《天然药物化学》课程中化合物结构解析内容教学探讨

许凤清，王国凯，王举涛，刘劲松

（安徽中医药大学 药学院，安徽 合肥 230012）

天然药物化学是药学类专业一门主干课程，旨在分析天然药物中的药效物质基础，用现代科学技术和仪器研究天然药物的化学成分.课程内容包括化合物结构类型、理化性质、提取分离和结构鉴定四个模块.其中结构鉴定一直是本门学科教学中的重点和难点，内容涉及红外光谱（IR）、紫外光谱（UV）、核磁共振波谱（NMR）、质谱（MS）、园二色谱（CD）和 X- 射线单晶衍射（X-ray）等[1-2]，基本概念和原理比较抽象，加之《有机化合物波谱解析》课程中的实例主要侧重于小分子的结构鉴定，绝大多数学生很难在没有实训经验的状况下将所学知识娴熟地应用于结构繁杂的天然有机化合物的结构解析中来，从而产生挫败感.如何激发学生学习兴趣，调动学习的主动性和积极性，提高其分析图谱和综合利用图谱信息进行化合物结构解析的能力，是《天然药物化学》课程教学中不可忽视的问题.本课程组多年来一直承担我院《有机化合物波谱解析》和《天然药物化学》课程的教学任务，教师在教学过程中积极思考，针对教学内容、教学方法、教学手段及教学模式均进行了一些有益的尝试和探索.

1 总结规律，循序渐进式设计教学内容

天然药物化学各种类型的成分均有其独特的结构特征、波谱特征和规律.四大波谱技术在天然化合物结构解析中扮演者各自的角色.课程组教师多年来在广泛收集化合物的原始图谱的基础上，总结出各类化合物成分的波谱特征和结构解析过程，并将其应用于课堂教学中.

核磁共振技术在结构解析中的作用是大家有目共睹的，对于初学者来说其谱图的解析难度也是不容忽视的.这一部分内容亦是天然药物化学课程中讲授结构鉴定内容的最大障碍，究其原因，源于前一学期所学的化合物核磁共振相关数据及知识，因较少使用或疏于练习，常常被遗忘或者基本上不能系统的把谱图中信息转换成可供应用的波谱数据.因此，在总论的教学内容里面，一维核磁共振谱图提供的信息，包括峰面积、峰位、偶合常数及溶剂峰等知识点需要进一步巩固，以及常见、典型的数据，影响化学位移的因素等，要进行必要的复习，以利于后面灵活运用.

大家都清楚，芳香族化合物的核磁数据呈现出较强的规律，且无论在1H-NMR还是在13C-NMR中，色谱峰位置相对固定，偶合关系明确，且受其他结构片段信息干扰很小，其学习起来相对较容易，而天然药物中香豆素、醌类、黄酮类等成分，分子结构中都含有苯环的结构片段.于是，课程组教师从苯环入手，依次介绍单取代，邻位、间位、对位的含氧二取代，三取代及多取代的芳香氢质子耦合情况及含氧基团的引入对邻位、对位、间位碳原子化学位移的影响规律.在此基础上，学生需要学习的新知识也就只有香豆素中吡喃酮环中α，β-不饱和内酯、醌类化合物中的醌环及黄酮分子中三碳链为新的内容，某种程度上降低了学习的难度，极大克服了学生的畏难情绪.另外，环己烷的结构片段在天然药物化学的萜类、甾体类极其常见，且与吡喃糖分子也极其相似，针对这个问题，课程组教师在“糖和苷”一章的教学中，多从环己烷立体结构中某相邻两个碳原子上的氢质子在核磁共振谱上的峰型、峰位的分析入手，回顾之前所学该结构中直立键、平伏键氢质子耦合裂分情况，从耦合常数入手，判断相邻碳原子上氢质子的空间位置，随之将此知识应用到最常见的单糖D-葡萄糖，介绍其1H-NM R和13C-NMR谱中的特征，包括峰位、峰型、耦合常数以及不同溶剂的影响结果等，在学生掌握葡萄糖核磁波谱的基础上，其他各种类型糖（去氧糖、氨基糖等）的结构解析以及苷类化合物分子结构中糖基的数目、类型、相对构型、绝对构型、糖基的连接顺序等难题就能迎刃而解.

2 融合多种教学方法，激发学生学习兴趣，调动学习的主动性和积极性

天然药物中化合物的结构解析，需要具备理论知识综合利用的能力，这对初学结构解析而缺少实际训练的学生来说，难度是显而易见的.因此，在教学过程中，采用何种教学方法激发学生学习兴趣，调动学习的主动性和积极性就变得尤为重要.由于各种光谱基础知识在《有机化合物波谱解析》课程中均做了详细的介绍，本门课程中可有意淡化该部内容的学习，而注重于从具体的实例入手.一般而言，红外光谱和紫外光谱大部分同学都已掌握其解析的方法，难度大的是核磁共振图谱及质谱的解析.为了让学生真正掌握结构鉴定中波谱解析过程和方法，课程组教师适当选择科研过程中获得或者从文献辅助材料中得到的一些具有代表性的化合物的谱图，以原始图谱作为授课的实例.就核磁共振图谱而言，如何从图谱中获得需要的信息，并将图谱信息转化成数据，如氢/碳的个数、种类、偶合常数等，这个过程不是一朝一夕就能完成的，需要经过反复练习.为此，课程组教师将教会学生使用NMR solutions（MestReNova）软件，并按照难易度不同陆续给同学们提供香豆素（伞形花内酯、七叶内酯、补骨脂素、紫花前胡苷等）、蒽醌（大黄素、大黄酸、芦荟大黄素等）、黄酮（芹菜素、木樨草素、槲皮素、二氢槲皮素、甘草素、红花苷等）的相关图谱，要求学生学会信息转化并根据所学知识进行化合物的结构推测，鼓励并组织感兴趣的同学课堂上和同学们分享这一过程.质谱可以测定分子量、分子式.一张质谱图，首先要清楚是什么类型的质谱图，就FAB-MS和ESI-MS而言，寻找正确的分子离子峰尤为重要，离子源的不同，往往会出现[M+Na]+、[2M+Na]+、[M+K]+、[2M+K]+、[2M+H]+、[M+Cl]-等常见信号，关于EIMS中的裂解碎片离子峰往往对于推断化合物的分子骨架很有用，我们采用充分应用案例教学和讨论式教学来进行教学.

另外，核磁共振二维谱在有机化合物结构解析中可以起到一维谱无法替代的作用，其解析的程序为，借助一维核磁谱和其他手段，获得、了解或猜测化合物的基本结构，选择必要的二维谱进一步确认，获取更为深入的结构信息（如空间结构等）.但对于相对复杂一些的化合物，其二维谱信息的转化，需要分析者具备较好的分析、处理谱图的技能，严谨的态度，同时兼具细心和耐心.首先，图谱分析者 一 定 要 清 楚 HSQC、HMBC、1H-1H COSY、ROESY或NOESY等各种相关谱的解析方法和所能解决的问题[3-4].举个最简单的例子，我们想知道一个化合物是木樨草素3'-O-β-D-葡萄糖苷还是木犀草素4'-O'-β-D-萄糖苷，此时从一维核磁数据很难做出准确的判断，若有HMBC的图谱，问题就变得异常简单了.因此，在天然药物化学成分结构鉴定中，适当的引入二维化学位移相关谱的知识，在课堂讲授中演示如何从这些相关谱中获得需要的信息，合理推导结构片段并将其拼凑成一个完整的分子，另外为学有余力的同学提供确定结构的二维谱，对于培养其逻辑思维能力、空间想象能力和严谨的推理能力有着积极的意义.此外，课堂上对某些知识点引入讨论也是很有必要的，例如黄酮的C-环中的AA'BB'及ABX系统的耦合情况，又如二氢黄酮C-2及三萜类、甾体的C-3位羟基取代后的构型以及齐墩果烷型三萜和乌苏烷型三萜母核结构的确定等诸多问题，只有在同学们认真思考后，才会留下深刻的记忆.

课程组教师经过多年的实践，在传统的讲授教学法中融入案例教学法、讨论法和体验学习教学法，取得了很好的教学效果.在学生熟练、快速地掌握基本知识后，用案例的真实性、实践性来激发学生的兴趣，讨论来提升学生的主观能动性，体验学习教学以促进学生在“研究”“思索”和“想象”中领悟知识、掌握知识，以期达到激发学生学习的积极性和主观能动性，将《有机化合物波谱解析》中所学的知识游刃有余的应用到天然药物化学的结构解析中来.

3 有机组合传统教学与现代教学手段，丰富教学内容，提高教学效率和效果

化合物的结构解析，多以图谱和数据为基础，相对抽象，没有客观真实的图谱，就会让学习变得晦涩难懂，计算机辅助多媒体教学可以将各种类型化合物图谱原貌呈现出来，增强学生的感性认识，使抽象的教学内容变得丰富和生动[5]，适时弥补了传统教学手段中的不足.化学绘图软件和图谱分析软件是天然药物化学学习及研究中发挥着不可或缺的作用[6-7]，天然药物化学中多数化合物大多数为非平面性分子，如萜类、生物碱、木脂素、二氢黄酮等，因分子中存在手性碳，势必会涉及其相对构型好绝对构型，此时采用Chemdraw、ChemOffice等化学绘图软件，通过计算机模拟化合物可以自由旋转的三维立体构型，让学生从各个角度来观察分子的结构，刺激视觉感官，增强印象.

随着计算机网络信息的发展，许多专业网站给同学们亦给大家提供了学习的平台.如微谱数据-核磁共振碳谱数据库（13C NMR库）（http://www.nmrdata.com），中科院长春应用化学研究所应用化学数据库（http://www.appchem.csdb.cn/），中国科学院化合物参考数据库图谱库（http://www.chemcpd.csdb.cn/cmpref/default.asp），Organic Compounds Database （http://www.colby.edu/chemistry/cmp/cmp.html)、SpectralDatabase forOrganic Compounds（http://sdbs.db.aist.go.jp/sdbs/cgi-bin/direct_frame_top.cgi）等.另外，文献信息的网络化，亦给学习提供了广阔的学习空间，通过SciFinder Scholar(CA网络版)可以快速地查到化合物相关文献，然后结合ACS（美国化学学会）电子期刊全文数据库(http://pubs.acs.org/)、ScienceDirect电子期刊库（http://www.sciencedirect.com）、Web of Science（http://apps.webofknowledge.com）等数据库找到原始文献，通过辅助材料获得较全面的相关化合物波谱信息.将这些平台和网站介绍学生，做到真正意义上的“授人以渔”.

4 深化集体备课，提高教学质量

以课程组为单位，定期组织教师开展对教材和教学大纲的研读、分析学情、制定教学计划、分解备课任务、审定教学提纲、反馈教学信息等活动[8].集体备课中，针对教学内容的重点和难点进行充分讨论，针对教学方法和方式则采取分教师分内容负责各章节的试讲，其他教师点评的方式来共同商讨，最终达成共识.总之，通过多年来的集体备课活动，融合了课程组教师的经验和才智，优化了教学方法提高了教学效果，提升了教师、特别是青年教师的教学能力及业务水平，增加了教师之间的感情增强了教研室的凝聚力.

天然药物化学课程中化合物结构鉴定，即是利用四大光谱之间的关系和表征，拼凑化合物片段的过程，其推断结构过程需要科学严谨的推理，如何把这些化合物片段合理地组织起来，是对学生谱学知识构架的考验.因此在教学过程中贯穿以学生为中心的指导思想，沿着培养学生学习能力的主线，整合内容，总结规律，循序渐进式的设计教学内容，融合多种教学方法，将传统教学方式和现代教学方式有机结合，在激发学生的学习兴趣的同时，调动学习的积极性和主动性.同时，在教学过程中需加强与相关课程的联系，体现学科知识之间的相关性、连贯性和系统性，逐步提高学习的效果.

〔1〕孔令义．天然药物化学[M]．北京：中国中医药出版社，2015．

〔2〕吴立军．天然药物化学[M]．北京：人民卫生出版社，2011．

〔3〕黎明，孙平川，何丙林．核磁共振二维谱(2DNMR)及解析方法——1．二维J分解谱和同核化学位移相关谱．现代仪器使用与维修，1998（4）：28-32．

〔4〕黎明，孙平川，何丙林．核磁共振二维(2DNMR)及解析方法——2．化学位移相关谱[J]．现代仪器，2000（1）：30-34．

〔5〕刘劲松，王刚，吴德林，等．波谱解析课程教学改革与实践[J]．安徽医药,2013,17(1)：177-178．

〔6〕刘立佳，王玉丹，赵方波．ChemOffice 软件在化学教学中的作用 [J]．教育教学论坛，2015（1）：224-225．

〔7〕高昊，吴晓琦，张仁望，等．核磁共振实验模拟软件NMR-Sim在“有机化合物波谱解析”课程教学中的应用．中国科教创新导刊，2011（26）：102-105．

〔8〕王举涛，王刚，刘劲松，等．深化集体备课，提高天然药物化学教学质量 [J]．广州化工，2013，41（5）：267-268，278．