ChemDraw在1H-HMR波谱解析教学中的应用*

浦 蕊，杨艳华，高树林，李艳妮

(昆明学院化学化工学院，云南 昆明 650214)

有机化学是化学专业的必修课程，是一门研究有机化合物的组成、结构、性质及其变化规律的科学[1]，其中结构鉴定是认识化合物结构、物理化学性质和进行化学反应的基础，是有机化学教学的重点和难点之一，也是考察的重点之一。目前，波谱学是有机化合物结构鉴定的主要手段，尤其核磁共振共振(NMR)提供的结构信息丰富，谱图可解析性高，已成为有机化合物结构鉴定的主要方法[2]。在核磁共振谱图解析的教学过程中，由于谱学原理抽象、波谱特征复杂、信息量大和规律性差等特点，导致学生很难掌握谱图的解析，对核磁谱图的学习产生畏难情绪。在这种情况下，教师就需要一种简单、直观的方式来辅助教学，帮助学生快速理解和掌握关于谱图的知识。传统板书既耗费时间又不美观，PPT、Word等常用软件在绘制复杂的谱图时也受到很大的限制，而具有核磁谱图解析和预测的软件就可以做到事半功倍的效果[3-5]。

ChemDraw是化学软件ChemOffice组成之一，是最受欢迎的化学绘图软件，也是可以进行核磁谱图模拟的工具之一。ChemDraw软件的功能十分强大，可以绘制有机化合物的结构式、化学反应方程式和反应机理图；进行有机化合物名称和结构式相互转化，绘制原子轨道、分子轨道和化学反应装置图；分析化合物的物理化学属性、模拟核磁共振谱图等[6-24]。之前报道的ChemDraw辅助核磁谱图解析仅仅通过简单的图示粗略地说明其对核磁谱图的预测功能[19-24]，而没有详细地论述其在教学中的作用，因此本文着重介绍ChemDraw软件在核磁共振氢谱教学中的应用。

1 ChemDraw在核磁共振氢谱中的应用

1.1 n+1规则

相邻碳原子上质子之间的自旋偶合现象会使核磁共振氢谱中信号分裂成多重峰，当自旋耦合的邻近H都相同时，自旋裂分的峰数目一般遵循“n+1”规则[25]，即自旋偶合使核磁共振谱中信号分裂成多重峰，峰的数目等于n+1，n是指邻近H的数目。在教学过程中，由于概念过于抽象，学生往往很难理解，教师可以运用ChemBioOffice软件中的“ChemDraw”模块对分子的核磁氢谱进行模拟，以直观的方式帮助学生学习。

例如，CH3-CHCl2的核磁共振氢谱(见图1)中二重峰和四重峰分别归属于甲基-CH3和-CHCl2中的H。甲基邻近基团-CHCl2上有一个氢原子，n=1，根据n+1规则，n+1=2，所以-CH3上H原子的核磁共振峰为二重峰。而与-CHCl2基团相邻的基团为甲基，甲基上有三个氢原子，n=3，根据n+1规则，n+1=4，所以-CHCl2基团上的H的核磁共振峰为四重峰。

图1 二氯乙烷的1H-NMR

图2是CH3CH2OCH(Br)CH3的核磁氢谱图。CH3CH2OCH(Br)CH3中-CH3受邻近基团-CH2O-中的两个氢的影响，其上H的核磁共振峰为2+1=3。基团-CH2O-相邻的含氢基团为甲基，受甲基上三个氢原子的影响，基团-CH2O-上H的共振峰是3+1=4。基团-OCHBr-中只有一个H原子，与其近邻的H原子为- CH(Br)CH3基团中的甲基，因为甲基上有三个H，所以基团-OCHBr-中的H原子在谱图上裂分成四重峰。-CH(Br)CH3基团中的甲基有三个氢原子，在相邻-OCHBr-中的H的作用下，根据n+1规则，分裂为二重峰。

图2 CH3CH2OCH(Br)CH3的1H-NMR

在教学过程中，使用ChemDraw软件模拟目标化合物的核磁共振氢谱，通过点击在相应的C原子，可以清楚的看到与该C原子相连的氢原子的裂分峰的个数及其在谱图中的位置(软件自动在C原子和对应的多重峰外部加一个浅绿色的方框)，直观清晰，简单明了，可以帮助学生通过图形记忆n+1规则。

1.2 核磁氢谱的化学位移

在对CH3CH2OCH(Br)CH3的核磁氢谱图进行分析时发现和核磁谱图上有两个四重峰，分别对应-CH2O-基团和-OCHBr-基团中的H，但它们的核磁共振峰在核磁谱中的位置不同，即化学位移不同。化学位移作为核磁共振谱中三个重要参数之一，对化合物官能团的确定起着非常重要的作用。由于化学位移的影响因素很多，官能团越多，结构越复杂，核磁共振氢谱中峰的位置也会随之而变。为了帮助学生学习化学位移，借助Chemdraw来辅助教学是很有必要的。

(1)化合物中氢原子的化学位移(δ值)受相邻原子的电负性的影响较大。由于C原子的电负性比H原子的电负性大，化合物中与氢相连碳原子的数目越多，该氢原子的δ值越大。如图3所示，甲烷CH4中的四个氢只和一个碳原子相连，这四个氢的化学位移为0.23。乙烷CH3CH3中的任一H原子相连的碳原子上除了该氢原子外，还与一个碳原子相连，乙烷中氢原子的化学位移为0.86。丙烷CH3CH2CH3中亚甲基和两个碳相连，-CH2-上的H的化学位移为1.33。CH3CH(CH3)2CH3分子中与氢相连的基团是叔丁基，中心碳原子上连着三个甲基碳，该氢原子的化学位移为1.74。

图3 碳原子的电负性对化学位移的影响

同样，有机化合物中碳原子取代基团的电负性也会影响氢原子的化学位移值，取代基的电负性的增大，相应氢原子的化学位移也增加。例如，乙烷(CH3CH3)分子中的氢原子的化学位移为0.86，将其中一个-CH3分别换成-NH2、-OH和-F时，形成的化合物CH3NH2、CH3OH和CH3F中甲基上H的化学位移分别为2.47、3.48和4.27。随着与甲基相连的原子(C、N、O和F)的电负性增大，化合物中甲基上的氢原子的化学位移也增大(见图4)。

图4 取代基的电负性对化学位移的影响

(2)炔基、烯基和芳基中π电子产生的感应磁场与外加磁场的共同作用使得δ值从炔基、烯基和芳基依次增加。这一规律更加复杂抽象，学生理解需要花一些时间，但使用ChemDraw辅助教学，通过简单的例子乙烯、乙炔和苯为例，将感应磁场与各物质中氢原子的化学位移(见图5)联系起来，可以帮助学生很好地理解这一知识点。

图5 各向异性效应对化学位移的影响

(3)有机化合物中氢原子的化学位移值随着氢原子与吸电子基团距离的增大而减小[26]。如图6所示，乙醚(CH3OCH3)、甲乙谜(CH3OCH2CH3)和甲丙醚(CH3OCH2CH2CH3)三个分子中，在乙醚分子的甲氧基(CH3O-)与甲基(-CH3)中间插入亚甲基(-CH2-)的个数分别为0、1、2时，甲基上氢原子的化学位移分别3.30、1.18和0.99。甲基上的氢原子与甲氧基上的氧原子的距离逐渐增大，甲基上氢原子的化学位移逐渐减小。

图6 吸电子取代基位置对化学位移的影响

在讲授这些规则时，教师使用ChemDraw软件结合多媒体动画，将上述示例中分子的核磁共振氢谱以动画对比的方式向学生展示，并采取提问、启发和讨论等方式和学生互动，引导学生参与到教学过程中，不仅可以帮助学生直观的了解各基团的化学位移或同一基团在不同环境下的化学位移，而且可以提高学生学习的兴趣。

1.3 核磁氢谱实例解析

有机化合物的结构千变万化，其谱图数据更是纷繁复杂，在核磁谱图的解析过程中，常常需要大量的知识储备才能正确完成核磁谱图的解析。对很多学生来说，教师在教学过程中仅仅依靠书上的实例、文字和语言进行讲解是远远不够的，而将ChemDraw与谱图解析结合进行教学能够教轻松地解决这个问题。教师通过ChemDraw将指定化合物的谱图展示出来，可以帮助学生更好地掌握谱图解析，提高教学效果。如图7所示两个化合物N-phenethylacetamide和4-(phenylamino)butan-2-one，它们的结构相似，对于初学者来说，很难将核磁谱与结构快速对应起来，而利用ChemDraw作出两个化合物的谱图，它们的区别则一目了然。

图7 化合物N-phenethylacetamide和4-(phenylamino) butan-2-one的1H-NMR谱

通过谱图的数据来分析化合物的构造式也是核磁共振氢谱教学中的重点。在这里，通过举例的方式进行说明。

例如：已知化合物的分子式为C8H9Br，它的核磁共振谱图中，在δ=2.0(3H)处有一个二重峰，δ=5.15(1H)处有一个四重峰，δ=7.35(5H)处有一个多重峰，求化合物的构造式[27]。

分析：①首先计算化合物的不饱和度为4，根据分子式和不饱和度可以推测出该化合物中存在苯环。②“在δ=2.0(3H)处有一个二重峰”说明分子中含有甲基-CH3，核磁共振峰为二重峰，根据n+1规则n+1=2，则n=1，即甲基与-CH-基团相连，进而确定分子中存在-CHCH3基团。③ 同理，“δ=5.15(1H)处有一个四重峰”再次证明分子中存在-CHCH3基团。④“δ=7.35(5H)处有一个多重峰”暗示着苯环的存在，且仅有一个氢原子被取代，即分子中含有苯基- C6H5。已知化合物的分子式为C8H9Br，已存在的基团有-CHCH3和-C6H5，仅剩一个-Br基，该基团只能与次甲基上的C相连。由以上推测，我们可以得出化合物的构造式为：

在初学有机核磁氢谱解析时，学生会有困惑，担心自己的解析是否正确。这时，就可以使用ChenDraw来快速验证谱图解析了。用ChenDraw画出推测的结构，并选中这个结构，点击“Structure”下面的“Predict1H-NMR Shifts”即可得到化合物的1H-NMR(见图8)。从模拟谱图中可以看出，-CH3上的氢原子的化学位移为2.07，核磁共振峰为二重峰，与题目中“δ=2.0(3H)处有一个二重峰”相近。苯环上五个氢的化学位移为7.28～7.33，为多重峰，与题目中“δ=7.35(5H)处有一个多重峰”对应。次甲基上氢的化学位移为5.18，核磁共振峰为四重峰，与题目中“δ=5.15(1H)处有一个四重峰”对应。

图8 C8H9Br的1H-NMR

ChemDraw辅助核磁氢谱解析可以帮助初学者检验对所学知识点的掌握情况。而对深入学习的学生或科研工作者来说，遇到复杂的谱图，出现部分核磁共振峰的归属很难确定时，可以将同一化合物的同分异构体的构型画出来，用ChemDraw软件分别对这些构型的核磁谱图进行模拟，和实验谱进行对比分析，这样可以为复杂谱图解析提供很大的帮助。

2 结 语

对于给定的分子结构，使用ChemDraw都可以对其1H NMR进行模拟，这种教学方式同样可以推广到辅助13C NMR教学过程。ChemDraw辅助核磁解析的优点如下：

(1)资源丰富，可以为教师提供大量的素材，节省备课时间。

(2)模拟的谱图形象、直观且具有动态效果，不仅可以帮助学生以图形的方式对氢的化学位移进行记忆，达到长久记忆的效果，而且可以活跃课堂气氛，吸引学生参与到教学过程中，增强师生之间的互动。

(3)通过学生独立使用ChemDraw辅助解析相关氢谱的习题，不仅可以提高学生分析问题和解决问题的能力，而且可以在解题过程中培养学生的学习兴趣和学习的主动性。

(4)对学生将来从事科研工作进行复杂的有机化合物结构鉴定提供有用的参考。