波譜分析教學(xué)中核磁共振氫譜解析的教學(xué)設(shè)計(jì)*

劉賽文，劉 正，殷志紅

(湖南城市學(xué)院 材料與化學(xué)工程學(xué)院，湖南 益陽 413000)

波譜分析課程是運(yùn)用紫外光譜、紅外光譜、核磁共振波譜(包括氫譜和碳譜)和質(zhì)譜等現(xiàn)代物理手段研究有機(jī)物化學(xué)結(jié)構(gòu)的一門學(xué)科。不同測(cè)試方法獲得的結(jié)構(gòu)信息不同，在結(jié)構(gòu)解析中的應(yīng)用也不同，可以相互補(bǔ)充[1]。其中核磁共振氫譜用于獲取有機(jī)物結(jié)構(gòu)中H原子的個(gè)數(shù)及種類，如從化學(xué)位移值(δ值)可以判斷各組氫核所屬類型；通過峰形和偶合常數(shù)可以判斷各組氫核所處的化學(xué)環(huán)境以及與其相連的基團(tuán)的歸屬；通過高度或峰面積積分的相對(duì)比例可以測(cè)定各組氫核的相對(duì)數(shù)量[2-3]。本文主要探索核磁共振氫譜解析的教學(xué)設(shè)計(jì)，從導(dǎo)入新課、核磁共振氫譜中的信息、核磁共振氫譜的解析步驟、歸納總結(jié)、知識(shí)拓展五部分對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1 導(dǎo)入新課

手握植物青蒿引入屠呦呦獲諾貝爾獎(jiǎng)的故事，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生善于鉆研、不畏困難的科學(xué)探索精神和奉獻(xiàn)精神。青蒿素的發(fā)現(xiàn)是一條十分艱難的探索之路。在發(fā)現(xiàn)青蒿素之前，屠呦呦團(tuán)隊(duì)收集了2000多種藥方，篩查了200多種中草藥，研究了380多種提取物，實(shí)驗(yàn)失敗了190次，終于從黃花蒿中分離出了抗瘧新藥—青蒿素。青蒿素的結(jié)構(gòu)是青蒿素藥物研發(fā)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，那是用什么樣的方法來確定青蒿素結(jié)構(gòu)的呢？在1975年，利用核磁共振，X射線單晶衍射等技術(shù)確定了其結(jié)構(gòu)[4]。在青蒿素的結(jié)構(gòu)鑒定中，核磁共振波譜起到很重要的作用。核磁共振波譜已成為獲取有機(jī)分子結(jié)構(gòu)信息不可或缺的工具。導(dǎo)入相關(guān)知識(shí)點(diǎn)：掌握如何運(yùn)用核磁共振氫譜來解析有機(jī)物的結(jié)構(gòu)。

2 核磁共振氫譜中的信息

給出一張核磁共振氫譜圖，拋出問題，啟發(fā)學(xué)生思考，通過自己獲取信息來代替老師的灌輸。問：這樣一張核磁共振氫譜圖可以提供哪些重要信息(圖1a)？答：一是峰的數(shù)目；二是峰的強(qiáng)度，也稱為峰的面積；三是峰的位置；四是峰的裂分?jǐn)?shù)。再由老師深入解讀各種信息的意義，由淺入深，幫助學(xué)生更好地理解。第一個(gè)信息—峰的數(shù)目，出現(xiàn)幾組吸收峰就說明有幾種不同化學(xué)環(huán)境的H原子。該譜圖中出現(xiàn)了四組峰，表示存在四種不同化學(xué)環(huán)境的氫原子。第二個(gè)信息—峰的強(qiáng)度，代表每一種氫原子的數(shù)目。在核磁共振儀中有配有電子積分器，能夠自動(dòng)的將譜線強(qiáng)度畫成階梯式的線，以階梯的高度代表峰面積的相對(duì)值，并且積分高度之比等于氫原子個(gè)數(shù)之比。圖中四組峰的積分高度之比為1∶2∶2∶3，代表它們氫原子的個(gè)數(shù)之比為1∶2∶2∶3。老師列舉實(shí)例，學(xué)生通過實(shí)戰(zhàn)進(jìn)一步加深理解。將乙酸苯乙酯放入核磁共振儀的磁場(chǎng)中，測(cè)出的核磁共振氫譜中有四組峰，積分高度之比為5∶2∶2∶3(圖1b)。詳細(xì)分析一下乙酸苯乙酯的結(jié)構(gòu)，在乙酸苯乙酯的結(jié)構(gòu)中有5個(gè)化學(xué)位移差不多的苯環(huán)氫，2個(gè)一樣的亞甲基氫，有兩組，3個(gè)一樣的甲基氫。它們的個(gè)數(shù)之比5∶2∶2∶3。

第三個(gè)信息是峰的位移，也就是峰出現(xiàn)的位置，代表氫原子所屬的類型。前面已經(jīng)學(xué)習(xí)了各種氫核在核磁共振譜上出現(xiàn)的大體位置，下面從高場(chǎng)到低場(chǎng)一起來回顧各種氫的化學(xué)位移值。標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的化學(xué)位移為0，處在最高場(chǎng)的氫是烷烴和環(huán)烷烴的氫，化學(xué)位移值最小。然后是不飽和鍵相連碳上的氫；接著是雜原子旁邊的甲基和亞甲基氫，由于受到雜原子電負(fù)性的影響，它們的吸收峰移向低場(chǎng)。烯碳上的氫的化學(xué)位移大概在4.6～5.9。芳環(huán)上的氫位于6～8.5。處于最低場(chǎng)的兩類氫是羧基氫和醛基氫，醛基氫大概是9～10，羧基氫的化學(xué)位移值最大為10.5～12?；顫姎涞淖兓秶容^大，為0.5～5.5。氘代氯仿的溶劑峰位于7.27。這張圖對(duì)于核磁共振氫譜的解析非常重要(圖2)，一定要學(xué)生牢記。

圖2 常見質(zhì)子的化學(xué)位移

第四個(gè)信息是峰的裂分?jǐn)?shù)。圖中有四組峰(圖3a)，δ=9.8 處是單峰，沒有發(fā)生裂分。7.8處裂分為雙重峰，7.0處也裂分為雙重峰。3.7處沒有發(fā)生裂分，是一個(gè)單峰。根據(jù)n+1規(guī)則，可以知道相鄰碳上氫原子的個(gè)數(shù)。一級(jí)譜中的n+1規(guī)則，是解析核磁共振氫譜的重要法寶。那么什么是n+1規(guī)則呢？某基團(tuán)的氫與n個(gè)相同的氫偶合時(shí)，吸收峰被裂分為n+1個(gè)，與該基團(tuán)本身氫的個(gè)數(shù)無關(guān)。我們來看幾個(gè)化合物(圖3b)。第一個(gè)化合物中的亞甲基被3個(gè)一樣的甲基氫裂分為四重峰，3加1等于4，峰高之比為1∶3∶3∶1；而甲基被2個(gè)相同的亞甲基氫裂分為三重峰，2加1等于3，峰高之比為1∶2∶1。第二個(gè)化合物中的次亞甲基被3個(gè)一樣的甲基氫裂分為四重峰，而甲基被1個(gè)次亞甲基氫裂分為雙重峰，1加1等于2，峰高之比為1∶1。第三個(gè)化合物中甲基鄰位碳上沒有氫，所以不會(huì)被裂分，為單峰。

圖3 n+1規(guī)則的實(shí)例

從核磁共振氫譜上可以獲得峰的數(shù)目、峰的面積、峰的位移和峰的裂分，這些與化合物的結(jié)構(gòu)有什么關(guān)系呢？需要對(duì)核磁共振氫譜進(jìn)行解析。由前面核磁共振氫譜圖給出的信息過渡到核磁共振氫譜的解析，讓學(xué)生能夠?qū)W以致用，最終達(dá)到這章節(jié)教學(xué)的目的。

3 核磁共振氫譜的解析步驟

每一類化合物都有其特征官能團(tuán)，可以根據(jù)核磁共振氫譜中出現(xiàn)在不同位置的化學(xué)位移對(duì)化合物結(jié)構(gòu)進(jìn)行推測(cè)。結(jié)合譜圖和分子式推測(cè)分子結(jié)構(gòu)式有如下幾個(gè)步驟：第一步，根據(jù)分子式計(jì)算不飽和度U。U的計(jì)算公式在紅外光譜這一章已經(jīng)學(xué)過了，U=[(2n4+2)+n3-n1]/2，n4是分子中4價(jià)原子的數(shù)目，如C、Si；n3是分子中3價(jià)原子的數(shù)目，如P、N；n1是分子中1價(jià)原子的數(shù)目，如H、X；氧和硫的存在對(duì)不飽和度沒有影響。第二步，從積分曲線計(jì)算氫原子數(shù)，確定譜圖中各組峰對(duì)應(yīng)的氫原子數(shù)目。計(jì)算的依據(jù)是各峰的峰面積之比=產(chǎn)生各峰的質(zhì)子數(shù)目比。第三步，考慮分子的對(duì)稱性。如果譜圖里面出現(xiàn)的峰的個(gè)數(shù)比較少，考慮分子存在對(duì)稱性。根據(jù)苯環(huán)化學(xué)位移附近出現(xiàn)峰的情況，可以判斷苯環(huán)取代基的關(guān)系，是處于鄰位，間位還是對(duì)位。第四步，對(duì)每組峰的化學(xué)位移、偶合裂分情況推測(cè)結(jié)構(gòu)片段。這是我們解析核磁共振氫譜最難的地方。需要學(xué)生熟記各種氫在核磁共振譜上出現(xiàn)的范圍與n+1規(guī)則。第五步，組合結(jié)構(gòu)片段，推出可能的結(jié)構(gòu)式。最后，對(duì)推出的結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)證，排除不合理的結(jié)構(gòu)。

講解完核磁共振氫譜的解析步驟，通過舉例讓學(xué)生思考，學(xué)會(huì)自己解決問題。有機(jī)化合物分子式為C8H8O2的核磁共振氫譜圖如圖4。

圖4 核磁共振氫譜解析實(shí)例

試推測(cè)其結(jié)構(gòu)。首先，根據(jù)分子式計(jì)算不飽和度。U=8+1+1/2(0-8)=5。算出不飽和度為5，說明這個(gè)分子中可能含有苯環(huán)結(jié)構(gòu)。第二步，計(jì)算各組峰對(duì)應(yīng)的H原子個(gè)數(shù)。峰高之比約為1∶4∶3，說明H原子的個(gè)數(shù)之比為1∶4∶3?；衔镏泄灿?個(gè)H原子，所以每組峰對(duì)應(yīng)的H原子個(gè)數(shù)分別為1個(gè)，4個(gè)，3個(gè)。第三步分析每一組峰，我們從低場(chǎng)到高場(chǎng)進(jìn)行分析?；瘜W(xué)位移在9.8附近有一個(gè)單峰、1個(gè)H，對(duì)應(yīng)的是醛基H；化學(xué)位移在7～8之間有4個(gè)H，有比較對(duì)稱的兩組峰，對(duì)應(yīng)的是苯環(huán)的對(duì)位雙取代；化學(xué)位移3.7附近是一個(gè)單峰、3個(gè)H，3個(gè)H對(duì)應(yīng)甲基，它是單峰，說明相鄰的碳上沒有H。化學(xué)位移為3.7，相比飽和氫的化學(xué)位移，明顯地移向了低場(chǎng)，說明這個(gè)甲基連在雜原子上，化合物中的雜原子是氧原子，因此連在氧原子上。一個(gè)苯環(huán)的不飽和度為4，一個(gè)醛基的不飽和度為1，加起來剛好等于5，與前面的計(jì)算相吻合。結(jié)構(gòu)片段已經(jīng)出來了，接下來組合結(jié)構(gòu)片段，推出可能的結(jié)構(gòu)式。這個(gè)題目比較簡(jiǎn)單，就一種組合方式，可以推測(cè)出該譜圖對(duì)應(yīng)的化合物就是對(duì)甲氧基苯甲醛。但是有些譜圖可能會(huì)推斷出幾種分子結(jié)構(gòu)，在實(shí)際工作中，單憑一種光譜往往不能解決問題，而要綜合運(yùn)用各種分析手段來相互補(bǔ)充，相互印證，才能得出正確的結(jié)論。盡管如此，核磁共振氫譜仍然是研究有機(jī)分子結(jié)構(gòu)不可缺少的工具！

4 歸納總結(jié)

最后對(duì)整堂課進(jìn)行總結(jié)。通過學(xué)習(xí)核磁共振氫譜的解析，使學(xué)生知道了可以從核磁共振氫譜圖中獲得峰的數(shù)目、峰的面積、峰的位移和峰的裂分。由吸收峰的組數(shù)，可以判斷存在幾種不同類型的H核；由峰的δ值(化學(xué)位移值)，可以判斷各類H的歸屬；由峰的強(qiáng)度(峰面積)的相對(duì)比例，可以判斷各類H的相對(duì)數(shù)目；由峰的裂分?jǐn)?shù)目，可以判斷相鄰H核的數(shù)目。解析核磁共振氫譜的步驟共有6步：①計(jì)算不飽和度；②計(jì)算氫原子；③考慮分子的對(duì)稱性；④分析每一組峰；⑤推測(cè)可能結(jié)構(gòu)；⑥驗(yàn)證結(jié)構(gòu)。

5 知識(shí)拓展

為了體現(xiàn)波譜分析教學(xué)的兩性一度，課后布置比較有深度、緊貼前沿的課后思考題(圖5)。屠呦呦團(tuán)隊(duì)為了提高青蒿素的藥效和改善它的溶解性，對(duì)青蒿素的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了修飾，用硼氫化鈉進(jìn)行還原，得到了二氫青蒿素，進(jìn)一步甲基化，得到了蒿甲醚。屠呦呦團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)，雙氫青蒿素對(duì)治療具有高變異性的紅斑狼瘡效果獨(dú)特，已經(jīng)開展臨床試驗(yàn)。“未來我們要把青蒿素研發(fā)做透，把論文變成藥，讓藥治得了病，讓青蒿素更好地造福人類。下面這三張譜圖是上面這三種結(jié)構(gòu)的核磁共振氫譜圖，能否將結(jié)構(gòu)與譜圖一一對(duì)應(yīng)？并且說明依據(jù)。

圖5 課后拓展習(xí)題

6 總結(jié)

核磁共振氫譜用于獲取有機(jī)物結(jié)構(gòu)中H的個(gè)數(shù)及種類，已成為獲取有機(jī)分子結(jié)構(gòu)信息不可或缺的工具。學(xué)習(xí)的目的是為了能夠運(yùn)用知識(shí)更好地服務(wù)人類。因此在教學(xué)中，注重基礎(chǔ)知識(shí)傳授的同時(shí)，不能忽視學(xué)生價(jià)值的塑造和能力的培養(yǎng)。其次，注重相關(guān)實(shí)例及其分析，將所學(xué)理論知識(shí)融入其中，徹底解決理論與實(shí)踐脫節(jié)的現(xiàn)象，達(dá)到教學(xué)目標(biāo)。