核磁共振波谱仪在化学专业实验教学中的应用探索

马润恬 许卫兵 郭锦秀 李贵琛 蒲陆梅 年芳

摘 要：本文以核磁共振波谱法监测（N-羟丙基）甲基丙烯酰胺聚合过程中单体转化率的变化为例，探索将核磁共振波谱仪应用于化学专业的本科实验教学，为学生提供从理论知识到科学实践的切身体验，激发其探索科学的积极性。此探索旨在提高学生参与实验的意识的同时，培养他们分析问题、解决问题的，并提高动手能力。该实践既能促进大型精密仪器与本科实验教学的有机结合，也是化学专业本科实验教学中研究性学习和教学方式改革创新的探索。

关键词：核磁共振波谱法；实验教学；化学专业；聚合度

中图分类号：O6-33  文献标识码：A  文章编号：1673-260X（2023）09-0052-03

1 核磁共振波谱仪概述

核磁共振是磁矩不为零的原子核在外磁场作用下自旋能级发生塞曼分裂，共振吸收某一定频率射频辐射的物理过程，其共振频率在射频波段，相应的跃迁是核自旋在核塞曼能级上的跃迁[1]。核磁共振波谱（Nuclear magnetic resonance spectroscopy， NMR）由于具有迅速、准确、分辨率高和不破坏样品等优点，被广泛地应用于有机合成化合物、植物天然产物和细胞次级代谢产物的结构鉴定分析以及农产品和食品中水分含量、分布及存在形态的测定[2]，已成为化学、食品、生物和医学学科中结构测定和表征的有力工具[3]。核磁共振波谱仪作为各高校大型仪器平台必不可少的精密仪器，多被应用于高校的科研工作，但由于其价格昂贵，操作和维护复杂，在本科生仪器分析实践教学中涉及较少。化学专业学生虽然必须主修有机化学及仪器分析等课程，但多数学生认为教材对核磁共振波谱法的基本原理、化学位移、自旋耦合等基本知识内容介绍过于抽象，理解困难，常有学生反馈其对核磁共振波谱仅有粗浅的认识，基本识图和解图能力都较为薄弱[4，5]。这种情况与现代仪器分析技术的发展和实际应用相悖，直接影响到对学生动手能力的培养。因此若能在化学专业实验教学中将核磁共振波谱的理论知识与具体实验结合起来，不但能加深学生对核磁共振波谱法的理解与应用、促进本科教学内容紧跟时代发展浪潮，还能培养学生综合利用已有知识分析问题、解决问题的能力。

2 实验部分内容

2.1 试剂与仪器

（N-羟丙基）甲基丙烯酰胺、三乙基硼的四氢呋喃溶液（1.0M）上海阿拉丁试剂有限公司；二甲亚砜，天津市大茂化学试剂厂；乙酸乙酯，广东省光华科技股份有限公司；氘代二甲基亚砜，南京绿昊化学试剂有限公司。Bruker Ascend 600MHz超导核磁共振波谱仪。

2.2 实验方法

将学生按照每6人一组的方式进行分组，每组称取1.0g（N-羟丙基）甲基丙烯酰胺单体置于20mL的反应管中，加入2mL二甲亚砜，搅拌20分钟使固體完全溶解后，再加入100μL三乙基硼的四氢呋喃溶液，敞口于空气中开始聚合反应。（N-羟丙基）甲基丙烯酰胺的聚合反应如图1所示。

每组分别于反应进行到30、60、120、240和360min时移去20μL反应液于核磁管中，加入0.5mL氘代二甲亚砜以完全溶解样品，然后于核磁共振波普仪上测试样品氢谱。

2.3 测试操作步骤

实验开始前先将核磁共振波谱仪的发展历史、基本构造、操作步骤及样品配制的注意事项、数据处理等重要环节知识内容对学生进行详细讲解，在此基础上开始样品测试，顺序如下：进样－设置样品编号－选择氘代试剂－选择测试任务－设置采集次数－提交任务数据处理－作图计算特征氢的积分面积－计算不同时间单体的转化率。

3 实验结果分析

（N-羟丙基）甲基丙烯酰胺是一种典型的分子结构中具有可聚合碳碳双键的有机小分子化合物，其单体在水中的溶解性有限，因此可以通过在油相中产生自由基引发聚合，但该过程需要在惰性气氛保护下进行，增加了实验难度。本实验设计中采用三乙基硼作为引发剂，三乙基硼在空气氛围中产生自由基从而引发单体聚合，由此避免惰性气体氛围，简化实验操作流程。在聚合过程中，单体双键打开而相互连接，聚合物中则没有碳碳双键结构。在核磁共振氢谱中，单体中碳碳双键上的氢出峰主要在化学位移5.0-5.5ppm，聚合后连接在双键上的氢出峰转移到1.0-1.8ppm，而聚（N-羟丙基）甲基丙烯酰胺中手性碳上的氢则在化学位移3.6-3.7ppm出峰。由此，可引导学生通过测试不同聚合时间下的微量反应液氢谱，利用化学位移在5.0-5.5（H1）和3.6～3.7ppm（H2）氢积分面积（S）的比值（公式1），计算不同时间条件所对应的聚合度以及单体的转化率（w%）：

首先，对（N-羟丙基）甲基丙烯酰胺进行氢谱分析。此单体化学结构虽然较为简单，但所含基团类型丰富，除了常见的-CH3、-CH2、-CH、-C=C、-OH等基团，还有手性碳。因此对于初次接触NMR的学生而言，此单体信息涵盖较为全面，非常具有代表性。在此基础上，引导学生结合有机化学、仪器分析及有机波谱分析课程中所学理论知识，充分利用化学位移大小与官能团之间的关系、峰的裂分情况与相邻官能团所含质子数之间的关系、积分面积大小与所含质子数这三个主要方面入手，对图谱中的氢信号进行归属。以2-H为例，由于受到与其直接相连的羟基和邻位上酰胺基的影响，氢信号向低场发生较大程度位移，δ值增大至3.60～3.70之间。同时，依据n+1规律，该信号峰被邻位甲基和亚甲基裂分为多重峰，同时由于该氢原子连接在手性碳上，R和S构型的不同还会导致该氢原子出两组峰，总积分个数为1.0，通过对该处信号峰进行积分，验证为一个氢质子，如图2所示。

再以7-H为例，将该处的两个H原子分别标记为7a和7b，虽然它们都连接在碳碳双键上的同一碳原子上，但是由于两个氢原子所处的化学环境明显不同，导致其出峰的化学位移也明显不同。此时需及时引导学生理解碳碳双键的平面结构和核磁共振理论中的远程作用，在此基础上，学生很快就能完成对7a原子和7b原子的归属，即由于7a原子和酰胺基在同一侧，可以与酰胺基上的氧原子形成氢键从而导致其出峰向更低场移动，7b原子由于和甲基同在双键的另一侧，与酰胺基距离较远而不能形成氢键，所以其化学位移较7a向高场移动，如图2所示。与此同时，引导学生对该处信号峰进行积分，以验证7a和7b分别为一个氢质子。通过上述事例，和学生一起将有机化学中分子结构、立体构型和氢键等重要基础知识进行有机串联，以提高学生综合应用知识的能力，并通过对真实谱图的解析，为学生提供将波普理论与实验相结合的机会，可大大加深他们对核磁共振波谱分析的理解，提高其通过分析图谱解决问题的能力。

在此基础上，以第一组学生采集的数据为例，对不同聚合反应时间采集到的数据进行综合分析，如图3所示。从图中可明显看出，化学位移在5.6和5.3ppm的氢原子7a和7b的峰面积随着反应时间的延长而减小，当反应时间为360min时峰面积最小；而化学位移在3.60～3.70之间2-H的积分面积则随着反应时间的延长而不断增大，利用转化率公式可以粗略的计算出反应时间在30、60、120、240和360min的转化率分别为5%、24%、39%、65%和77%。不同组学生数据略有差异，因此需引导学生按照规则处理数据，但不必追求所有实验数据完全一致。

4 结论

本文將核磁共振波谱仪引入甘肃农业大学理学院应用化学专业实验教学，以我校干旱生境作物学重点实验室分析测试平台的600MHz液态高场核磁共振波谱仪为依托，设计利用核磁共振波谱法监测（N-羟丙基）甲基丙烯酰胺聚合过程中单体转化率变化的综合性专业实验。结果表明，该实验的引入充分调动了学生的学习积极性，促使学生对核磁共振波谱法有了更为具体的理解，激发了学生对先进仪器学习、使用的好奇心，有利于学生动手能力和科研能力的培养。

将核磁共振波谱仪引入化学专业实验课程中，并设置互动和小组化教学模式，不仅将有机化学、仪器分析、波谱分析等化学专业核心课程内容进行有机串联，加深学生对先前所学理论知识的理解，还能帮助学生掌握核磁共振波谱仪的构造和基本使用方法，深化理论知识在实践中的应用。该实验的探索，有助于确立学生在教学活动中的主体地位，激发学生的团队协作精神，提高学生的动手操作和分析问题、解决问题的能力，有利于新时期高校创新型人才的培养。

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参考文献：

〔1〕马忠华，曹秀芳，江洪，等.核磁共振原理中几个基本概念的教学处理[J].大学化学，2021，36（04）：240-248.

〔2〕王永强.从核磁共振的化学位移探讨取代苯亲电取代反应的活性和区域选择性[J].大学化学，2020，35（07）：142-150.

〔3〕阮一平，魏文廷.台式微型核磁共振波谱仪在有机化学实验教学中的应用[J].广东化工，2022，49（20）：232-233+244.

〔4〕刘娟，陈志文，廖苏，等.核磁共振波谱基本原理教学设计[J].广东化工，2020，47（12）：222-225.

〔5〕王立波，甘春丽，蔺聪聪，等.Mestrenova软件在有机化合物波谱解析教学中的应用[J].化学教育，2020，41（04）：88-91.