《天然藥物化學(xué)》課程中化合物結(jié)構(gòu)解析內(nèi)容教學(xué)探討

許鳳清，王國凱，王舉濤，劉勁松

（安徽中醫(yī)藥大學(xué) 藥學(xué)院，安徽 合肥 230012）

天然藥物化學(xué)是藥學(xué)類專業(yè)一門主干課程，旨在分析天然藥物中的藥效物質(zhì)基礎(chǔ)，用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和儀器研究天然藥物的化學(xué)成分.課程內(nèi)容包括化合物結(jié)構(gòu)類型、理化性質(zhì)、提取分離和結(jié)構(gòu)鑒定四個(gè)模塊.其中結(jié)構(gòu)鑒定一直是本門學(xué)科教學(xué)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，內(nèi)容涉及紅外光譜（IR）、紫外光譜（UV）、核磁共振波譜（NMR）、質(zhì)譜（MS）、園二色譜（CD）和 X- 射線單晶衍射（X-ray）等[1-2]，基本概念和原理比較抽象，加之《有機(jī)化合物波譜解析》課程中的實(shí)例主要側(cè)重于小分子的結(jié)構(gòu)鑒定，絕大多數(shù)學(xué)生很難在沒有實(shí)訓(xùn)經(jīng)驗(yàn)的狀況下將所學(xué)知識(shí)嫻熟地應(yīng)用于結(jié)構(gòu)繁雜的天然有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)解析中來，從而產(chǎn)生挫敗感.如何激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，提高其分析圖譜和綜合利用圖譜信息進(jìn)行化合物結(jié)構(gòu)解析的能力，是《天然藥物化學(xué)》課程教學(xué)中不可忽視的問題.本課程組多年來一直承擔(dān)我院《有機(jī)化合物波譜解析》和《天然藥物化學(xué)》課程的教學(xué)任務(wù)，教師在教學(xué)過程中積極思考，針對(duì)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段及教學(xué)模式均進(jìn)行了一些有益的嘗試和探索.

1 總結(jié)規(guī)律，循序漸進(jìn)式設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容

天然藥物化學(xué)各種類型的成分均有其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征、波譜特征和規(guī)律.四大波譜技術(shù)在天然化合物結(jié)構(gòu)解析中扮演者各自的角色.課程組教師多年來在廣泛收集化合物的原始圖譜的基礎(chǔ)上，總結(jié)出各類化合物成分的波譜特征和結(jié)構(gòu)解析過程，并將其應(yīng)用于課堂教學(xué)中.

核磁共振技術(shù)在結(jié)構(gòu)解析中的作用是大家有目共睹的，對(duì)于初學(xué)者來說其譜圖的解析難度也是不容忽視的.這一部分內(nèi)容亦是天然藥物化學(xué)課程中講授結(jié)構(gòu)鑒定內(nèi)容的最大障礙，究其原因，源于前一學(xué)期所學(xué)的化合物核磁共振相關(guān)數(shù)據(jù)及知識(shí)，因較少使用或疏于練習(xí)，常常被遺忘或者基本上不能系統(tǒng)的把譜圖中信息轉(zhuǎn)換成可供應(yīng)用的波譜數(shù)據(jù).因此，在總論的教學(xué)內(nèi)容里面，一維核磁共振譜圖提供的信息，包括峰面積、峰位、偶合常數(shù)及溶劑峰等知識(shí)點(diǎn)需要進(jìn)一步鞏固，以及常見、典型的數(shù)據(jù)，影響化學(xué)位移的因素等，要進(jìn)行必要的復(fù)習(xí)，以利于后面靈活運(yùn)用.

大家都清楚，芳香族化合物的核磁數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出較強(qiáng)的規(guī)律，且無論在1H-NMR還是在13C-NMR中，色譜峰位置相對(duì)固定，偶合關(guān)系明確，且受其他結(jié)構(gòu)片段信息干擾很小，其學(xué)習(xí)起來相對(duì)較容易，而天然藥物中香豆素、醌類、黃酮類等成分，分子結(jié)構(gòu)中都含有苯環(huán)的結(jié)構(gòu)片段.于是，課程組教師從苯環(huán)入手，依次介紹單取代，鄰位、間位、對(duì)位的含氧二取代，三取代及多取代的芳香氫質(zhì)子耦合情況及含氧基團(tuán)的引入對(duì)鄰位、對(duì)位、間位碳原子化學(xué)位移的影響規(guī)律.在此基礎(chǔ)上，學(xué)生需要學(xué)習(xí)的新知識(shí)也就只有香豆素中吡喃酮環(huán)中α，β-不飽和內(nèi)酯、醌類化合物中的醌環(huán)及黃酮分子中三碳鏈為新的內(nèi)容，某種程度上降低了學(xué)習(xí)的難度，極大克服了學(xué)生的畏難情緒.另外，環(huán)己烷的結(jié)構(gòu)片段在天然藥物化學(xué)的萜類、甾體類極其常見，且與吡喃糖分子也極其相似，針對(duì)這個(gè)問題，課程組教師在“糖和苷”一章的教學(xué)中，多從環(huán)己烷立體結(jié)構(gòu)中某相鄰兩個(gè)碳原子上的氫質(zhì)子在核磁共振譜上的峰型、峰位的分析入手，回顧之前所學(xué)該結(jié)構(gòu)中直立鍵、平伏鍵氫質(zhì)子耦合裂分情況，從耦合常數(shù)入手，判斷相鄰碳原子上氫質(zhì)子的空間位置，隨之將此知識(shí)應(yīng)用到最常見的單糖D-葡萄糖，介紹其1H-NM R和13C-NMR譜中的特征，包括峰位、峰型、耦合常數(shù)以及不同溶劑的影響結(jié)果等，在學(xué)生掌握葡萄糖核磁波譜的基礎(chǔ)上，其他各種類型糖（去氧糖、氨基糖等）的結(jié)構(gòu)解析以及苷類化合物分子結(jié)構(gòu)中糖基的數(shù)目、類型、相對(duì)構(gòu)型、絕對(duì)構(gòu)型、糖基的連接順序等難題就能迎刃而解.

2 融合多種教學(xué)方法，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性

天然藥物中化合物的結(jié)構(gòu)解析，需要具備理論知識(shí)綜合利用的能力，這對(duì)初學(xué)結(jié)構(gòu)解析而缺少實(shí)際訓(xùn)練的學(xué)生來說，難度是顯而易見的.因此，在教學(xué)過程中，采用何種教學(xué)方法激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性就變得尤為重要.由于各種光譜基礎(chǔ)知識(shí)在《有機(jī)化合物波譜解析》課程中均做了詳細(xì)的介紹，本門課程中可有意淡化該部內(nèi)容的學(xué)習(xí)，而注重于從具體的實(shí)例入手.一般而言，紅外光譜和紫外光譜大部分同學(xué)都已掌握其解析的方法，難度大的是核磁共振圖譜及質(zhì)譜的解析.為了讓學(xué)生真正掌握結(jié)構(gòu)鑒定中波譜解析過程和方法，課程組教師適當(dāng)選擇科研過程中獲得或者從文獻(xiàn)輔助材料中得到的一些具有代表性的化合物的譜圖，以原始圖譜作為授課的實(shí)例.就核磁共振圖譜而言，如何從圖譜中獲得需要的信息，并將圖譜信息轉(zhuǎn)化成數(shù)據(jù)，如氫/碳的個(gè)數(shù)、種類、偶合常數(shù)等，這個(gè)過程不是一朝一夕就能完成的，需要經(jīng)過反復(fù)練習(xí).為此，課程組教師將教會(huì)學(xué)生使用NMR solutions（MestReNova）軟件，并按照難易度不同陸續(xù)給同學(xué)們提供香豆素（傘形花內(nèi)酯、七葉內(nèi)酯、補(bǔ)骨脂素、紫花前胡苷等）、蒽醌（大黃素、大黃酸、蘆薈大黃素等）、黃酮（芹菜素、木樨草素、槲皮素、二氫槲皮素、甘草素、紅花苷等）的相關(guān)圖譜，要求學(xué)生學(xué)會(huì)信息轉(zhuǎn)化并根據(jù)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行化合物的結(jié)構(gòu)推測，鼓勵(lì)并組織感興趣的同學(xué)課堂上和同學(xué)們分享這一過程.質(zhì)譜可以測定分子量、分子式.一張質(zhì)譜圖，首先要清楚是什么類型的質(zhì)譜圖，就FAB-MS和ESI-MS而言，尋找正確的分子離子峰尤為重要，離子源的不同，往往會(huì)出現(xiàn)[M+Na]+、[2M+Na]+、[M+K]+、[2M+K]+、[2M+H]+、[M+Cl]-等常見信號(hào)，關(guān)于EIMS中的裂解碎片離子峰往往對(duì)于推斷化合物的分子骨架很有用，我們采用充分應(yīng)用案例教學(xué)和討論式教學(xué)來進(jìn)行教學(xué).

另外，核磁共振二維譜在有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)解析中可以起到一維譜無法替代的作用，其解析的程序?yàn)?，借助一維核磁譜和其他手段，獲得、了解或猜測化合物的基本結(jié)構(gòu)，選擇必要的二維譜進(jìn)一步確認(rèn)，獲取更為深入的結(jié)構(gòu)信息（如空間結(jié)構(gòu)等）.但對(duì)于相對(duì)復(fù)雜一些的化合物，其二維譜信息的轉(zhuǎn)化，需要分析者具備較好的分析、處理譜圖的技能，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度，同時(shí)兼具細(xì)心和耐心.首先，圖譜分析者 一 定 要 清 楚 HSQC、HMBC、1H-1H COSY、ROESY或NOESY等各種相關(guān)譜的解析方法和所能解決的問題[3-4].舉個(gè)最簡單的例子，我們想知道一個(gè)化合物是木樨草素3'-O-β-D-葡萄糖苷還是木犀草素4'-O'-β-D-萄糖苷，此時(shí)從一維核磁數(shù)據(jù)很難做出準(zhǔn)確的判斷，若有HMBC的圖譜，問題就變得異常簡單了.因此，在天然藥物化學(xué)成分結(jié)構(gòu)鑒定中，適當(dāng)?shù)囊攵S化學(xué)位移相關(guān)譜的知識(shí)，在課堂講授中演示如何從這些相關(guān)譜中獲得需要的信息，合理推導(dǎo)結(jié)構(gòu)片段并將其拼湊成一個(gè)完整的分子，另外為學(xué)有余力的同學(xué)提供確定結(jié)構(gòu)的二維譜，對(duì)于培養(yǎng)其邏輯思維能力、空間想象能力和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)耐评砟芰τ兄e極的意義.此外，課堂上對(duì)某些知識(shí)點(diǎn)引入討論也是很有必要的，例如黃酮的C-環(huán)中的AA'BB'及ABX系統(tǒng)的耦合情況，又如二氫黃酮C-2及三萜類、甾體的C-3位羥基取代后的構(gòu)型以及齊墩果烷型三萜和烏蘇烷型三萜母核結(jié)構(gòu)的確定等諸多問題，只有在同學(xué)們認(rèn)真思考后，才會(huì)留下深刻的記憶.

課程組教師經(jīng)過多年的實(shí)踐，在傳統(tǒng)的講授教學(xué)法中融入案例教學(xué)法、討論法和體驗(yàn)學(xué)習(xí)教學(xué)法，取得了很好的教學(xué)效果.在學(xué)生熟練、快速地掌握基本知識(shí)后，用案例的真實(shí)性、實(shí)踐性來激發(fā)學(xué)生的興趣，討論來提升學(xué)生的主觀能動(dòng)性，體驗(yàn)學(xué)習(xí)教學(xué)以促進(jìn)學(xué)生在“研究”“思索”和“想象”中領(lǐng)悟知識(shí)、掌握知識(shí)，以期達(dá)到激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主觀能動(dòng)性，將《有機(jī)化合物波譜解析》中所學(xué)的知識(shí)游刃有余的應(yīng)用到天然藥物化學(xué)的結(jié)構(gòu)解析中來.

3 有機(jī)組合傳統(tǒng)教學(xué)與現(xiàn)代教學(xué)手段，豐富教學(xué)內(nèi)容，提高教學(xué)效率和效果

化合物的結(jié)構(gòu)解析，多以圖譜和數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，相對(duì)抽象，沒有客觀真實(shí)的圖譜，就會(huì)讓學(xué)習(xí)變得晦澀難懂，計(jì)算機(jī)輔助多媒體教學(xué)可以將各種類型化合物圖譜原貌呈現(xiàn)出來，增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，使抽象的教學(xué)內(nèi)容變得豐富和生動(dòng)[5]，適時(shí)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)教學(xué)手段中的不足.化學(xué)繪圖軟件和圖譜分析軟件是天然藥物化學(xué)學(xué)習(xí)及研究中發(fā)揮著不可或缺的作用[6-7]，天然藥物化學(xué)中多數(shù)化合物大多數(shù)為非平面性分子，如萜類、生物堿、木脂素、二氫黃酮等，因分子中存在手性碳，勢必會(huì)涉及其相對(duì)構(gòu)型好絕對(duì)構(gòu)型，此時(shí)采用Chemdraw、ChemOffice等化學(xué)繪圖軟件，通過計(jì)算機(jī)模擬化合物可以自由旋轉(zhuǎn)的三維立體構(gòu)型，讓學(xué)生從各個(gè)角度來觀察分子的結(jié)構(gòu)，刺激視覺感官，增強(qiáng)印象.

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息的發(fā)展，許多專業(yè)網(wǎng)站給同學(xué)們亦給大家提供了學(xué)習(xí)的平臺(tái).如微譜數(shù)據(jù)-核磁共振碳譜數(shù)據(jù)庫（13C NMR庫）（http://www.nmrdata.com），中科院長春應(yīng)用化學(xué)研究所應(yīng)用化學(xué)數(shù)據(jù)庫（http://www.appchem.csdb.cn/），中國科學(xué)院化合物參考數(shù)據(jù)庫圖譜庫（http://www.chemcpd.csdb.cn/cmpref/default.asp），Organic Compounds Database （http://www.colby.edu/chemistry/cmp/cmp.html)、SpectralDatabase forOrganic Compounds（http://sdbs.db.aist.go.jp/sdbs/cgi-bin/direct_frame_top.cgi）等.另外，文獻(xiàn)信息的網(wǎng)絡(luò)化，亦給學(xué)習(xí)提供了廣闊的學(xué)習(xí)空間，通過SciFinder Scholar(CA網(wǎng)絡(luò)版)可以快速地查到化合物相關(guān)文獻(xiàn)，然后結(jié)合ACS（美國化學(xué)學(xué)會(huì)）電子期刊全文數(shù)據(jù)庫(http://pubs.acs.org/)、ScienceDirect電子期刊庫（http://www.sciencedirect.com）、Web of Science（http://apps.webofknowledge.com）等數(shù)據(jù)庫找到原始文獻(xiàn)，通過輔助材料獲得較全面的相關(guān)化合物波譜信息.將這些平臺(tái)和網(wǎng)站介紹學(xué)生，做到真正意義上的“授人以漁”.

4 深化集體備課，提高教學(xué)質(zhì)量

以課程組為單位，定期組織教師開展對(duì)教材和教學(xué)大綱的研讀、分析學(xué)情、制定教學(xué)計(jì)劃、分解備課任務(wù)、審定教學(xué)提綱、反饋教學(xué)信息等活動(dòng)[8].集體備課中，針對(duì)教學(xué)內(nèi)容的重點(diǎn)和難點(diǎn)進(jìn)行充分討論，針對(duì)教學(xué)方法和方式則采取分教師分內(nèi)容負(fù)責(zé)各章節(jié)的試講，其他教師點(diǎn)評(píng)的方式來共同商討，最終達(dá)成共識(shí).總之，通過多年來的集體備課活動(dòng)，融合了課程組教師的經(jīng)驗(yàn)和才智，優(yōu)化了教學(xué)方法提高了教學(xué)效果，提升了教師、特別是青年教師的教學(xué)能力及業(yè)務(wù)水平，增加了教師之間的感情增強(qiáng)了教研室的凝聚力.

天然藥物化學(xué)課程中化合物結(jié)構(gòu)鑒定，即是利用四大光譜之間的關(guān)系和表征，拼湊化合物片段的過程，其推斷結(jié)構(gòu)過程需要科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)耐评?，如何把這些化合物片段合理地組織起來，是對(duì)學(xué)生譜學(xué)知識(shí)構(gòu)架的考驗(yàn).因此在教學(xué)過程中貫穿以學(xué)生為中心的指導(dǎo)思想，沿著培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)能力的主線，整合內(nèi)容，總結(jié)規(guī)律，循序漸進(jìn)式的設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容，融合多種教學(xué)方法，將傳統(tǒng)教學(xué)方式和現(xiàn)代教學(xué)方式有機(jī)結(jié)合，在激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣的同時(shí)，調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性.同時(shí)，在教學(xué)過程中需加強(qiáng)與相關(guān)課程的聯(lián)系，體現(xiàn)學(xué)科知識(shí)之間的相關(guān)性、連貫性和系統(tǒng)性，逐步提高學(xué)習(xí)的效果.

〔1〕孔令義．天然藥物化學(xué)[M]．北京：中國中醫(yī)藥出版社，2015．

〔2〕吳立軍．天然藥物化學(xué)[M]．北京：人民衛(wèi)生出版社，2011．

〔3〕黎明，孫平川，何丙林．核磁共振二維譜(2DNMR)及解析方法——1．二維J分解譜和同核化學(xué)位移相關(guān)譜．現(xiàn)代儀器使用與維修，1998（4）：28-32．

〔4〕黎明，孫平川，何丙林．核磁共振二維(2DNMR)及解析方法——2．化學(xué)位移相關(guān)譜[J]．現(xiàn)代儀器，2000（1）：30-34．

〔5〕劉勁松，王剛，吳德林，等．波譜解析課程教學(xué)改革與實(shí)踐[J]．安徽醫(yī)藥,2013,17(1)：177-178．

〔6〕劉立佳，王玉丹，趙方波．ChemOffice 軟件在化學(xué)教學(xué)中的作用 [J]．教育教學(xué)論壇，2015（1）：224-225．

〔7〕高昊，吳曉琦，張仁望，等．核磁共振實(shí)驗(yàn)?zāi)M軟件NMR-Sim在“有機(jī)化合物波譜解析”課程教學(xué)中的應(yīng)用．中國科教創(chuàng)新導(dǎo)刊，2011（26）：102-105．

〔8〕王舉濤，王剛，劉勁松，等．深化集體備課，提高天然藥物化學(xué)教學(xué)質(zhì)量 [J]．廣州化工，2013，41（5）：267-268，278．