應(yīng)用化學(xué)專業(yè)波譜分析課程教學(xué)改革與探索*

劉玉婷，尹大偉，何珍紅

(陜西科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，陜西省輕化工助劑重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710021)

有機(jī)波譜分析是有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)鑒定和確證的重要手段，已成為結(jié)構(gòu)分析中的重要方法，廣泛應(yīng)用于化學(xué)、化工、材料、冶金、環(huán)境監(jiān)測(cè)、制藥、食品和商檢等領(lǐng)域[1-2]。波譜分析課程已成為國(guó)內(nèi)眾多大學(xué)化學(xué)、化工、材料、藥學(xué)和食品等專業(yè)的一門(mén)專業(yè)基礎(chǔ)課，同時(shí)，也是應(yīng)用化學(xué)專業(yè)的專業(yè)學(xué)位課程[3]。本課程的教學(xué)任務(wù)主要包括講授紫外光譜(UV)、紅外光譜(IR)、核磁共振譜(NMR)和質(zhì)譜(MS)等的基本原理、基礎(chǔ)知識(shí)及其在化合物結(jié)構(gòu)解析中的應(yīng)用。通過(guò)對(duì)本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能掌握各種波譜法的基本原理、特征及譜圖解析的一般方法。我校應(yīng)用化學(xué)專業(yè)一直以培養(yǎng)應(yīng)用型人才為目標(biāo)，因此在本課程的教學(xué)目標(biāo)也是提高學(xué)生的實(shí)際應(yīng)用能力。課程教學(xué)改革的關(guān)鍵在于教師如何將課程的理論知識(shí)融入實(shí)際應(yīng)用，提高學(xué)生的解譜能力。作者在多年的波譜分析課程教學(xué)中，注重基礎(chǔ)知識(shí)、基本原理及影響因素、結(jié)構(gòu)解析要點(diǎn)等內(nèi)容、積極探索適用于提高應(yīng)用能力的教學(xué)方法及評(píng)價(jià)體系，提高學(xué)生的分析問(wèn)題、解決問(wèn)題能力，增強(qiáng)波譜分析課程的應(yīng)用性。

1 注重基礎(chǔ)知識(shí)的教學(xué)

各種波譜法的基礎(chǔ)知識(shí)里最重要的內(nèi)容歸根結(jié)底是電子效應(yīng)，因此加強(qiáng)有機(jī)化學(xué)中電子效應(yīng)等相關(guān)知識(shí)至關(guān)重要，也直接影響化合物結(jié)構(gòu)的正確解析。首先，誘導(dǎo)效應(yīng)。誘導(dǎo)效應(yīng)在化合物結(jié)構(gòu)中是直接的可以判斷出來(lái)的，只要直接相連的化學(xué)鍵兩端的元素不同就存在誘導(dǎo)效應(yīng)，通過(guò)舉例(如1-氯丁烷)說(shuō)明誘導(dǎo)效應(yīng)、誘導(dǎo)效應(yīng)的作用效果(隨碳鏈傳遞)。其次，共軛效應(yīng)。共軛效應(yīng)包括π-π共軛、p-π共軛、δ-π共軛(超共軛效應(yīng))，對(duì)各類波譜的影響都非常重要。在講授共軛效應(yīng)時(shí)，采用模型加強(qiáng)學(xué)生對(duì)共軛的理解，強(qiáng)調(diào)共軛即共享、共平面，注重講授在共軛體系中電子的離域造成電子共享的效果。波譜分析課程是在修完有機(jī)化學(xué)課程后學(xué)習(xí)的重要課程，關(guān)于電子效應(yīng)，在有機(jī)化學(xué)的學(xué)習(xí)中，已經(jīng)有了初步的認(rèn)識(shí)，但是，大多數(shù)學(xué)生對(duì)于誘導(dǎo)效應(yīng)及共軛效應(yīng)的產(chǎn)生及影響不太清楚，所以在波譜分析課程的教學(xué)中，非常有必要加強(qiáng)電子效應(yīng)等基礎(chǔ)知識(shí)的講授和復(fù)習(xí)。

2 加強(qiáng)各類波譜影響因素的分析

各類波譜都有比較重要的影響因素，包括內(nèi)在因素(結(jié)構(gòu)因素)及外在因素(測(cè)試條件、溶劑、儀器等)。分析影響因素，有利于加強(qiáng)學(xué)生對(duì)于波譜解析的理解，提高學(xué)生分析問(wèn)題及解決問(wèn)題的能力。在外在條件固定的情況下，內(nèi)在因素即結(jié)構(gòu)因素就成了有機(jī)化合物波譜特征的主要影響因素。在UV、IR、NMR等波譜的影響因素里，都有電子效應(yīng)(誘導(dǎo)效應(yīng)、共軛效應(yīng))的影響。首先誘導(dǎo)效應(yīng)對(duì)各類波譜特點(diǎn)的影響不同。比如在IR譜中，誘導(dǎo)效應(yīng)越強(qiáng)，基團(tuán)的振動(dòng)強(qiáng)度越大，波數(shù)也越大。在1H NMR中，元素與氫的電負(fù)性相差越大，誘導(dǎo)效應(yīng)越強(qiáng)，這個(gè)元素上所連質(zhì)子的化學(xué)位移越大。在13C NMR中，元素與碳的電負(fù)性相差越大，誘導(dǎo)效應(yīng)越強(qiáng)，對(duì)于同樣鍵(單鍵或雙鍵)這個(gè)元素上所連碳的化學(xué)位移越大。共軛效應(yīng)也是重要的影響因素。對(duì)于UV譜，共軛效應(yīng)越強(qiáng)，共軛鏈越長(zhǎng)，波長(zhǎng)越大，紅移；對(duì)于IR譜，共軛效應(yīng)會(huì)使鍵的波數(shù)增大；對(duì)于NMR譜，共軛效應(yīng)會(huì)使質(zhì)子或13C的化學(xué)位移增大或減小。而對(duì)于MS，共軛效應(yīng)也會(huì)使裂解方式有一定的變化。除此之外，各類波譜還有其特殊的影響因素。比如，在UV里，有共軛鏈的長(zhǎng)短、電子躍遷類型、溶劑的種類、pH值等對(duì)波長(zhǎng)的影響；NMR里有雜化軌道、各向異性效應(yīng)的影響。在MS譜中，有離子的穩(wěn)定性、Stevenson規(guī)則、質(zhì)子親合能等的影響，在教學(xué)中，注意區(qū)別共性及個(gè)性，將結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的分析，結(jié)構(gòu)不同，譜圖特點(diǎn)就不同。最好結(jié)合某些結(jié)構(gòu)的譜圖進(jìn)行詳細(xì)的分析及講授，使學(xué)生能充分理解和掌握各種因素及對(duì)化合物譜圖的影響效果。

3 注重實(shí)例分析

在學(xué)習(xí)各類波譜時(shí)，除了所用教材中的實(shí)例外，根據(jù)教師科研的特點(diǎn)，適當(dāng)引入科研實(shí)例。在課程的內(nèi)容安排上，應(yīng)注重理論與實(shí)際的有效結(jié)合，結(jié)合教師對(duì)實(shí)例背景的介紹，拓寬學(xué)生的知識(shí)面，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。這門(mén)課的最終目的是提高學(xué)生波譜分析技能，因此在學(xué)生掌握了各類譜圖的基本規(guī)律基礎(chǔ)上，通過(guò)大量的科研實(shí)例使學(xué)生增強(qiáng)感性認(rèn)識(shí)，掌握解析各類化合物譜圖的基本特征，使學(xué)生所學(xué)知識(shí)得以鞏固。學(xué)生往往對(duì)身邊的研究感興趣，故在教學(xué)中引入任課教師或本學(xué)院教師與波譜相關(guān)的科研實(shí)例，往往能激發(fā)起學(xué)生的興趣，這樣可使科研實(shí)例有近有遠(yuǎn)，有大有小，從而取得較好的教學(xué)效果。作者的科研課題包括雜環(huán)化合物的合成及二茂鐵衍生物的合成[4-6]，這些內(nèi)容在本科有機(jī)化學(xué)及波譜分析教材中很少涉及。比如二茂鐵乙?；磻?yīng)得到的乙?；F，跟原料相比，產(chǎn)物中多了乙?；?，那么譜圖最大的變化就是產(chǎn)物中多了乙?；奶卣魑铡６嗟囊阴；沟卯a(chǎn)物在UV譜圖中由于共軛鏈的延長(zhǎng)而λmax增大；IR譜圖中出現(xiàn)明顯的C=O及-CH3的特征吸收峰，在此，針對(duì)IR譜圖的特點(diǎn)，說(shuō)明C=O的吸收特點(diǎn)、位置等信息，-CH3的存在使得整個(gè)結(jié)構(gòu)存在飽和C-H鍵而在2800～3000 cm-1出現(xiàn)伸縮振動(dòng)特征吸收、1380 cm-1出現(xiàn)彎曲振動(dòng)特征吸收，這是飽和C-H鍵的特征吸收。對(duì)于1HNMR，乙?；囊耄沟卯a(chǎn)物除了二茂鐵環(huán)上質(zhì)子的特征吸收外，出現(xiàn)了3個(gè)-CH3質(zhì)子的特征吸收，而且在高場(chǎng)，這里給學(xué)生講授核磁共振譜圖中高低場(chǎng)的區(qū)別，質(zhì)子的化學(xué)位移的影響因素等；在13CNMR譜圖中，由于產(chǎn)物結(jié)構(gòu)中有乙?；?，羰基碳是sp2雜化，氧的吸電子作用使得羰基碳的化學(xué)位移變大，在較低場(chǎng)，比二茂鐵環(huán)上碳的化學(xué)位移大得多；-CH3中的碳是sp3雜化，所以碳的信息在高場(chǎng)；在MS譜中，產(chǎn)物除了會(huì)有二茂鐵基正離子，還會(huì)有質(zhì)核比較大的分子離子峰、豐度較大的乙?；x子的峰，這是產(chǎn)物與原料的區(qū)別。通過(guò)原料與產(chǎn)物UV、IR、1HNMR、13CNMR、MS幾種譜圖的解析及比對(duì)，既加強(qiáng)了基礎(chǔ)知識(shí)的學(xué)習(xí)，又加強(qiáng)了波譜分析與有機(jī)合成的融合，將結(jié)構(gòu)與譜圖有機(jī)的結(jié)合在一起。這只是科研中一個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的化合物的解析，類似的例子還有很多，都可以在教學(xué)中及時(shí)引入，也可以根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況及學(xué)生的基礎(chǔ)，引入較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)的解析。在教學(xué)中通過(guò)引入大量相關(guān)實(shí)例，結(jié)合化合物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，解析各類譜圖，分析譜圖的特點(diǎn)，分析各類譜圖里的影響因素，加深學(xué)生對(duì)譜圖解析的理解，拓寬學(xué)生的知識(shí)面。

4 發(fā)揮學(xué)生主動(dòng)性、探索研究性教學(xué)

在教師講授各章理論、增加實(shí)例的基礎(chǔ)上，積極探索研究性教學(xué)模式。教師根據(jù)自己的科研方向及特點(diǎn)布置課題，或者給學(xué)生布置一些前沿課題，或者學(xué)生自己感興趣的課題，作為課程作業(yè)布置給學(xué)生，要求學(xué)生撰寫(xiě)綜述性論文。通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)，分析及整理文獻(xiàn)資料，可以提高學(xué)生查閱文獻(xiàn)、分析及總結(jié)文獻(xiàn)的能力，要求學(xué)生必須提出自己的觀點(diǎn)，為以后畢業(yè)論文或科研打下良好的基礎(chǔ)。如果課時(shí)允許或者教師可以根據(jù)自己的情況，安排學(xué)生分組以PPT的形式對(duì)前期的作業(yè)進(jìn)行匯報(bào)，同時(shí)提出建議、質(zhì)疑及改進(jìn)的方案。整個(gè)過(guò)程中，教師在論文的內(nèi)容、格式、PPT的內(nèi)容及格式上嚴(yán)格要求學(xué)生。通過(guò)作者對(duì)我校應(yīng)用化學(xué)專業(yè)學(xué)生的探索性教學(xué)，發(fā)現(xiàn)這種研究性教學(xué)方式不僅拓寬了學(xué)生的知識(shí)面、加強(qiáng)及深化了學(xué)生對(duì)課程的理解、感受波譜分析的應(yīng)用性，同時(shí)提高了學(xué)生分析、解決問(wèn)題的能力，增強(qiáng)了學(xué)生電腦軟件的使用。

5 改革評(píng)價(jià)體系

在上述的教學(xué)探索基礎(chǔ)上，將以往的評(píng)價(jià)體系(平時(shí)占10%、筆記占20%、閉卷考試占70%)，改革為一種多形式、分階段、閉卷與開(kāi)卷相結(jié)合的考試模式，強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)過(guò)程的重要性，加強(qiáng)對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程的考核評(píng)價(jià)，激勵(lì)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及主動(dòng)性。課程成績(jī)由四部分組成(比例適時(shí)調(diào)整)：平時(shí)成績(jī)(10%)、期中考試(30%)、文獻(xiàn)總結(jié)及匯報(bào)(20%)、期末考試(40%)。其中平時(shí)成績(jī)主要是考勤和平時(shí)作業(yè)，要求學(xué)生完成教學(xué)的基本內(nèi)容，掌握基礎(chǔ)知識(shí)，督促學(xué)生學(xué)習(xí)。期中考試在紫外、紅外光譜兩章結(jié)束后進(jìn)行，采用開(kāi)卷考試形式，主要考查學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)及前兩章內(nèi)容的掌握程度。期末考試在學(xué)期結(jié)束時(shí)進(jìn)行，時(shí)間由學(xué)校統(tǒng)一安排，采用閉卷考試形式，試卷內(nèi)容包括基礎(chǔ)知識(shí)及綜合解析題。作者通過(guò)近幾年應(yīng)用化學(xué)專業(yè)學(xué)生的實(shí)踐表明，綜合考評(píng)能比較準(zhǔn)確的評(píng)定學(xué)生的成績(jī)，達(dá)到拓寬學(xué)生知識(shí)面和閱讀面，提高分析、解決問(wèn)題的能力，達(dá)到了綜合評(píng)價(jià)的目的。

總之，在應(yīng)用化學(xué)專業(yè)波譜分析課程教學(xué)中，根據(jù)專業(yè)及學(xué)生就業(yè)的特點(diǎn)，加強(qiáng)基礎(chǔ)教學(xué)、注重應(yīng)用、改革研究性教學(xué)模式及綜合評(píng)價(jià)體系，發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，為以后從事研發(fā)工作打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。