核磁共振波譜儀在化學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用探索

馬潤恬 許衛(wèi)兵 郭錦秀 李貴琛 蒲陸梅 年芳

摘 要：本文以核磁共振波譜法監(jiān)測（N-羥丙基）甲基丙烯酰胺聚合過程中單體轉(zhuǎn)化率的變化為例，探索將核磁共振波譜儀應(yīng)用于化學(xué)專業(yè)的本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)，為學(xué)生提供從理論知識(shí)到科學(xué)實(shí)踐的切身體驗(yàn)，激發(fā)其探索科學(xué)的積極性。此探索旨在提高學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的意識(shí)的同時(shí)，培養(yǎng)他們分析問題、解決問題的，并提高動(dòng)手能力。該實(shí)踐既能促進(jìn)大型精密儀器與本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有機(jī)結(jié)合，也是化學(xué)專業(yè)本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中研究性學(xué)習(xí)和教學(xué)方式改革創(chuàng)新的探索。

關(guān)鍵詞：核磁共振波譜法；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；化學(xué)專業(yè)；聚合度

中圖分類號(hào)：O6-33? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1673-260X（2023）09-0052-03

1 核磁共振波譜儀概述

核磁共振是磁矩不為零的原子核在外磁場作用下自旋能級(jí)發(fā)生塞曼分裂，共振吸收某一定頻率射頻輻射的物理過程，其共振頻率在射頻波段，相應(yīng)的躍遷是核自旋在核塞曼能級(jí)上的躍遷[1]。核磁共振波譜（Nuclear magnetic resonance spectroscopy， NMR）由于具有迅速、準(zhǔn)確、分辨率高和不破壞樣品等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于有機(jī)合成化合物、植物天然產(chǎn)物和細(xì)胞次級(jí)代謝產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)鑒定分析以及農(nóng)產(chǎn)品和食品中水分含量、分布及存在形態(tài)的測定[2]，已成為化學(xué)、食品、生物和醫(yī)學(xué)學(xué)科中結(jié)構(gòu)測定和表征的有力工具[3]。核磁共振波譜儀作為各高校大型儀器平臺(tái)必不可少的精密儀器，多被應(yīng)用于高校的科研工作，但由于其價(jià)格昂貴，操作和維護(hù)復(fù)雜，在本科生儀器分析實(shí)踐教學(xué)中涉及較少。化學(xué)專業(yè)學(xué)生雖然必須主修有機(jī)化學(xué)及儀器分析等課程，但多數(shù)學(xué)生認(rèn)為教材對(duì)核磁共振波譜法的基本原理、化學(xué)位移、自旋耦合等基本知識(shí)內(nèi)容介紹過于抽象，理解困難，常有學(xué)生反饋其對(duì)核磁共振波譜僅有粗淺的認(rèn)識(shí)，基本識(shí)圖和解圖能力都較為薄弱[4，5]。這種情況與現(xiàn)代儀器分析技術(shù)的發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用相悖，直接影響到對(duì)學(xué)生動(dòng)手能力的培養(yǎng)。因此若能在化學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中將核磁共振波譜的理論知識(shí)與具體實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來，不但能加深學(xué)生對(duì)核磁共振波譜法的理解與應(yīng)用、促進(jìn)本科教學(xué)內(nèi)容緊跟時(shí)代發(fā)展浪潮，還能培養(yǎng)學(xué)生綜合利用已有知識(shí)分析問題、解決問題的能力。

2 實(shí)驗(yàn)部分內(nèi)容

2.1 試劑與儀器

（N-羥丙基）甲基丙烯酰胺、三乙基硼的四氫呋喃溶液（1.0M）上海阿拉丁試劑有限公司；二甲亞砜，天津市大茂化學(xué)試劑廠；乙酸乙酯，廣東省光華科技股份有限公司；氘代二甲基亞砜，南京綠昊化學(xué)試劑有限公司。Bruker Ascend 600MHz超導(dǎo)核磁共振波譜儀。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

將學(xué)生按照每6人一組的方式進(jìn)行分組，每組稱取1.0g（N-羥丙基）甲基丙烯酰胺單體置于20mL的反應(yīng)管中，加入2mL二甲亞砜，攪拌20分鐘使固體完全溶解后，再加入100μL三乙基硼的四氫呋喃溶液，敞口于空氣中開始聚合反應(yīng)。（N-羥丙基）甲基丙烯酰胺的聚合反應(yīng)如圖1所示。

每組分別于反應(yīng)進(jìn)行到30、60、120、240和360min時(shí)移去20μL反應(yīng)液于核磁管中，加入0.5mL氘代二甲亞砜以完全溶解樣品，然后于核磁共振波普儀上測試樣品氫譜。

2.3 測試操作步驟

實(shí)驗(yàn)開始前先將核磁共振波譜儀的發(fā)展歷史、基本構(gòu)造、操作步驟及樣品配制的注意事項(xiàng)、數(shù)據(jù)處理等重要環(huán)節(jié)知識(shí)內(nèi)容對(duì)學(xué)生進(jìn)行詳細(xì)講解，在此基礎(chǔ)上開始樣品測試，順序如下：進(jìn)樣－設(shè)置樣品編號(hào)－選擇氘代試劑－選擇測試任務(wù)－設(shè)置采集次數(shù)－提交任務(wù)數(shù)據(jù)處理－作圖計(jì)算特征氫的積分面積－計(jì)算不同時(shí)間單體的轉(zhuǎn)化率。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

（N-羥丙基）甲基丙烯酰胺是一種典型的分子結(jié)構(gòu)中具有可聚合碳碳雙鍵的有機(jī)小分子化合物，其單體在水中的溶解性有限，因此可以通過在油相中產(chǎn)生自由基引發(fā)聚合，但該過程需要在惰性氣氛保護(hù)下進(jìn)行，增加了實(shí)驗(yàn)難度。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中采用三乙基硼作為引發(fā)劑，三乙基硼在空氣氛圍中產(chǎn)生自由基從而引發(fā)單體聚合，由此避免惰性氣體氛圍，簡化實(shí)驗(yàn)操作流程。在聚合過程中，單體雙鍵打開而相互連接，聚合物中則沒有碳碳雙鍵結(jié)構(gòu)。在核磁共振氫譜中，單體中碳碳雙鍵上的氫出峰主要在化學(xué)位移5.0-5.5ppm，聚合后連接在雙鍵上的氫出峰轉(zhuǎn)移到1.0-1.8ppm，而聚（N-羥丙基）甲基丙烯酰胺中手性碳上的氫則在化學(xué)位移3.6-3.7ppm出峰。由此，可引導(dǎo)學(xué)生通過測試不同聚合時(shí)間下的微量反應(yīng)液氫譜，利用化學(xué)位移在5.0-5.5（H1）和3.6～3.7ppm（H2）氫積分面積（S）的比值（公式1），計(jì)算不同時(shí)間條件所對(duì)應(yīng)的聚合度以及單體的轉(zhuǎn)化率（w%）：

首先，對(duì)（N-羥丙基）甲基丙烯酰胺進(jìn)行氫譜分析。此單體化學(xué)結(jié)構(gòu)雖然較為簡單，但所含基團(tuán)類型豐富，除了常見的-CH3、-CH2、-CH、-C=C、-OH等基團(tuán)，還有手性碳。因此對(duì)于初次接觸NMR的學(xué)生而言，此單體信息涵蓋較為全面，非常具有代表性。在此基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合有機(jī)化學(xué)、儀器分析及有機(jī)波譜分析課程中所學(xué)理論知識(shí)，充分利用化學(xué)位移大小與官能團(tuán)之間的關(guān)系、峰的裂分情況與相鄰官能團(tuán)所含質(zhì)子數(shù)之間的關(guān)系、積分面積大小與所含質(zhì)子數(shù)這三個(gè)主要方面入手，對(duì)圖譜中的氫信號(hào)進(jìn)行歸屬。以2-H為例，由于受到與其直接相連的羥基和鄰位上酰胺基的影響，氫信號(hào)向低場發(fā)生較大程度位移，δ值增大至3.60～3.70之間。同時(shí)，依據(jù)n+1規(guī)律，該信號(hào)峰被鄰位甲基和亞甲基裂分為多重峰，同時(shí)由于該氫原子連接在手性碳上，R和S構(gòu)型的不同還會(huì)導(dǎo)致該氫原子出兩組峰，總積分個(gè)數(shù)為1.0，通過對(duì)該處信號(hào)峰進(jìn)行積分，驗(yàn)證為一個(gè)氫質(zhì)子，如圖2所示。

再以7-H為例，將該處的兩個(gè)H原子分別標(biāo)記為7a和7b，雖然它們都連接在碳碳雙鍵上的同一碳原子上，但是由于兩個(gè)氫原子所處的化學(xué)環(huán)境明顯不同，導(dǎo)致其出峰的化學(xué)位移也明顯不同。此時(shí)需及時(shí)引導(dǎo)學(xué)生理解碳碳雙鍵的平面結(jié)構(gòu)和核磁共振理論中的遠(yuǎn)程作用，在此基礎(chǔ)上，學(xué)生很快就能完成對(duì)7a原子和7b原子的歸屬，即由于7a原子和酰胺基在同一側(cè)，可以與酰胺基上的氧原子形成氫鍵從而導(dǎo)致其出峰向更低場移動(dòng)，7b原子由于和甲基同在雙鍵的另一側(cè)，與酰胺基距離較遠(yuǎn)而不能形成氫鍵，所以其化學(xué)位移較7a向高場移動(dòng)，如圖2所示。與此同時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)該處信號(hào)峰進(jìn)行積分，以驗(yàn)證7a和7b分別為一個(gè)氫質(zhì)子。通過上述事例，和學(xué)生一起將有機(jī)化學(xué)中分子結(jié)構(gòu)、立體構(gòu)型和氫鍵等重要基礎(chǔ)知識(shí)進(jìn)行有機(jī)串聯(lián)，以提高學(xué)生綜合應(yīng)用知識(shí)的能力，并通過對(duì)真實(shí)譜圖的解析，為學(xué)生提供將波普理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的機(jī)會(huì)，可大大加深他們對(duì)核磁共振波譜分析的理解，提高其通過分析圖譜解決問題的能力。

在此基礎(chǔ)上，以第一組學(xué)生采集的數(shù)據(jù)為例，對(duì)不同聚合反應(yīng)時(shí)間采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，如圖3所示。從圖中可明顯看出，化學(xué)位移在5.6和5.3ppm的氫原子7a和7b的峰面積隨著反應(yīng)時(shí)間的延長而減小，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為360min時(shí)峰面積最小；而化學(xué)位移在3.60～3.70之間2-H的積分面積則隨著反應(yīng)時(shí)間的延長而不斷增大，利用轉(zhuǎn)化率公式可以粗略的計(jì)算出反應(yīng)時(shí)間在30、60、120、240和360min的轉(zhuǎn)化率分別為5%、24%、39%、65%和77%。不同組學(xué)生數(shù)據(jù)略有差異，因此需引導(dǎo)學(xué)生按照規(guī)則處理數(shù)據(jù)，但不必追求所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)完全一致。

4 結(jié)論

本文將核磁共振波譜儀引入甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院應(yīng)用化學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，以我校干旱生境作物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室分析測試平臺(tái)的600MHz液態(tài)高場核磁共振波譜儀為依托，設(shè)計(jì)利用核磁共振波譜法監(jiān)測（N-羥丙基）甲基丙烯酰胺聚合過程中單體轉(zhuǎn)化率變化的綜合性專業(yè)實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，該實(shí)驗(yàn)的引入充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，促使學(xué)生對(duì)核磁共振波譜法有了更為具體的理解，激發(fā)了學(xué)生對(duì)先進(jìn)儀器學(xué)習(xí)、使用的好奇心，有利于學(xué)生動(dòng)手能力和科研能力的培養(yǎng)。

將核磁共振波譜儀引入化學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程中，并設(shè)置互動(dòng)和小組化教學(xué)模式，不僅將有機(jī)化學(xué)、儀器分析、波譜分析等化學(xué)專業(yè)核心課程內(nèi)容進(jìn)行有機(jī)串聯(lián)，加深學(xué)生對(duì)先前所學(xué)理論知識(shí)的理解，還能幫助學(xué)生掌握核磁共振波譜儀的構(gòu)造和基本使用方法，深化理論知識(shí)在實(shí)踐中的應(yīng)用。該實(shí)驗(yàn)的探索，有助于確立學(xué)生在教學(xué)活動(dòng)中的主體地位，激發(fā)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，提高學(xué)生的動(dòng)手操作和分析問題、解決問題的能力，有利于新時(shí)期高校創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。

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