張建業(yè) 張超 李悅山 陶移文

波譜解析試題庫(kù)的建設(shè)

張建業(yè) 張超 李悅山 陶移文

波譜解析在化學(xué)、生物、醫(yī)藥、材料、食品、衛(wèi)生、環(huán)境等重要領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。波譜解析課程包括紫外光譜、紅外光譜、核磁共振波譜以及質(zhì)譜。波譜解析是藥學(xué)專業(yè)重要的基礎(chǔ)課程之一, 是學(xué)習(xí)天然藥物化學(xué)、藥物化學(xué)的基礎(chǔ)。編寫試題庫(kù)可有助于學(xué)生復(fù)習(xí)提高所學(xué)知識(shí), 本文通過詳細(xì)例子闡述了波譜解析試題庫(kù)的建設(shè)。

波譜解析；教學(xué)目標(biāo)；試題庫(kù) ZHANG Jian-ye, ZHANG Chao, LI Yue-shan.et al. School of Pharmaceutical Sciences, Guangzhou Medical University, Guangzhou 510182, China.

藥學(xué)專業(yè)的波譜解析課程包括紫外光譜(UV)、紅外光譜(IR)、核磁共振波譜(NMR)以及質(zhì)譜(MS)。這四種光譜是分析有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)的強(qiáng)有力工具, 特點(diǎn)是準(zhǔn)確、快速、用量少。波譜解析在化學(xué)、生物、醫(yī)藥、材料、食品、衛(wèi)生、環(huán)境等重要領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。波譜解析是藥學(xué)專業(yè)重要的基礎(chǔ)課程之一, 是學(xué)習(xí)天然藥物化學(xué)、藥物化學(xué)的基礎(chǔ)。這門課的教學(xué)目的是通過學(xué)習(xí)波譜學(xué)的基本概念、基礎(chǔ)理論、基本規(guī)律來掌握各類化合物的譜學(xué)特征；培養(yǎng)學(xué)生基本的圖譜解析能力, 為今后學(xué)習(xí)天然藥物化學(xué)、藥物化學(xué)打下良好基礎(chǔ)。

波譜解析的基礎(chǔ)理論抽象難懂、特征數(shù)據(jù)多而復(fù)雜、不同化合物的圖譜變化多端, 因此波譜解析是教與學(xué)都比較困難的一門課程。根據(jù)作者的教學(xué)經(jīng)驗(yàn), 建設(shè)一套涵蓋基本概念、基礎(chǔ)理論、基本規(guī)律、綜合運(yùn)用的試題庫(kù)(包括答案),有助于提高教學(xué)效果。本文將從四大光譜的教學(xué)內(nèi)容來舉例說明波譜解析試題庫(kù)的建設(shè)。

1 紫外光譜(UV)

紫外吸收的紅移或藍(lán)移規(guī)律是紫外光譜中的重要內(nèi)容,是教學(xué)目標(biāo)中的掌握內(nèi)容。為了更好的實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo), 作者設(shè)計(jì)了如下試題。

試題：在堿性條件下, 苯酚的最大吸波長(zhǎng)將發(fā)生何種變化？答案選項(xiàng)有：A.紅移；B.藍(lán)移；C.不變；D.不能確定。該題目考查的是一個(gè)基本規(guī)律：苯環(huán)上有助色團(tuán)存在時(shí), 助色團(tuán)的變化對(duì)苯環(huán)的吸收帶的改變, 包括助色團(tuán)的增強(qiáng)導(dǎo)致紅移(向長(zhǎng)波方向移動(dòng))、助色團(tuán)的減弱導(dǎo)致藍(lán)移(向短波方向移動(dòng))。解答：首先, 苯酚的羥基是助色團(tuán), 所以苯酚的最大吸收波長(zhǎng)與苯相比, 發(fā)生了紅移。其次, 苯酚在堿性條件下將成鹽, 參與苯環(huán)共軛的電子對(duì)增加一對(duì), 因此最大吸收波長(zhǎng)發(fā)生紅移。所以, 本題的準(zhǔn)確答案是A.紅移。

掌握了這個(gè)規(guī)律, 還可以舉一反三。苯胺與苯相比, 胺基是助色團(tuán), 所以苯胺的最大吸收波長(zhǎng)與苯的相比, 發(fā)生了紅移。但是苯胺形成鹽后, 氮不再有孤電子對(duì), 沒有孤電子對(duì)與苯環(huán)發(fā)生共軛, 意味著胺基的助色團(tuán)效應(yīng)消失, 因此苯胺鹽的最大吸收波長(zhǎng)與苯相近［1］。

非常有意思的是, 這兩道題目還可以在教學(xué)實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn),通過調(diào)整pH值來測(cè)定最大吸收波長(zhǎng), 這樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以驗(yàn)證助色團(tuán)規(guī)律, 學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)也可更好地掌握相關(guān)內(nèi)容。

2 紅外光譜(UV)

費(fèi)米共振是紅外光譜中的重要概念與理論, 是教學(xué)目標(biāo)的掌握內(nèi)容。費(fèi)米共振指的是：當(dāng)倍頻或組合頻與某基頻相近時(shí), 由于其相互作用而產(chǎn)生的吸收帶增強(qiáng)或吸收峰分裂。學(xué)生必須牢牢掌握這個(gè)概念并活學(xué)活用。為了更好的實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo), 我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)試題：化合物苯甲酰氯只含有一個(gè)羰基, 卻在1773 cm-1、1736 cm-1分別出現(xiàn)了吸收峰, 這是為什么？答案選項(xiàng)有：A.誘導(dǎo)效應(yīng)；B.共軛效應(yīng)；C.費(fèi)米共振；D.空間位阻。解答：C-Cl的伸縮振動(dòng)頻率是875cm-1, 其倍頻剛好與羰基的伸縮振動(dòng)的基頻發(fā)生費(fèi)米共振, 所以苯甲酰氯在1773 cm-1、1736 cm-1分別出現(xiàn)了吸收峰。因此, 本題的正確答案是C.費(fèi)米共振。類似的, 醛類化合物在2820 cm-1及2720 cm-1左右有兩個(gè)吸收峰, 這是νC-H和δC-H倍頻之間的費(fèi)米共振所致［2］。

3 核磁共振波譜(NMR)

核磁共振波譜(NMR)的內(nèi)容包括氫譜、碳譜, 所包含的內(nèi)容多且抽象。需要掌握的內(nèi)容包括：①NMR基本概念和原理。②化學(xué)位移, 包括其產(chǎn)生、表示、影響因素；偶合與裂分, 包括自旋-自旋偶合、核的等價(jià)性、偶合常數(shù)；分子內(nèi)部的結(jié)構(gòu)因素及實(shí)驗(yàn)條件對(duì)譜圖的影響；低級(jí)譜和高級(jí)譜等［3］。掌握這項(xiàng)內(nèi)容的最終目的是能夠解析簡(jiǎn)單的氫譜與碳譜。為了更好的完成教學(xué)目標(biāo), 幫助學(xué)生掌握綜合解析的能力。作者設(shè)計(jì)了多個(gè)試題。

試題：異香草醛經(jīng)溴化和甲基化兩步反應(yīng)得到產(chǎn)物(圖1, Br的取代位置未定),1H NMR只有5個(gè)信號(hào), 3.75(s, 3 H), 3.80(s, 3 H), 6.80(d, J=7.5 Hz, 1 H), 7.60(d, J=7.5 Hz, 1 H), 10.80(s, 1 H)。確定Br的取代位置。

解答：這道題考查了苯的衍生物的1H NMR特點(diǎn)。首先3.75(s, 3 H), 3.80(s, 3 H)可以判定分別是兩個(gè)甲氧基的甲基氫；其次, 10.80(s, 1 H)是醛基的活潑氫；6.80(d, J=7.5 Hz, 1 H), 7.60(d, J=7.5 Hz, 1 H)是苯環(huán)上氫, 從偶合常數(shù)上判斷這是兩個(gè)鄰位氫。所以該化合物結(jié)構(gòu)式判斷為圖1B所示。

試題：某化合物C13H12O, 經(jīng)IR測(cè)定含有羥基和苯基, 其13C-NMR信息為76.9 (24, d), 128.3 (99, d), 127.4 (57, d), 129.3 (87, d), 144.7 (12, s), 試推斷其結(jié)構(gòu)。(括號(hào)內(nèi)為峰的相對(duì)強(qiáng)度及重峰數(shù))

解答：分子式：C13H12O, 推出不飽和度Ω=13+1-12/2=8,一個(gè)苯環(huán)的不飽和度Ω是4, 所以該化合物可能含2個(gè)苯環(huán)。碳上的連氫數(shù)量決定了碳信號(hào)的強(qiáng)度, 根據(jù)峰的相對(duì)強(qiáng)度及重峰數(shù)76.9(24, d), 128.3(99, d), 127.4(57, d), 129.3(87, d), 144.7(12, s), 推出76.9 (24, d)為一個(gè)CH；128.3 (99, d)為四個(gè)CH；127.4 (57, d)為兩個(gè)CH；129.3 (87, d)為四個(gè)CH；144.7(12, s)為C。推斷該化合物為：二苯基甲醇。

4 質(zhì)譜(MS)

質(zhì)譜在結(jié)構(gòu)鑒定有非常重要的應(yīng)用, 它可以配合NMR技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)鑒定, 有經(jīng)驗(yàn)的研究人員還可以從質(zhì)譜中挖掘出豐富的結(jié)構(gòu)片段信息。該章節(jié)需要掌握的內(nèi)容包括：①掌握質(zhì)譜碎裂機(jī)制, MS中的離子類型。②離子的斷裂機(jī)理, 影響碎裂反應(yīng)的因素。③常見化合物EI-MS的特征。通過掌握這些內(nèi)容最終使得學(xué)生能夠解析簡(jiǎn)單化合物的結(jié)構(gòu)［4］。

為了更好的實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo), 作者設(shè)計(jì)了如下試題：某化合物的分子式是C8H8O2, 質(zhì)譜中檢測(cè)到的主要離子(不含同位素)有m/e 136(30), 105(100), 77(60), 51(45), 39(20)。請(qǐng)指定化合物的結(jié)構(gòu)及各峰對(duì)應(yīng)的碎片離子。

解答：根據(jù)分子式, 該化合物的不飽和度Ω是5, 提示可能含有一個(gè)苯環(huán), 另外還有一個(gè)雙鍵(碳碳雙鍵或者羰基)；77的離子片段是單取代苯的特征, 51, 39是在單取代苯的基礎(chǔ)上進(jìn)一步裂解得到的片段；136是分子離子峰, 105是136脫去一個(gè)m/e 31的片段, 這是甲氧基的特征。判斷該化合物為苯甲酸甲酯。

［1］ 彭師奇.藥物的波譜解析.北京醫(yī)科大學(xué)&中國(guó)協(xié)和醫(yī)科大學(xué)聯(lián)合出版社, 1998.

［2］ 姚新生.有機(jī)化合物波譜分析.中國(guó)醫(yī)藥科技出版社, 2004.

［3］ 廣州醫(yī)學(xué)院教務(wù)處.藥學(xué)教學(xué)大綱, 2011.

［4］ 孔令義.波譜解析.北京:人民衛(wèi)生出版社, 2011.

Construction of spectral analysis item bank

Spectral analysis is the important course of pharmacy, including ultraviolet spectrum (UV), infrared spectrum (IR), nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR) and mass spectrum (MS).These four spectrums are powerful tools to analyze organic compounds with advantages of accuracy, rapidness and less sample needed.Spectral analysis is widely applied in areas of chemistry, biology, medicine, materials, food, health and environment.This article shows the construction of item bank for spectral analysis, which will help students master what they study in this course.

Spectral analysis; Teaching objectives; Item bank

510182 廣州醫(yī)科大學(xué)藥學(xué)院