核磁一維和二維譜用于化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探討

高 芳，潘德杰，詹 浩，方紅明，羅志文

(武漢科技大學(xué) 煤轉(zhuǎn)化與新型炭材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430081)

研究性實(shí)驗(yàn)是化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中重要的內(nèi)容，它主要培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力。大多數(shù)高校都配有紅外光譜分析儀、元素分析儀和核磁共振波譜儀等大型儀器，但把這些設(shè)備應(yīng)用于本科教學(xué)的很少。核磁共振波譜儀是有機(jī)結(jié)構(gòu)分析的重要手段，將其應(yīng)用于本科化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有一定的指導(dǎo)意義[1]。

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，以喜樹(shù)堿為例，通過(guò)核磁振波譜儀完成對(duì)其一維和二維圖譜的測(cè)試及分析[2]。整個(gè)實(shí)驗(yàn)包括樣品的制備、實(shí)驗(yàn)測(cè)試和數(shù)據(jù)分析。教學(xué)實(shí)驗(yàn)課前一周，運(yùn)用多媒體教學(xué)，給學(xué)生講解核磁儀器的原理及制樣過(guò)程，并把學(xué)生分為3人一組，讓學(xué)生分組完成研究性實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，學(xué)生利用課余時(shí)間查閱資料，有助于提升學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力。 實(shí)驗(yàn)開(kāi)課時(shí)，老師現(xiàn)場(chǎng)講解NMR儀器的操作流程，引導(dǎo)學(xué)生完成自主配樣、測(cè)樣和分析的整個(gè)過(guò)程。鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手能力，讓學(xué)生把所學(xué)理論知識(shí)運(yùn)用到實(shí)踐中[3-4]。

1 研究性實(shí)驗(yàn)開(kāi)設(shè)實(shí)例

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑和儀器

實(shí)驗(yàn)中待測(cè)樣品喜樹(shù)堿由西安天豐生物科技有限公司制備并提供，為黃色粉末。氘代試劑DMSO-d6(氘代率為99.8%)，購(gòu)買于上海弗霓生物科技有限公司。

NMR實(shí)驗(yàn)在Agilent 600 M DD2超導(dǎo)儀(美國(guó)Agilent)上測(cè)定，配備型號(hào)為5 mm One Probe探頭。

1.2 實(shí)驗(yàn)條件

學(xué)生通過(guò)老師的講解及課前所掌握的知識(shí)，完成喜樹(shù)堿試樣溶液的制備過(guò)程：取10 mg喜樹(shù)堿，溶于0.6 mL氘代二甲基亞砜中，轉(zhuǎn)移至5 mm核磁管待測(cè)。 通過(guò)樣品的制備，學(xué)生學(xué)會(huì)了常規(guī)核磁樣品的配樣方法及氘代試劑的選擇標(biāo)準(zhǔn)。

所有1D和2D NMR實(shí)驗(yàn)均在Agilent 600 M NMR譜儀上完成。通過(guò)核磁光譜測(cè)試得到樣品的一維1 H、13 C、DEPT和二維HSQC、HMBC圖譜。整個(gè)NMR測(cè)試步驟包括進(jìn)樣、調(diào)諧、鎖場(chǎng)、勻場(chǎng)、采樣、數(shù)據(jù)處理和圖譜打印。

1.3 譜圖解析

圖1 喜樹(shù)堿的1H NMR譜圖Fig.1 1H NMR spectra of camptothecine

圖1～圖4為學(xué)生的測(cè)試結(jié)果，老師引導(dǎo)學(xué)生對(duì)喜樹(shù)堿的氫和碳的化學(xué)位移進(jìn)行歸屬，學(xué)生得出如下分析：在 H NMR譜中，高場(chǎng)區(qū)δH0.86(3H，t)和δH1.83(2H，m)分別被歸屬于H-1和H-2。H-16連氮的亞甲基氫為δH5.26(2H，s)，H-19連氧的亞甲基氫歸屬于δH5.40(2H，s)。在芳香區(qū)，化學(xué)位移δH8.66(1H，s)為H-14，H-5在化學(xué)位移為δH7.32(1H，s)處出峰。同時(shí)，在耦合裂分的影響下，H-9和H-12在化學(xué)位移δH8.09(1H，d)或δH8.13(1H，d)處呈現(xiàn)雙峰，H-10和H-11在δH7.68(1H，t)或δH7.84(1H，t)處出現(xiàn)三重峰，由于9位和10位氫受到氮的去屏蔽作用向低場(chǎng)移動(dòng)，可將δH7.84歸屬于H-10，δH8.13歸屬于H-9，則偏向高場(chǎng)的δH7.68為H-11，δH8.09為H-12。

喜樹(shù)堿的13 C的化學(xué)位移歸屬僅通過(guò)一維核磁碳譜無(wú)法確認(rèn)，要通過(guò)二維HSQC和HMBC圖譜辨認(rèn)。學(xué)生結(jié)合HSQC中氫碳的直接相關(guān)和HMBC中氫碳的間接相關(guān)，可做如下歸屬：δC8.21與H-1直接相關(guān)，與H -2遠(yuǎn)程相關(guān)，被歸屬為C-1；δC30.74與H-2直接相關(guān)，與H-1、H-19、和-OH 遠(yuǎn)程相關(guān)，被歸屬為C-2；δC50.67與H-16直接相關(guān)，與H-14和H-19遠(yuǎn)程相關(guān)，被歸屬為C-16；δC65.69與H-19直接相關(guān)，被歸屬為C-19；δC97.13與H-5直接相關(guān)，與H-19遠(yuǎn)程相關(guān)，被歸屬為C-5；δC128.08與H-11直接相關(guān)，與H-10和H-12遠(yuǎn)程相關(guān)，被歸屬為C-11；δC128.93與H-12直接相關(guān)，與H-10、H-11和H-14遠(yuǎn)程相關(guān)，被歸屬為C-12；δC129.46與H-9直接相關(guān)，與H-10遠(yuǎn)程相關(guān)，被歸屬為C-9；δC130.81與H-10直接相關(guān)，與H-9遠(yuǎn)程相關(guān)，被歸屬為C-10；δC131.98與H-14直接相關(guān)，與H-9和H-16遠(yuǎn)程相關(guān)，被歸屬為C-14；δC72.81與H-1、H-2、H-5和H-19遠(yuǎn)程相關(guān)，被歸屬為C-3；δC119.49與H-5和H-19遠(yuǎn)程相關(guān)，被歸屬為C-18；δC128.38與H-9、H-10和H-12遠(yuǎn)程相關(guān)，被歸屬為C-13；δC130.26與H-16遠(yuǎn)程相關(guān)，被歸屬為C-15；δC145.91與H-5、H-16和H-19遠(yuǎn)程相關(guān)，被歸屬為C-6；δC148.36與H-9、H-11和H-14遠(yuǎn)程相關(guān)，被歸屬為C-8；δC150.41與H-2、H-19和-OH遠(yuǎn)程相關(guān)，被歸屬為C-4；δC152.98與H-5、H-14和H-16遠(yuǎn)程相關(guān)，被歸屬為C-7；δC157.25與H-19遠(yuǎn)程相關(guān)，被歸屬為C-17；δC172.88與H-2、H-19和-OH遠(yuǎn)程相關(guān)，被歸屬為C-20。

圖2 喜樹(shù)堿13 C譜Fig.2 13C spectra of camptothecine

圖3 喜樹(shù)堿1H- 13C HSQC譜Fig.3 1H- 13C HSQC spectra of camptothecine

圖4 喜樹(shù)堿的1H- 13C HMBC譜圖Fig.4 1H- 13C HMBC spectra of camptothecine

2 教學(xué)效果討論

核磁在化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施以來(lái)，取得了較好的教學(xué)效果，主要體現(xiàn)在：(1)本科生掌握了一維及二維核磁的常規(guī)測(cè)試方法，彌補(bǔ)了本科生對(duì)大型儀器操作訓(xùn)練的不足，加深了對(duì)大型儀器設(shè)備的認(rèn)識(shí)[5]，初步做到了把波譜理論應(yīng)用到有機(jī)實(shí)驗(yàn)中；(2)學(xué)生通過(guò)對(duì)測(cè)出的一維和二維譜圖用Mestrenova譜圖處理和ChemDraw進(jìn)行譜圖模擬，提高了學(xué)生處理數(shù)據(jù)與譜圖分析的能力，訓(xùn)練了學(xué)生的綜合能力，培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，對(duì)學(xué)生以后從事科研工作具有很大的積極意義。

3 結(jié)語(yǔ)

將核磁共振波譜分析儀引入本科化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，使學(xué)生充分了解了核磁波譜分析儀的原理及測(cè)試操作方法，鍛煉了學(xué)生分析核磁一維和二維譜的能力，同時(shí)，學(xué)生也學(xué)會(huì)了利用各種軟件處理數(shù)據(jù)，在實(shí)踐教學(xué)中培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力和動(dòng)手能力。只有不斷完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)施建設(shè)和加大教學(xué)力量的投入，才能培養(yǎng)出更多高素質(zhì)、高能力的人才。