核磁一维和二维谱用于化学实验教学的探讨

高 芳，潘德杰，詹 浩，方红明，罗志文

(武汉科技大学 煤转化与新型炭材料重点实验室，湖北 武汉 430081)

研究性实验是化学实验教学中重要的内容，它主要培养学生的综合素质和创新能力。大多数高校都配有红外光谱分析仪、元素分析仪和核磁共振波谱仪等大型仪器，但把这些设备应用于本科教学的很少。核磁共振波谱仪是有机结构分析的重要手段，将其应用于本科化学实验教学具有一定的指导意义[1]。

在实验教学中，以喜树碱为例，通过核磁振波谱仪完成对其一维和二维图谱的测试及分析[2]。整个实验包括样品的制备、实验测试和数据分析。教学实验课前一周，运用多媒体教学，给学生讲解核磁仪器的原理及制样过程，并把学生分为3人一组，让学生分组完成研究性实验的设计，学生利用课余时间查阅资料，有助于提升学生自主学习的能力。 实验开课时，老师现场讲解NMR仪器的操作流程，引导学生完成自主配样、测样和分析的整个过程。锻炼了学生的动手能力，让学生把所学理论知识运用到实践中[3-4]。

1 研究性实验开设实例

1.1 实验试剂和仪器

实验中待测样品喜树碱由西安天丰生物科技有限公司制备并提供，为黄色粉末。氘代试剂DMSO-d6(氘代率为99.8%)，购买于上海弗霓生物科技有限公司。

NMR实验在Agilent 600 M DD2超导仪(美国Agilent)上测定，配备型号为5 mm One Probe探头。

1.2 实验条件

学生通过老师的讲解及课前所掌握的知识，完成喜树碱试样溶液的制备过程：取10 mg喜树碱，溶于0.6 mL氘代二甲基亚砜中，转移至5 mm核磁管待测。 通过样品的制备，学生学会了常规核磁样品的配样方法及氘代试剂的选择标准。

所有1D和2D NMR实验均在Agilent 600 M NMR谱仪上完成。通过核磁光谱测试得到样品的一维1 H、13 C、DEPT和二维HSQC、HMBC图谱。整个NMR测试步骤包括进样、调谐、锁场、匀场、采样、数据处理和图谱打印。

1.3 谱图解析

图1 喜树碱的1H NMR谱图Fig.1 1H NMR spectra of camptothecine

图1～图4为学生的测试结果，老师引导学生对喜树碱的氢和碳的化学位移进行归属，学生得出如下分析：在 H NMR谱中，高场区δH0.86(3H，t)和δH1.83(2H，m)分别被归属于H-1和H-2。H-16连氮的亚甲基氢为δH5.26(2H，s)，H-19连氧的亚甲基氢归属于δH5.40(2H，s)。在芳香区，化学位移δH8.66(1H，s)为H-14，H-5在化学位移为δH7.32(1H，s)处出峰。同时，在耦合裂分的影响下，H-9和H-12在化学位移δH8.09(1H，d)或δH8.13(1H，d)处呈现双峰，H-10和H-11在δH7.68(1H，t)或δH7.84(1H，t)处出现三重峰，由于9位和10位氢受到氮的去屏蔽作用向低场移动，可将δH7.84归属于H-10，δH8.13归属于H-9，则偏向高场的δH7.68为H-11，δH8.09为H-12。

喜树碱的13 C的化学位移归属仅通过一维核磁碳谱无法确认，要通过二维HSQC和HMBC图谱辨认。学生结合HSQC中氢碳的直接相关和HMBC中氢碳的间接相关，可做如下归属：δC8.21与H-1直接相关，与H -2远程相关，被归属为C-1；δC30.74与H-2直接相关，与H-1、H-19、和-OH 远程相关，被归属为C-2；δC50.67与H-16直接相关，与H-14和H-19远程相关，被归属为C-16；δC65.69与H-19直接相关，被归属为C-19；δC97.13与H-5直接相关，与H-19远程相关，被归属为C-5；δC128.08与H-11直接相关，与H-10和H-12远程相关，被归属为C-11；δC128.93与H-12直接相关，与H-10、H-11和H-14远程相关，被归属为C-12；δC129.46与H-9直接相关，与H-10远程相关，被归属为C-9；δC130.81与H-10直接相关，与H-9远程相关，被归属为C-10；δC131.98与H-14直接相关，与H-9和H-16远程相关，被归属为C-14；δC72.81与H-1、H-2、H-5和H-19远程相关，被归属为C-3；δC119.49与H-5和H-19远程相关，被归属为C-18；δC128.38与H-9、H-10和H-12远程相关，被归属为C-13；δC130.26与H-16远程相关，被归属为C-15；δC145.91与H-5、H-16和H-19远程相关，被归属为C-6；δC148.36与H-9、H-11和H-14远程相关，被归属为C-8；δC150.41与H-2、H-19和-OH远程相关，被归属为C-4；δC152.98与H-5、H-14和H-16远程相关，被归属为C-7；δC157.25与H-19远程相关，被归属为C-17；δC172.88与H-2、H-19和-OH远程相关，被归属为C-20。

图2 喜树碱13 C谱Fig.2 13C spectra of camptothecine

图3 喜树碱1H- 13C HSQC谱Fig.3 1H- 13C HSQC spectra of camptothecine

图4 喜树碱的1H- 13C HMBC谱图Fig.4 1H- 13C HMBC spectra of camptothecine

2 教学效果讨论

核磁在化学实验教学实施以来，取得了较好的教学效果，主要体现在：(1)本科生掌握了一维及二维核磁的常规测试方法，弥补了本科生对大型仪器操作训练的不足，加深了对大型仪器设备的认识[5]，初步做到了把波谱理论应用到有机实验中；(2)学生通过对测出的一维和二维谱图用Mestrenova谱图处理和ChemDraw进行谱图模拟，提高了学生处理数据与谱图分析的能力，训练了学生的综合能力，培养了学生的科学素养，对学生以后从事科研工作具有很大的积极意义。

3 结语

将核磁共振波谱分析仪引入本科化学实验教学中，使学生充分了解了核磁波谱分析仪的原理及测试操作方法，锻炼了学生分析核磁一维和二维谱的能力，同时，学生也学会了利用各种软件处理数据，在实践教学中培养了学生的创新能力和动手能力。只有不断完善实验教学的设施建设和加大教学力量的投入，才能培养出更多高素质、高能力的人才。