核磁一維和二維譜用于化學實驗教學的探討

高 芳，潘德杰，詹 浩，方紅明，羅志文

(武漢科技大學 煤轉化與新型炭材料重點實驗室，湖北 武漢 430081)

研究性實驗是化學實驗教學中重要的內容，它主要培養學生的綜合素質和創新能力。大多數高校都配有紅外光譜分析儀、元素分析儀和核磁共振波譜儀等大型儀器，但把這些設備應用于本科教學的很少。核磁共振波譜儀是有機結構分析的重要手段，將其應用于本科化學實驗教學具有一定的指導意義[1]。

在實驗教學中，以喜樹堿為例，通過核磁振波譜儀完成對其一維和二維圖譜的測試及分析[2]。整個實驗包括樣品的制備、實驗測試和數據分析。教學實驗課前一周，運用多媒體教學，給學生講解核磁儀器的原理及制樣過程，并把學生分為3人一組，讓學生分組完成研究性實驗的設計，學生利用課余時間查閱資料，有助于提升學生自主學習的能力。 實驗開課時，老師現場講解NMR儀器的操作流程，引導學生完成自主配樣、測樣和分析的整個過程。鍛煉了學生的動手能力，讓學生把所學理論知識運用到實踐中[3-4]。

1 研究性實驗開設實例

1.1 實驗試劑和儀器

實驗中待測樣品喜樹堿由西安天豐生物科技有限公司制備并提供，為黃色粉末。氘代試劑DMSO-d6(氘代率為99.8%)，購買于上海弗霓生物科技有限公司。

NMR實驗在Agilent 600 M DD2超導儀(美國Agilent)上測定，配備型號為5 mm One Probe探頭。

1.2 實驗條件

學生通過老師的講解及課前所掌握的知識，完成喜樹堿試樣溶液的制備過程：取10 mg喜樹堿，溶于0.6 mL氘代二甲基亞砜中，轉移至5 mm核磁管待測。 通過樣品的制備，學生學會了常規核磁樣品的配樣方法及氘代試劑的選擇標準。

所有1D和2D NMR實驗均在Agilent 600 M NMR譜儀上完成。通過核磁光譜測試得到樣品的一維1 H、13 C、DEPT和二維HSQC、HMBC圖譜。整個NMR測試步驟包括進樣、調諧、鎖場、勻場、采樣、數據處理和圖譜打印。

1.3 譜圖解析

圖1 喜樹堿的1H NMR譜圖Fig.1 1H NMR spectra of camptothecine

圖1～圖4為學生的測試結果，老師引導學生對喜樹堿的氫和碳的化學位移進行歸屬，學生得出如下分析：在 H NMR譜中，高場區δH0.86(3H，t)和δH1.83(2H，m)分別被歸屬于H-1和H-2。H-16連氮的亞甲基氫為δH5.26(2H，s)，H-19連氧的亞甲基氫歸屬于δH5.40(2H，s)。在芳香區，化學位移δH8.66(1H，s)為H-14，H-5在化學位移為δH7.32(1H，s)處出峰。同時，在耦合裂分的影響下，H-9和H-12在化學位移δH8.09(1H，d)或δH8.13(1H，d)處呈現雙峰，H-10和H-11在δH7.68(1H，t)或δH7.84(1H，t)處出現三重峰，由于9位和10位氫受到氮的去屏蔽作用向低場移動，可將δH7.84歸屬于H-10，δH8.13歸屬于H-9，則偏向高場的δH7.68為H-11，δH8.09為H-12。

喜樹堿的13 C的化學位移歸屬僅通過一維核磁碳譜無法確認，要通過二維HSQC和HMBC圖譜辨認。學生結合HSQC中氫碳的直接相關和HMBC中氫碳的間接相關，可做如下歸屬：δC8.21與H-1直接相關，與H -2遠程相關，被歸屬為C-1；δC30.74與H-2直接相關，與H-1、H-19、和-OH 遠程相關，被歸屬為C-2；δC50.67與H-16直接相關，與H-14和H-19遠程相關，被歸屬為C-16；δC65.69與H-19直接相關，被歸屬為C-19；δC97.13與H-5直接相關，與H-19遠程相關，被歸屬為C-5；δC128.08與H-11直接相關，與H-10和H-12遠程相關，被歸屬為C-11；δC128.93與H-12直接相關，與H-10、H-11和H-14遠程相關，被歸屬為C-12；δC129.46與H-9直接相關，與H-10遠程相關，被歸屬為C-9；δC130.81與H-10直接相關，與H-9遠程相關，被歸屬為C-10；δC131.98與H-14直接相關，與H-9和H-16遠程相關，被歸屬為C-14；δC72.81與H-1、H-2、H-5和H-19遠程相關，被歸屬為C-3；δC119.49與H-5和H-19遠程相關，被歸屬為C-18；δC128.38與H-9、H-10和H-12遠程相關，被歸屬為C-13；δC130.26與H-16遠程相關，被歸屬為C-15；δC145.91與H-5、H-16和H-19遠程相關，被歸屬為C-6；δC148.36與H-9、H-11和H-14遠程相關，被歸屬為C-8；δC150.41與H-2、H-19和-OH遠程相關，被歸屬為C-4；δC152.98與H-5、H-14和H-16遠程相關，被歸屬為C-7；δC157.25與H-19遠程相關，被歸屬為C-17；δC172.88與H-2、H-19和-OH遠程相關，被歸屬為C-20。

圖2 喜樹堿13 C譜Fig.2 13C spectra of camptothecine

圖3 喜樹堿1H- 13C HSQC譜Fig.3 1H- 13C HSQC spectra of camptothecine

圖4 喜樹堿的1H- 13C HMBC譜圖Fig.4 1H- 13C HMBC spectra of camptothecine

2 教學效果討論

核磁在化學實驗教學實施以來，取得了較好的教學效果，主要體現在：(1)本科生掌握了一維及二維核磁的常規測試方法，彌補了本科生對大型儀器操作訓練的不足，加深了對大型儀器設備的認識[5]，初步做到了把波譜理論應用到有機實驗中；(2)學生通過對測出的一維和二維譜圖用Mestrenova譜圖處理和ChemDraw進行譜圖模擬，提高了學生處理數據與譜圖分析的能力，訓練了學生的綜合能力，培養了學生的科學素養，對學生以后從事科研工作具有很大的積極意義。

3 結語

將核磁共振波譜分析儀引入本科化學實驗教學中，使學生充分了解了核磁波譜分析儀的原理及測試操作方法，鍛煉了學生分析核磁一維和二維譜的能力，同時，學生也學會了利用各種軟件處理數據，在實踐教學中培養了學生的創新能力和動手能力。只有不斷完善實驗教學的設施建設和加大教學力量的投入，才能培養出更多高素質、高能力的人才。