位移 007
1.3 激发和弛豫 010
1.4 脉冲实验 014
1.5 耦合常数 017
1.6 定量和复杂裂分 023
1.7 常用的NMR原子核 026
1.8 动态效应 028
1.9 固体NMR谱 031
思考题 034
思考题解答提示 036
参考文献 038
拓展阅读 038

第2章 NMR实验方法介绍 040
2.1 核磁共振波谱仪 041
2.2 样品制备 042
2.3 信号优化 044
2.3.1 样品管位置 044
2.3.2 探头调谐 045
2.3.3 场频锁定 045
2.3.4 谱仪匀场 046
2.4 NMR谱采样参数设定 049
2.4.1 数据点数 051
2.4.2 谱宽 051
2.4.3 过滤器带宽 053
2.4.4 采样时间 053
2.4.5 发射器偏移 053
2.4.6 翻转角度 054
2.4.7 接收器增益 056
2.4.8 扫描次数 056
2.4.9 稳态扫描次数 057
2.4.10 过采样和数字滤波 057
2.4.11 对X核去耦 058
2.4.12 典型NMR实验 059
2.5 NMR谱处理参数设定 060
2.5.1 指数加权 060
2.5.2 零填充 062
2.5.3 FID截尾和谱图伪峰 062
2.5.4 分辨率 063
2.6 NMR谱处理与展示 065
2.6.1 信号相位校正和基线平滑 065
2.6.2 零点参考 067
2.6.3 获取NMR谱的参数 068
2.7 仪器参数校正 071
2.7.1 脉冲宽度（翻转角度） 071
2.7.2 去耦器场强 073
思考题 074
参考文献 074
拓展阅读 075

第3章 化学位移 076
3.1 影响1H化学位移的因素 077
3.1.1 局域场 077
3.1.2 非局域场 079
3.2 1H的化学位移与结构关系 086
3.2.1 饱和烷烃 086
3.2.2 不饱和烷烃 088
3.2.3 芳香族化合物 089
3.2.4 氧和氮上的质子 091
3.2.5 1H化学位移的经验计算程序 092
3.3 介质和同位素效应 093
3.3.1 介质效应 093
3.3.2 同位素效应 096
3.4 影响13C化学位移的因素 096
3.5 13C的化学位移与结构关系 098
3.5.1 饱和烷烃 099
3.5.2 不饱和烷烃 103
3.5.3 羰基化合物 105
3.5.4 13C化学位移的经验计算程序 105
3.6 1H和13C的化学位移表 106
思考题 110
思考题解答提示 118
参考文献 120
拓展阅读 121

第4章 耦合常数 123
4.1 一级谱和二级谱 124
4.2 化学等价和磁等价 125
4.3 耦合符号和耦合机制 130
4.4 1J耦合 132
4.5 2J耦合 134
4.6 3J耦合 137
4.7 长程耦合 141
4.7.1 σ-π重叠 141
4.7.2 锯齿形途径 142
4.7.3 跨越空间的耦合 143
4.8 谱图分析 144
4.9 二级谱 145
4.9.1 伪一级谱 145
4.9.2 虚拟耦合 147
4.9.3 位移试剂 148
4.9.4 同位素卫星峰 148
4.10 耦合常数表 149
思考题 153
参考文献 162
拓展阅读 163

第5章 高级一维NMR谱 165
5.1 自旋-晶格弛豫和自旋-自旋弛豫 166
5.1.1 弛豫起源 166
5.1.2 弛豫时间测量 168
5.1.3 横向弛豫 169
5.1.4 结构差异影响 170
5.1.5 各向异性运动 170
5.1.6 局部运动 171
5.1.7 部分弛豫谱 171
5.1.8 四极弛豫 171
5.2 NMR时间尺度上的反应 173
5.2.1 受阻转动 174
5.2.2 环翻转 175
5.2.3 原子反转 176
5.2.4 价键互变异构和键转移 177
5.2.5 定量 178
5.2.6 磁化转移和自旋锁定 179
5.3 多重共振技术 180
5.3.1 自旋去耦方法 180
5.3.2 去耦差谱 182
5.3.3 多重共振实验分类 183
5.3.4 偏共振去耦技术 183
5.4 核Overhauser效应（NOE效应） 185
5.4.1 起源 186
5.4.2 观测 187
5.4.3 NOE差谱 189
5.4.4 应用 190
5.4.5 局限性 191
5.5 谱编辑技术 192
5.5.1 自旋-回波实验 192
5.5.2 碳连接氢测试法 193
5.5.3 DEPT序列 196
5.6 灵敏度增强技术 197
5.6.1 INEPT序列 197
5.6.2 重聚INEPT 200
5.6.3 用重聚INEPT进行谱编辑 200
5.6.4 INEPT和DEPT技术的比较 202
5.7 碳连接技术 203
5.8 相位循环、组合脉冲和形状脉冲 205
5.8.1 相位循环 205
5.8.2 组合脉冲 207
5.8.3 形状脉冲 207
思考题 208
参考文献 220
拓展阅读 221

第6章 二维NMR谱 224
6.1 通过J耦合的质子-质子相关谱 225
6.1.1 COSY45谱 234
6.1.2 长程COSY谱（LRCOSY或延迟COSY） 235
6.1.3 相敏COSY谱（?-COSY） 236
6.1.4 多量子过滤COSY谱 237
6.1.5 全相关谱（TOCSY） 239
6.1.6 接力COSY谱 239
6.1.7 J-分辨谱 239
6.1.8 其它核的COSY谱 241
6.2 质子-异核相关谱 241
6.2.1 HETCOR谱 241
6.2.2 HMQC谱 244
6.2.3 BIRD-HMQC谱 245
6.2.4 HSQC谱 246
6.2.5 COLOC谱 247
6.2.6 HMBC谱 248
6.2.7 异核接力相干转移谱 249
6.3 通过空间或化学交换的质子-质子相关谱 250
6.4 碳-碳相关谱 254
6.5 多维核磁谱 256
6.6 脉冲场梯度 259
6.7 扩散序谱 263
6.8 2D谱方法总结 265
思考题 266
参考文献 288
拓展阅读 289

第7章 高级NMR实验方法 291
7.1 一维技术 292
7.1.1 T1测量 292
7.1.2 13C谱编辑实验 293
7.1.3 NOE实验 295
7.2 二维技术 298
7.2.1 二维NMR数据-采集参数 299
7.2.2 二维NMR数据-处理参数 301
7.2.3 二维NMR数据展示 306
7.3 二维技术实验方法介绍 307
7.3.1 通过标量耦合的同核化学位移相关技术 308
7.3.2 通过标量耦合的直接异核化学位移相关技术 313
7.3.3 通过标量耦合的间接异核化学位移相关技术 317
7.3.4 偶极耦合的同核化学位移相关技术 323
7.3.5 1D和高级2D实验技术 326
7.3.6 纯位移-协方差NMR谱 342
参考文献 342

第8章 结构解析的两种方法 344
8.1 图谱分析 345
8.1.1 1H NMR谱数据 345
8.1.2 13C NMR 谱数据 347
8.1.3 DEPT谱实验 348
8.1.4 HSQC谱实验 349
8.1.5 COSY谱实验 350
8.1.6 HMBC谱实验 351
8.1.7 通用分子的结构解析策略 352
8.1.8 特殊分子的结构解析步骤 354
8.1.9 NOESY谱实验 358
8.2 计算机辅助结构解析（CASE） 361
8.2.1 CASE步骤 361
8.2.2 T-2毒素 362

附录A NMR方程的推导 366

附录B 布洛赫方程 369
参考文献 374

附录C 双自旋体系的量子力学解释 375

附录D 三自旋和四自旋体系的二级谱图分析 386

附录E 弛豫 392

附录F 积算符公式和相干级图 398
参考文献 409

附录G 核磁结构解析中的立体化学 410
G.1 等位 411
G.2 对映异位 414
G.3 非对映异位 416
参考文献 417

索引 418