天然药物化学实验引入分子探索.doc

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1、天然药物化学实验引入分子探索摘要:目前天然药物化学实验课程中缺少对天然产物立体构型确定的内容。在多年教学科研工作基础上，提出以青蒿素构型和构象为主题，将实物球棍HGS分子模型和ChemOffice软件中模拟分子模型应用到天然药物化学实验中，同时整合TopSpin核磁共振图谱处理软件和CCDC晶体数据库网络资源，构建“天然产物立体结构分析”互动实验教学平台。旨在帮助学生更好地理解相对构型、绝对构型、构象等概念，提高学生对复杂天然产物进行结构解析的能力。关键词:天然药物化学实验;立体化学;分子模型;青蒿素7学海无涯天然药物化学实验引入分

2、子探索摘要:目前天然药物化学实验课程中缺少对天然产物立体构型确定的内容。在多年教学科研工作基础上，提出以青蒿素构型和构象为主题，将实物球棍HGS分子模型和ChemOffice软件中模拟分子模型应用到天然药物化学实验中，同时整合TopSpin核磁共振图谱处理软件和CCDC晶体数据库网络资源，构建“天然产物立体结构分析”互动实验教学平台。旨在帮助学生更好地理解相对构型、绝对构型、构象等概念，提高学生对复杂天然产物进行结构解析的能力。关键词:天然药物化学实验;立体化学;分子模型;青蒿素7学海无涯天然药物化学作为国内药学和中药学相关专业的必

3、修专业课程，从天然产物的提取分离、理化性质和结构鉴定等方面，为未来创新天然药物研发人才提供了重要的知识储备。随着2015年中国科学家屠呦呦因对青蒿素研究的贡献获得诺贝尔生理学或医学奖，以及2016年国家发布实施《中医药发展战略规划纲要(2016－2030年)》，方兴未艾的天然药物研究也给该课程的理论和实验教学提出了更高的要求。作为理论教学的重要辅助课程，天然药物化学实验给学生提供了对理论知识点加以验证的机会，同时还可以培养学生的观察、思考和操作能力。国内相关院校也以提高学生兴趣、参与度和创新能力为目标，在教学方法上进行了大胆的改革尝

4、试。例如，引入慕课辅助教学模式［1］、开展自主设计性实验［2］和发现式实验教学［3］等。然而，目前国内天然药物化学实验仍局限于特定结构类型化合物的提取分离和理化鉴别反应，而缺失通过波谱学方法对复杂天然产物化学结构，尤其是立体结构确证的教学内容。众所周知，利用波谱学方法确定化合物平面结构及立体构型一直以来是传统天然药物研究中必不可少的一个环节，而目前通过计算机软件预测化合物生物学靶标之前也需要明确化合物的立体构型和构象。因此，天然产物立体化学及其相关波谱学方法和其他确定手段(包括单晶X-射线衍射、分子模型分析等)，应该成为天然药物化学

5、理论和实验教学中学生必须掌握的基础知识，并且应该通过教学改革，学校提供给学生更多可视化、可操作、可记录的实践机会。分子模型是天然产物立体结构确证中应用最广泛的手段，其可以获得最直观的分子空间结构，并帮助学生更好地解读核磁共振波谱数据。目前主要有两种构建分子空间模型的方法:一种是传统的球棍模型。例如，日本Maruzen公司的HGS分子构造模型，其可以使学生在手动搭建模型的过程中获得更多的体验感和直观认识，因此这种模型在日本药学高等院校的化学相关课程教学中得到很好的应用;另外一种为ChemOffice等化学结构绘图软件中包含的Chem3

6、D组件，其可以将ChemDraw绘制的二维结构转化为三维空间结构，并通过能量优化获取化合物最稳定的空间构象，在目前天然产物构象的确定中应用广泛。基于以上分析，围绕天然产物立体结构确证这一重要知识点，笔者提出将HGS分子模型引入天然药物化学实验教学内容，同时激活整合ChemOffice软件包、TopSpin核磁共振图谱处理软件、剑桥晶体学数据中心［TheCambridgeCrystallographicDataCentre(CCDC)］网络资源、互动教学系统等教学资源，构建“天然产物立体结构分析”的互动实验教学平台。在巩固天然药物化学

7、理论教学效果的基础上，提升天然药物化学实验课程的教学水平，进而全面促进学生对天然产物结构鉴定相关知识的学习，为他们未来就业或研究生学习提供更强的竞争力。1基于分子模型互动教学的“天然产物立体结构分析”实验平台的构建7学海无涯为了提高学生对该实验教学内容的兴趣，笔者以青蒿素立体结构的确定为例，以数码互动教学系统为载体，在引入HGS分子构造模型动手操作环节的基础上，结合计算机操作，构建起“化学结构绘制”“NMR信号分析”“分子模型搭建”和“晶体结构验证”等相关模块(图1)。1.1“化学结构绘制”模块。笔者应用ChemOffice2004

8、软件［4-7］中的Chem-DrawUltra8.0组件完成青蒿素结构的绘制。该模块旨在提高学生绘制天然产物化学结构的规范性。例如，绘图模板的选择、键长键角的选择、杂原子的字体大小，尤其是涉及立体构型方面手性碳的标识和楔形键的摆放角度