藥學(xué)專業(yè)有機(jī)波譜分析教學(xué)改革方法的實(shí)踐

宋見喜，管 楠

(1.北華大學(xué) 分析測(cè)試中心,吉林 吉林 132013；2.北華大學(xué) 外國(guó)語(yǔ)學(xué)院，吉林 吉林 132013)

有機(jī)波譜分析課程是高等學(xué)校藥學(xué)專業(yè)重要的專業(yè)課程，講授的內(nèi)容主要包括紫外光譜(UV)、 紅外光譜(IR)、 核磁共振波譜(1H-NMR、13C-NMR)和 質(zhì)譜(MS)，及其在有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)解析中的應(yīng)用。近年來(lái)，波譜分析法克服了傳統(tǒng)化學(xué)分析方法中耗費(fèi)大量時(shí)間和勞力的缺點(diǎn)，具有微型化、簡(jiǎn)單、牢固和準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)。它已成為確定有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)的最常用方法[1-2]。但是，這門課程涉及的知識(shí)面廣、綜合性強(qiáng)，基礎(chǔ)理論知識(shí)抽象，而且還涉及大量的波譜數(shù)據(jù)[3-5]，對(duì)于我校藥學(xué)專業(yè)本科生來(lái)講在40課時(shí)內(nèi)完全掌握本課程內(nèi)容難度較大[6]。

為此，在近幾年的教學(xué)實(shí)踐中，筆者首先讓學(xué)生充分認(rèn)識(shí)到有機(jī)波譜分析課程的重要性，并對(duì)整個(gè)知識(shí)體系做全面介紹，注重教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化，不斷改進(jìn)教學(xué)方法，改善實(shí)踐教學(xué)，引入計(jì)算機(jī)輔助軟件，改變期末考試模式，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，從而產(chǎn)生較好的教學(xué)效果，也為同類學(xué)科教學(xué)改革提供參考。通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)，為學(xué)生將來(lái)撰寫畢業(yè)論文，進(jìn)一步學(xué)習(xí)或從事相關(guān)工作打下良好基礎(chǔ)。

一、激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

該門課程對(duì)學(xué)生學(xué)好本專業(yè)有重要意義，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在有機(jī)化學(xué)領(lǐng)域，無(wú)論研究哪種有機(jī)化合物，分析或合成過(guò)程中都會(huì)遇到結(jié)構(gòu)確定的問(wèn)題。如果不需要復(fù)雜的經(jīng)典化學(xué)方法，就可以獲得結(jié)構(gòu)信息，可以很好地滿足有機(jī)化學(xué)不斷發(fā)展的新要求。20世紀(jì)50年代之前，解析有機(jī)化合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)主要依靠經(jīng)典的化學(xué)分析方法。例如，嗎啡的分離純化及化學(xué)結(jié)構(gòu)的確認(rèn)。1806年，德國(guó)藥劑師澤爾蒂納首次從鴉片中分離得到含氮植物堿(即嗎啡)開始[7]；嗎啡的分子式C17H19O3N在1847年Laurent經(jīng)元素分析才確定下來(lái)；其化學(xué)結(jié)構(gòu)直到1925年才基本被確定[8]。從獲得嗎啡純品到全面確定嗎啡的化學(xué)結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了將近120年。因此，經(jīng)典化學(xué)分析方法實(shí)驗(yàn)操作繁瑣、周期長(zhǎng)、需要的樣品量大、有些化合物的精細(xì)結(jié)構(gòu)無(wú)法測(cè)定等缺點(diǎn)。20世紀(jì)50年代后，有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)主要依靠現(xiàn)代分析儀器，利用波譜技術(shù)對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行鑒定。20世紀(jì)20年代、40年代、50年代依次有了紫外光譜儀、紅外光譜儀、核磁共振波譜儀和質(zhì)譜儀器。例如，從蛇根草中提取出的利血平，其化學(xué)結(jié)構(gòu)比嗎啡更為復(fù)雜。自1952年獲得利血平的純品開始，通過(guò)當(dāng)時(shí)現(xiàn)有分析儀器檢測(cè)，1955年就確定了化學(xué)結(jié)構(gòu)，1956年完成了利血平的全合成[9]。另外，波譜分析法需要的樣品量極少，通常質(zhì)譜需要的樣品量是微克級(jí)、紅外是1 mg左右、核磁氫譜需要幾毫克樣品就能產(chǎn)生足夠信噪比的譜圖。因此，波譜分析具有快速、準(zhǔn)確、微量等優(yōu)點(diǎn)。

在波譜分析、尤其是核磁共振及質(zhì)譜技術(shù)發(fā)展進(jìn)程中，多位科學(xué)家獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。例如：德國(guó)科學(xué)家O.Stem施泰恩因用分子束測(cè)定質(zhì)子所釋放的核磁函數(shù)獲得1943年的諾貝爾物理獎(jiǎng)；美國(guó)科學(xué)家Rabi發(fā)現(xiàn)分子束磁共振獲得1944年的諾貝爾物理獎(jiǎng)；美國(guó)科學(xué)家Purcell和Bloch因發(fā)現(xiàn)宏觀物質(zhì)NMR現(xiàn)象獲得1952年的諾貝爾物理獎(jiǎng)；瑞士科學(xué)家Ernst因?qū)MR波譜學(xué)實(shí)現(xiàn)和發(fā)展傅里葉變換、多維技術(shù)的貢獻(xiàn)獲得1992年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)[10]；瑞士科學(xué)家Wüthrich用多維NMR在測(cè)定溶液中蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的三維構(gòu)象方面的開創(chuàng)性貢獻(xiàn)獲得2002年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的一半，另一半由美國(guó)科學(xué)家Fenn和日本科學(xué)家Tanaka發(fā)明生物大分子的質(zhì)譜分析法獲得[11]；美國(guó)科學(xué)家Lauterbur和英國(guó)科學(xué)家Mansfield在磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging,MRI)技術(shù)領(lǐng)域的突破性成就獲得2003年的諾貝爾生理和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)[12]。在學(xué)習(xí)了這部分內(nèi)容之后，學(xué)生將更多地了解有機(jī)波譜分析的重要作用，為培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神和科學(xué)素養(yǎng)、獲得強(qiáng)大的學(xué)習(xí)動(dòng)力和提高學(xué)習(xí)能動(dòng)性開啟一個(gè)好的開端。

二、優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

有機(jī)波譜分析課程的主要內(nèi)容是講授UV、IR、NMR和MS的基本原理、儀器組成、影響波譜吸收峰變化的因素以及如何識(shí)譜、解譜?；谖倚Ｋ帉W(xué)專業(yè)的學(xué)生只學(xué)習(xí)了基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)、大學(xué)物理這兩門相關(guān)課程，基礎(chǔ)知識(shí)比較薄弱，因此，我們所選的教材是人民衛(wèi)生出版社出版，孔令義等編著的《波譜解析》，并參考其他相關(guān)教材，對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行補(bǔ)充和整合。在緒論部分除了向?qū)W生講授這門課程的重要性和核心內(nèi)容外，也要讓學(xué)生從基礎(chǔ)上理解幾大波譜的相關(guān)性和差異性。(1)結(jié)合電磁波譜相關(guān)知識(shí)，UV、 IR、NMR分別利用的是電磁波譜中的紫外光、紅外光和射頻。這些特定范圍的電磁波與分子在一定條件下相互作用就會(huì)得到特定規(guī)律的譜圖(峰強(qiáng)、峰形和峰位)，利用這些規(guī)律確定分子的結(jié)構(gòu)和含量。而質(zhì)譜原理不同，不屬于波譜學(xué)的范疇。(2)不同頻率的電磁波對(duì)應(yīng)的光譜躍遷類型不同，如UV是分子吸收紫外光引起核外層電子(價(jià)電子或非鍵電子)的躍遷；IR是分子吸收紅外光后引起分子的振動(dòng)-轉(zhuǎn)動(dòng)躍遷；NMR是分子在磁場(chǎng)中吸收射頻引起原子核自旋能級(jí)的躍遷。(3)不同頻率的電磁波是從不同角度來(lái)探究化學(xué)結(jié)構(gòu)。UV研究的是分子的價(jià)電子躍遷，主要針對(duì)的是具有共軛體系的化合物；IR在鑒定化學(xué)官能團(tuán)方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)；NMR不但可以鑒定出化學(xué)官能團(tuán)的類型還可以鑒定出各官能團(tuán)之間的連接方式。而質(zhì)譜在檢測(cè)化合物分子量時(shí)是最有效的手段。

向?qū)W生講授完各類儀器的基本原理、儀器組成和影響波譜吸收峰變化的因素后，引入經(jīng)典譜圖實(shí)例進(jìn)行解析，鞏固所學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，提高課堂教學(xué)效果。首先，對(duì)課本上介紹的具有代表性的各類有機(jī)化合物的譜圖進(jìn)行解析，有利于學(xué)生掌握譜圖解析的基本方法。然后，在教學(xué)中引入與波譜分析相關(guān)的科研實(shí)例，特別是引入譜分析技術(shù)的新進(jìn)展、新方法和新應(yīng)用，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也增強(qiáng)了圖譜綜合解析應(yīng)用能力。例如，講授核磁共振波譜時(shí)，結(jié)合我校藥學(xué)院的科研工作，除了詳細(xì)介紹1H-NMR和13C-NMR等相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)外，還要介紹COSY、TOCSY、HSQC、HMBC等常用二維譜圖的功能。另外，藥學(xué)院有多位老師從事多糖的研究，而HSQC-TOCSY譜圖在歸屬多糖中單個(gè)糖殘基時(shí)有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，因此，該譜圖也是我校藥學(xué)院學(xué)生必須掌握的譜圖。同時(shí)，我們也鼓勵(lì)學(xué)生自己查閱相關(guān)文獻(xiàn)，擴(kuò)大波譜分析在有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)鑒定方面的應(yīng)用，拓展學(xué)生的知識(shí)面，從而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和探索精神。

三、改善教學(xué)方法

由于有機(jī)波譜分析課程及的知識(shí)面廣、綜合性強(qiáng)，基礎(chǔ)理論知識(shí)抽象，譜圖分析的難度大。因此，傳統(tǒng)的教師教、學(xué)生學(xué)的教學(xué)模式已經(jīng)不能滿足授課的需求，需要改善教學(xué)方法。學(xué)生在學(xué)習(xí)完四大譜的基本原理和圖譜解析之后，講解綜合譜圖解析時(shí)主要以分組討論的方式進(jìn)行，班級(jí)的全部同學(xué)分成若干小組，每個(gè)小組選擇一個(gè)綜合實(shí)例進(jìn)行解析，解析后選派一個(gè)代表到前面進(jìn)行展示。學(xué)生在前面講解時(shí)，教師給予及時(shí)的反饋，糾正講解中的錯(cuò)誤，給予一定的評(píng)價(jià)。討論的過(guò)程中，教師在各組間進(jìn)行巡視，解決同學(xué)們?cè)诮馕鲎V圖過(guò)程中遇到的問(wèn)題。這種“以學(xué)生為中心”的教學(xué)模式，增強(qiáng)了師生之間的互動(dòng)，有利于學(xué)生更深入地理解相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)，更快速地解析譜圖，從而培養(yǎng)了學(xué)生分析問(wèn)題與解決問(wèn)題的能力。

四、實(shí)踐教學(xué)

利用波譜分析確定有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)之所以快捷、方便、準(zhǔn)確，是因?yàn)椴ㄗV分析的譜圖來(lái)自于大型貴重儀器。例如，核磁共振波譜儀和質(zhì)譜儀，價(jià)格都非常昂貴、全校才各一臺(tái)，而且是專人管理操作，因此無(wú)法滿足人人親自操作的要求。另外，想了解儀器的結(jié)構(gòu)，觀察實(shí)物有時(shí)沒(méi)有結(jié)構(gòu)示意圖清晰。例如：核磁共振波譜儀中的超導(dǎo)磁體，實(shí)物只是一個(gè)“大罐子”，看不到內(nèi)部結(jié)構(gòu)?；诖?，我們通過(guò)播放儀器的實(shí)物結(jié)構(gòu)和操作方法，部分結(jié)構(gòu)再用示意圖進(jìn)一步解釋，使學(xué)生對(duì)這些儀器有直觀、感性的認(rèn)識(shí)。這樣有益于他們理解、掌握有關(guān)理論和原理。

五、運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助軟件

在譜圖解析時(shí)，可以借助一些化學(xué)軟件。因此，我們會(huì)向?qū)W生介紹Chemoffice[13]和Mest Re Nova[14]這兩種軟件模擬核磁譜圖的功能，它們都可以預(yù)測(cè)化合物1H NMR 和13C NMR 的化學(xué)位移，在沒(méi)有實(shí)際測(cè)試核磁譜圖的情況下，通過(guò)譜圖模擬便可以得到化合物的仿真譜圖信息。相對(duì)于通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算化學(xué)位移值來(lái)解析譜圖，借助于計(jì)算機(jī)輔助軟件更加快捷、方便。

六、調(diào)整考核模式

考試是教學(xué)過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，也是評(píng)價(jià)教學(xué)效果的手段。通過(guò)考試可以了解學(xué)生掌握課堂內(nèi)容的情況，根據(jù)學(xué)生考核的結(jié)果適當(dāng)調(diào)整教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法。

為了綜合反應(yīng)學(xué)生對(duì)知識(shí)的學(xué)習(xí)能力和解決實(shí)際問(wèn)題的能力，我們采用階段考試和綜合考試相結(jié)合的考試模式。階段性考試分四次進(jìn)行，在每一大譜內(nèi)容結(jié)束后采用閉卷考試形式考核學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的掌握程度。題型以名詞解釋、選擇、填空、判斷為主，以簡(jiǎn)單有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)推導(dǎo)為輔，主要考核波譜分析的基本概念和基礎(chǔ)理論，但要求內(nèi)容涵蓋面要廣。該部分占總成績(jī)的40%。綜合考試在期末以開卷考試形式進(jìn)行，要求學(xué)生在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，可以借助教材、筆記和參考書獨(dú)立完成答題，試卷內(nèi)容為四大譜的綜合譜圖解析題，考察學(xué)生對(duì)知識(shí)綜合應(yīng)用的能力。該部分占總成績(jī)的60%。

七、結(jié) 語(yǔ)

藥學(xué)專業(yè)有機(jī)波譜分析教學(xué)改革方法的實(shí)踐使學(xué)生明顯提高了對(duì)有機(jī)波譜分析這門課程的學(xué)習(xí)興趣和滿意度，增強(qiáng)了學(xué)生綜合解析譜圖的能力，從而取得了良好的教學(xué)效果。隨著社會(huì)的進(jìn)步和科技的發(fā)展，波譜分析新技術(shù)、新方法必將不斷地出現(xiàn)，這就要求我們?cè)诮虒W(xué)過(guò)程中不斷地優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、改善教學(xué)方法、豐富教學(xué)手段，才能更好地提高教學(xué)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)教學(xué)的最終目的。