應用化學專業非均相酮選擇性氧化學生綜合實驗的設計

鄭春明（天津工業大學 環境與化學工程學院，天津 300387）

應用化學專業非均相酮選擇性氧化學生綜合實驗的設計

鄭春明（天津工業大學 環境與化學工程學院，天津 300387）

本文根據高等學校有機化學和精細化工綜合實驗的特點，以激發學生學習專業知識的興趣和培養創新能力為目標，對有機化學課程原有的實驗內容和教學方法進行深化和革新。通過使用錫系非均相介孔二氧化硅催化材料的合成，以及酮選擇性空氣氧化為例子，使學生加深對有機氧化反應的反應機理、過程和實驗操作的理解，使實驗內容和理論教學相結合，培養學生的綜合實驗能力。

有機化學；精細化工；非均相催化劑合成；酮選擇性氧化；綜合實驗設計

培養具有創新精神的高素質人才是二十一世紀高等教育人才培養的首要目標。在高等教育過程中，實驗教學是培養具有實踐和創新意識學生的重要途徑。因此深化實驗教學改革十分必要。精細化工和應用化學專業學生的創新能力培養必須加強創新能力的培養，增加設計性、綜合性、開放性實驗，減少驗證性實驗，引導學生的自主學習探究能力。本文將自主科研的相關成果引入到學生綜合實驗過程中，創新了實驗教學模式，能有效提高學生的創新能力，增強學生對本學科的學習和科研探索興趣。

1 酮選擇性氧化反應及特點

酮選擇性氧化反應也稱Baeyer-Villiger(BV)催化氧化反應，是將酮類有機物轉變為脂的重要催化反應類型，所得產物為制藥、農藥、精細化工等領域的重要中間體，因而具有廣泛的應用價值，并已成為有機化學反應中的重要基石[1]。目前，對于BV催化體系的研究主要包括均相、非均相和酶催化三個大類。這些方法各有特點，各有優勢。其中非均相BV催化反應因催化過程簡單，減少過氧酸等原料的使用和廢棄物的排放，可利用“綠色”氧化劑雙氧水、分子氧，具有廉價安全，易于分離和重復使用等特點而受到廣泛關注[2]。

2 酮選擇性氧化綜合實驗的內容設計

因為BV催化反應的產物在許多領域得到廣泛使用，而且決定該產品的性能因素很多，包括合成方法工藝、配方工藝、環境條件等。要將該實驗轉化為學生實驗，就需要尋找合適的配方工藝條件和找出影響該反應的條件因素，包括反應機理、催化劑種類與用量、原料種類與配比，操作條件與效果，溫度與反應時間等。

考慮到實驗的代表性與可操作性，我們選用了催化效率較高，無需加入雙氧水，使用空氣為氧化劑，合成溫度低的非均相錫系介孔二氧化硅催化材料作為實驗內容。并按照實驗內容的難易程度以及循序漸進的教學規律，先合成錫系介孔二氧化硅催化材料，然后將該催化材料應用于環己酮的氧化過程中。實現了由易到難、分階段進行實驗。并考察不同催化劑活性組分含量，催化劑用量、溫度，攪拌時間等的影響，讓學生提高對該體系催化合成的感性認識，使學生實驗內容與課堂教學有機結合，培養學生的實驗能力和創新能力。

3 非均相錫系BV催化體系的特點

Corma A.等用微孔的脫鋁Beta沸石為晶種，加入Sn源水熱晶化，制備出了Sn-Beta催化材料，顯示出了優良的非均相BV催化性能。因此，中國和美國科研人員分別成功開發了小粒徑Sn-Beta、介孔層狀Sn-MFI和介孔MCM-41負載Sn-MFI等應用于非均相BV催化過程，改善了反應底物的擴散限制，顯示出高于微孔材料的非均相BV催化活性。因此，選擇良好的孔結構，改善制備方法對材料孔結構和孔徑分布的控制效果能夠做到驗證性實驗與最新科研成果的創新性、設計性相結合，使學生能夠熟練使用相關儀器設備、掌握該實驗的基本原理和實施方法[3]。

在這一過程中，讓學生根據實驗任務自己查閱文獻、設計實驗相關細節（包括配方設計、實驗條件設計、儀器設備選用和產品的表征方法等），并自主實施完成實驗，以培養學生獨立分析問題、解決問題和創新能力。由于設計性、研究性實驗容易受到實驗儀器和場地的限制，且試驗時間較長，可以采取學生自愿組合方式組成一個科研小組，經過查閱文獻、小組討論、上報實驗指導教師批準、實驗預約后開展實驗。實驗結束后，上交實驗記錄和報告的方式。雖然增加了教師和實驗技術人員的管理難度，但給學生一個獨立的思維和科研環境，能夠有效發揮學生的主動性和創新意識。目前，該項教學科研成果撰寫的論文和專利已經獲得天津市大學生創業大賽金獎。

4 結語

經過上述實驗設計的優化和實驗教學內容的整合，開展應用化學專業酮選擇性氧化的設計和實踐，不僅能夠起到強化學生基礎知識的綜合應用和基本實驗技能的訓練，更加強了學生對分析、解決問題、獨立思考、協同配合等綜合能力的培養。通過本專業師生的不同探索和總結，相信應用化學專業綜合實驗將會取得更好的效果。

[1]Michael Renz,Bernard Meunier.100 Years of Baeyer-Vil?liger Oxidations.Eur.J.Org.Chem.,1999,737-750.

[2]劉媛，陳長林，徐南平.負載銻的水滑石催化環己酮Baeyer-Villiger氧化制ε-己內酯.催化學報,2004(10):801-804.

[3]康自華，劉海鷗，張雄福.雜原子Sn-β分子篩脫鋁補位兩步法制備、表征及環己酮Baeyer-Villiger氧化性能.催化學報，2012(5):898-904.

天津工業大學高等教育教學改革研究項目（2015-2-09）

鄭春明（1979-），男，副教授，博士。