綠色創新型有機化學實驗教學模式構建與實踐

查正根， 蘭 泉， 鄭 媛， 劉曉紅， 汪志勇，b， 鄭小琦，b

(中國科學技術大學 a.化學實驗教學中心;b.化學系，安徽 合肥 230026)

0 引言

近年來，依托“國家理科基礎研究和教學人才培養基地”和“國家級實驗教學示范中心”建設，按照示范中心“基礎型—綜合型—創新型”實驗體系的建設要求，前期進行了基礎型和綜合型有機化學實驗綠色化創建，取得了預期的效果［1］。近期，學校立足高遠，在985三期規劃中明確強調，大力加強本科生實驗教學建設。配合學校建設規劃，并緊緊圍繞國家級實驗教學示范中心建設目標，在課程體系建設、硬件建設、隊伍建設、教學成果建設等方面開展工作，努力創建綠色化學導向的創新型有機化學實驗，實現學科交叉，培養學生創新思維和創新能力，提高我校化學實驗教學的質量和影響力［2-3］。

為此，我們構建了與高水平大學相匹配的教學、科研硬件設備，跟蹤基礎研究進展，結合本校、本課題組基礎研究成果，關注科學研究的熱點、前沿，設計創新型有機化學實驗。在常規的合成方法基礎上，增加微波和超聲波方法［4］;催化劑由傳統的無機化合物、金屬向有機小分子、納米金屬催化方向發展［5］;純化表征手段由定性到定量;創新實驗綠色化。創新型有機化學實驗既符合綠色化學理念、原子經濟性，貼近生活、社會，又與科學研究的熱點、前沿內容相銜接，充滿時代性和挑戰性。

1 構建教學與創新相應的硬件設施

近年來，基礎有機化學實驗室加快了實驗室硬件建設，實驗條件得到了顯著改善。新建化學樓按照一流高水平大學的要求對學生開放，為本科教學服務。在國家級實驗教學示范中心建設前，有機實驗室固定資產總值只有27萬元，僅開設驗證性實驗，綜合、創新型實驗要借助實驗中心平臺，這對于培養學生的實驗技能和儀器操作能力是有限的。國家級教學示范中心建設以來，學校投入上百萬經費新增了合成儀器、測試表征儀器。2010年投入143萬元儀器設備經費，2011年又增加了54萬元，中心選擇購買學生受益面廣的儀器設備，從學科特點、基礎研究角度選擇儀器，從綠色化學方面考慮選擇儀器 ，從創新型、探索性實驗需要選擇儀器，部分儀器如圖1所示，硬件設備得到了顯著提升，有力地保證了創新型有機化學實驗開設。反應裝置反復優化，增加實驗安全，實驗微量化、小量化、綠色化，操作安全、簡便，見圖2。實驗室全部配備IKA磁力攪拌加熱裝置，使用安全規范。

圖1 實驗室部分儀器

2 實驗內容綠色、跟蹤基礎研究前沿

創新實驗項目建設以來，注重基礎，加強綜合，突出創新。中心對實驗內容進行改革與實踐，有機化學實驗均改為小量或微量實驗(見表1)，按照基礎—綜合—創新的層次開設。①盡量采用綠色溶劑(如水)和綠色試劑(低毒、無氣味);②開設植物(如蔬菜)的色素提取與分析、茶葉中咖啡因與茶多酚提取與分析、冬青油中主要成分的合成和巴比妥酸類鎮靜藥物的合成。實驗內容貼近生活，增加實驗的趣味性。跟蹤基礎研究前沿，在綠色化學理念導向下，遵從3R(減量化、再使用和再循環)原則和原子經濟性原則［6］，在常規的合成方法基礎上，增加微波和超聲波方法;催化劑由傳統的無機化合物、金屬向有機小分子、納米金屬催化方向發展;純化表征手段由定性到定量，與基礎研究相一致，如圖3所示。

3 設計創新型有機化學實驗項目

以綠色化學為導向，跟蹤學術前沿、熱點，設計創新型有機化學實驗，實行自主、開放的實驗教學模式，實驗內容貼近生活與科研，具有趣味性。

(1)水相Hantzsch(Biginlli/Claisen-Schmidt)反應實驗設計。

Hantzsch、Biginlli、Claisen-Schmidt反應既是人名反應，又有最近的研究進展，在文獻的基礎上，將這些反應設計為一組水相微量有機合成實驗，訓練學生分離純化技能，樹立綠色環保意識［7-8］。

(2)巴比妥酸衍生物的合成。

巴比妥酸衍生物作為鎮靜藥、安眠藥和麻醉藥收到人們的關注，設計巴比妥酸衍生物合成實驗，訓練學生無水操作和活潑金屬的使用。

(3)水相Heck反應實驗設計。

表1 有機化學實驗內容

圖3 綠色化學導向的創新型實驗課程建設

由于Heck反應對有機合成的貢獻，在2010年，Richard F.Heck因對Heck反應的開創性研究而實至名歸地獲得諾貝爾化學獎。我們關注基礎研究的熱點，結合本研究室Heck反應研究結果［9-10］，采用化學、微波和超聲波合成方法，設計綠色微量合成實驗。并讓學生了解水相納米Pd催化的Heck反應機理。

(4)金屬促進的水相C—C鍵偶聯反應實驗設計。

表2 水相C—C鍵偶聯反應使用的合成方法和促進劑

表3 水相C—C鍵偶聯反應的底物

結合本研究室多年研究成果，使用化學、電化學［11］、超聲波和微波合成方法，采用金屬、納米金屬和無機鹽為促進劑，將水相Barbier-Grignard型反應設計成創新型實驗，同一個類型反應不同組合方式形成個性化的實驗內容(見表2、3)，讓學生學習多學科交叉方面的知識［12-15］。

(5)多取代噁唑環合成實驗設計。

將本研究室的研究成果及時轉化為創新型實驗，合成天然化合物中存在的雜環，讓學生掌握學習科研中溶劑的處理方法和反應底物的制備［16］。

(6)烯胺不對稱催化及在Aldol反應中的應用。

有機小分子催化是有機合成研究的前沿之一，將手性脯氨酸小分子用于Aldol反應，讓學生學習不對稱催化方面的知識［17-18］。

4 創新實驗與自主開放相結合

為了提高教學質量，適應現代高水平高校培養創新型人才的需要，應該改變以前那種相對封閉的教學模式，加強有機實驗的開放性和應用性。多所高校的探索和實踐證明，實行自主、開放式教學模式是行之有效的措施。

由此，本課程開設了自主、開放的創新型有機化學實驗專題:水相有機合成，納米催化劑制備及其催化的有機反應，有機合成中C—H鍵活化、官能化，脯氨酸衍生物催化的不對稱Aldol縮合以及生物酶催化的有機反應是有機化學基礎研究的熱點，我們以此為實驗內容，結合傳統的、現代的分離純化、鑒定技術，設計以綠色化學和學術前沿導向的創新型有機化學實驗。

自主、開放式實驗教學主要通過5個方面的開放來實現:①實驗時間和空間;②實驗內容;③教學方法;④教學手段和管理手段;⑤實驗教學評價。在實驗室指導性的實驗選題下，學生自主選題、自己查閱文獻、自主設計方案，在教師指導下實施設計方案，通過選題，可以加強包括微量操作、綠色化學、納米技術、化學生物學為內容的實驗操作等各項技能訓練，實現二級學科甚至是一級學科相互交叉。完整的開放式實驗教學模式的形成，可以充分發揮學習中學生的主體作用，激發學生的創新積極性，提高學生在實踐中發現問題、分析問題和解決問題的能力，使其成為具有創新意識和創新能力的領軍人才、戰略人才。

5 創新型有機化學實驗多媒體教學

依托校級精品課程平臺，建立校精品課程、實驗中心和實驗室有機化學實驗網，三大網絡平臺相互支撐，網絡資源及時更新，及時介紹儀器維護與使用，實現實時實驗講解錄像、實時實驗過程拍攝錄像。實驗室配備投影儀和網絡接口，利用多媒體手段，使有機實驗課程生動、形象。

①校精品課程有機化學實驗網絡平臺:網址http://www.bb.ustc.edu.cn

②實驗中心有機化學實驗網絡平臺網址http://cec.ustc.edu.cn/teaching/base/o-chem

③實驗室有機化學實驗網絡平臺:網址http://ochem.ustc.edu.cn

6 應用情況

有機化學實驗室建立了安全、有效的IKA加熱磁力攪拌反應裝置，微波、超聲波反應裝置，低溫反應裝置和低溫循環裝置;構建熔點儀、折光儀等物性數據測量儀器，化合物表征的氣相色譜儀、高壓液相色譜儀。滿足所有學生使用、操作，極大改善了基礎有機化學實驗室的環境和條件。

依托自然科學基金項目研究，將基礎研究、教學研究和綠色化學緊密地結合起來，進行了:①Hantzsch(Biginlli/Claisen-Schmidt)反應實驗設計;②巴比妥酸類鎮靜藥物的合成法;③水相Heck反應實驗設計(化學、超聲波與微波法);④常規金屬、納米金屬促進的水相C—C鍵偶聯反應實驗設計(羰基化合物的allylation反應和pinacol偶聯反應);⑤多取代噁唑環的合成實驗設計;⑥烯胺不對稱催化在Aldol反應中的應用實驗，實行自主、開放地實驗教學模式，先后在08級、09級、10級和11級實施，獲得學生好評。

創新型有機化學實驗內容能滿足我校有機化學實驗教學要求，并能激發學生學習有機化學實驗的興趣，增強創新意識、環保意識。

基礎研究成果能及時轉化為創新型有機化學實驗，同時轉化為教學研究成果。

有機化學實驗的網絡資源生動、形象、直觀，起到非常好的演示效果。兩篇創新型實驗教學成果的論文在《實驗室研究與探索》雜志上發表。

按照綠色化學理念設計、實施的創新型有機化學實驗，起到輻射帶動作用。水相Heck反應實驗設計受到兄弟院校關注，allylation反應實驗曾為全國大學生化學實驗競賽內容。

7 結語

通過國家級實驗教學示范中心建設，構建與教學、科研相適應的儀器、設備，實行自主開放的實驗教學模式，開設創新型有機化學實驗，新開的實驗跟蹤基礎研究前沿，及時轉化自己的研究成果和基礎研究熱點成果，實驗內容豐富、綠色、貼近生活。創新型有機化學合成方法綠色多樣，催化劑由無機小分子到有機小分子、由常規金屬到納米金屬，純化、表征由定性到定量。基礎研究、教學研究與創新型有機化學實驗相輔相成。同時，構建創新型有機化學實驗網絡教學，校級精品課程網、實驗中心網頁和實驗室網頁相互支撐，使實驗教學生動、形象。

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