張 迪，曹 陽，王曉斌，史大華

(江蘇海洋大學 藥學院，江蘇 連云港 222005)

《有機化合物結構鑒定》是藥學專業(yè)、海洋化學專業(yè)研究生的一門專業(yè)基礎課程，主要講授利用紫外光譜、紅外光譜、核磁共振波譜、質譜等解析有機化合物結構的方法及原理[1]，培養(yǎng)研究生運用譜學知識解析復雜有機化合物結構的能力，為學生日后從事藥學及相關專業(yè)科研、生產工作奠定重要基礎。

然而由于該課程內容抽象，難以理解，使得研究生學習興趣不高，加上研究生本科時的專業(yè)背景不同，對有機化合物結構鑒定知識的掌握情況不同，學習效果一般。如何提高研究生在課程學習過程中解析實際譜圖的能力，是研究生課程教學過程值得探討的關鍵問題[2]。結合筆者的課程教學實踐，本文就解決該問題提出了以下幾點粗淺的看法：

1 教學內容分主次，抓住重點內容

眾所周知，隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展進步，現(xiàn)在有機化合物的結構鑒定主要依靠核磁共振波譜、質譜、單晶衍射[3]等技術手段。結合研究生科研情況、學生的知識基礎和教學實踐經驗，我們認為：

(1)在教授這門課的時候，主要講解的重點內容就是核磁共振波譜和質譜知識，應分配給這兩個板塊更充裕的學時進行授課；次要講解紅外光譜、紫外光譜知識，適當降低這兩個板塊的授課學時。在核磁共振板塊，學時應著重分配在講解核磁共振氫譜、碳譜、二維譜中的HMBC、HMQC、COSY、DEPT、NOESY譜上面；在質譜板塊，學時應著重分配在不同類型的有機化合物質譜的裂解規(guī)律及例題的講解上面。

(2)基于《有機化合物結構鑒定》課程實戰(zhàn)性很強的特點，加之研究生具有一定的波譜解析基礎，因而在講授該課程時，可以適當概括性地講解課程中的原理或機理性知識，詳細地講解譜圖解析中用到的方法性知識和技巧。例如，在講解核磁共振氫譜時，不過多的介紹核磁共振氫譜產生的機理，而可以著重介紹解析氫譜的三要素：化學位移、峰面積和耦合裂分。在講解化學位移時，以常見的甲氧基、乙?；?、醛基、取代苯等基團為例，讓同學們熟記它們的化學位移值，而氫譜中的峰面積代表此處氫的個數(shù)，可以結合本文中提到的軟件一并講解。值得注意的是，在講解耦合裂分時，一定要結合例子進行，特別是要舉一些高級耦合的結構例子，使這部分晦澀的知識點更加通俗易懂，進而掌握更為高深的耦合常數(shù)“N+1”律。在講解核磁共振二維譜COSY譜時，注重介紹COSY譜的特征，即橫縱坐標都是氫譜和圖譜中的“對角線峰”，使同學們明白COSY譜上下的對稱性，進一步使同學們掌握在解析COSY譜只需要解析一半譜圖的規(guī)律。在講解紅外光譜時，注重講解各官能團的紅外吸收峰特征，如羰基化合物中羰基紅外吸收波數(shù)在1 700～1 600 cm-1之間，幾乎無其他官能團干擾，且吸收強度高，極容易辨認，可以說是“只此一家，別無他店”，通過這種特征性的講解，加深同學們對紅外光譜的理解，掌握紅外光譜的解譜規(guī)律。

(3)選用包含有以上知識板塊的教材。筆者在授課時選用的是寧永成教授的《有機波譜學譜圖解析》，該書內容詳盡、舉例難度適當，非常適用于研究生波譜解析類相關課程的教材[4]。

2 豐富教學方式，提升學生興趣

學習興趣是學生進行自主學習的源動力，因此，提升學生的學習興趣對于學好相關課程至關重要。多媒體教學，不僅是現(xiàn)在普遍采用的教學方式，而且有助于提升學生的學習興趣。

對于研究生《有機化合物結構鑒定》課程來說，多媒體教學更是必不可少。本課程中的一些原理類的知識，在授課過程中我們可以通過搜索相關素材的gif動圖、2～5 min的flash動畫來進行講解。例如在講解核磁共振波譜的原理時，可以從國內外相關網站上精選雙語原理解析短視頻，插入課程PPT中進行播放或者通過插入超鏈接的方式，在網頁上播放。此外，為了緩解課程的枯燥性，可以搜索課程內容相關的名人故事，如可播放著名的諾貝爾獎獲得者“磁共振七君子”的視頻，吸引學生的注意力，又或者可以播放一些國內實力較為雄厚的實驗室的采訪視頻，激發(fā)研究生進行科學研究的動力。多媒體動畫的應用，一方面使抽象的、略顯枯燥的教學內容變得更加生動形象，另一方面通過改變“相對靜態(tài)的”教學方式為短暫的“相對動態(tài)的”多因素媒體模式，更容易調動學生學習的積極性，提升他們的興趣。

除了講授理論知識，我們還嘗試課堂上通過軟件操作的方式教學?！队袡C化合物結構鑒定》課程涉及的主要軟件有ChemOffice[5]、Mestrenova[6]、MassHunter等[7]。其中，ChemOffice軟件主要有繪制化合物平面結構、預測化合物光譜、模擬化合物三維結構及構建反應流程圖等功能。例如在課堂上可以為同學們詳細講解：(1)如何利用Chemdraw軟件畫出常見類型的有機化合物?？梢院唵位衔餅槔?，教大家學會用軟件判斷手性碳原子構型并打開關聯(lián)的Chemdraw 3D軟件，觀察3D模式下化合物的結構；(2)以文獻報道的化合物為例，教同學們查看該化合物模擬的核磁共振氫譜、碳譜，并與文獻實際中報道的數(shù)據進行比對，進而講授相關的軟件解譜知識；(3)讓同學們自選藥物合成反應的相關文獻，教授大家利用Chemdraw軟件自帶圖形構建文獻中的化學反應流程圖，進而教授同學們利用軟件美化反應流程圖等與發(fā)表論文的相關的操作經驗。

Mestrenova軟件主要用來處理、分析化合物的核磁共振譜圖。在講授該軟件應用的時候，應注意講授的邏輯順序：(1)首先講授一維核磁共振譜圖的處理方法。如打開一個具體化合物的原始譜圖中的fid文件后，第一步應調整譜圖的相位，第二步調整譜圖的基線。對于一維譜，以上兩個步驟不可或缺。(2)接下來判斷譜圖的類型，對于具有核磁共振波譜基礎的同學們來說，該步驟比較簡單。如判斷譜圖為化合物氫譜，需要完成譜圖的積分和標峰。積分時，筆者經常選擇位于低場的裂分比較清晰的不飽和氫或活潑氫為參照，再給剩余氫信號積分。標峰時，應以譜圖中氘代溶劑為參照，再給剩余信號標峰。如判斷化合物為碳譜，只需要給譜圖進行標峰。在講授這一步驟時，應要求同學們熟記常用氘代溶劑的氫譜、碳譜的化學位移。(3)在講解完用利用軟件處理化合物的一維譜后，可以講解如何利用軟件對二維譜進行處理和分析。首先，對于化合物的原始二維數(shù)據來說，教導同學們用軟件打開數(shù)據中的ser文件，打開后進而判斷二維譜的類型。此處判斷譜圖類型時，可結合教材上的知識，起到相互呼應的教學效果，加深同學們的印象。然后對二維譜進行簡單處理，如對二維譜橫縱坐標“譜”的設置。對于COSY、NOESY譜來說，其橫縱坐標“譜”對應的都是化合物的氫譜。而對于二維譜HMBC、HMQC來說，其橫坐標“譜”一般對應為化合物的氫譜，縱坐標“譜”為碳譜。以上橫縱坐標“譜”的設置可以通過軟件中的setup實現(xiàn)。此外，還應包括二維譜的“定標”。對于COSY、NOESY譜來說，筆者經常選取坐標零點進行校正。對于HMBC、HMQC來說，筆者經常選取氘代溶劑的碳譜、氫譜值進行譜圖校正。

MassHunter軟件的主要功能有精準匹配化合物分子式，定向檢索化合物等?？傊?，這些軟件功能強大，不僅可以起到輔助解析有機化合物結構的作用，而且更重要的是，軟件的介入有助于進一步激發(fā)學生的好奇心和學習樂趣，幫助他們掌握有機化合物鑒定的專業(yè)技能。筆者在這一部分授課時，一是鼓勵學生們自行下載以上軟件的試用版，安裝到他們的筆記本電腦中，自行摸索應用，二是鼓勵研究生同學們上課時帶上筆記本電腦，隨堂進行軟件的實際操作，使同學們掌握利用ChemDraw軟件繪制化合物結構、利用Mestrenova軟件對化合物氫譜進行標峰、積分、分析耦合常數(shù)等基本的軟件功能。多媒體介導的課堂軟件的教學方式，極大地吸引了研究生學習本課程的興趣，取得了良好的教學效果。

3 采用案例教學，讓學生動手操作

采用案例教學方式，能夠通過師生之間積極的互動取得良好的教學效果?！队袡C化合物結構鑒定》課程案例教學的關鍵是選取難度適中的有機化合物譜圖案例。選取的難度要循序漸進，從結構比較簡單的有機化合物譜圖，到結構相對復雜的有機化合物譜圖。筆者在教學時選取了共3個案例，見圖1。其中，案例1結構較為簡單，總計10個碳原子，且有一條4個碳原子組成的支鏈，結構特征非常適用于側重講解COSY譜(圖2)，而該案例設置的教學目標恰好就是使同學們利用COSY譜把案例1的支鏈連接起來；案例2的結構稍微復雜一些，其酰亞胺環(huán)右邊的結構包含三個共軛雙鍵，其上氫信號較少，結構特征非常適用于側重講解HMBC譜(圖3)，而講解的目的就是使同學們利用HMBC譜把結構中的季碳及雜原子連接起來；案例3的引入一方面可將案例3的譜圖(圖4)和案例2的進行比對，因為案例3的結構只比案例2的少一個雙鍵，使同學們更容易上手解析，發(fā)現(xiàn)二者的異同，另一方面講解時可側重綜合運用COSY譜、HMBC譜進行解析，加深同學們對譜圖解析的理解。

圖1 教學案例Fig.1 Teaching cases

圖2 教學案例1的COSY譜Fig.2 The COSY spectrum of teaching case 1

圖3 教學案例2的HMBC譜Fig.3 The HMBC spectrum of teaching case 2

圖4 教學案例3的HMBC譜Fig.4 The HMBC spectrum of teaching case 3

筆者在采用案例教學時采用的方式大致是：(1)從Journal of Natural Products、Phytochemistry等天然產物權威雜志中選取難度合適的新穎天然產物，找到其全部清晰譜圖，尤其要包含放大的二維NMR譜圖。(2)按照UV、IR、MS、NMR的順序添加頁碼排版打印成冊，NMR譜圖可以按1H-13C-COSY-HMQC-DEPT-HMBC-NOESY的順序，放大的譜圖安放在各完整譜圖之后。(3)將打印好的譜圖冊發(fā)放給課堂同學，按照順序進行逐一講解，注重講解每種譜圖的特征。講解時，可板書目標化合物結構式，講解到UV時，可用不同顏色粉筆標出化合物的共軛結構，表明二者之間的對應關系；講解到IR時，可以讓同學們找出結構式中官能團對應的紅外吸收峰，加深同學們對紅外光譜的理解；講解到二維NMR中的COSY譜時，可要求同學們隨堂用標尺和鉛筆畫出相關信號，通過實際演練，掌握二維核磁共振波譜的解析方法。在整個講解的過程中，鼓勵同學們積極討論、舉手提問，營造良好的教學氛圍。筆者認為，通過這種實際動手解析化合物結構的過程，能夠進一步使研究生將解譜知識融會貫通，提升綜合譜圖的解析能力。

4 學生自由分組，進行文獻匯報

文獻學習是研究生攻讀期間必須掌握的一種能力。在本課程的教學實踐中，筆者讓研究生分小組進行文獻匯報，大致采用如下的方式：(1)明確文獻匯報的內容要求，即要求每小組要匯報近期報道的文獻中1～2個新穎天然有機化合物的結構鑒定全過程，包括一些教材未講過的立體構型鑒定手段，如Mosher’s酯反應定仲醇絕對構型、Marfey法定氨基酸種類及構型、X-射線單晶衍射技術、量子化學計算[8]等。特別要鼓勵研究生尋找新型碳骨架的天然產物圖譜進行匯報。(2)引導學習本課程的研究生自由分組，一般以4～6人一組為宜，小組內組員可參照如下分工：1～2人負責解析化合物的紫外光譜、紅外光譜、氫譜、碳譜，1～2人負責解析化合物的HMQC、DEPT、HMBC譜，1～2人負責解析化合物的立體結構，1人負責最后的結構解析匯總和PPT制作。鼓勵組員在譜圖解析時就遇到的難點互相進行討論，共同解決問題，共同進步。(3)以小組為單位進行課堂匯報，即每組選出1名組員為代表進行課堂匯報，匯報采用PPT結合板書的方式進行講解。要求同學們把化合物的結構解析過程講通透，特別是要講解清楚化合物結構片段的確立、連接方式以及立體構型確定的譜圖解析過程，并要求同學們逐步掌握不同譜圖之間相互印證的同一結構片段的能力。筆者認為采用這種方式，一方面能夠檢驗研究生課堂學習的成效，即是否掌握了基本的識譜、解譜方法；另一方面能進一步夯實研究生解析譜圖的能力，掌握有機化合物結構鑒定的全流程。此外，通過這種方式還能夠訓練研究生團體協(xié)作解決問題的能力。

5 結 語

《有機化合物結構鑒定》是藥學及相關專業(yè)研究生的一門應用性、綜合性極強的課程，需要課堂教師不斷探索更加完善合理的教學方法和模式，努力提高課程教學效果，切實提升研究生實際的解譜能力。筆者在本課程的教學過程中，通過學時重分配、多媒體加軟件教學、學生實際案例解譜、文獻教學的方式，取得了較好的教學效果，這為他們后續(xù)的科研、生產等工作的順利進行奠定堅實的基礎。