波譜分析教學中核磁共振氫譜解析的教學設計*

劉賽文，劉 正，殷志紅

(湖南城市學院 材料與化學工程學院，湖南 益陽 413000)

波譜分析課程是運用紫外光譜、紅外光譜、核磁共振波譜(包括氫譜和碳譜)和質譜等現代物理手段研究有機物化學結構的一門學科。不同測試方法獲得的結構信息不同，在結構解析中的應用也不同，可以相互補充[1]。其中核磁共振氫譜用于獲取有機物結構中H原子的個數及種類，如從化學位移值(δ值)可以判斷各組氫核所屬類型；通過峰形和偶合常數可以判斷各組氫核所處的化學環境以及與其相連的基團的歸屬；通過高度或峰面積積分的相對比例可以測定各組氫核的相對數量[2-3]。本文主要探索核磁共振氫譜解析的教學設計，從導入新課、核磁共振氫譜中的信息、核磁共振氫譜的解析步驟、歸納總結、知識拓展五部分對教學內容進行設計。

1 導入新課

手握植物青蒿引入屠呦呦獲諾貝爾獎的故事，提高學生的學習興趣，培養學生善于鉆研、不畏困難的科學探索精神和奉獻精神。青蒿素的發現是一條十分艱難的探索之路。在發現青蒿素之前，屠呦呦團隊收集了2000多種藥方，篩查了200多種中草藥，研究了380多種提取物，實驗失敗了190次，終于從黃花蒿中分離出了抗瘧新藥—青蒿素。青蒿素的結構是青蒿素藥物研發的關鍵環節，那是用什么樣的方法來確定青蒿素結構的呢？在1975年，利用核磁共振，X射線單晶衍射等技術確定了其結構[4]。在青蒿素的結構鑒定中，核磁共振波譜起到很重要的作用。核磁共振波譜已成為獲取有機分子結構信息不可或缺的工具。導入相關知識點：掌握如何運用核磁共振氫譜來解析有機物的結構。

2 核磁共振氫譜中的信息

給出一張核磁共振氫譜圖，拋出問題，啟發學生思考，通過自己獲取信息來代替老師的灌輸。問：這樣一張核磁共振氫譜圖可以提供哪些重要信息(圖1a)？答：一是峰的數目；二是峰的強度，也稱為峰的面積；三是峰的位置；四是峰的裂分數。再由老師深入解讀各種信息的意義，由淺入深，幫助學生更好地理解。第一個信息—峰的數目，出現幾組吸收峰就說明有幾種不同化學環境的H原子。該譜圖中出現了四組峰，表示存在四種不同化學環境的氫原子。第二個信息—峰的強度，代表每一種氫原子的數目。在核磁共振儀中有配有電子積分器，能夠自動的將譜線強度畫成階梯式的線，以階梯的高度代表峰面積的相對值，并且積分高度之比等于氫原子個數之比。圖中四組峰的積分高度之比為1∶2∶2∶3，代表它們氫原子的個數之比為1∶2∶2∶3。老師列舉實例，學生通過實戰進一步加深理解。將乙酸苯乙酯放入核磁共振儀的磁場中，測出的核磁共振氫譜中有四組峰，積分高度之比為5∶2∶2∶3(圖1b)。詳細分析一下乙酸苯乙酯的結構，在乙酸苯乙酯的結構中有5個化學位移差不多的苯環氫，2個一樣的亞甲基氫，有兩組，3個一樣的甲基氫。它們的個數之比5∶2∶2∶3。

第三個信息是峰的位移，也就是峰出現的位置，代表氫原子所屬的類型。前面已經學習了各種氫核在核磁共振譜上出現的大體位置，下面從高場到低場一起來回顧各種氫的化學位移值。標準物質的化學位移為0，處在最高場的氫是烷烴和環烷烴的氫，化學位移值最小。然后是不飽和鍵相連碳上的氫；接著是雜原子旁邊的甲基和亞甲基氫，由于受到雜原子電負性的影響，它們的吸收峰移向低場。烯碳上的氫的化學位移大概在4.6～5.9。芳環上的氫位于6～8.5。處于最低場的兩類氫是羧基氫和醛基氫，醛基氫大概是9～10，羧基氫的化學位移值最大為10.5～12。活潑氫的變化范圍比較大，為0.5～5.5。氘代氯仿的溶劑峰位于7.27。這張圖對于核磁共振氫譜的解析非常重要(圖2)，一定要學生牢記。

圖2 常見質子的化學位移

第四個信息是峰的裂分數。圖中有四組峰(圖3a)，δ=9.8 處是單峰，沒有發生裂分。7.8處裂分為雙重峰，7.0處也裂分為雙重峰。3.7處沒有發生裂分，是一個單峰。根據n+1規則，可以知道相鄰碳上氫原子的個數。一級譜中的n+1規則，是解析核磁共振氫譜的重要法寶。那么什么是n+1規則呢？某基團的氫與n個相同的氫偶合時，吸收峰被裂分為n+1個，與該基團本身氫的個數無關。我們來看幾個化合物(圖3b)。第一個化合物中的亞甲基被3個一樣的甲基氫裂分為四重峰，3加1等于4，峰高之比為1∶3∶3∶1；而甲基被2個相同的亞甲基氫裂分為三重峰，2加1等于3，峰高之比為1∶2∶1。第二個化合物中的次亞甲基被3個一樣的甲基氫裂分為四重峰，而甲基被1個次亞甲基氫裂分為雙重峰，1加1等于2，峰高之比為1∶1。第三個化合物中甲基鄰位碳上沒有氫，所以不會被裂分，為單峰。

圖3 n+1規則的實例

從核磁共振氫譜上可以獲得峰的數目、峰的面積、峰的位移和峰的裂分，這些與化合物的結構有什么關系呢？需要對核磁共振氫譜進行解析。由前面核磁共振氫譜圖給出的信息過渡到核磁共振氫譜的解析，讓學生能夠學以致用，最終達到這章節教學的目的。

3 核磁共振氫譜的解析步驟

每一類化合物都有其特征官能團，可以根據核磁共振氫譜中出現在不同位置的化學位移對化合物結構進行推測。結合譜圖和分子式推測分子結構式有如下幾個步驟：第一步，根據分子式計算不飽和度U。U的計算公式在紅外光譜這一章已經學過了，U=[(2n4+2)+n3-n1]/2，n4是分子中4價原子的數目，如C、Si；n3是分子中3價原子的數目，如P、N；n1是分子中1價原子的數目，如H、X；氧和硫的存在對不飽和度沒有影響。第二步，從積分曲線計算氫原子數，確定譜圖中各組峰對應的氫原子數目。計算的依據是各峰的峰面積之比=產生各峰的質子數目比。第三步，考慮分子的對稱性。如果譜圖里面出現的峰的個數比較少，考慮分子存在對稱性。根據苯環化學位移附近出現峰的情況，可以判斷苯環取代基的關系，是處于鄰位，間位還是對位。第四步，對每組峰的化學位移、偶合裂分情況推測結構片段。這是我們解析核磁共振氫譜最難的地方。需要學生熟記各種氫在核磁共振譜上出現的范圍與n+1規則。第五步，組合結構片段，推出可能的結構式。最后，對推出的結構進行驗證，排除不合理的結構。

講解完核磁共振氫譜的解析步驟，通過舉例讓學生思考，學會自己解決問題。有機化合物分子式為C8H8O2的核磁共振氫譜圖如圖4。

圖4 核磁共振氫譜解析實例

試推測其結構。首先，根據分子式計算不飽和度。U=8+1+1/2(0-8)=5。算出不飽和度為5，說明這個分子中可能含有苯環結構。第二步，計算各組峰對應的H原子個數。峰高之比約為1∶4∶3，說明H原子的個數之比為1∶4∶3。化合物中共有8個H原子，所以每組峰對應的H原子個數分別為1個，4個，3個。第三步分析每一組峰，我們從低場到高場進行分析。化學位移在9.8附近有一個單峰、1個H，對應的是醛基H；化學位移在7～8之間有4個H，有比較對稱的兩組峰，對應的是苯環的對位雙取代；化學位移3.7附近是一個單峰、3個H，3個H對應甲基，它是單峰，說明相鄰的碳上沒有H。化學位移為3.7，相比飽和氫的化學位移，明顯地移向了低場，說明這個甲基連在雜原子上，化合物中的雜原子是氧原子，因此連在氧原子上。一個苯環的不飽和度為4，一個醛基的不飽和度為1，加起來剛好等于5，與前面的計算相吻合。結構片段已經出來了，接下來組合結構片段，推出可能的結構式。這個題目比較簡單，就一種組合方式，可以推測出該譜圖對應的化合物就是對甲氧基苯甲醛。但是有些譜圖可能會推斷出幾種分子結構，在實際工作中，單憑一種光譜往往不能解決問題，而要綜合運用各種分析手段來相互補充，相互印證，才能得出正確的結論。盡管如此，核磁共振氫譜仍然是研究有機分子結構不可缺少的工具！

4 歸納總結

最后對整堂課進行總結。通過學習核磁共振氫譜的解析，使學生知道了可以從核磁共振氫譜圖中獲得峰的數目、峰的面積、峰的位移和峰的裂分。由吸收峰的組數，可以判斷存在幾種不同類型的H核；由峰的δ值(化學位移值)，可以判斷各類H的歸屬；由峰的強度(峰面積)的相對比例，可以判斷各類H的相對數目；由峰的裂分數目，可以判斷相鄰H核的數目。解析核磁共振氫譜的步驟共有6步：①計算不飽和度；②計算氫原子；③考慮分子的對稱性；④分析每一組峰；⑤推測可能結構；⑥驗證結構。

5 知識拓展

為了體現波譜分析教學的兩性一度，課后布置比較有深度、緊貼前沿的課后思考題(圖5)。屠呦呦團隊為了提高青蒿素的藥效和改善它的溶解性，對青蒿素的結構進行了修飾，用硼氫化鈉進行還原，得到了二氫青蒿素，進一步甲基化，得到了蒿甲醚。屠呦呦團隊還發現，雙氫青蒿素對治療具有高變異性的紅斑狼瘡效果獨特，已經開展臨床試驗。“未來我們要把青蒿素研發做透，把論文變成藥，讓藥治得了病，讓青蒿素更好地造福人類。下面這三張譜圖是上面這三種結構的核磁共振氫譜圖，能否將結構與譜圖一一對應？并且說明依據。

圖5 課后拓展習題

6 總結

核磁共振氫譜用于獲取有機物結構中H的個數及種類，已成為獲取有機分子結構信息不可或缺的工具。學習的目的是為了能夠運用知識更好地服務人類。因此在教學中，注重基礎知識傳授的同時，不能忽視學生價值的塑造和能力的培養。其次，注重相關實例及其分析，將所學理論知識融入其中，徹底解決理論與實踐脫節的現象，達到教學目標。