波譜分析結合有機化學的案例式教學討論

羅治斌

(江蘇大學化學化工學院，江蘇 鎮江 212013)

波譜分析是一門應用性很強的課程，強調利用紅外光譜，紫外光譜，質譜及核磁共振等表征手段對未知化合物的結構進行分析，是有機化學專業研究生步入科研工作的鋪墊課程。該課程同時融匯了儀器分析與有機化學的知識，實用性強并且十分強調學生邏輯推理能力的培養。對于大部分尚未接觸科研工作的學生而言，這門課程的學習既是重點也是難點。

然而結合實際教學科研經驗，筆者發現盡管學生們在課堂上能夠很好的掌握知識要點，也能獨立解決大部分的課后練習題。但是步入實驗室以后，當真正需要運用波譜分析的知識來解決科研問題時，學生很多情況下都無從下手，以往學到的知識很難應用于實戰。可見我們在教學過程中往往只注重知識的講授，卻經常忽略了教授學生們思考問題解決問題的方法。因此筆者認為在波譜分析課程的教學過程中要更加注重案例分析討論的講解，除了講明白每種波譜分析的要點，更要教授學生如何運用知識解決實際問題[1-3]。而要做到這一點，單純的波譜分析課程知識是遠遠不夠的，更要加強該課程與有機化學課程的相結合[4]。通過有機化學知識來思考反應的機理，運用波譜分析的知識來觀察分析未知化合物的特征，將“想”與“看”結合起來處理問題。波譜分析課程通常包含紅外光譜，紫外光譜，質譜及核磁共振四大部分內容。其中核磁共振作為現代有機化學的重要分析方法，是該門課程的重點章節。因此接下來筆者將以核磁共振教學為例，介紹波譜分析課程的案例式教學。

筆者通常在本課題組近期發表的科研工作中挑選實例，因此案例內容一般都是緊跟研究前沿的工作，而非沿用了多年的“經典”例題。比如，以圖1中的硼化反應為例[5]。首先向學生拋出問題：反應選用的起始原料為丙炔醇結構與聯硼酸頻那醇酯，反應環境為堿性。反應后得到一未知新化合物，并測定了核磁共振氫譜及碳譜供學生分析。那么面對這樣一個問題該如何找切入點進行分析呢？具體可以通過以下幾個階段來引導學生解決問題。

1 運用有機化學知識進行思考，推測反應可能的進行方向，預測可能出現的產物

面對一個未知問題，我們不可能直接從譜圖分析開始，首先要對反應進行思考，活用有機化學知識分析，推測可能的產物結構，從而縮小研究范圍。根據已有的知識，該反應使用了聯硼酸頻那醇酯作為底物，因此反應很可能屬于硼化反應。另一方面，在堿性條件下，丙炔醇結構的羥基會脫質子，從而與聯硼酸頻那醇酯形成加和物。由于存在炔烴結構，該反應應該屬于炔烴的硼化過程。按照這個思路進行考慮，反應會在選擇性上出現多種可能。如圖1所示，化合物1與聯硼酸頻那醇酯形成的加和物上，硼官能團可以選擇炔烴上兩個不同的碳原子位置進攻，從而產生TS-1與TS-2兩個可能的中間體。而兩個中間體上的碳負離子一方面可能被質子淬滅，另一方面可能被聯硼酸頻那醇酯捕獲，從而生成化合物4-6三種可能的產物。而我們只觀察到了一種產物。因此接下來，我們的思考推理過程要停一下，轉而去分析譜圖信息。

圖1 丙炔醇與聯硼酸頻那醇酯硼化反應的可能機理Fig.1 Possible outcomes from borylation of propargylic alcohols

2 在推測出可能出現的多個結構后分析譜圖一一核對特征峰，找出最可能的結構

通常情況下，核磁共振氫譜給出的信息更為豐富，因此我們先分析氫譜。如圖2所示，在1.3 ppm的積分面積12的峰顯然屬于典型的硼酸頻那醇酯的四個甲基峰，由此我們可以得出結論，此未知產物中僅含有一個硼官能團。1.74 ppm的一個氫峰型較寬，應屬于活潑氫，推測為羥基氫。而4.36 ppm位置的兩個氫恰好符合羥基臨位亞甲基氫的化學位移范圍。7.0～7.5 ppm的范圍總共有六個氫。除了苯環結構應含有五個氫外，另一個氫很有可能屬于烯烴上的氫。通過氫譜不難發現，該譜圖比較接近推測產物4或者6。而進一步的碳譜分析也同樣證明了這一結論。通過核磁共振的初步分析，我們基本鎖定產物應為類似4或6化合物的結構。那么如何判斷此結構到底是化合物4還是化合物6呢？通過氫譜的二維譜，觀察烯烴氫與亞甲基氫的遠程共振耦合確實可以做出一個推測性的結果。但是對待一個嚴謹的科學問題時，我們往往不能簡單的推測，而應想辦法給出更為確鑿的證據。那么很明顯，核磁共振的分析只能幫助我們初步確定未知物的結構，一旦遇到結構復雜或者涉及到選擇性的問題時，就需要更為進一步的表征手段來判別結構。

圖2 目標未知物的核磁共振氫譜Fig.2 1H NMR of the target compound

3 結合其他多種表征手段，最終判定產物結構

對于此結構的進一步判斷，我們可以嘗試使用紅外光譜及質譜等方法。確實，通過紅外光譜譜圖，我們觀測到了雙鍵及羥基的特征信號。而通過高分辨質譜，我們進一步確定了該化合物的結構組成符合C15H21BO3的元素構成。但是這些表征手段都無法確定結構到底是異構體中的4還是6。最終，我們不得不依賴最為有力的表征手段，單晶衍射分析來判斷產物結構。但是單晶衍射的重要局限性在于只能分析晶體化合物，而我們的這個未知物卻是油狀物。那么如何解決這個問題呢。在與學生們討論分析后，我們得出了一個解決方案。由于前面的分析我們已經初步判斷出了產物結構。在此基礎上，我們通過衍生化，將硼酸酯水解為硼酸。通過這一策略，成功將油狀化合物轉為固體硼酸化合物并成功培養出單晶進行表征。而單晶衍射最終得出如圖3的結果，通過觀察我們發現該分子的結構確實是由化合物4衍生而來的。也就是說，我們的未知化合物就是化合物4。

圖3 目標未知物的單晶衍射結構Fig.3 X-ray structure of the target compound

4 逆向思考，反復嘗試推敲

在上面的這個例子中，我們使用了波譜分析中的絕大多數分析方法來判斷未知物結構。而這些都是基于我們第一步中成功推測出了可能的產物結構。在真正的科研分析中，往往很難做到一次成功。假如最開始的分析出現偏差，與表征數據不符合的情況下，我們就要重新分析推斷。通過表征數據找出特征官能團，然后逆推可能的結構，再從反應機理上進行解釋。上述過程即是科研過程中處理一個未知物的分析思路。通過以這樣的實際案例與學生進行討論互動。一步步地引導學生提出問題，分析問題，解決問題并最終驗證結果。

5 結 語

通過以上的例子不難發現，以這樣的實際科研工作作為教學案例，引導學生掌握解決科研問題的思考方式，對于研究生之后的學習工作具有重要意義。在這一教學案例中學生不僅要用到波譜分析知識，還同時需要良好的有機化學功底，并且能夠將各部分知識融會貫通才能順利解決問題。這種案例教學方式較之傳統的教學模式更加側重應用，能夠更加高效的提高即將步入科研工作的研究生思維模式的鍛煉。值得一提的是，在開展此類案例教學之前，要保證學生已經掌握了波譜分析的全部知識要點，這種案例式討論應作為最后的綜合能力提升環節引入課程。