核磁共振譜學：在有機化學中的應用(第四版)（簡體書）

前言
《核磁共振譜學——在有機化學中的應用(第三版)》2015年出版以後，先後收到一些學者特別是在讀研究生的來信請教一些問題；近兩年來包括一些高校老師也來信索要本書。本書應用性強，同時涉及一些新的理論問題，涵蓋了核磁共振譜學各個方面的內容，對氫譜、碳譜、二維譜、蛋白和核酸的NMR分析等問題作了深入的闡述。第四版在3.9節：手性分子的NMR中，補充了3.9.4節：一種新發現的手性分子NMR分析試劑，介紹了一種以金屬Al(Ⅲ)為中心的八面體手性配合物作為手性分子NMR分析試劑的方法。該Al(Ⅲ)配合物具有前所未有的廣泛的底物範圍，良好的溶劑相容性和操作簡便性等。作者剖析了這種新試劑在應用中的理論問題。第四版還新增加了2.5節：含氮化合物的質子化1H NMR滴定；並增加了6.14 節：四維NMR簡介；補充了固體NMR最新進展的簡介；第四版在附錄補充了19F NMR和31P NMR以及77Se NMR的相關化學位移數據。在1H NMR中，對氫譜涉及的自旋-自旋耦合裂分以及譜峰的解析(如ddd裂分等)作了詳盡的論述和分析，對核間奧氏效應(NOE)，分子立體結構和手性分子的NMR等作了詳細說明。對13C NMR譜的去耦技術和在非去耦條件下的13C-1H耦合、13C-13C耦合以及各種角度的DEPT譜等都作了概述。本書用一章的篇幅對2D NMR作了專門的論述，直接在譜圖上對譜峰作了歸屬，並對解譜方法作了說明，對二維譜HMBC的表征方法特別作了論述。本書還對蛋白、核酸生物大分子的核磁共振研究進展，如對復雜的魔角旋轉固體NMR(MAS ssNMR)技術作了詳細介紹。第四版深入論述了核磁共振成像及前景，核磁共振成像在檢測人的大腦活動信號以及掌握人的思維活動方面具有極其廣闊的應用前景。
作者在2006~2012學年度，以特聘教授身份在中國科學院研究生院(現中國科學院大學)講授本書內容。本書在多次再版過程中不斷得到提高與完善，無不得益於長期授課以及研究生課外提出的各種學術提問引起的思考。
國內曾出版過一些譜學書，但這些書多是核磁、質譜、紅外、紫外四大譜的綜合書。國外有一些核磁共振方面的專著，但理論占的篇幅太多，也鮮有在書中直接標注出譜峰歸屬的。在四大譜中，NMR是唯一能夠幫助我們“看清楚”肉眼看不見的微小有機分子精細結構的“神器”。本書理論緊密結合實踐，特別是本書直接在譜圖上標注出大量譜峰歸屬，極大地方便了讀者的學習和掌握。
在學術理論方面，NMR的研究已經有三次獲得過諾貝爾物理學獎和諾貝爾化學獎。現在固體魔角旋轉NMR突飛猛進，特別是NMR的研究已經深入到腦科學和研究人的思維活動的高級階段，第四版為此增加了第8章。在應用方面，核磁共振譜儀在涉及化學研究的研究所和各大學都有；利用核磁共振成像儀診斷疾病，現在已經普及到了各縣級醫院。
作者在1987年從事有機化學研究工作起就非常喜愛NMR，2000年回國入選中國科學院“百人計劃”以後，先後發表了近百篇高質量的合成方面的論文。近幾年來在有機化學的核心刊物Org.lett.和德國高等合成與催化(Adv.Synth.Catal.)上發表研究論文多篇。NMR對我們研究團隊的工作起到了關鍵作用。本書更為廣大有機化學學者提供了諸多幫助，許多老師告知他們的學生出國時都帶著本書。回想多年來花費業餘時間在研究生院講授核磁共振課的情景，我依然樂在其中，為能為國為民盡微薄之力感到開心。
雖然在本版修訂過程中做了許多努力，但失誤在所難免，敬請廣大讀者指正為盼。

於北京中關村
2020-12-18





第一版前言
有機化學是生物化學和藥物化學等學科的基礎。有機合成化學作為有機化學的核心，近年來發展很快。人們合成了各種藥品、天然產物、香料、染料、添加劑、功能材料等豐富多彩的有機化合物，各種新物質不斷被合成出來。有機合成化學家對合成策略的設計，對各步反應的理解和對機理的研究，藝術性地在原老的自然界周圍編織著一個新的自然界。
支持有機合成化學家最有效的工具是什麼？應該是核磁共振儀。核磁共振儀能夠幫助我們“看清楚”肉眼看不見的微小的有機分子的精細結構。核磁共振(NMR)在有機化合物結構鑒定中起著極其重要的作用。當然，質譜、紅外光譜、紫外光譜等對化合物的表征也並非不重要，但最終能說明精細結構問題的譜圖還是NMR譜。作者在自己的專著《有機反應——多氮化物的反應及若幹理論問題》中，多處用到NMR的結果，特別在第5.4節，專門論述了NMR譜與分子結構的問題。
有些學習有機化學的學生要聯系赴美國深造，詢問除了學校的知名度以外，怎麼知道哪個大學的研究設施好呢？NMR儀器的分辨率是衡量其研究設施的重要參考之一，現在美國有的大學已經有900 MHz 的核磁共振儀。
核磁共振儀是一種進行有機化合物鑒定的有效工具，同時也是人們研究有機化學、探索反應機理、揭示生命奧妙和進行醫學研究的有力工具。科學發展到今天這個時代，有志從事有機化學和相關學科研究的人應該精通核磁共振譜。
作者在多年的有機合成研究中，深切地體會到掌握核磁共振譜學和技術對工作的重要性。在美國的實驗室，一個月下來自己做出的核磁共振譜圖就有厚厚一摞。有的時候為了很快知道某種新方法是否有結果，對反應後較難純制的體系也做一個氫譜，看看有沒有信號，因此NMR譜簡直就成了“眼睛”。在國際投稿中，對有機合成方面的稿件，審稿人對Supporting information 部分的NMR譜圖都要仔細審閱。
普通的共振是指自然界一個普遍存在的現象，而在核磁共振譜學中，共振的意義則復雜得多。這裡有外加磁場與核外電子產生的磁場之間的極有規律和極有價值的作用和變化。原子核固有的磁性，特別是在外加磁場的作用下，核外電子感生出來的磁作用，會產生復雜、精細而有規律的變化。核外電子云密度不同，感生出來的磁場大小不同，與外加磁場作用後會產生出不同的信號。譜學家關注的是核外電子感生出的磁場的大小；而化學家則特別關注核外電子的狀況。如與一個手性中心相鄰的α-碳原子（甚至β-碳原子）上的兩個質子磁不等價，它們的化學位移不同，這是由於兩個看似相同的氫原子，它們在空間上的立體環境受到鄰近不對稱微環境的影響，這兩個質子上的電子云密度不再相同，不同的電子云密度感生出的磁場有大有小，對外加磁場產生不同的作用，最終表現在譜圖上就產生不同的化學位移。即使是外消旋體系，也存在這個現象。氫譜如此，碳譜亦然。
對核磁共振理論的深入研究，是真正掌握核磁共振譜學的根本途徑，這需要涉及大量的數理知識。考慮到不同讀者的需要，特別是大量使用核磁共振譜的同仁是從應用出發的，所以本書突出了理論的應用性，盡可能在解譜上對大家有較多的幫助。
全書共8章。第1章緒論是全書的一個引子。
第2章介紹化學位移，是NMR的基礎部分。
第3章論述了自旋-自旋耦合，是1H NMR的核心內容。
就核磁共振譜來說，1H NMR較為復雜，特別是1H NMR涉及的自旋-自旋耦合，能給出許多結構信息，這些信息可以從耦合常數J中得到。核間奧氏效應(NOE)是指兩個質子在空間接近時，對一個質子做飽和照射，另一個質子的信號也會變化。NOESY譜是質子NOE信號二維譜，能揭示質子在空間接近時的關係，幫助把分子中的空間結構建立起來，是研究分子構型和構象的有效手段，在天然產物和復雜分子的結構確定中引起了廣泛關注，本書在第4章對此作了概述。
第5章對13C NMR譜的去耦技術和在非去耦條件下的13C-1H耦合、13C-13C耦合等問題作了說明，並給出了許多13C NMR譜的化學位移（δ）值，相信對解譜會有幫助。
二維NMR(2D NMR)近年來進展很快，在解析復雜化合物的分子結構中，以其直觀、明快、可靠等特點取得了很大成功，本書在第6章作了專門介紹。
21世紀是生命科學蓬勃發展的世紀，有機化學也提出了生命有機化學和綠色化學的理念。蛋白質、核酸和其他生物大分子都是人們認識生命運動的基本物質，核磁共振為人們對這些生物活性分子的研究提供了有力的工具和手段，本書第7章對蛋白質和核酸的NMR分析作了簡要的介紹。目前，NMR已經在醫學方面得到了重要應用，有興趣的讀者可以參閱這方面的專著。
為了幫助讀者更好地理解NMR譜，本書第8章列出了大量譜圖供大家參考。這些譜圖中一部分是作者及其領導的研究組成員做出的相關化合物的NMR譜圖，另一部分選自Aldrich圖集和相關文獻。為了面向不同的讀者，選圖的範圍盡可能廣泛並注意難易結合。
NMR譜學是一門科學，同時也是廣大科研人員的工具。本書旨在從學術理論出發，著重NMR譜學的應用性。希望本書的出版能對我國的NMR研究和應用有所幫助。
本書的撰寫花費了作者兩年多的時間和大量心血，吸收了作者在國外積累的大量資料，引用了許多較新的文獻，希望對合成化學工作者有所幫助，同時希望能為化學專業的廣大學生提供一本教科書或工具書。在此感謝國家自然科學基金20472090和10576034對我們有機合成研究工作的支持，感謝我的博士生們對我的幫助。
由於作者水平有限，時間不多，書中難免有誤，敬請廣大讀者指正為盼！

2006年2月28日
於北京中關村新科祥園






第二版前言
承蒙讀者厚愛，本書得以再版。《核磁共振譜學——在有機化學中的應用》第一版印數較多，仍在幾年內基本售罄，說明NMR作為一門科學非常吸引人；作為一種“工具”，在有機化合物結構鑒定和諸多結構信息研究方面有著非常重要的作用。
目前NMR的研究發展很快，從學術研究層面來講，自1952年美國科學家F.布洛赫和E.M.珀塞爾由於物質核磁共振現象的研究獲得諾貝爾物理學獎以後，1991年瑞士科學家R.R.恩斯特由於發明了傅裡葉變換核磁共振分光法和二維核磁共振技術(高分辨NMR)而榮獲諾貝爾化學獎；2002年瑞士科學家K.維特裡希由於發展用核磁共振譜測定溶液中生物大分子的三維結構而榮獲諾貝爾化學獎。這些成就代表了NMR科學研究的重要裡程碑。NMR的研究已經從化學跨越到生命科學領域，本書在第七章作了一些簡要介紹。從應用方面來說，NMR已經從剖析有機化合物的分子結構深入到目前的蛋白質科學和腦科學的研究，超導核磁共振儀在各大醫院已經非常普遍，使用核磁共振成像技術進行醫療診斷已經為大家所熟悉。NMR的學術研究成果經常在國際核心化學刊物上發表出來，儀器的分辨率不斷提高。現在，國內許多研究型大學基本上都有了分辨率較高的NMR儀。特別值得介紹的是中國科學院武漢物理與數學研究所從20世紀60年代就在NMR的基礎理論和應用方面開展了深入的研究工作，目前還開展了NMR波譜儀的研制工作，生物核磁共振分析和固體核磁共振方法等研究方向具有很好的學術和應用前景。
關於氫譜的積分，由於涉及理論問題很少，初學者也很容易掌握，本書沒有特別論述。
筆者在本書第一版出版後，連續多年來給研究生講授本書中的主要內容，受到了意想不到的歡迎。在講授過程中，筆者也發現了一些問題：如第一版中二維譜的介紹較為簡略；手性分子與NMR光譜的介紹太少；對NMR的前沿研究工作的進展介紹得較少等。筆者在工作之餘，把發表在國際核心科技期刊和其他方面的一些新進展積累起來，在第一版的基礎上作了補充和修改。在第一版編寫完成之後，筆者在初版的後記中曾說：“希望為從事有機化學的同仁和學生、學者們敬獻一本內容較新的工具書。”但由於筆者水平有限，書中難免有誤，敬請廣大讀者指正為盼！

2009年11月




第三版前言
這是一本關於核磁共振的專門著作，重點突出了NMR在解析有機化合物分子結構方面的問題。該書第一版2006年6月在化學工業出版社出版後受到歡迎，編著者從2006學年度起到2012學年度連續為中國科學院研究生院(現在的中國科學院大學)兼職講授這門課程，課程是有機化合物的結構解析，編著者從1987年就開始從事有機合成的專門研究工作，近些年來也一直在從事復雜化合物的合成研究，對解譜比較熟悉，上課學生最多時達180人。
由於學科發展較快，編著者在授課中也積累了一些東西，連續多年來學生們所提出的科學問題使編著者得益甚多。2010年該書又出了補充後的第二版。許多老師告訴我：他們的學生出國時都要帶上這本“核磁”書。
近幾年來，國內也出版了一些譜學著作，但這些書多是核磁、質譜、紅外、紫外四大譜的綜合書。目前，國外有一些核磁共振的專著，國內除本書外還沒有其他關於核磁共振方面專門的理論與應用緊密結合的著作。
核磁場共振儀是唯一能夠幫助我們“看清楚”肉眼看不見的微小有機分子的精細結構的儀器。核磁場共振在有機化合物結構鑒定中起著極其重要的作用。NMR是一門充滿趣味和哲理的科學，其理論深邃，具有很強的吸引力;核磁共振的內容博大精深，涉及面廣，實用性極強，與有機合成化學和生命科學以及有機新材料等學科的關係極為密切。這本書把科學理論和有機化合物解譜結合在一起，因而受到歡迎。
從學術方面講，NMR的研究獲得過多次最高成就，如美國科學家F.布洛赫和E.M.珀塞爾因發現物質的核磁共振現象而獲得1952年諾貝爾物理學獎，瑞士科學家R.R.恩斯特因為發明傅裡葉變換核磁共振和二維核磁譜技術而獲1991年諾貝爾化學獎；瑞士科學家K.維特裡希因發展用核磁共振譜測定溶液中生物大分子的三維結構而獲2002年諾貝爾化學獎。目前，在化學頂級刊物上不斷會閱讀到核磁共振研究的新成果。從應用方面講，NMR是從事有機化學、藥物化學、植物化學、生物化學、石油化學、化學工業、材料化學、化學生物學、生命科學等方面的科研人員必須掌握的一種重要的工具。NMR的研究已經深入到蛋白質科學和腦科學的層面，應用核磁共振成像技術(MRI)進行醫療診斷在各大醫院已經非常普遍。
在連續多年給研究生講授本書中的主要內容的授課實踐中，學生們提出的各種各樣的學術問題，確實為本書第三版增加新內容給予了很多的啟示，許多散見於第三版各部分的新補充內容多數是編著者解答問題的心得。在講授過程中，作者也發現了需要系統地補充一些章節。第三版在第5章補充了5.3.5節DEPT譜；第6章是專門論述二維核磁譜的，第三版補充了許多新內容，在原第二版第6章的最後，系統地補充了兩節新內容，6.12節關於二維譜HMBC表征的報道方法；6.13節三維NMR譜的發展和展望。在原第二版第7章最後，也補充了7.4.9節魔角旋轉固體NMR(MAS ssNMR)技術的最新重要進展。結合編著者研究組的工作，第三版對旋轉異構體的核磁共振研究和仲氫誘導極化理論作了系統的闡述，在第4章補充了4.8節：一些特殊的NMR研究新進展。第3章也補充了一節(3.9.3節)：化學位移差值圖，並對第二版的緒論部分補充了新內容，對緒論部分的1.4節作了重大調整和補充。
雖然該書在第二版出版四年以後補充增加新內容並刪去一些不必要的部分，整理出版新的第三版確是一項艱辛的工程。編著者是中科院“百人計劃”研究員，近年來在Nature:Scientific Reports;Adv.Synth.Catal.;J.Org.Chem.;Org.lett.;Coordin.Chem.Rev.;Nature等刊物也發表了一些研究論文。長期的兼職授課，也使我付出了很多，但同時也樂在其中，授課後總有一種非常愉快的感覺。記得2011年的一天，編著者授課後站在高高的教學樓上，望著窗外連綿起伏的玉泉山，忽記起了範仲淹《岳陽樓記》中的名句：登斯樓也，則有心曠神怡，寵辱皆忘，把酒臨風，其喜洋洋者矣！
雖然在第三版出版過程中編著者做了許多努力，書中仍難免有失誤之處，敬請讀者指正為盼。

於北京中關村新科祥園
2014.8.18

第1章緒論
1.1概述1
1.2基本原理1
1.3基本概念3
1.3.1角動量和核磁矩3
1.3.2核磁共振(NMR)譜5
1.4其他小問題和相關論著簡介7
1.4.1混合物的NMR測試7
1.4.2積分面積與分解反應7
1.4.3精細裂分9
1.4.41H-13C COSY10
1.4.5毛細管探頭10
1.4.6信號發射和自由感應衰減(FID)11
1.4.715N NMR12
1.4.8相關文獻與有關專著簡介12
1.4.9幾種核的性質14

第2章化學位移
2.1概述15
2.2屏蔽效應探討18
2.2.1化學位移的計算19
2.2.2示例20
2.2.3化學位移的產生23
2.3影響屏蔽效應的一些因素24
2.3.1局部抗磁(屏蔽)效應24
2.3.2局部順磁(去屏蔽)效應25
2.3.3鄰位基團26
2.3.4影響化學位移的其他因素29
2.4對化學位移的進一步探討30
2.4.1質子電荷密度對化學位移的影響30
2.4.2對鄰碳原子的電荷密度的影響31
2.4.3相鄰原子和化學鍵的誘導磁矩對化學位移的影響35
2.4.4環共軛π電子體系38
2.4.5環丙烷環上的磁異性39
2.4.6極性基團的電場效應和範德華效應40
2.4.7氫鍵對化學位移的影響41
2.5含氮化合物的質子化1H NMR滴定42
2.6相關有機金屬化合物的化學位移44
2.7經驗取代基常數45
2.8一些重要有機化合物中質子的化學位移47

第3章自旋-自旋耦合
3.1概述57
3.2多重峰的一般規律63
3.3比率J/（ν0δ）的意義65
3.4自旋-自旋耦合和分子結構的關係68
3.4.1耦合常數的大小與分子幾何構型的關係68
3.4.2耦合常數和分子化學結構的關係69
3.5自旋系統的分類78
3.5.1模式78
3.5.2與一個自旋量子數I=1/2的原子核耦合（AX系統）78
3.5.3AX2、AX3、AXn系統79
3.5.4AMX系統80
3.5.5AB、AB２系統81
3.5.6ABX系統81
3.5.7ABC系統83
3.5.8幾個四旋系統和其他系統84
3.61Ｈ與I=1/2和I>1/2的原子核耦合85
3.6.11Ｈ與I=1/2的原子核耦合85
3.6.21Ｈ與I>1/2的原子核耦合88
3.7等價原子核90
3.8強耦合作用91
3.9手性分子的NMR92
3.9.1手性效應92
3.9.2用NMR測定對映體過量(ee %值)的三種方法101
3.9.3化學位移差值圖104
3.9.4一種新發現的手性分子NMR分析試劑105
3.10遠程耦合107
3.10.1概述107
3.10.2遠程耦合理論107
3.10.3位移試劑112
3.11與雜原子相連的質子的NMR和溶劑效應112
3.12化學交換115
3.12.1對稱的構象變換115
3.12.2不對稱的構象變換118
3.13有機化合物的自旋-自旋耦合常數表119

第4章復雜耦合現象和NOE效應
4.1磁等價126
4.1.1概述126
4.1.2磁等價性理論127
4.2復雜譜132
4.3自旋晶格弛豫134
4.3.1自旋晶格弛豫134
4.3.2自旋晶格弛豫的來源135
4.3.3諸種弛豫問題135
4.4NOE效應(核間奧氏效應或核極化效應)136
4.5四極弛豫139
4.6NOE效應及其應用141
4.6.1季碳原子141
4.6.2CH和CH2中的碳141
4.6.3NOE值對結構的確定142
4.6.4NOE效應對蛋白質結構的確定143
4.6.5分子動態結構研究144
4.7核磁共振研究中的一些新進展和相關未知物結構解析146
4.7.1核磁共振研究中的一些新進展146
4.7.2相關未知物結構解析155
4.8一些特殊的NMR研究新進展159
4.8.1仲氫誘導極化159
4.8.2旋轉異構體的核磁共振研究162
4.8.3應用NMR譜來檢測有機反應過程166

第5章13C NMR譜
5.1概述168
5.2幾種去耦方法170
5.2.1質子寬帶去耦170
5.2.2偏共振去耦170
5.2.3選擇性質子去耦171
5.2.4門控去耦171
5.2.5反轉門控去耦172
5.3其他問題172
5.3.1氘代的影響172
5.3.2化學位移等價173
5.3.313C-1H耦合常數值174
5.3.413C-13C耦合常數值176
5.3.5DEPT譜176
5.413C NMR譜的化學位移177

第6章二維譜
6.1概述183
6.2相關波譜分析法185
6.31H-1H COSY譜186
6.4雙量子過濾的1H-1H COSY譜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異核化學位移相關譜（HETCOR譜）192
6.6質子檢出的HETCOR異核多量子相幹譜（HMQC譜）196
6.7質子檢測的遠程1H-13C異核相關譜(HMBC譜)197
6.81H-1H NOESY相關譜201
6.913C-13C相關譜(非常規天然豐度雙量子轉移實驗，INADEQUATE實驗）202
6.10全相關譜205
6.11梯場NMR208
6.12關於二維譜HMBC表征的報道方法209
6.13三維NMR譜的發展和展望211
6.14四維NMR簡介211

第7章生物大分子NMR簡介
7.1蛋白質的NMR分析簡介212
7.1.1概述212
7.1.2溶解條件的優化212
7.1.3標記與表達214
7.1.4相關實驗215
7.1.5蛋白質相互作用的NMR分析221
參考文獻225
7.2核酸的NMR分析簡介227
7.2.1概述227
7.2.2樣品的制備228
7.2.3用於多核NMR標記的核酸的制備229
7.2.4分析策略——新的靈敏度優化229
7.2.5氫鍵的NMR檢出234
7.2.6J耦合的測定236
7.2.7殘餘偶極耦合——用於闡明結構236
7.2.8對核酸弛豫作用的研究239
7.2.9NMR在活細胞中的應用242
7.2.10結論243
參考文獻243
7.3通過氫鍵的標量耦合246
7.3.1概述246
7.3.2生物大分子中的氫鍵標量耦合248
7.3.3與化學位移的關係253
7.3.4幾何形態的影響254
7.3.5應用255
7.3.6結論256
參考文獻258
7.4生物活性大分子NMR研究新進展260
7.4.113C/1５N標記的蛋白質中H鍵260
7.4.2蛋白質結構中13C和15N的化學位移261
7.4.3鑭系示蹤原子對蛋白質結構測定的應用262
7.4.4生物大分子中的亞甲基的弛豫優化263
7.4.5嘌呤和嘧啶堿基中的偶極耦合263
7.4.6細胞因子的NMR分析264
7.4.7魔角旋轉固態NMR表征RNA中的氫鍵264
7.4.8NMR譜在啤酒成分鑒定中的應用265
7.4.9魔角旋轉固體NMR(MAS ssNMR)技術的重要進展266
7.4.10固體NMR最新進展268
參考文獻268

第8章核磁共振位移試劑和NMR成像及前景
8.1稀土化學位移試劑的理論269
參考文獻271
8.2化學位移試劑的應用272
參考文獻273
8.3稀土化學位移試劑與NMR成像274
參考文獻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核磁共振成像發展的廣闊前景278

第9章若幹NMR譜圖

附錄Ⅰ19F NMR譜和31P NMR及77Se NMR譜的相關化學位移數據表

附錄Ⅱ相關NMR溶劑數據表

附錄Ⅲ質譜要點

全書參考文獻

後記

作者簡介