前言：

前言
《核磁共振谱学——在有机化学中的应用(第三版)》2015年出版以后，先后收到一些学者特别是在读研究生的来信请教一些问题；近两年来包括一些高校老师也来信索要本书。本书应用性强，同时涉及一些新的理论问题，涵盖了核磁共振谱学各个方面的内容，对氢谱、碳谱、二维谱、蛋白和核酸的NMR分析等问题作了深入的阐述。第四版在3.9节：手性分子的NMR中，补充了3.9.4节：一种新发现的手性分子NMR分析试剂，介绍了一种以金属Al(Ⅲ)为中心的八面体手性配合物作为手性分子NMR分析试剂的方法。该Al(Ⅲ)配合物具有前所未有的广泛的底物范围，良好的溶剂相容性和操作简便性等。作者剖析了这种新试剂在应用中的理论问题。第四版还新增加了2.5节：含氮化合物的质子化1H NMR滴定；并增加了6.14 节：四维NMR简介；补充了固体NMR最新进展的简介；第四版在附录补充了19F NMR和31P NMR以及77Se NMR的相关化学位移数据。在1H NMR中，对氢谱涉及的自旋-自旋耦合裂分以及谱峰的解析(如ddd裂分等)作了详尽的论述和分析，对核间奥氏效应(NOE)，分子立体结构和手性分子的NMR等作了详细说明。对13C NMR谱的去耦技术和在非去耦条件下的13C-1H耦合、13C-13C耦合以及各种角度的DEPT谱等都作了概述。本书用一章的篇幅对2D NMR作了专门的论述，直接在谱图上对谱峰作了归属，并对解谱方法作了说明，对二维谱HMBC的表征方法特别作了论述。本书还对蛋白、核酸生物大分子的核磁共振研究进展，如对复杂的魔角旋转固体NMR(MAS ssNMR)技术作了详细介绍。第四版深入论述了核磁共振成像及前景，核磁共振成像在检测人的大脑活动信号以及掌握人的思维活动方面具有极其广阔的应用前景。
作者在2006~2012学年度，以特聘教授身份在中国科学院研究生院(现中国科学院大学)讲授本书内容。本书在多次再版过程中不断得到提高与完善，无不得益于长期授课以及研究生课外提出的各种学术提问引起的思考。
国内曾出版过一些谱学书，但这些书多是核磁、质谱、红外、紫外四大谱的综合书。国外有一些核磁共振方面的专著，但理论占的篇幅太多，也鲜有在书中直接标注出谱峰归属的。在四大谱中，NMR是唯一能够帮助我们“看清楚”肉眼看不见的微小有机分子精细结构的“神器”。本书理论紧密结合实践，特别是本书直接在谱图上标注出大量谱峰归属，极大地方便了读者的学习和掌握。
在学术理论方面，NMR的研究已经有三次获得过诺贝尔物理学奖和诺贝尔化学奖。现在固体魔角旋转NMR突飞猛进，特别是NMR的研究已经深入到脑科学和研究人的思维活动的高级阶段，第四版为此增加了第8章。在应用方面，核磁共振谱仪在涉及化学研究的研究所和各大学都有；利用核磁共振成像仪诊断疾病，现在已经普及到了各县级医院。
作者在1987年从事有机化学研究工作起就非常喜爱NMR，2000年回国入选中国科学院“百人计划”以后，先后发表了近百篇高质量的合成方面的论文。近几年来在有机化学的核心刊物Org.lett.和德国高等合成与催化(Adv.Synth.Catal.)上发表研究论文多篇。NMR对我们研究团队的工作起到了关键作用。本书更为广大有机化学学者提供了诸多帮助，许多老师告知他们的学生出国时都带着本书。回想多年来花费业余时间在研究生院讲授核磁共振课的情景，我依然乐在其中，为能为国为民尽微薄之力感到开心。
虽然在本版修订过程中做了许多努力，但失误在所难免，敬请广大读者指正为盼。

于北京中关村
2020-12-18





第一版前言
有机化学是生物化学和药物化学等学科的基础。有机合成化学作为有机化学的核心，近年来发展很快。人们合成了各种药品、天然产物、香料、染料、添加剂、功能材料等丰富多彩的有机化合物，各种新物质不断被合成出来。有机合成化学家对合成策略的设计，对各步反应的理解和对机理的研究，艺术性地在原老的自然界周围编织着一个新的自然界。
支持有机合成化学家最有效的工具是什么？应该是核磁共振仪。核磁共振仪能够帮助我们“看清楚”肉眼看不见的微小的有机分子的精细结构。核磁共振(NMR)在有机化合物结构鉴定中起着极其重要的作用。当然，质谱、红外光谱、紫外光谱等对化合物的表征也并非不重要，但最终能说明精细结构问题的谱图还是NMR谱。作者在自己的专著《有机反应——多氮化物的反应及若干理论问题》中，多处用到NMR的结果，特别在第5.4节，专门论述了NMR谱与分子结构的问题。
有些学习有机化学的学生要联系赴美国深造，询问除了学校的知名度以外，怎么知道哪个大学的研究设施好呢？NMR仪器的分辨率是衡量其研究设施的重要参考之一，现在美国有的大学已经有900 MHz 的核磁共振仪。
核磁共振仪是一种进行有机化合物鉴定的有效工具，同时也是人们研究有机化学、探索反应机理、揭示生命奥妙和进行医学研究的有力工具。科学发展到今天这个时代，有志从事有机化学和相关学科研究的人应该精通核磁共振谱。
作者在多年的有机合成研究中，深切地体会到掌握核磁共振谱学和技术对工作的重要性。在美国的实验室，一个月下来自己做出的核磁共振谱图就有厚厚一摞。有的时候为了很快知道某种新方法是否有结果，对反应后较难纯制的体系也做一个氢谱，看看有没有信号，因此NMR谱简直就成了“眼睛”。在国际投稿中，对有机合成方面的稿件，审稿人对Supporting information 部分的NMR谱图都要仔细审阅。
普通的共振是指自然界一个普遍存在的现象，而在核磁共振谱学中，共振的意义则复杂得多。这里有外加磁场与核外电子产生的磁场之间的极有规律和极有价值的作用和变化。原子核固有的磁性，特别是在外加磁场的作用下，核外电子感生出来的磁作用，会产生复杂、精细而有规律的变化。核外电子云密度不同，感生出来的磁场大小不同，与外加磁场作用后会产生出不同的信号。谱学家关注的是核外电子感生出的磁场的大小；而化学家则特别关注核外电子的状况。如与一个手性中心相邻的α-碳原子（甚至β-碳原子）上的两个质子磁不等价，它们的化学位移不同，这是由于两个看似相同的氢原子，它们在空间上的立体环境受到邻近不对称微环境的影响，这两个质子上的电子云密度不再相同，不同的电子云密度感生出的磁场有大有小，对外加磁场产生不同的作用，最终表现在谱图上就产生不同的化学位移。即使是外消旋体系，也存在这个现象。氢谱如此，碳谱亦然。
对核磁共振理论的深入研究，是真正掌握核磁共振谱学的根本途径，这需要涉及大量的数理知识。考虑到不同读者的需要，特别是大量使用核磁共振谱的同仁是从应用出发的，所以本书突出了理论的应用性，尽可能在解谱上对大家有较多的帮助。
全书共8章。第1章绪论是全书的一个引子。
第2章介绍化学位移，是NMR的基础部分。
第3章论述了自旋-自旋耦合，是1H NMR的核心内容。
就核磁共振谱来说，1H NMR较为复杂，特别是1H NMR涉及的自旋-自旋耦合，能给出许多结构信息，这些信息可以从耦合常数J中得到。核间奥氏效应(NOE)是指两个质子在空间接近时，对一个质子做饱和照射，另一个质子的信号也会变化。NOESY谱是质子NOE信号二维谱，能揭示质子在空间接近时的关系，帮助把分子中的空间结构建立起来，是研究分子构型和构象的有效手段，在天然产物和复杂分子的结构确定中引起了广泛关注，本书在第4章对此作了概述。
第5章对13C NMR谱的去耦技术和在非去耦条件下的13C-1H耦合、13C-13C耦合等问题作了说明，并给出了许多13C NMR谱的化学位移（δ）值，相信对解谱会有帮助。
二维NMR(2D NMR)近年来进展很快，在解析复杂化合物的分子结构中，以其直观、明快、可靠等特点取得了很大成功，本书在第6章作了专门介绍。
21世纪是生命科学蓬勃发展的世纪，有机化学也提出了生命有机化学和绿色化学的理念。蛋白质、核酸和其他生物大分子都是人们认识生命运动的基本物质，核磁共振为人们对这些生物活性分子的研究提供了有力的工具和手段，本书第7章对蛋白质和核酸的NMR分析作了简要的介绍。目前，NMR已经在医学方面得到了重要应用，有兴趣的读者可以参阅这方面的专著。
为了帮助读者更好地理解NMR谱，本书第8章列出了大量谱图供大家参考。这些谱图中一部分是作者及其领导的研究组成员做出的相关化合物的NMR谱图，另一部分选自Aldrich图集和相关文献。为了面向不同的读者，选图的范围尽可能广泛并注意难易结合。
NMR谱学是一门科学，同时也是广大科研人员的工具。本书旨在从学术理论出发，着重NMR谱学的应用性。希望本书的出版能对我国的NMR研究和应用有所帮助。
本书的撰写花费了作者两年多的时间和大量心血，吸收了作者在国外积累的大量资料，引用了许多较新的文献，希望对合成化学工作者有所帮助，同时希望能为化学专业的广大学生提供一本教科书或工具书。在此感谢国家自然科学基金20472090和10576034对我们有机合成研究工作的支持，感谢我的博士生们对我的帮助。
由于作者水平有限，时间不多，书中难免有误，敬请广大读者指正为盼！

2006年2月28日
于北京中关村新科祥园






第二版前言
承蒙读者厚爱，本书得以再版。《核磁共振谱学——在有机化学中的应用》第一版印数较多，仍在几年内基本售罄，说明NMR作为一门科学非常吸引人；作为一种“工具”，在有机化合物结构鉴定和诸多结构信息研究方面有着非常重要的作用。
目前NMR的研究发展很快，从学术研究层面来讲，自1952年美国科学家F.布洛赫和E.M.珀塞尔由于物质核磁共振现象的研究获得诺贝尔物理学奖以后，1991年瑞士科学家R.R.恩斯特由于发明了傅里叶变换核磁共振分光法和二维核磁共振技术(高分辨NMR)而荣获诺贝尔化学奖；2002年瑞士科学家K.维特里希由于发展用核磁共振谱测定溶液中生物大分子的三维结构而荣获诺贝尔化学奖。这些成就代表了NMR科学研究的重要里程碑。NMR的研究已经从化学跨越到生命科学领域，本书在第七章作了一些简要介绍。从应用方面来说，NMR已经从剖析有机化合物的分子结构深入到目前的蛋白质科学和脑科学的研究，超导核磁共振仪在各大医院已经非常普遍，使用核磁共振成像技术进行医疗诊断已经为大家所熟悉。NMR的学术研究成果经常在国际核心化学刊物上发表出来，仪器的分辨率不断提高。现在，国内许多研究型大学基本上都有了分辨率较高的NMR仪。特别值得介绍的是中国科学院武汉物理与数学研究所从20世纪60年代就在NMR的基础理论和应用方面开展了深入的研究工作，目前还开展了NMR波谱仪的研制工作，生物核磁共振分析和固体核磁共振方法等研究方向具有很好的学术和应用前景。
关于氢谱的积分，由于涉及理论问题很少，初学者也很容易掌握，本书没有特别论述。
笔者在本书第一版出版后，连续多年来给研究生讲授本书中的主要内容，受到了意想不到的欢迎。在讲授过程中，笔者也发现了一些问题：如第一版中二维谱的介绍较为简略；手性分子与NMR光谱的介绍太少；对NMR的前沿研究工作的进展介绍得较少等。笔者在工作之余，把发表在国际核心科技期刊和其他方面的一些新进展积累起来，在第一版的基础上作了补充和修改。在第一版编写完成之后，笔者在初版的后记中曾说：“希望为从事有机化学的同仁和学生、学者们敬献一本内容较新的工具书。”但由于笔者水平有限，书中难免有误，敬请广大读者指正为盼！

2009年11月




第三版前言
这是一本关于核磁共振的专门著作，重点突出了NMR在解析有机化合物分子结构方面的问题。该书第一版2006年6月在化学工业出版社出版后受到欢迎，编著者从2006学年度起到2012学年度连续为中国科学院研究生院(现在的中国科学院大学)兼职讲授这门课程，课程是有机化合物的结构解析，编著者从1987年就开始从事有机合成的专门研究工作，近些年来也一直在从事复杂化合物的合成研究，对解谱比较熟悉，上课学生最多时达180人。
由于学科发展较快，编著者在授课中也积累了一些东西，连续多年来学生们所提出的科学问题使编著者得益甚多。2010年该书又出了补充后的第二版。许多老师告诉我：他们的学生出国时都要带上这本“核磁”书。
近几年来，国内也出版了一些谱学著作，但这些书多是核磁、质谱、红外、紫外四大谱的综合书。目前，国外有一些核磁共振的专著，国内除本书外还没有其他关于核磁共振方面专门的理论与应用紧密结合的著作。
核磁场共振仪是唯一能够帮助我们“看清楚”肉眼看不见的微小有机分子的精细结构的仪器。核磁场共振在有机化合物结构鉴定中起着极其重要的作用。NMR是一门充满趣味和哲理的科学，其理论深邃，具有很强的吸引力;核磁共振的内容博大精深，涉及面广，实用性极强，与有机合成化学和生命科学以及有机新材料等学科的关系极为密切。这本书把科学理论和有机化合物解谱结合在一起，因而受到欢迎。
从学术方面讲，NMR的研究获得过多次最高成就，如美国科学家F.布洛赫和E.M.珀塞尔因发现物质的核磁共振现象而获得1952年诺贝尔物理学奖，瑞士科学家R.R.恩斯特因为发明傅里叶变换核磁共振和二维核磁谱技术而获1991年诺贝尔化学奖；瑞士科学家K.维特里希因发展用核磁共振谱测定溶液中生物大分子的三维结构而获2002年诺贝尔化学奖。目前，在化学顶级刊物上不断会阅读到核磁共振研究的新成果。从应用方面讲，NMR是从事有机化学、药物化学、植物化学、生物化学、石油化学、化学工业、材料化学、化学生物学、生命科学等方面的科研人员必须掌握的一种重要的工具。NMR的研究已经深入到蛋白质科学和脑科学的层面，应用核磁共振成像技术(MRI)进行医疗诊断在各大医院已经非常普遍。
在连续多年给研究生讲授本书中的主要内容的授课实践中，学生们提出的各种各样的学术问题，确实为本书第三版增加新内容给予了很多的启示，许多散见于第三版各部分的新补充内容多数是编著者解答问题的心得。在讲授过程中，作者也发现了需要系统地补充一些章节。第三版在第5章补充了5.3.5节DEPT谱；第6章是专门论述二维核磁谱的，第三版补充了许多新内容，在原第二版第6章的最后，系统地补充了两节新内容，6.12节关于二维谱HMBC表征的报道方法；6.13节三维NMR谱的发展和展望。在原第二版第7章最后，也补充了7.4.9节魔角旋转固体NMR(MAS ssNMR)技术的最新重要进展。结合编著者研究组的工作，第三版对旋转异构体的核磁共振研究和仲氢诱导极化理论作了系统的阐述，在第4章补充了4.8节：一些特殊的NMR研究新进展。第3章也补充了一节(3.9.3节)：化学位移差值图，并对第二版的绪论部分补充了新内容，对绪论部分的1.4节作了重大调整和补充。
虽然该书在第二版出版四年以后补充增加新内容并删去一些不必要的部分，整理出版新的第三版确是一项艰辛的工程。编著者是中科院“百人计划”研究员，近年来在Nature:Scientific Reports;Adv.Synth.Catal.;J.Org.Chem.;Org.lett.;Coordin.Chem.Rev.;Nature等刊物也发表了一些研究论文。长期的兼职授课，也使我付出了很多，但同时也乐在其中，授课后总有一种非常愉快的感觉。记得2011年的一天，编著者授课后站在高高的教学楼上，望着窗外连绵起伏的玉泉山，忽记起了范仲淹《岳阳楼记》中的名句：登斯楼也，则有心旷神怡，宠辱皆忘，把酒临风，其喜洋洋者矣！
虽然在第三版出版过程中编著者做了许多努力，书中仍难免有失误之处，敬请读者指正为盼。

于北京中关村新科祥园
2014.8.18  

目录：

第1章绪论
1.1概述1
1.2基本原理1
1.3基本概念3
1.3.1角动量和核磁矩3
1.3.2核磁共振(NMR)谱5
1.4其他小问题和相关论著简介7
1.4.1混合物的NMR测试7
1.4.2积分面积与分解反应7
1.4.3精细裂分9
1.4.41H-13C COSY10
1.4.5毛细管探头10
1.4.6信号发射和自由感应衰减(FID)11
1.4.715N NMR12
1.4.8相关文献与有关专著简介12
1.4.9几种核的性质14

第2章化学位移
2.1概述15
2.2屏蔽效应探讨18
2.2.1化学位移的计算19
2.2.2示例20
2.2.3化学位移的产生23
2.3影响屏蔽效应的一些因素24
2.3.1局部抗磁(屏蔽)效应24
2.3.2局部顺磁(去屏蔽)效应25
2.3.3邻位基团26
2.3.4影响化学位移的其他因素29
2.4对化学位移的进一步探讨30
2.4.1质子电荷密度对化学位移的影响30
2.4.2对邻碳原子的电荷密度的影响31
2.4.3相邻原子和化学键的诱导磁矩对化学位移的影响35
2.4.4环共轭π电子体系38
2.4.5环丙烷环上的磁异性39
2.4.6极性基团的电场效应和范德华效应40
2.4.7氢键对化学位移的影响41
2.5含氮化合物的质子化1H NMR滴定42
2.6相关有机金属化合物的化学位移44
2.7经验取代基常数45
2.8一些重要有机化合物中质子的化学位移47

第3章自旋-自旋耦合
3.1概述57
3.2多重峰的一般规律63
3.3比率J/（ν0δ）的意义65
3.4自旋-自旋耦合和分子结构的关系68
3.4.1耦合常数的大小与分子几何构型的关系68
3.4.2耦合常数和分子化学结构的关系69
3.5自旋系统的分类78
3.5.1模式78
3.5.2与一个自旋量子数I=1/2的原子核耦合（AX系统）78
3.5.3AX2、AX3、AXn系统79
3.5.4AMX系统80
3.5.5AB、AB２系统81
3.5.6ABX系统81
3.5.7ABC系统83
3.5.8几个四旋系统和其他系统84
3.61Ｈ与I=1/2和I>1/2的原子核耦合85
3.6.11Ｈ与I=1/2的原子核耦合85
3.6.21Ｈ与I>1/2的原子核耦合88
3.7等价原子核90
3.8强耦合作用91
3.9手性分子的NMR92
3.9.1手性效应92
3.9.2用NMR测定对映体过量(ee %值)的三种方法101
3.9.3化学位移差值图104
3.9.4一种新发现的手性分子NMR分析试剂105
3.10远程耦合107
3.10.1概述107
3.10.2远程耦合理论107
3.10.3位移试剂112
3.11与杂原子相连的质子的NMR和溶剂效应112
3.12化学交换115
3.12.1对称的构象变换115
3.12.2不对称的构象变换118
3.13有机化合物的自旋-自旋耦合常数表119

第4章复杂耦合现象和NOE效应
4.1磁等价126
4.1.1概述126
4.1.2磁等价性理论127
4.2复杂谱132
4.3自旋晶格弛豫134
4.3.1自旋晶格弛豫134
4.3.2自旋晶格弛豫的来源135
4.3.3诸种弛豫问题135
4.4NOE效应(核间奥氏效应或核极化效应)136
4.5四极弛豫139
4.6NOE效应及其应用141
4.6.1季碳原子141
4.6.2CH和CH2中的碳141
4.6.3NOE值对结构的确定142
4.6.4NOE效应对蛋白质结构的确定143
4.6.5分子动态结构研究144
4.7核磁共振研究中的一些新进展和相关未知物结构解析146
4.7.1核磁共振研究中的一些新进展146
4.7.2相关未知物结构解析155
4.8一些特殊的NMR研究新进展159
4.8.1仲氢诱导极化159
4.8.2旋转异构体的核磁共振研究162
4.8.3应用NMR谱来检测有机反应过程166

第5章13C NMR谱
5.1概述168
5.2几种去耦方法170
5.2.1质子宽带去耦170
5.2.2偏共振去耦170
5.2.3选择性质子去耦171
5.2.4门控去耦171
5.2.5反转门控去耦172
5.3其他问题172
5.3.1氘代的影响172
5.3.2化学位移等价173
5.3.313C-1H耦合常数值174
5.3.413C-13C耦合常数值176
5.3.5DEPT谱176
5.413C NMR谱的化学位移177

第6章二维谱
6.1概述183
6.2相关波谱分析法185
6.31H-1H COSY谱186
6.4双量子过滤的1H-1H COSY谱188
6.4.1化合物小蠹烯醇189
6.4.2石竹烯氧化物190
6.51H-13C COSY异核化学位移相关谱（HETCOR谱）192
6.6质子检出的HETCOR异核多量子相干谱（HMQC谱）196
6.7质子检测的远程1H-13C异核相关谱(HMBC谱)197
6.81H-1H NOESY相关谱201
6.913C-13C相关谱(非常规天然丰度双量子转移实验，INADEQUATE实验）202
6.10全相关谱205
6.11梯场NMR208
6.12关于二维谱HMBC表征的报道方法209
6.13三维NMR谱的发展和展望211
6.14四维NMR简介211

第7章生物大分子NMR简介
7.1蛋白质的NMR分析简介212
7.1.1概述212
7.1.2溶解条件的优化212
7.1.3标记与表达214
7.1.4相关实验215
7.1.5蛋白质相互作用的NMR分析221
参考文献225
7.2核酸的NMR分析简介227
7.2.1概述227
7.2.2样品的制备228
7.2.3用于多核NMR标记的核酸的制备229
7.2.4分析策略——新的灵敏度优化229
7.2.5氢键的NMR检出234
7.2.6J耦合的测定236
7.2.7残余偶极耦合——用于阐明结构236
7.2.8对核酸弛豫作用的研究239
7.2.9NMR在活细胞中的应用242
7.2.10结论243
参考文献243
7.3通过氢键的标量耦合246
7.3.1概述246
7.3.2生物大分子中的氢键标量耦合248
7.3.3与化学位移的关系253
7.3.4几何形态的影响254
7.3.5应用255
7.3.6结论256
参考文献258
7.4生物活性大分子NMR研究新进展260
7.4.113C/1５N标记的蛋白质中H键260
7.4.2蛋白质结构中13C和15N的化学位移261
7.4.3镧系示踪原子对蛋白质结构测定的应用262
7.4.4生物大分子中的亚甲基的弛豫优化263
7.4.5嘌呤和嘧啶碱基中的偶极耦合263
7.4.6细胞因子的NMR分析264
7.4.7魔角旋转固态NMR表征RNA中的氢键264
7.4.8NMR谱在啤酒成分鉴定中的应用265
7.4.9魔角旋转固体NMR(MAS ssNMR)技术的重要进展266
7.4.10固体NMR最新进展268
参考文献268

第8章核磁共振位移试剂和NMR成像及前景
8.1稀土化学位移试剂的理论269
参考文献271
8.2化学位移试剂的应用272
参考文献273
8.3稀土化学位移试剂与NMR成像274
参考文献276
8.4核磁共振成像及前景277
8.4.1核磁共振成像277
8.4.2核磁共振成像发展的广阔前景278

第9章若干NMR谱图

附录Ⅰ19F NMR谱和31P NMR及77Se NMR谱的相关化学位移数据表

附录Ⅱ相关NMR溶剂数据表

附录Ⅲ质谱要点

全书参考文献

后记

作者简介