波譜解析試題庫的建設

張建業(yè) 張超 李悅山 陶移文

波譜解析試題庫的建設

張建業(yè) 張超 李悅山 陶移文

波譜解析在化學、生物、醫(yī)藥、材料、食品、衛(wèi)生、環(huán)境等重要領域都有廣泛的應用。波譜解析課程包括紫外光譜、紅外光譜、核磁共振波譜以及質譜。波譜解析是藥學專業(yè)重要的基礎課程之一, 是學習天然藥物化學、藥物化學的基礎。編寫試題庫可有助于學生復習提高所學知識, 本文通過詳細例子闡述了波譜解析試題庫的建設。

波譜解析；教學目標；試題庫 ZHANG Jian-ye, ZHANG Chao, LI Yue-shan.et al. School of Pharmaceutical Sciences, Guangzhou Medical University, Guangzhou 510182, China.

藥學專業(yè)的波譜解析課程包括紫外光譜(UV)、紅外光譜(IR)、核磁共振波譜(NMR)以及質譜(MS)。這四種光譜是分析有機化合物結構的強有力工具, 特點是準確、快速、用量少。波譜解析在化學、生物、醫(yī)藥、材料、食品、衛(wèi)生、環(huán)境等重要領域都有廣泛的應用。波譜解析是藥學專業(yè)重要的基礎課程之一, 是學習天然藥物化學、藥物化學的基礎。這門課的教學目的是通過學習波譜學的基本概念、基礎理論、基本規(guī)律來掌握各類化合物的譜學特征；培養(yǎng)學生基本的圖譜解析能力, 為今后學習天然藥物化學、藥物化學打下良好基礎。

波譜解析的基礎理論抽象難懂、特征數據多而復雜、不同化合物的圖譜變化多端, 因此波譜解析是教與學都比較困難的一門課程。根據作者的教學經驗, 建設一套涵蓋基本概念、基礎理論、基本規(guī)律、綜合運用的試題庫(包括答案),有助于提高教學效果。本文將從四大光譜的教學內容來舉例說明波譜解析試題庫的建設。

1 紫外光譜(UV)

紫外吸收的紅移或藍移規(guī)律是紫外光譜中的重要內容,是教學目標中的掌握內容。為了更好的實現教學目標, 作者設計了如下試題。

試題：在堿性條件下, 苯酚的最大吸波長將發(fā)生何種變化？答案選項有：A.紅移；B.藍移；C.不變；D.不能確定。該題目考查的是一個基本規(guī)律：苯環(huán)上有助色團存在時, 助色團的變化對苯環(huán)的吸收帶的改變, 包括助色團的增強導致紅移(向長波方向移動)、助色團的減弱導致藍移(向短波方向移動)。解答：首先, 苯酚的羥基是助色團, 所以苯酚的最大吸收波長與苯相比, 發(fā)生了紅移。其次, 苯酚在堿性條件下將成鹽, 參與苯環(huán)共軛的電子對增加一對, 因此最大吸收波長發(fā)生紅移。所以, 本題的準確答案是A.紅移。

掌握了這個規(guī)律, 還可以舉一反三。苯胺與苯相比, 胺基是助色團, 所以苯胺的最大吸收波長與苯的相比, 發(fā)生了紅移。但是苯胺形成鹽后, 氮不再有孤電子對, 沒有孤電子對與苯環(huán)發(fā)生共軛, 意味著胺基的助色團效應消失, 因此苯胺鹽的最大吸收波長與苯相近［1］。

非常有意思的是, 這兩道題目還可以在教學實驗中實現,通過調整pH值來測定最大吸收波長, 這樣的實驗結果可以驗證助色團規(guī)律, 學生通過實驗也可更好地掌握相關內容。

2 紅外光譜(UV)

費米共振是紅外光譜中的重要概念與理論, 是教學目標的掌握內容。費米共振指的是：當倍頻或組合頻與某基頻相近時, 由于其相互作用而產生的吸收帶增強或吸收峰分裂。學生必須牢牢掌握這個概念并活學活用。為了更好的實現教學目標, 我們設計了一個試題：化合物苯甲酰氯只含有一個羰基, 卻在1773 cm-1、1736 cm-1分別出現了吸收峰, 這是為什么？答案選項有：A.誘導效應；B.共軛效應；C.費米共振；D.空間位阻。解答：C-Cl的伸縮振動頻率是875cm-1, 其倍頻剛好與羰基的伸縮振動的基頻發(fā)生費米共振, 所以苯甲酰氯在1773 cm-1、1736 cm-1分別出現了吸收峰。因此, 本題的正確答案是C.費米共振。類似的, 醛類化合物在2820 cm-1及2720 cm-1左右有兩個吸收峰, 這是νC-H和δC-H倍頻之間的費米共振所致［2］。

3 核磁共振波譜(NMR)

核磁共振波譜(NMR)的內容包括氫譜、碳譜, 所包含的內容多且抽象。需要掌握的內容包括：①NMR基本概念和原理。②化學位移, 包括其產生、表示、影響因素；偶合與裂分, 包括自旋-自旋偶合、核的等價性、偶合常數；分子內部的結構因素及實驗條件對譜圖的影響；低級譜和高級譜等［3］。掌握這項內容的最終目的是能夠解析簡單的氫譜與碳譜。為了更好的完成教學目標, 幫助學生掌握綜合解析的能力。作者設計了多個試題。

試題：異香草醛經溴化和甲基化兩步反應得到產物(圖1, Br的取代位置未定),1H NMR只有5個信號, 3.75(s, 3 H), 3.80(s, 3 H), 6.80(d, J=7.5 Hz, 1 H), 7.60(d, J=7.5 Hz, 1 H), 10.80(s, 1 H)。確定Br的取代位置。

解答：這道題考查了苯的衍生物的1H NMR特點。首先3.75(s, 3 H), 3.80(s, 3 H)可以判定分別是兩個甲氧基的甲基氫；其次, 10.80(s, 1 H)是醛基的活潑氫；6.80(d, J=7.5 Hz, 1 H), 7.60(d, J=7.5 Hz, 1 H)是苯環(huán)上氫, 從偶合常數上判斷這是兩個鄰位氫。所以該化合物結構式判斷為圖1B所示。

試題：某化合物C13H12O, 經IR測定含有羥基和苯基, 其13C-NMR信息為76.9 (24, d), 128.3 (99, d), 127.4 (57, d), 129.3 (87, d), 144.7 (12, s), 試推斷其結構。(括號內為峰的相對強度及重峰數)

解答：分子式：C13H12O, 推出不飽和度Ω=13+1-12/2=8,一個苯環(huán)的不飽和度Ω是4, 所以該化合物可能含2個苯環(huán)。碳上的連氫數量決定了碳信號的強度, 根據峰的相對強度及重峰數76.9(24, d), 128.3(99, d), 127.4(57, d), 129.3(87, d), 144.7(12, s), 推出76.9 (24, d)為一個CH；128.3 (99, d)為四個CH；127.4 (57, d)為兩個CH；129.3 (87, d)為四個CH；144.7(12, s)為C。推斷該化合物為：二苯基甲醇。

4 質譜(MS)

質譜在結構鑒定有非常重要的應用, 它可以配合NMR技術進行結構鑒定, 有經驗的研究人員還可以從質譜中挖掘出豐富的結構片段信息。該章節(jié)需要掌握的內容包括：①掌握質譜碎裂機制, MS中的離子類型。②離子的斷裂機理, 影響碎裂反應的因素。③常見化合物EI-MS的特征。通過掌握這些內容最終使得學生能夠解析簡單化合物的結構［4］。

為了更好的實現教學目標, 作者設計了如下試題：某化合物的分子式是C8H8O2, 質譜中檢測到的主要離子(不含同位素)有m/e 136(30), 105(100), 77(60), 51(45), 39(20)。請指定化合物的結構及各峰對應的碎片離子。

解答：根據分子式, 該化合物的不飽和度Ω是5, 提示可能含有一個苯環(huán), 另外還有一個雙鍵(碳碳雙鍵或者羰基)；77的離子片段是單取代苯的特征, 51, 39是在單取代苯的基礎上進一步裂解得到的片段；136是分子離子峰, 105是136脫去一個m/e 31的片段, 這是甲氧基的特征。判斷該化合物為苯甲酸甲酯。

［1］ 彭師奇.藥物的波譜解析.北京醫(yī)科大學&中國協(xié)和醫(yī)科大學聯合出版社, 1998.

［2］ 姚新生.有機化合物波譜分析.中國醫(yī)藥科技出版社, 2004.

［3］ 廣州醫(yī)學院教務處.藥學教學大綱, 2011.

［4］ 孔令義.波譜解析.北京:人民衛(wèi)生出版社, 2011.

Construction of spectral analysis item bank

Spectral analysis is the important course of pharmacy, including ultraviolet spectrum (UV), infrared spectrum (IR), nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR) and mass spectrum (MS).These four spectrums are powerful tools to analyze organic compounds with advantages of accuracy, rapidness and less sample needed.Spectral analysis is widely applied in areas of chemistry, biology, medicine, materials, food, health and environment.This article shows the construction of item bank for spectral analysis, which will help students master what they study in this course.

Spectral analysis; Teaching objectives; Item bank

510182 廣州醫(yī)科大學藥學院