化學專業科研創新訓練的探索與實踐

周 鑫

(延邊大學 化學系,吉林 延吉 133002)

化學專業科研創新訓練的探索與實踐

周 鑫

(延邊大學 化學系,吉林 延吉 133002)

培養大學生的創新和科研能力，已成為當前有機化學實驗教學體系的重要組成部分之一。以新型香豆素衍生物的合成為例，開展了大學生的科研創新訓練。實踐表明, 通過對化合物的設計路線、合成步驟、結構表征及性質研究等方面的探索與實踐，激發了學生的學習興趣,啟迪了學生的創新思維, 培養了學生分析和解決問題的能力，提高了學生的創新實踐能力及綜合素質。

有機化學實驗； 有機合成; 創新訓練； 香豆素; 合成; 性質研究

0 引 言

培養大學生自主創新與科研能力是高等教育的重要職能之一，也是建設創新型國家的必然要求[1]。化學作為一門建立在實驗基礎上的學科，強調學生的基本知識和實驗技能，需要對學生加強科研創新方面的訓練，提升學生的綜合素質[2]。開展以創新性有機化學實驗為載體的大學生科研創新訓練項目是提升本科生創新能力以及自主學習能力的有效途徑[3]。有機化學實驗主要研究化合物的合成、分離、表征、分析測試及應用，其綜合性比較強，注重學生在每一項環節中的參與。在此過程中，學生結合所學知識，以興趣為導向，從課題內容著手，獨立查閱資料，并在老師的指導和幫助下完成科研訓練項目，達到理解本學科的知識體系的目的。

香豆素是一類常見的熒光染料，其合成相對簡單，適合用于本科生科研訓練的素材。在前期工作的基礎上[4-11]，設計了一種香豆素衍生物(L),并以此開展了相應的大學生科研創新訓練項目。在此項目中，學生在指導老師的指導下，通過查閱相關資料[12-16]，確定了目標化合物及其合成路線。通過具體的實驗操作及后續性質的探索研究，培養了學生獨立分析和解決問題的能力。達到了提高學生的創新實踐能力的目標，實現了學生理論知識與科研實踐的相互融合。

1 實驗目的

了解香豆素及衍生物的研究進展、研究意義以及合成方法；掌握加熱、過濾、重結晶、萃取、柱層析等基本的實驗操作技能；熟練旋轉蒸發儀、紫外-可見分光光度計和熒光光譜儀等儀器的使用。通過具體的實驗操作及后續的探索研究，掌握羥醛縮合等經典有機反應。培養學生獨立分析和解決問題的能力，進一步提高學生的科研創新能力。

2 實驗方案

學生在老師的引導下，通過查閱數據庫，設計合成路線，確定如下實驗方案:①通過4步有機反應制備目標化合物(L),具體合成路線如圖1所示;②對目標化合物(L)進行分離純化與表征;③對目標化合物(L)的光譜性質進行探討。

圖1 目標化合物L的合成路線

3 實驗儀器和試劑

儀器：圓底燒瓶，磁力攪拌器，電熱套，層析柱，直形冷凝器、錐形瓶，AV-300型核磁共振儀(瑞士布魯克)，UV-3010型紫外-可見分光光度計(日本島津)，RF-530IPC型熒光光譜儀(日本島津)。

試劑：4-二乙胺基水楊醛，丙二酸二乙酯，哌啶，濃鹽酸，冰醋酸，氫氧化鈉，無水乙醇，N,N-二甲基甲酰胺(DMF)，四氫呋喃，乙腈，三氯氧磷，(3,5,5-三甲基環己-2-烯亞基)丙二腈，無水硫酸鈉，石油醚，乙酸乙酯，二甲基亞砜(DMSO)，丙酮。

4 實驗步驟

4.1 7-二乙胺基香豆素(1、2)的合成

量取1.2 mL(7.909 mmol)丙二酸二乙酯，放入100 mL雙口瓶中,加入10 mL無水乙醇及400 μL(4.040 mmol) 哌啶，攪拌10 min。稱取1.000 g(5.178 mmol) 4-二乙胺基水楊醛加到反應體系中，加熱回流反應，TLC跟蹤，反應過程中溶液呈深紅色。反應結束后，冷卻至室溫，得到目標產物(1)。化合物(1)未經進一步分離純化繼續用于下一步反應，向含有化合物(1)的單口瓶中緩慢加入10 mL濃鹽酸(38%)以及10 mL冰醋酸(99.5%)，加熱回流，TLC跟蹤反應，此過程中溶液為紅棕色。反應結束后，用氫氧化鈉溶液調節pH至中性，析出大量淡綠色固體。過濾，用蒸餾水潤洗3次，干燥后得到粗產品，柱層析分離提純，流動相EA∶PE=1∶5。分離得到淡綠色固體0.716 1 g，產率為63.7%。

1HNMR(300 MHz,CDCl3) δ 9.17(d,J=9.3 Hz,1H),8.85(d,J=2.0 Hz,1H),8.11(d,J=8.3 Hz,1H),7.67(s,1H),6.80-6.64(dd,J=8.3 Hz，2.0 Hz,1H),3.52(m,J=7.0 Hz,4H),1.29(t,J=7.0 Hz,6H).

4.2 7-二乙胺基-3-甲酰基香豆素(3)的合成

氮氣保護下，取出 2 mL精制的N,N-二甲基甲酰胺(DMF)加入到25 mL雙口瓶中。冰浴條件下，緩慢加入2 mL POCl3，滴加完畢后，將反應體系移至室溫下攪拌1 h，此過程中溶液由無色變為淡紅色。然后稱取0.100 g(0.460 mmol) 7-二乙胺基香豆素溶入1 mL精制的DMF中，并逐滴加到反應體系。滴加完畢后，將反應體系轉移至60 ℃油浴鍋中加熱，此過程中溶液由淡紅色變為深紅色，TLC跟蹤反應。反應結束后，趁熱將反應體系緩慢倒入40 mL冰水中，析出大量紅色固體，過濾，干燥得粗產物。用乙醇重結晶，干燥得到紅棕色針狀固體 0.064 6 g，產率為57.3%。

1HNMR(300 MHz,CDCl3) δ 10.13(s,1H),8.26(s,1H),7.42(d,J=9.0 Hz,1H),6.69-6.64(dd,J=9.0,2.0 Hz 1H),6.51(d,J=2.0 Hz,1H),3.48 (m,J=7.0 Hz,4H),1.26(t,J=7.0 Hz,6H).

4.3 目標產物(L)的合成

稱取30 mg(0.115 8 mmol) 7-二乙胺基-3-甲酰基香豆素加入到25 mL單口瓶中，加入5 mL無水乙醇，溶解后加入33 mg(0.173 7 mmol)(3,5,5-三甲基環己-2-烯亞基)丙二腈，滴入催化量的哌啶20 μL(0.202 0 mmol)，加熱回流反應2 h，析出綠色固體時停止反應。將反應體系過濾，固體干燥后用乙醇重結晶，得到綠色粉末狀固體 0.033 5 g，產率為70%。

1HNMR (300 MHz, CDCl3) δ 7.79 (s, 1H), 7.32 (d, J = 8.9 Hz, 1H), 7.22 (s, 1H), 7.12 (d, J = 16.1 Hz, 1H), 6.83 (s, 1H), 6.64 (dd, J = 9.0, 2.4 Hz, 1H), 6.51 (d, J = 2.4 Hz, 1H), 3.54-3.39 (m, J = 7.0 Hz, 4H), 2.58 (s, 2H), 2.46 (s,2H), 1.24 (t, J = 7.1 Hz, 6H), 1.06 (s, 6H).

13CNMR (75 MHz, CDCl3) δ 169.40, 161.26，156.62, 154.67, 151.54, 140.35, 131.48, 129.83, 129.40, 123.40, 115.80, 11,4.09，113.03, 109.79, 108.98, 96.88, 45.09, 42.72, 39.40, 32.27, 28.19, 12.85.

5 結果與討論

5.1 實驗方案的設計

科研實踐訓練能有效促進理論知識的深化。目前香豆素類化合物的合成方法有很多，為了更好的將理論知識與實踐相結合，實驗方案應盡可能采用一些理論課程中常見的有機反應。因此,本實驗方案將羥醛縮合，維斯邁爾、脫羧等經典反應，與科研實踐相互結合。如圖2所示，在化合物(1)和化合物(L)的合成中，運用了羥醛縮合(Aldol condensation)反應，結合了有機化學理論課程中醛和酮的相關性質及反應機理。在此我們采用了堿催化機理，反應過程中堿奪走了丙二酸二乙酯中α-H而生成碳負離子，碳負離子進攻4-二乙胺基水楊醛的羰基而得到相應的α，β不飽和酮。化合物(2)通過甲酰化(Vilsmeier)得到化合物(3)，盡管理論課程中，我們對于Vilsmeier甲酰化的反應接觸較少，但是為了更好的掌握其中的反應歷程，學生通過自主學習，查閱相關資料，確定了其中的反應路徑。首先N,N-二甲基甲酰胺(DMF)與三氯氧磷生成Vilsmeier試劑，然后這一亞甲基銨鹽正離子與7-二乙胺基香豆素發生親電取代反應，生成一個過渡中間體，中間又經過消去反應，水解反應而得到目標化合物(L)。由化合物的設計，合成到反應機理的探討，為科研實踐訓練的展開奠定了可靠的基礎。

圖2 目標化合物L的反應機理

5.2 化合物(L)的光譜性質研究

5.2.1 化合物(L)在不同溶劑中的紫外和熒光光譜實驗

準確稱取化合物(L)，溶于二氯甲烷溶劑中，用10 mL的容量瓶定容，配制濃度為1.0 mmol·L-1的母液。用100 μL移液槍取出30 μL母液放入3 mL的測試管中，然后分別用乙腈，二氯甲烷，N,N-二甲基甲酰胺，乙醇，二甲基亞砜，四氫呋喃定容，配制成濃度為0.1 μmol·L-1的溶液，用于紫外和熒光光譜的測試實驗。

5.2.2 化合物(L)在不同溶劑中的紫外和熒光光譜

為進一步證實本科研創新項目的合理性與可靠性，對化合物(L)在不同溶劑中的紫外和熒光光譜進行了檢測，從而促進學生整體知識體系的構建。如圖3所示，分別測定了本體濃度為0.1 μmol·L-1的化合物(L)在乙醇(C2H5OH)、丙酮(CO(CH3)2)、乙腈(CH3CN)、二甲基亞砜(DMSO)、四氫呋喃(THF)、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中的紫外吸收光譜。在366 nm處存在一個吸收峰，并且吸收強度較弱，這是1,2-苯并吡喃酮(香豆素)自身的吸收峰，當增加(3,5,5-三甲基環己-2-烯亞基)丙二腈時，共軛程度增加，共軛體系能促進紫外吸收向長波方向移動，由數據可知，紫外光譜中斯托克位移至少增加了140 nm，發生了較大程度的位移。結合有機化學理論課程中分子結構與紫外吸收的關系相關性質知，這是由于共軛體系越大時，最高占據軌道(HOMO)和最低空軌道(LUMO)的能量差越小，紫外吸收波長越長所引發的，一般每增加一個共軛π鍵，吸收波長向長波方向移動30 nm。化合物(L)在所有溶劑中的紫外吸收峰都達到了500 nm以上，并且N,N-二甲基甲酰胺和二甲基亞砜中的最大吸收峰在522 nm和530 nm處。

圖3 化合物(L)在不同溶劑中的紫外吸收光譜

對于化合物(L)的熒光性質也進行了研究，如圖4所示。在狹縫寬度為3 nm/3 nm時，分別測定了本體濃度為0.1 μmol·L-1的目標化合物(L)在不同溶劑中熒光發射光譜。數據表明，在激發波長為507 nm時，四氫呋喃的熒光發射峰在626 nm處，乙醇、丙酮、乙腈的發射峰都在640 nm處，與1,2-苯并吡喃酮(香豆素)在450 nm的發射峰相比，發生了很大程度的斯托克位移。并且N,N-二甲基甲酰胺和二甲基亞砜中溶劑中的發射峰為657、661 nm，已經達到了近紅外波長范圍，而且熒光強度較高。預期目標化合物(L)作為近紅外熒光染料可以在生物成像、檢測等領域具有廣泛的應用前景。

圖4 化合物(L)在不同溶劑中的熒光發射光譜

6 結 語

在老師及學生的共同努力下，成功地合成了新型的香豆素衍生物即目標化合物(L)，利用核磁共振手段對其結構進行了表征，學生通過自主學習，獨立完成了譜圖的解析；運用紫外吸收光譜、熒光發射光譜對目標化合物(L)的性質進行了研究。

通過對化合物的設計、合成、反應機理的探討以及性質的研究過程，激發學生自主探究的興趣，為創新思維的形成提供良好的基礎。從理論到實際操作再對理論的摸索，增強了學生認識問題、分析問題、解決問題的能力。

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Exploration and Practice of Innovative Training Project in Chemistry Researches for Undergraduates

ZHOUXin

(Department of Chemistry, Yanbian University, Yanji 133002, Jilin, China)

Cultivation of innovation and research capacities of undergraduates has become one of the important components of organic chemistry experiment teaching system. In this paper, we have taken the synthesis of new coumarin derivative as an innovative training project for college students, the experiment design includes the design routes, synthesis, structure characterization and properties study. The results indicated that this innovative training project can enable to stimulate students’ learning interests, inspire their creative thinking ability, develop their ability of analyzing and solving problems, and improve their creative and practical ability.

organic chemistry experiment; organic synthesis; innovation training; coumarin; synthesis; properties study

2016-03-14

國家自然科學基金項目(21662037)；吉林省青年科研基金項目(20160520003JH)

周 鑫(1986-)，男，吉林延吉人,博士，講師，主要從事化學生物學方面的研究。

Tel.:18943702030;E-mail：zhouxin@ybu.edu.cn

G 642．0

A

1006-7167(2017)02-0177-04