科研創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生綜合知識(shí)體系的構(gòu)建*

陳水生 喬瑞 張淑萍 時(shí)兆菊 盛良全

(阜陽(yáng)師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院 安徽阜陽(yáng)236041)

大學(xué)化學(xué)教學(xué)的重要任務(wù)不僅是要讓學(xué)生掌握豐富的理論課知識(shí)，更要培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。科研創(chuàng)新型實(shí)踐教學(xué)對(duì)于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)和綜合知識(shí)體系的構(gòu)筑具有重要的作用［1-2］。科研創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)是以學(xué)科內(nèi)容和學(xué)生的知識(shí)積累為基礎(chǔ)，引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)造性地運(yùn)用知識(shí)和能力，自主地發(fā)現(xiàn)問題、研究問題和解決問題，在研究中積累知識(shí)、培養(yǎng)能力和鍛煉思維的教學(xué)模式［3-4］。我們以國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目多芳基取代的三唑類化合物的合成研究為例，闡述學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練對(duì)學(xué)生綜合知識(shí)體系的構(gòu)建作用。該創(chuàng)新項(xiàng)目設(shè)計(jì)的基本思路是:通過創(chuàng)新訓(xùn)練強(qiáng)化基本操作訓(xùn)練;以綜合訓(xùn)練促進(jìn)學(xué)生理論知識(shí)與實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ耐皆鰪?qiáng);體現(xiàn)各學(xué)科之間相互交叉、滲透的客觀情況，使創(chuàng)新項(xiàng)目更接近于科研和教學(xué)實(shí)際，完成學(xué)生整體化知識(shí)體系的構(gòu)建［5］。

1 實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)

以三芳基取代三唑?yàn)槟繕?biāo)化合物，讓學(xué)生自己查閱數(shù)據(jù)庫(kù)資源相關(guān)文獻(xiàn)，在教師指導(dǎo)下設(shè)計(jì)出完整合理的合成路線(圖1)，并驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性。

圖1 3-(2-噻吩基)-4-(4-甲基苯基)-5-(2-吡啶基)-1，2，4-三唑(Ⅶ)的合成路線

2 實(shí)驗(yàn)方案的可行性分析

三唑類化合物合成方法豐富，化合物3-(2-噻吩基)-4-(4-甲基苯基)-5-(2-吡啶基)-1，2，4-三唑(Ⅶ)的合成路線設(shè)計(jì)，有選擇地涵蓋了基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)課程中學(xué)過的一些經(jīng)典有機(jī)反應(yīng)，此路線經(jīng)過氧化、酰氯化、酰氯醇解、肼解、酰氯胺解和縮合等反應(yīng)得到目標(biāo)產(chǎn)物。在合成設(shè)計(jì)時(shí)，學(xué)生往往只關(guān)注反應(yīng)理論上的可行性，所以實(shí)驗(yàn)時(shí)須引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合反應(yīng)的具體情況確定特定的實(shí)驗(yàn)條件及后處理方法。比如，化合物2-吡啶甲酸(Ⅰ)可以由高錳酸鉀氧化2-甲基吡啶的方法進(jìn)行制備，但由于無機(jī)鹽高錳酸鉀為水溶性，而有機(jī)物2-甲基吡啶溶于有機(jī)溶劑，是非均相反應(yīng)，不利于反應(yīng)的進(jìn)行。因此，學(xué)生應(yīng)充分考慮到這種影響因素。通過查閱資料，羧酸的氧化制備加入少量聚乙二醇(PEG-600)和吡啶溶液，一方面，水和2-甲基吡啶可有效地分散在聚乙二醇和吡啶混合溶液中，PEG-600作為相轉(zhuǎn)移催化劑，可提高高錳酸鉀的氧化效率;另一方面，吡啶氮原子可以與氧化羧酸的質(zhì)子發(fā)生結(jié)合，羧酸成鹽溶于水中，因此過濾除掉氧化后的殘?jiān)尤霛恹}酸即可析出產(chǎn)物2-吡啶甲酸。化合物2-吡啶甲酸乙酯(Ⅲ)的制備，可以直接由2-吡啶甲酸和乙醇在濃硫酸的催化下進(jìn)行制備，但考慮到酯化反應(yīng)是可逆反應(yīng)，反應(yīng)過程通常要采用分水裝置，且需加入有毒溶劑苯與水形成共沸物以除水，總體上講，反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，收率不太高。而羧酸進(jìn)行酰氯化后，再與醇進(jìn)行酰氯的醇解反應(yīng)，可以大大縮短時(shí)間和提高收率。羧酸的酰氯化過程通常采用SOCl2作為酰化試劑，緣于反應(yīng)體系的副產(chǎn)物可以從反應(yīng)體系逸出;另外，加入少量DMF作為催化劑有利于酰氯的生成。要注意的是，酰氯是非常活潑的羧酸衍生物，酰氯的醇解過程會(huì)放出大量的熱，必須在冰浴條件下，加入無水乙醇進(jìn)行酰氯的醇解，以防止反應(yīng)物暴沸從體系沖出。化合物Ⅲ和Ⅳ分別由酰氯的醇解及酯的肼解反應(yīng)制備，利用了有機(jī)化學(xué)理論課程中羧酸衍生物的相關(guān)性質(zhì)。在實(shí)驗(yàn)過程中，如何用薄層色譜實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控;在后處理純化過程中，萃取操作萃取劑及重結(jié)晶中溶劑的選擇，柱色譜分離和薄層色譜分離等都是實(shí)踐操作的綜合性環(huán)節(jié)。此方案設(shè)計(jì)，充分結(jié)合實(shí)際，有利于學(xué)生發(fā)現(xiàn)并解決問題，提升縝密的、邏輯的思維能力，是理論知識(shí)與實(shí)踐能力的升華過程。

3 結(jié)果與討論

3.1 化合物的結(jié)構(gòu)分析

有機(jī)波譜分析是對(duì)化合物的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)進(jìn)行表征的基本手段。通常包括紅外光譜、核磁共振、元素分析、紫外光譜、質(zhì)譜分析以及X射線單晶衍射測(cè)試技術(shù)。這要求我們綜合運(yùn)用有機(jī)波譜分析相關(guān)知識(shí)，讓學(xué)生在了解大型分析儀器使用的同時(shí)，提高解析譜圖的能力。如紅外光譜中，同類化合物的官能團(tuán)有其特征吸收峰。如二酰肼化合物(Ⅴ)的紅外光譜圖，3109～3010cm-1處的峰為苯環(huán)上的C—H伸縮振動(dòng)產(chǎn)生的吸收峰，1720cm-1和1680cm-1存在二酰基的強(qiáng)對(duì)稱和反對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰，1600～1445cm-1處歸屬于苯環(huán)碳骨架的特征峰，1313～1269cm-1處歸屬于C—O伸縮振動(dòng)產(chǎn)生的吸收峰。有機(jī)化合物的氫核磁共振波譜，對(duì)化合物不同化學(xué)環(huán)境的氫原子的化學(xué)位移進(jìn)行歸屬，計(jì)算出相鄰氫的耦合常數(shù)。波譜的解析過程，應(yīng)充分再現(xiàn)理論課所掌握的知識(shí)，比如誘導(dǎo)效應(yīng)、共軛效應(yīng)和偶極場(chǎng)效應(yīng)等電子效應(yīng)，正確理解影響吸收頻率，化學(xué)位移的變化因素。

隨著化學(xué)技術(shù)的發(fā)展和學(xué)科間的相互滲透交叉，先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)在化學(xué)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)上相繼得到應(yīng)用。在科研創(chuàng)新訓(xùn)練中，我們對(duì)產(chǎn)物單晶采用X射線單晶衍射進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征，通過結(jié)構(gòu)解析，確定物質(zhì)的絕對(duì)結(jié)構(gòu)，可讓學(xué)生進(jìn)一步了解X射線單晶衍射原理，學(xué)習(xí)一些晶體結(jié)構(gòu)解析及晶體結(jié)構(gòu)表達(dá)的常用軟件，實(shí)現(xiàn)在分子水平上理解物質(zhì)的絕對(duì)結(jié)構(gòu)。圖2為我們所合成的有機(jī)分子Ⅶ的單晶結(jié)構(gòu)表征，該分子的結(jié)構(gòu)單元存在著不同雜化狀態(tài)的碳原子，如sp2和sp3雜化的碳原子鍵角分別接近120°和109°，五元雜環(huán)原子間鍵角也約為110°。將測(cè)得鍵長(zhǎng)和鍵角與理論課程所學(xué)習(xí)的同類化合物進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論課程所講述的化合物的結(jié)構(gòu)一致，由此可使學(xué)生進(jìn)一步深化對(duì)理論知識(shí)的理解。

圖2 化合物Ⅶ的單晶分子結(jié)構(gòu)

為加深對(duì)分子構(gòu)象的理解，我們合成了一個(gè)新化合物5-((4-甲酰基-1-哌啶基)甲基)異肽酸。同樣運(yùn)用X射線單晶衍射技術(shù)測(cè)定了分子的絕對(duì)結(jié)構(gòu)。在該分子結(jié)構(gòu)單元中，羧基和苯環(huán)碳原子的雜化方式為sp2，以碳原子為中心的鍵角大約為120°(圖3)，羧基和苯環(huán)碳原子中心鍵夾角約為120°;而哌啶六元環(huán)中的碳原子為sp3雜化方式，夾角為109.40°，與理論值相吻合。

圖3 5-((4-甲酰基-1-哌啶基)甲基)異肽酸的單晶分子結(jié)構(gòu)(羧基氫原子省略)

哌啶六元環(huán)的結(jié)構(gòu)與環(huán)己烷的結(jié)構(gòu)一致。在理論課程中，學(xué)生已了解了環(huán)己烷分子的船式和椅式兩種極限構(gòu)象。環(huán)己烷分子通常以穩(wěn)定的椅式構(gòu)象存在。從5-((4-甲酰基-1-哌啶基)甲基)異肽酸有機(jī)分子的絕對(duì)結(jié)構(gòu)可以看出，該分子存在著與環(huán)己烷結(jié)構(gòu)相似的六元哌啶環(huán)，且以穩(wěn)定的椅式構(gòu)象存在(圖4(a))，我們將有機(jī)分子中的哌啶環(huán)轉(zhuǎn)換成紐曼投影式(圖4(b))后，可以清晰地看到，環(huán)中相鄰碳(氮)原子取代基都處于鄰位交叉，鄰交叉優(yōu)勢(shì)構(gòu)象的存在，與相關(guān)理論知識(shí)一致。在實(shí)踐中，利于我們對(duì)環(huán)己烷這種相對(duì)抽象構(gòu)象的理解。在科研實(shí)踐中知識(shí)的遷移和相互印證，是科研創(chuàng)新價(jià)值所在。

3.2 化合物Ⅶ的光譜性質(zhì)

由化合物3-(2-噻吩基)-4-(4-甲基苯基)-5-(2-吡啶基)-1，2，4-三唑的晶體結(jié)構(gòu)分析，三芳基取代的1，2，4-三唑，噻吩環(huán)與三唑環(huán)的二面角為32.94(14)°;吡啶環(huán)與三唑環(huán)的二面角為29.13(11)°。三唑、噻吩和吡啶的3個(gè)芳香環(huán)平面間存在一定的共軛性，有利于電子云的流動(dòng)與躍遷。由圖5可見，化合物Ⅶ在位于293nm左右出現(xiàn)一個(gè)吸收峰，這主要是苯環(huán)及多芳香基取代的共軛體系π-π*或n-π*躍遷的貢獻(xiàn)。

圖4 5-((4-甲酰基-1-哌啶基)甲基)異肽酸分子中哌啶環(huán)(a)及其紐曼結(jié)構(gòu)式(b)

在室溫下，對(duì)該化合物的固體熒光性質(zhì)進(jìn)行了研究。如圖6所示，化合物Ⅶ在波長(zhǎng)為336nm的光的照射下，在399nm處呈現(xiàn)中等程度的發(fā)射峰，激發(fā)峰與發(fā)射峰呈鏡像關(guān)系，Stokes位移為63nm，這一發(fā)射峰歸結(jié)為配體中的π-π*電子轉(zhuǎn)移。這樣就將晶體學(xué)與分析化學(xué)中的紫外吸收及熒光發(fā)射光譜等理論有機(jī)地結(jié)合起來，構(gòu)筑知識(shí)的一體化。

圖5 化合物Ⅶ的紫外光譜

圖6 化合物Ⅶ的熒光光譜

4 結(jié)語(yǔ)

以3-(2-噻吩基)-4-(4-甲基苯基)-5-(2-吡啶基)-1，2，4-三唑的合成作為科研創(chuàng)新訓(xùn)練，讓學(xué)生系統(tǒng)化完成化合物路線的設(shè)計(jì)合成、結(jié)構(gòu)表征以及性能研究等綜合知識(shí)運(yùn)用和技能訓(xùn)練。不僅把有機(jī)學(xué)科基礎(chǔ)理論與實(shí)踐教學(xué)有機(jī)地結(jié)合成一個(gè)實(shí)體，而且不同的學(xué)科在實(shí)踐中交叉融合成為綜合性學(xué)科知識(shí)整體，突破了學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)的模塊化，有利于學(xué)生綜合知識(shí)體系的構(gòu)建。

［1］鄭明花，金京一，王清珊.大學(xué)化學(xué)，2011，26(6):38

［2］張艷麗，金昌磊，李艾，等.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2011，30(2):138

［3］牛國(guó)興，高翔，徐華龍.大學(xué)化學(xué)，2012，27(4):27

［4］楊一思，張?.大學(xué)化學(xué)，2013，28(1):13

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