波谱分析结合有机化学的案例式教学讨论

罗治斌

(江苏大学化学化工学院，江苏 镇江 212013)

波谱分析是一门应用性很强的课程，强调利用红外光谱，紫外光谱，质谱及核磁共振等表征手段对未知化合物的结构进行分析，是有机化学专业研究生步入科研工作的铺垫课程。该课程同时融汇了仪器分析与有机化学的知识，实用性强并且十分强调学生逻辑推理能力的培养。对于大部分尚未接触科研工作的学生而言，这门课程的学习既是重点也是难点。

然而结合实际教学科研经验，笔者发现尽管学生们在课堂上能够很好的掌握知识要点，也能独立解决大部分的课后练习题。但是步入实验室以后，当真正需要运用波谱分析的知识来解决科研问题时，学生很多情况下都无从下手，以往学到的知识很难应用于实战。可见我们在教学过程中往往只注重知识的讲授，却经常忽略了教授学生们思考问题解决问题的方法。因此笔者认为在波谱分析课程的教学过程中要更加注重案例分析讨论的讲解，除了讲明白每种波谱分析的要点，更要教授学生如何运用知识解决实际问题[1-3]。而要做到这一点，单纯的波谱分析课程知识是远远不够的，更要加强该课程与有机化学课程的相结合[4]。通过有机化学知识来思考反应的机理，运用波谱分析的知识来观察分析未知化合物的特征，将“想”与“看”结合起来处理问题。波谱分析课程通常包含红外光谱，紫外光谱，质谱及核磁共振四大部分内容。其中核磁共振作为现代有机化学的重要分析方法，是该门课程的重点章节。因此接下来笔者将以核磁共振教学为例，介绍波谱分析课程的案例式教学。

笔者通常在本课题组近期发表的科研工作中挑选实例，因此案例内容一般都是紧跟研究前沿的工作，而非沿用了多年的“经典”例题。比如，以图1中的硼化反应为例[5]。首先向学生抛出问题：反应选用的起始原料为丙炔醇结构与联硼酸频那醇酯，反应环境为碱性。反应后得到一未知新化合物，并测定了核磁共振氢谱及碳谱供学生分析。那么面对这样一个问题该如何找切入点进行分析呢？具体可以通过以下几个阶段来引导学生解决问题。

1 运用有机化学知识进行思考，推测反应可能的进行方向，预测可能出现的产物

面对一个未知问题，我们不可能直接从谱图分析开始，首先要对反应进行思考，活用有机化学知识分析，推测可能的产物结构，从而缩小研究范围。根据已有的知识，该反应使用了联硼酸频那醇酯作为底物，因此反应很可能属于硼化反应。另一方面，在碱性条件下，丙炔醇结构的羟基会脱质子，从而与联硼酸频那醇酯形成加和物。由于存在炔烃结构，该反应应该属于炔烃的硼化过程。按照这个思路进行考虑，反应会在选择性上出现多种可能。如图1所示，化合物1与联硼酸频那醇酯形成的加和物上，硼官能团可以选择炔烃上两个不同的碳原子位置进攻，从而产生TS-1与TS-2两个可能的中间体。而两个中间体上的碳负离子一方面可能被质子淬灭，另一方面可能被联硼酸频那醇酯捕获，从而生成化合物4-6三种可能的产物。而我们只观察到了一种产物。因此接下来，我们的思考推理过程要停一下，转而去分析谱图信息。

图1 丙炔醇与联硼酸频那醇酯硼化反应的可能机理Fig.1 Possible outcomes from borylation of propargylic alcohols

2 在推测出可能出现的多个结构后分析谱图一一核对特征峰，找出最可能的结构

通常情况下，核磁共振氢谱给出的信息更为丰富，因此我们先分析氢谱。如图2所示，在1.3 ppm的积分面积12的峰显然属于典型的硼酸频那醇酯的四个甲基峰，由此我们可以得出结论，此未知产物中仅含有一个硼官能团。1.74 ppm的一个氢峰型较宽，应属于活泼氢，推测为羟基氢。而4.36 ppm位置的两个氢恰好符合羟基临位亚甲基氢的化学位移范围。7.0～7.5 ppm的范围总共有六个氢。除了苯环结构应含有五个氢外，另一个氢很有可能属于烯烃上的氢。通过氢谱不难发现，该谱图比较接近推测产物4或者6。而进一步的碳谱分析也同样证明了这一结论。通过核磁共振的初步分析，我们基本锁定产物应为类似4或6化合物的结构。那么如何判断此结构到底是化合物4还是化合物6呢？通过氢谱的二维谱，观察烯烃氢与亚甲基氢的远程共振耦合确实可以做出一个推测性的结果。但是对待一个严谨的科学问题时，我们往往不能简单的推测，而应想办法给出更为确凿的证据。那么很明显，核磁共振的分析只能帮助我们初步确定未知物的结构，一旦遇到结构复杂或者涉及到选择性的问题时，就需要更为进一步的表征手段来判别结构。

图2 目标未知物的核磁共振氢谱Fig.2 1H NMR of the target compound

3 结合其他多种表征手段，最终判定产物结构

对于此结构的进一步判断，我们可以尝试使用红外光谱及质谱等方法。确实，通过红外光谱谱图，我们观测到了双键及羟基的特征信号。而通过高分辨质谱，我们进一步确定了该化合物的结构组成符合C15H21BO3的元素构成。但是这些表征手段都无法确定结构到底是异构体中的4还是6。最终，我们不得不依赖最为有力的表征手段，单晶衍射分析来判断产物结构。但是单晶衍射的重要局限性在于只能分析晶体化合物，而我们的这个未知物却是油状物。那么如何解决这个问题呢。在与学生们讨论分析后，我们得出了一个解决方案。由于前面的分析我们已经初步判断出了产物结构。在此基础上，我们通过衍生化，将硼酸酯水解为硼酸。通过这一策略，成功将油状化合物转为固体硼酸化合物并成功培养出单晶进行表征。而单晶衍射最终得出如图3的结果，通过观察我们发现该分子的结构确实是由化合物4衍生而来的。也就是说，我们的未知化合物就是化合物4。

图3 目标未知物的单晶衍射结构Fig.3 X-ray structure of the target compound

4 逆向思考，反复尝试推敲

在上面的这个例子中，我们使用了波谱分析中的绝大多数分析方法来判断未知物结构。而这些都是基于我们第一步中成功推测出了可能的产物结构。在真正的科研分析中，往往很难做到一次成功。假如最开始的分析出现偏差，与表征数据不符合的情况下，我们就要重新分析推断。通过表征数据找出特征官能团，然后逆推可能的结构，再从反应机理上进行解释。上述过程即是科研过程中处理一个未知物的分析思路。通过以这样的实际案例与学生进行讨论互动。一步步地引导学生提出问题，分析问题，解决问题并最终验证结果。

5 结 语

通过以上的例子不难发现，以这样的实际科研工作作为教学案例，引导学生掌握解决科研问题的思考方式，对于研究生之后的学习工作具有重要意义。在这一教学案例中学生不仅要用到波谱分析知识，还同时需要良好的有机化学功底，并且能够将各部分知识融会贯通才能顺利解决问题。这种案例教学方式较之传统的教学模式更加侧重应用，能够更加高效的提高即将步入科研工作的研究生思维模式的锻炼。值得一提的是，在开展此类案例教学之前，要保证学生已经掌握了波谱分析的全部知识要点，这种案例式讨论应作为最后的综合能力提升环节引入课程。