波谱解析试题库的建设

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【摘要】 波谱解析在化学、生物、医药、材料、食品、卫生、环境等重要领域都有广泛的应用。波谱解析课程包括紫外光谱、红外光谱、核磁共振波谱以及质谱。波谱解析是药学专业重要的基础课程之一， 是学习天然药物化学、药物化学的基础。编写试题库可有助于学生复习提高所学知识， 本文通过详细例子阐述了波谱解析试题库的建设。

【关键词】 波谱解析；教学目标；试题库

药学专业的波谱解析课程包括紫外光谱（UV）、红外光谱（IR）、核磁共振波谱（NMR）以及质谱（MS）。这四种光谱是分析有机化合物结构的强有力工具， 特点是准确、快速、用量少。波谱解析在化学、生物、医药、材料、食品、卫生、环境等重要领域都有广泛的应用。波谱解析是药学专业重要的基础课程之一， 是学习天然药物化学、药物化学的基础。这门课的教学目的是通过学习波谱学的基本概念、基础理论、基本规律来掌握各类化合物的谱学特征；培养学生基本的图谱解析能力， 为今后学习天然药物化学、药物化学打下良好基础。

波谱解析的基础理论抽象难懂、特征数据多而复杂、不同化合物的图谱变化多端， 因此波谱解析是教与学都比较困难的一门课程。根据作者的教学经验， 建设一套涵盖基本概念、基础理论、基本规律、综合运用的试题库（包括答案）， 有助于提高教学效果。本文将从四大光谱的教学内容来举例说明波谱解析试题库的建设。

1 紫外光谱（UV）

紫外吸收的红移或蓝移规律是紫外光谱中的重要内容， 是教学目标中的掌握内容。为了更好的实现教学目标， 作者设计了如下试题。

试题：在碱性条件下， 苯酚的最大吸波长将发生何种变化？答案选项有：A. 红移；B. 蓝移；C. 不变；D. 不能确定。该题目考查的是一个基本规律：苯环上有助色团存在时， 助色团的变化对苯环的吸收带的改变， 包括助色团的增强导致红移（向长波方向移动）、助色团的减弱导致蓝移（向短波方向移动）。解答：首先， 苯酚的羟基是助色团， 所以苯酚的最大吸收波长与苯相比， 发生了红移。其次， 苯酚在碱性条件下将成盐， 参与苯环共轭的电子对增加一对， 因此最大吸收波长发生红移。所以， 本题的准确答案是A. 红移。

掌握了这个规律， 还可以举一反三。苯胺与苯相比， 胺基是助色团， 所以苯胺的最大吸收波长与苯的相比， 发生了红移。但是苯胺形成盐后， 氮不再有孤电子对， 没有孤电子对与苯环发生共轭， 意味着胺基的助色团效应消失， 因此苯胺盐的最大吸收波长与苯相近[1]。

非常有意思的是， 这两道题目还可以在教学实验中实现， 通过调整pH值来测定最大吸收波长， 这样的实验结果可以验证助色团规律， 学生通过实验也可更好地掌握相关内容。

2 红外光谱（UV）

费米共振是红外光谱中的重要概念与理论， 是教学目标的掌握内容。费米共振指的是：当倍频或组合频与某基频相近时， 由于其相互作用而产生的吸收带增强或吸收峰分裂。学生必须牢牢掌握这个概念并活学活用。为了更好的实现教学目标， 我们设计了一个试题：化合物苯甲酰氯只含有一个羰基， 却在1773 cm-1、1736 cm-1分别出现了吸收峰， 这是为什么？答案选项有：A. 诱导效应；B. 共轭效应；C. 费米共振；D. 空间位阻。解答：C-Cl的伸缩振动频率是875cm-1， 其倍频刚好与羰基的伸缩振动的基频发生费米共振， 所以苯甲酰氯在1773 cm-1、1736 cm-1分别出现了吸收峰。因此， 本题的正确答案是C. 费米共振。类似的， 醛类化合物在2820 cm-1及2720 cm-1左右有两个吸收峰， 这是νC-H和δC-H倍频之间的费米共振所致[2]。

3 核磁共振波谱（NMR）

核磁共振波谱（NMR）的内容包括氢谱、碳谱， 所包含的内容多且抽象。需要掌握的内容包括：①NMR基本概念和原理。②化学位移， 包括其产生、表示、影响因素；偶合与裂分， 包括自旋-自旋偶合、核的等价性、偶合常数；分子内部的结构因素及实验条件对谱图的影响；低级谱和高级谱等[3]。掌握这项内容的最终目的是能够解析简单的氢谱与碳谱。为了更好的完成教学目标， 帮助学生掌握综合解析的能力。作者设计了多个试题。

试题：异香草醛经溴化和甲基化两步反应得到产物（图1， Br的取代位置未定）， 1H NMR只有5个信号， 3.75（s， 3 H）， 3.80（s， 3 H）， 6.80（d， J=7.5 Hz， 1 H）， 7.60（d， J=7.5 Hz， 1 H）， 10.80（s， 1 H）。确定Br的取代位置。

4 质谱（MS）

质谱在结构鉴定有非常重要的应用， 它可以配合NMR技术进行结构鉴定， 有经验的研究人员还可以从质谱中挖掘出丰富的结构片段信息。该章节需要掌握的内容包括：①掌握质谱碎裂机制， MS中的离子类型。②离子的断裂机理， 影响碎裂反应的因素。③常见化合物EI-MS的特征。通过掌握这些内容最终使得学生能够解析简单化合物的结构[4]。

为了更好的实现教学目标， 作者设计了如下试题：某化合物的分子式是C8H8O2， 质谱中检测到的主要离子（不含同位素）有m/e 136（30）， 105（100）， 77（60）， 51（45）， 39（20）。请指定化合物的结构及各峰对应的碎片离子。

解答：根据分子式， 该化合物的不饱和度Ω是5， 提示可能含有一个苯环， 另外还有一个双键（碳碳双键或者羰基）；77的离子片段是单取代苯的特征， 51， 39是在单取代苯的基础上进一步裂解得到的片段；136是分子离子峰， 105是136脱去一个m/e 31的片段， 这是甲氧基的特征。判断该化合物为苯甲酸甲酯。

参考文献

[1] 彭师奇.药物的波谱解析.北京医科大学&中国协和医科大学联合出版社， 1998.

[2] 姚新生.有机化合物波谱分析.中国医药科技出版社， 2004.

[3] 广州医学院教务处.药学教学大纲， 2011.

[4] 孔令义.波谱解析.北京：人民卫生出版社， 2011.