《天然藥物化學》課程中化合物結構解析內容教學探討

許鳳清，王國凱，王舉濤，劉勁松

（安徽中醫藥大學 藥學院，安徽 合肥 230012）

天然藥物化學是藥學類專業一門主干課程，旨在分析天然藥物中的藥效物質基礎，用現代科學技術和儀器研究天然藥物的化學成分.課程內容包括化合物結構類型、理化性質、提取分離和結構鑒定四個模塊.其中結構鑒定一直是本門學科教學中的重點和難點，內容涉及紅外光譜（IR）、紫外光譜（UV）、核磁共振波譜（NMR）、質譜（MS）、園二色譜（CD）和 X- 射線單晶衍射（X-ray）等[1-2]，基本概念和原理比較抽象，加之《有機化合物波譜解析》課程中的實例主要側重于小分子的結構鑒定，絕大多數學生很難在沒有實訓經驗的狀況下將所學知識嫻熟地應用于結構繁雜的天然有機化合物的結構解析中來，從而產生挫敗感.如何激發學生學習興趣，調動學習的主動性和積極性，提高其分析圖譜和綜合利用圖譜信息進行化合物結構解析的能力，是《天然藥物化學》課程教學中不可忽視的問題.本課程組多年來一直承擔我院《有機化合物波譜解析》和《天然藥物化學》課程的教學任務，教師在教學過程中積極思考，針對教學內容、教學方法、教學手段及教學模式均進行了一些有益的嘗試和探索.

1 總結規律，循序漸進式設計教學內容

天然藥物化學各種類型的成分均有其獨特的結構特征、波譜特征和規律.四大波譜技術在天然化合物結構解析中扮演者各自的角色.課程組教師多年來在廣泛收集化合物的原始圖譜的基礎上，總結出各類化合物成分的波譜特征和結構解析過程，并將其應用于課堂教學中.

核磁共振技術在結構解析中的作用是大家有目共睹的，對于初學者來說其譜圖的解析難度也是不容忽視的.這一部分內容亦是天然藥物化學課程中講授結構鑒定內容的最大障礙，究其原因，源于前一學期所學的化合物核磁共振相關數據及知識，因較少使用或疏于練習，常常被遺忘或者基本上不能系統的把譜圖中信息轉換成可供應用的波譜數據.因此，在總論的教學內容里面，一維核磁共振譜圖提供的信息，包括峰面積、峰位、偶合常數及溶劑峰等知識點需要進一步鞏固，以及常見、典型的數據，影響化學位移的因素等，要進行必要的復習，以利于后面靈活運用.

大家都清楚，芳香族化合物的核磁數據呈現出較強的規律，且無論在1H-NMR還是在13C-NMR中，色譜峰位置相對固定，偶合關系明確，且受其他結構片段信息干擾很小，其學習起來相對較容易，而天然藥物中香豆素、醌類、黃酮類等成分，分子結構中都含有苯環的結構片段.于是，課程組教師從苯環入手，依次介紹單取代，鄰位、間位、對位的含氧二取代，三取代及多取代的芳香氫質子耦合情況及含氧基團的引入對鄰位、對位、間位碳原子化學位移的影響規律.在此基礎上，學生需要學習的新知識也就只有香豆素中吡喃酮環中α，β-不飽和內酯、醌類化合物中的醌環及黃酮分子中三碳鏈為新的內容，某種程度上降低了學習的難度，極大克服了學生的畏難情緒.另外，環己烷的結構片段在天然藥物化學的萜類、甾體類極其常見，且與吡喃糖分子也極其相似，針對這個問題，課程組教師在“糖和苷”一章的教學中，多從環己烷立體結構中某相鄰兩個碳原子上的氫質子在核磁共振譜上的峰型、峰位的分析入手，回顧之前所學該結構中直立鍵、平伏鍵氫質子耦合裂分情況，從耦合常數入手，判斷相鄰碳原子上氫質子的空間位置，隨之將此知識應用到最常見的單糖D-葡萄糖，介紹其1H-NM R和13C-NMR譜中的特征，包括峰位、峰型、耦合常數以及不同溶劑的影響結果等，在學生掌握葡萄糖核磁波譜的基礎上，其他各種類型糖（去氧糖、氨基糖等）的結構解析以及苷類化合物分子結構中糖基的數目、類型、相對構型、絕對構型、糖基的連接順序等難題就能迎刃而解.

2 融合多種教學方法，激發學生學習興趣，調動學習的主動性和積極性

天然藥物中化合物的結構解析，需要具備理論知識綜合利用的能力，這對初學結構解析而缺少實際訓練的學生來說，難度是顯而易見的.因此，在教學過程中，采用何種教學方法激發學生學習興趣，調動學習的主動性和積極性就變得尤為重要.由于各種光譜基礎知識在《有機化合物波譜解析》課程中均做了詳細的介紹，本門課程中可有意淡化該部內容的學習，而注重于從具體的實例入手.一般而言，紅外光譜和紫外光譜大部分同學都已掌握其解析的方法，難度大的是核磁共振圖譜及質譜的解析.為了讓學生真正掌握結構鑒定中波譜解析過程和方法，課程組教師適當選擇科研過程中獲得或者從文獻輔助材料中得到的一些具有代表性的化合物的譜圖，以原始圖譜作為授課的實例.就核磁共振圖譜而言，如何從圖譜中獲得需要的信息，并將圖譜信息轉化成數據，如氫/碳的個數、種類、偶合常數等，這個過程不是一朝一夕就能完成的，需要經過反復練習.為此，課程組教師將教會學生使用NMR solutions（MestReNova）軟件，并按照難易度不同陸續給同學們提供香豆素（傘形花內酯、七葉內酯、補骨脂素、紫花前胡苷等）、蒽醌（大黃素、大黃酸、蘆薈大黃素等）、黃酮（芹菜素、木樨草素、槲皮素、二氫槲皮素、甘草素、紅花苷等）的相關圖譜，要求學生學會信息轉化并根據所學知識進行化合物的結構推測，鼓勵并組織感興趣的同學課堂上和同學們分享這一過程.質譜可以測定分子量、分子式.一張質譜圖，首先要清楚是什么類型的質譜圖，就FAB-MS和ESI-MS而言，尋找正確的分子離子峰尤為重要，離子源的不同，往往會出現[M+Na]+、[2M+Na]+、[M+K]+、[2M+K]+、[2M+H]+、[M+Cl]-等常見信號，關于EIMS中的裂解碎片離子峰往往對于推斷化合物的分子骨架很有用，我們采用充分應用案例教學和討論式教學來進行教學.

另外，核磁共振二維譜在有機化合物結構解析中可以起到一維譜無法替代的作用，其解析的程序為，借助一維核磁譜和其他手段，獲得、了解或猜測化合物的基本結構，選擇必要的二維譜進一步確認，獲取更為深入的結構信息（如空間結構等）.但對于相對復雜一些的化合物，其二維譜信息的轉化，需要分析者具備較好的分析、處理譜圖的技能，嚴謹的態度，同時兼具細心和耐心.首先，圖譜分析者 一 定 要 清 楚 HSQC、HMBC、1H-1H COSY、ROESY或NOESY等各種相關譜的解析方法和所能解決的問題[3-4].舉個最簡單的例子，我們想知道一個化合物是木樨草素3'-O-β-D-葡萄糖苷還是木犀草素4'-O'-β-D-萄糖苷，此時從一維核磁數據很難做出準確的判斷，若有HMBC的圖譜，問題就變得異常簡單了.因此，在天然藥物化學成分結構鑒定中，適當的引入二維化學位移相關譜的知識，在課堂講授中演示如何從這些相關譜中獲得需要的信息，合理推導結構片段并將其拼湊成一個完整的分子，另外為學有余力的同學提供確定結構的二維譜，對于培養其邏輯思維能力、空間想象能力和嚴謹的推理能力有著積極的意義.此外，課堂上對某些知識點引入討論也是很有必要的，例如黃酮的C-環中的AA'BB'及ABX系統的耦合情況，又如二氫黃酮C-2及三萜類、甾體的C-3位羥基取代后的構型以及齊墩果烷型三萜和烏蘇烷型三萜母核結構的確定等諸多問題，只有在同學們認真思考后，才會留下深刻的記憶.

課程組教師經過多年的實踐，在傳統的講授教學法中融入案例教學法、討論法和體驗學習教學法，取得了很好的教學效果.在學生熟練、快速地掌握基本知識后，用案例的真實性、實踐性來激發學生的興趣，討論來提升學生的主觀能動性，體驗學習教學以促進學生在“研究”“思索”和“想象”中領悟知識、掌握知識，以期達到激發學生學習的積極性和主觀能動性，將《有機化合物波譜解析》中所學的知識游刃有余的應用到天然藥物化學的結構解析中來.

3 有機組合傳統教學與現代教學手段，豐富教學內容，提高教學效率和效果

化合物的結構解析，多以圖譜和數據為基礎，相對抽象，沒有客觀真實的圖譜，就會讓學習變得晦澀難懂，計算機輔助多媒體教學可以將各種類型化合物圖譜原貌呈現出來，增強學生的感性認識，使抽象的教學內容變得豐富和生動[5]，適時彌補了傳統教學手段中的不足.化學繪圖軟件和圖譜分析軟件是天然藥物化學學習及研究中發揮著不可或缺的作用[6-7]，天然藥物化學中多數化合物大多數為非平面性分子，如萜類、生物堿、木脂素、二氫黃酮等，因分子中存在手性碳，勢必會涉及其相對構型好絕對構型，此時采用Chemdraw、ChemOffice等化學繪圖軟件，通過計算機模擬化合物可以自由旋轉的三維立體構型，讓學生從各個角度來觀察分子的結構，刺激視覺感官，增強印象.

隨著計算機網絡信息的發展，許多專業網站給同學們亦給大家提供了學習的平臺.如微譜數據-核磁共振碳譜數據庫（13C NMR庫）（http://www.nmrdata.com），中科院長春應用化學研究所應用化學數據庫（http://www.appchem.csdb.cn/），中國科學院化合物參考數據庫圖譜庫（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，文獻信息的網絡化，亦給學習提供了廣闊的學習空間，通過SciFinder Scholar(CA網絡版)可以快速地查到化合物相關文獻，然后結合ACS（美國化學學會）電子期刊全文數據庫(http://pubs.acs.org/)、ScienceDirect電子期刊庫（http://www.sciencedirect.com）、Web of Science（http://apps.webofknowledge.com）等數據庫找到原始文獻，通過輔助材料獲得較全面的相關化合物波譜信息.將這些平臺和網站介紹學生，做到真正意義上的“授人以漁”.

4 深化集體備課，提高教學質量

以課程組為單位，定期組織教師開展對教材和教學大綱的研讀、分析學情、制定教學計劃、分解備課任務、審定教學提綱、反饋教學信息等活動[8].集體備課中，針對教學內容的重點和難點進行充分討論，針對教學方法和方式則采取分教師分內容負責各章節的試講，其他教師點評的方式來共同商討，最終達成共識.總之，通過多年來的集體備課活動，融合了課程組教師的經驗和才智，優化了教學方法提高了教學效果，提升了教師、特別是青年教師的教學能力及業務水平，增加了教師之間的感情增強了教研室的凝聚力.

天然藥物化學課程中化合物結構鑒定，即是利用四大光譜之間的關系和表征，拼湊化合物片段的過程，其推斷結構過程需要科學嚴謹的推理，如何把這些化合物片段合理地組織起來，是對學生譜學知識構架的考驗.因此在教學過程中貫穿以學生為中心的指導思想，沿著培養學生學習能力的主線，整合內容，總結規律，循序漸進式的設計教學內容，融合多種教學方法，將傳統教學方式和現代教學方式有機結合，在激發學生的學習興趣的同時，調動學習的積極性和主動性.同時，在教學過程中需加強與相關課程的聯系，體現學科知識之間的相關性、連貫性和系統性，逐步提高學習的效果.

〔1〕孔令義．天然藥物化學[M]．北京：中國中醫藥出版社，2015．

〔2〕吳立軍．天然藥物化學[M]．北京：人民衛生出版社，2011．

〔3〕黎明，孫平川，何丙林．核磁共振二維譜(2DNMR)及解析方法——1．二維J分解譜和同核化學位移相關譜．現代儀器使用與維修，1998（4）：28-32．

〔4〕黎明，孫平川，何丙林．核磁共振二維(2DNMR)及解析方法——2．化學位移相關譜[J]．現代儀器，2000（1）：30-34．

〔5〕劉勁松，王剛，吳德林，等．波譜解析課程教學改革與實踐[J]．安徽醫藥,2013,17(1)：177-178．

〔6〕劉立佳，王玉丹，趙方波．ChemOffice 軟件在化學教學中的作用 [J]．教育教學論壇，2015（1）：224-225．

〔7〕高昊，吳曉琦，張仁望，等．核磁共振實驗模擬軟件NMR-Sim在“有機化合物波譜解析”課程教學中的應用．中國科教創新導刊，2011（26）：102-105．

〔8〕王舉濤，王剛，劉勁松，等．深化集體備課，提高天然藥物化學教學質量 [J]．廣州化工，2013，41（5）：267-268，278．