科研成果向本科實驗教學轉化的探索

魏穎+解令海

【摘 要】有機電子信息時代是二十一世紀的主題，針對有機半導體材料在有機電子領域扮演重要的角色。探索將本課題組的“一鍋法合成氮雜螺芴氧雜蒽有機半導體材料”科研成果轉化為實驗教學。通過這種形式把科研成果的最新研究進展、國內外研究現狀及時轉化為實驗教學中，使學生能夠了解到最新的科研動向、掌握最新的實驗操作技術。這種改革無疑會使教學和科研都充滿勃勃的生機。將科研和教學相結合，促進了教學方法的改革和教學方式的創新，也培養了適應社會發展需要的高素質人才。

【關鍵詞】傅-克反應；有機半導體材料；氮雜螺芴氧雜蒽

有機電子信息時代是二十一世紀的主題，有機/聚合物半導體支撐有機電子領域正提供新的手段解決當今關鍵信息技術與能源問題[1]。有機發光二極管（Organic Light-Emitting Diodes， 簡稱OLEDs）成為替代LCD顯示的新一代平板顯示技術，同時也為綠色節能面光源固體照明領域提供了解決方案；有機薄膜晶體管可應用于電子書或電子紙、平板顯示有源驅動電路、射頻識別（RFID）標簽（物聯網/傳感網的關鍵組件）以及機器人人工皮膚等未來信息領域；有機光伏太陽能電池是解決能源枯竭的重要途徑之一。隨著有機電子工業的迅速崛起，包括有機發光二極管、有機激光器、有機薄膜晶體管（OFET）、有機光伏太陽能電池以及有機電存儲器等有機器件，將改變21世紀人類的生活方式。該領域面臨諸多科學問題、挑戰與機遇，光電器件高性能化以及有機半導體多功能化是該領域最主要的研究目標。有機半導體作為光電功能器件的核心活性組成，它在很大程度上決定了其工作原理、性能極限、制造工藝與應用范圍乃至制造成本與商業化前景，這樣從有機半導體材料的角度提高有機光電器件性能和拓展其功能對推進整個有機電子領域及其工業的發展起著至關重要的作用。因此，需要大量從事有機半導體材料研發人員。材料化學是以實驗為基礎的學科，實驗教學是培養材料化學工作者必不可少的教學組成部分。正好本課題主要研究有機/聚合物功能超分子與組裝材料[2]。因此，將本課題組的科研成果轉化為本科實驗教學。教學科研有機結合，推進科研反哺教學，充分激發學生的創新思維和創新能力，引導學生“做中學、研中創”，構建了學做合一、研創結合的創新人才培養模式[3-4]。同時促進了教學方法和教學手段的改進，而高水平、高層次的科研項目和平臺也為本科生的培養創造了優越的條件。

1 實驗設計思路

將本課題組已發表的SCI論文“一鍋法合成氮雜螺芴氧雜蒽有機半導體材料”[5]改為本科實驗，主要根據以下原則：

1.1 新穎性原則

螺芴類分子砌塊具有共軛打斷效應、剛性十字交叉構象和空間位阻效應，被廣泛用于有機電致發光二極管、場效應晶體管以及太陽能染料敏化電池等領域[6]，成為一類重要的有機半導體材料。氮雜芴螺環芳烴由芴基螺環芳烴發展而來在繼承螺芴的各類優勢的基礎上增加了氮雜芴基團的功能特性包括電子受體、金屬配位、質子化以及超分子弱作用等。因此，具有廣闊的發展前景[7-9]。

1.2 可行性原則

所選的科研成果的反應類型是最經典的傅克反應，與學生所學的有機化學課本緊密聯系。通過實驗預習、講解、操作以及總結，進一步鞏固與加深對傅克反應的理解和運用。另外，該反應原料易得，合成步驟簡單易行，無毒安全性高，可以在本科實驗室開展。

1.3 綜合性原則

氮雜螺芴氧雜蒽的合成操作涉及反應裝置的搭建、TLC點樣、柱層析等各類操作。在整個操作過程中，重點學習TLC點樣和柱層析。產品表征利用核磁共振。

1.4 環保性原則

目前氮雜螺芴氧雜蒽大部分合成方法具有如下缺點：（1）底物范圍拓展的限制和前體合成的困難；（2）合成步驟的冗長。我們課題組發展了一鍋法合成氮雜螺芴氧雜蒽有機半導體材料。反應過程中依次構建了C-C， C-O和 C-C三支化學鍵，并高效合成了氮雜芴螺環芳烴，符合綠色化學的理念。

2 實驗內容

實驗名稱：一鍋法合成氮雜螺芴氧雜蒽有機半導體材料

實驗儀器：磁力攪拌器，圓底燒瓶，回流冷凝管、電子天平、分液漏斗、錐形瓶、層析柱、核磁共振波譜儀。

藥品：氮雜芴酮，對甲基苯酚，三氟甲磺酸，1，2-二氯苯，碳酸鉀，二氯甲烷，無水硫酸鎂，乙酸乙酯。

2.1 實驗原理

該反應是典型的傅里德-克拉夫茨反應，簡稱傅-克反應，英文Friedel–Crafts reaction，是一類芳香族親電取代反應，1877年由法國化學家查爾斯·傅里德和美國化學家詹姆斯·克拉夫茨共同發現。本實驗在酸性條件下反應，首先通過氮雜芴酮與苯酚的傅克反應生成中間體I，緊接著脫水形成三正電型超親電體II，由于電荷間的排斥作用，導致氮雜芴9 號位的正電荷會通過共振方式遷移至酚羥基上，活化酚羥基的反應活性。隨后另一苯酚分子以親核進攻的方式與中間體III 發生反應，形成醚鍵。緊接著分子內的質子轉移與脫水過程在苯環上再次生成碳正離子V。最后碳正離子重新遷移到氮雜芴的9 號位發生分子內的傅克合環反應，得到最終的目標產物氮雜螺芴氧雜蒽。

2.2 實驗步驟

2.2.1 氮雜螺芴氧雜蒽的合成

先向圓底燒瓶中加入0.18克的氮雜芴酮，再分別加入2ml 1，2-二氯苯與0.8ml三氟甲磺酸。在室溫下攪拌大約半小時后，向其中加入0.54克的對甲基苯酚。隨后升高溫度至 85度。通過TLC 板監控反應至氮雜芴酮反應完全。將反應降溫至室溫，用碳酸鉀溶液淬滅此反應，之后用二氯甲烷萃取，收集有機相并用無水硫酸鎂干燥，抽濾。最后柱層析分離提純得到氮雜螺芴氧雜蒽。

2.2.2 螺環氧雜蒽的結構表征

使用核磁共振（NMR）對所得到的產物進行結構表征。通過與標準的氮雜螺芴氧雜蒽的氫譜和碳譜進行對比確認結構

2.2.3 實驗報告

實驗報告要全面總結實驗，特別強調實驗結果的分析，并對實驗結果提出自己的觀點。

3 教學效果

3.1 理論聯系實際，深化理論知識

體現有機化學基礎知識的綜合性，在所設計的實驗中涉及《有機化學》中典型的傅克反應。通過TLC板監測反應進度，有助于理解反應現象以及反應過程。通過核磁共振表征產物，可以了解核磁測試過程以及核磁共振表征原理。通過對氫譜的解析，理解化學位移、耦合常數以及自旋裂分等理論知識。

3.2 科研和教學結合，強化創新思維

將科研和教學相結合，促進了教學方法的改革和教學方式的創新，也培養了適應社會發展需要的高素質人才。實踐證明，從事科學研究的教師能更準確地把握教學內容，更好地把科學研究的方法貫穿到教學實踐之中，是培養學生的創新思維和創新能力的重要途徑。同時高水平、高層次的科研項目和平臺也為本科生的培養創造了優越的條件。

3.3 實驗與生活相結合，激發學習興致

將制備的氮雜螺芴氧雜蒽作為電致發光材料，應用于有機電致發光二極管、存儲器以及太陽能電池中。在整個實驗過程中，詳細說明每個操作與所學專業的內在聯系，

讓學生深刻體會到所學專業知識的重要性和必要性，激發學生的學習興趣以及求知欲望和積極探索精神。在實驗操作過程中，鍛煉了學生的動手能力以及實踐操作能力。通過科學實驗報告的撰寫，鍛煉并加強了學生的寫作能力。

4 結語

科研成果轉化為本科實驗教學，得到了廣大師生的認可。通過實驗操作和撰寫實驗報告，培養了學生創新意識和創新能力；通過對實驗結果的分析，鍛煉了學生的分析問題、解決問題的能力。這為學生后續課程的學習以及科學研究打下堅實的基礎。這種改革無疑會使教學和科研都充滿勃勃的生機。

將科研和教學相結合，促進了教學方法的改革和教學方式的創新，也培養了適應社會發展需要的高素質人才。

【參考文獻】

[1]Forrest S R， The path to ubiquitous and low-cost organic electronic appliances on plastic[J].Nature，2004，428（6986）：911-918.

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[3]鄭家茂.構建“做學研”相結合的創新實踐平臺，促進學生“做中學、學中研、研中創”實驗技術與管理[J].2010，27（1）：1-4.

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[責任編輯：朱麗娜]