《有机化合物结构鉴定》课程教学方法初探

张 迪，曹 阳，王晓斌，史大华

(江苏海洋大学 药学院，江苏 连云港 222005)

《有机化合物结构鉴定》是药学专业、海洋化学专业研究生的一门专业基础课程，主要讲授利用紫外光谱、红外光谱、核磁共振波谱、质谱等解析有机化合物结构的方法及原理[1]，培养研究生运用谱学知识解析复杂有机化合物结构的能力，为学生日后从事药学及相关专业科研、生产工作奠定重要基础。

然而由于该课程内容抽象，难以理解，使得研究生学习兴趣不高，加上研究生本科时的专业背景不同，对有机化合物结构鉴定知识的掌握情况不同，学习效果一般。如何提高研究生在课程学习过程中解析实际谱图的能力，是研究生课程教学过程值得探讨的关键问题[2]。结合笔者的课程教学实践，本文就解决该问题提出了以下几点粗浅的看法：

1 教学内容分主次，抓住重点内容

众所周知，随着现代科学技术的发展进步，现在有机化合物的结构鉴定主要依靠核磁共振波谱、质谱、单晶衍射[3]等技术手段。结合研究生科研情况、学生的知识基础和教学实践经验，我们认为：

(1)在教授这门课的时候，主要讲解的重点内容就是核磁共振波谱和质谱知识，应分配给这两个板块更充裕的学时进行授课；次要讲解红外光谱、紫外光谱知识，适当降低这两个板块的授课学时。在核磁共振板块，学时应着重分配在讲解核磁共振氢谱、碳谱、二维谱中的HMBC、HMQC、COSY、DEPT、NOESY谱上面；在质谱板块，学时应着重分配在不同类型的有机化合物质谱的裂解规律及例题的讲解上面。

(2)基于《有机化合物结构鉴定》课程实战性很强的特点，加之研究生具有一定的波谱解析基础，因而在讲授该课程时，可以适当概括性地讲解课程中的原理或机理性知识，详细地讲解谱图解析中用到的方法性知识和技巧。例如，在讲解核磁共振氢谱时，不过多的介绍核磁共振氢谱产生的机理，而可以着重介绍解析氢谱的三要素：化学位移、峰面积和耦合裂分。在讲解化学位移时，以常见的甲氧基、乙酰基、醛基、取代苯等基团为例，让同学们熟记它们的化学位移值，而氢谱中的峰面积代表此处氢的个数，可以结合本文中提到的软件一并讲解。值得注意的是，在讲解耦合裂分时，一定要结合例子进行，特别是要举一些高级耦合的结构例子，使这部分晦涩的知识点更加通俗易懂，进而掌握更为高深的耦合常数“N+1”律。在讲解核磁共振二维谱COSY谱时，注重介绍COSY谱的特征，即横纵坐标都是氢谱和图谱中的“对角线峰”，使同学们明白COSY谱上下的对称性，进一步使同学们掌握在解析COSY谱只需要解析一半谱图的规律。在讲解红外光谱时，注重讲解各官能团的红外吸收峰特征，如羰基化合物中羰基红外吸收波数在1 700～1 600 cm-1之间，几乎无其他官能团干扰，且吸收强度高，极容易辨认，可以说是“只此一家，别无他店”，通过这种特征性的讲解，加深同学们对红外光谱的理解，掌握红外光谱的解谱规律。

(3)选用包含有以上知识板块的教材。笔者在授课时选用的是宁永成教授的《有机波谱学谱图解析》，该书内容详尽、举例难度适当，非常适用于研究生波谱解析类相关课程的教材[4]。

2 丰富教学方式，提升学生兴趣

学习兴趣是学生进行自主学习的源动力，因此，提升学生的学习兴趣对于学好相关课程至关重要。多媒体教学，不仅是现在普遍采用的教学方式，而且有助于提升学生的学习兴趣。

对于研究生《有机化合物结构鉴定》课程来说，多媒体教学更是必不可少。本课程中的一些原理类的知识，在授课过程中我们可以通过搜索相关素材的gif动图、2～5 min的flash动画来进行讲解。例如在讲解核磁共振波谱的原理时，可以从国内外相关网站上精选双语原理解析短视频，插入课程PPT中进行播放或者通过插入超链接的方式，在网页上播放。此外，为了缓解课程的枯燥性，可以搜索课程内容相关的名人故事，如可播放著名的诺贝尔奖获得者“磁共振七君子”的视频，吸引学生的注意力，又或者可以播放一些国内实力较为雄厚的实验室的采访视频，激发研究生进行科学研究的动力。多媒体动画的应用，一方面使抽象的、略显枯燥的教学内容变得更加生动形象，另一方面通过改变“相对静态的”教学方式为短暂的“相对动态的”多因素媒体模式，更容易调动学生学习的积极性，提升他们的兴趣。

除了讲授理论知识，我们还尝试课堂上通过软件操作的方式教学。《有机化合物结构鉴定》课程涉及的主要软件有ChemOffice[5]、Mestrenova[6]、MassHunter等[7]。其中，ChemOffice软件主要有绘制化合物平面结构、预测化合物光谱、模拟化合物三维结构及构建反应流程图等功能。例如在课堂上可以为同学们详细讲解：(1)如何利用Chemdraw软件画出常见类型的有机化合物。可以简单化合物为例，教大家学会用软件判断手性碳原子构型并打开关联的Chemdraw 3D软件，观察3D模式下化合物的结构；(2)以文献报道的化合物为例，教同学们查看该化合物模拟的核磁共振氢谱、碳谱，并与文献实际中报道的数据进行比对，进而讲授相关的软件解谱知识；(3)让同学们自选药物合成反应的相关文献，教授大家利用Chemdraw软件自带图形构建文献中的化学反应流程图，进而教授同学们利用软件美化反应流程图等与发表论文的相关的操作经验。

Mestrenova软件主要用来处理、分析化合物的核磁共振谱图。在讲授该软件应用的时候，应注意讲授的逻辑顺序：(1)首先讲授一维核磁共振谱图的处理方法。如打开一个具体化合物的原始谱图中的fid文件后，第一步应调整谱图的相位，第二步调整谱图的基线。对于一维谱，以上两个步骤不可或缺。(2)接下来判断谱图的类型，对于具有核磁共振波谱基础的同学们来说，该步骤比较简单。如判断谱图为化合物氢谱，需要完成谱图的积分和标峰。积分时，笔者经常选择位于低场的裂分比较清晰的不饱和氢或活泼氢为参照，再给剩余氢信号积分。标峰时，应以谱图中氘代溶剂为参照，再给剩余信号标峰。如判断化合物为碳谱，只需要给谱图进行标峰。在讲授这一步骤时，应要求同学们熟记常用氘代溶剂的氢谱、碳谱的化学位移。(3)在讲解完用利用软件处理化合物的一维谱后，可以讲解如何利用软件对二维谱进行处理和分析。首先，对于化合物的原始二维数据来说，教导同学们用软件打开数据中的ser文件，打开后进而判断二维谱的类型。此处判断谱图类型时，可结合教材上的知识，起到相互呼应的教学效果，加深同学们的印象。然后对二维谱进行简单处理，如对二维谱横纵坐标“谱”的设置。对于COSY、NOESY谱来说，其横纵坐标“谱”对应的都是化合物的氢谱。而对于二维谱HMBC、HMQC来说，其横坐标“谱”一般对应为化合物的氢谱，纵坐标“谱”为碳谱。以上横纵坐标“谱”的设置可以通过软件中的setup实现。此外，还应包括二维谱的“定标”。对于COSY、NOESY谱来说，笔者经常选取坐标零点进行校正。对于HMBC、HMQC来说，笔者经常选取氘代溶剂的碳谱、氢谱值进行谱图校正。

MassHunter软件的主要功能有精准匹配化合物分子式，定向检索化合物等。总之，这些软件功能强大，不仅可以起到辅助解析有机化合物结构的作用，而且更重要的是，软件的介入有助于进一步激发学生的好奇心和学习乐趣，帮助他们掌握有机化合物鉴定的专业技能。笔者在这一部分授课时，一是鼓励学生们自行下载以上软件的试用版，安装到他们的笔记本电脑中，自行摸索应用，二是鼓励研究生同学们上课时带上笔记本电脑，随堂进行软件的实际操作，使同学们掌握利用ChemDraw软件绘制化合物结构、利用Mestrenova软件对化合物氢谱进行标峰、积分、分析耦合常数等基本的软件功能。多媒体介导的课堂软件的教学方式，极大地吸引了研究生学习本课程的兴趣，取得了良好的教学效果。

3 采用案例教学，让学生动手操作

采用案例教学方式，能够通过师生之间积极的互动取得良好的教学效果。《有机化合物结构鉴定》课程案例教学的关键是选取难度适中的有机化合物谱图案例。选取的难度要循序渐进，从结构比较简单的有机化合物谱图，到结构相对复杂的有机化合物谱图。笔者在教学时选取了共3个案例，见图1。其中，案例1结构较为简单，总计10个碳原子，且有一条4个碳原子组成的支链，结构特征非常适用于侧重讲解COSY谱(图2)，而该案例设置的教学目标恰好就是使同学们利用COSY谱把案例1的支链连接起来；案例2的结构稍微复杂一些，其酰亚胺环右边的结构包含三个共轭双键，其上氢信号较少，结构特征非常适用于侧重讲解HMBC谱(图3)，而讲解的目的就是使同学们利用HMBC谱把结构中的季碳及杂原子连接起来；案例3的引入一方面可将案例3的谱图(图4)和案例2的进行比对，因为案例3的结构只比案例2的少一个双键，使同学们更容易上手解析，发现二者的异同，另一方面讲解时可侧重综合运用COSY谱、HMBC谱进行解析，加深同学们对谱图解析的理解。

图1 教学案例Fig.1 Teaching cases

图2 教学案例1的COSY谱Fig.2 The COSY spectrum of teaching case 1

图3 教学案例2的HMBC谱Fig.3 The HMBC spectrum of teaching case 2

图4 教学案例3的HMBC谱Fig.4 The HMBC spectrum of teaching case 3

笔者在采用案例教学时采用的方式大致是：(1)从Journal of Natural Products、Phytochemistry等天然产物权威杂志中选取难度合适的新颖天然产物，找到其全部清晰谱图，尤其要包含放大的二维NMR谱图。(2)按照UV、IR、MS、NMR的顺序添加页码排版打印成册，NMR谱图可以按1H-13C-COSY-HMQC-DEPT-HMBC-NOESY的顺序，放大的谱图安放在各完整谱图之后。(3)将打印好的谱图册发放给课堂同学，按照顺序进行逐一讲解，注重讲解每种谱图的特征。讲解时，可板书目标化合物结构式，讲解到UV时，可用不同颜色粉笔标出化合物的共轭结构，表明二者之间的对应关系；讲解到IR时，可以让同学们找出结构式中官能团对应的红外吸收峰，加深同学们对红外光谱的理解；讲解到二维NMR中的COSY谱时，可要求同学们随堂用标尺和铅笔画出相关信号，通过实际演练，掌握二维核磁共振波谱的解析方法。在整个讲解的过程中，鼓励同学们积极讨论、举手提问，营造良好的教学氛围。笔者认为，通过这种实际动手解析化合物结构的过程，能够进一步使研究生将解谱知识融会贯通，提升综合谱图的解析能力。

4 学生自由分组，进行文献汇报

文献学习是研究生攻读期间必须掌握的一种能力。在本课程的教学实践中，笔者让研究生分小组进行文献汇报，大致采用如下的方式：(1)明确文献汇报的内容要求，即要求每小组要汇报近期报道的文献中1～2个新颖天然有机化合物的结构鉴定全过程，包括一些教材未讲过的立体构型鉴定手段，如Mosher’s酯反应定仲醇绝对构型、Marfey法定氨基酸种类及构型、X-射线单晶衍射技术、量子化学计算[8]等。特别要鼓励研究生寻找新型碳骨架的天然产物图谱进行汇报。(2)引导学习本课程的研究生自由分组，一般以4～6人一组为宜，小组内组员可参照如下分工：1～2人负责解析化合物的紫外光谱、红外光谱、氢谱、碳谱，1～2人负责解析化合物的HMQC、DEPT、HMBC谱，1～2人负责解析化合物的立体结构，1人负责最后的结构解析汇总和PPT制作。鼓励组员在谱图解析时就遇到的难点互相进行讨论，共同解决问题，共同进步。(3)以小组为单位进行课堂汇报，即每组选出1名组员为代表进行课堂汇报，汇报采用PPT结合板书的方式进行讲解。要求同学们把化合物的结构解析过程讲通透，特别是要讲解清楚化合物结构片段的确立、连接方式以及立体构型确定的谱图解析过程，并要求同学们逐步掌握不同谱图之间相互印证的同一结构片段的能力。笔者认为采用这种方式，一方面能够检验研究生课堂学习的成效，即是否掌握了基本的识谱、解谱方法；另一方面能进一步夯实研究生解析谱图的能力，掌握有机化合物结构鉴定的全流程。此外，通过这种方式还能够训练研究生团体协作解决问题的能力。

5 结 语

《有机化合物结构鉴定》是药学及相关专业研究生的一门应用性、综合性极强的课程，需要课堂教师不断探索更加完善合理的教学方法和模式，努力提高课程教学效果，切实提升研究生实际的解谱能力。笔者在本课程的教学过程中，通过学时重分配、多媒体加软件教学、学生实际案例解谱、文献教学的方式，取得了较好的教学效果，这为他们后续的科研、生产等工作的顺利进行奠定坚实的基础。