探索型有機化學實驗的設計與實施

白 藍，劉 媛

（四川大學 化學學院化學實驗教學中心，四川 成都 610064）

創新型人才是貫徹國家自主創新戰略、建設創新型國家的重要力量，而高等學校擔負著培養創新型人才的重要使命[1]。化學是一門以實驗為基礎的自然科學，在扎實的理論知識基礎上依靠動手實驗，可以循序漸進地培養學生的“創新意識—創新能力—創新精神”，因此高?；瘜W實驗教學是創新教育的有效途徑和重要手段[2-3]。然而目前的化學實驗教學過于強調對基本原理、操作步驟的死記硬背，學生只能被動實驗，導致學生知識結構缺乏整體性和實際應用性，最終失去了求知欲和創造力。因此，亟需對實驗教學內容進行精心設計，充分利用化學實驗中化學現象的直觀性、化學反應的趣味性、化學實驗的動感性、化學知識的生活化，激發學生主動參與的意愿與強烈的求知欲望[4]。并且，在教學中提倡以“學生為主體”的“自主性學習”，要求學生不僅熟練掌握預先學習的理論知識，更能對實驗中存在的問題層層剖析、深入探討，從而主動補充學習新知識，甚至在解決問題的過程中提出新問題[5-6]。因此，通過安全綠色、簡單易行的探索型有機化學實驗課程，以生動有趣的實驗現象吸引學生主動參與實驗，并采用分層次教學對不同背景、不同層次的學生進行訓練[7]，從而培養具有突出理解能力、研究能力和創新能力的人才。

1 實驗背景

綠色熒光蛋白質（green fluorescent protein，GFP）發現于美國西北海岸的Aequoreavictori水母體內，其序列中的氨基酸殘基（Ser-65，Tyr-66，Gly-67）可以自發形成的一種具有噁唑酮結構的熒光發色團，其結構如圖1 所示[8]。

圖1 GFP 唑酮熒光發色團結構通式

唑酮熒光發色團因具有4 位的環外雙鍵而高度共軛，對藍色光照特別敏感。當它受到藍光照射時，會吸收藍光的部分能量，發射出綠色的熒光?；谶@一性質，GFP 可以用來標記幾乎任何生物分子或細胞，因此GFP 已成為一個在完整細胞膜內或組織內監測基因表達和蛋白定位的理想標記，被廣泛應用于多種生物體。近年來，隨著研究的深入發展，唑酮類化合物被廣泛應用于制備光控傳感器，檢測酸堿度、重金屬離子及特殊化學物質（如糖類）等[9-10]。

唑酮類化合物可以由芳醛和α-?；拾彼嵩谝宜狒痛姿徕c（或碳酸鉀）的作用下通過Erlenmeyer-Plochl 反應制得，反應式如圖2 所示[11]。

圖2 芳醛與α-?；拾彼峥s合制備唑酮

由于取代基結構會影響熒光物質的熒光特征和強度，如給電子基能增大共軛體系從而導致熒光增強，而吸電子基使熒光減弱。因此，當取代基R1和R2不同的芳醛和α-?；拾彼醿蓛山M合時，可反應得到不同熒光性質的發色團類似物。

2 實驗方案

2.1 試劑與儀器

反應物芳醛和α-酰基甘氨酸（99%，上海阿達瑪斯試劑有限公司）如表1 所示。

表1 α-?；拾彼岷头既?/p>

試劑乙酸酐、乙酸鈉、無水乙醇（分析純，成都科龍化工試劑廠）；ZF-7 三用紫外分析儀（鞏義市予華儀器有限公司）；Bruker AVANCE III 400 核磁共振波譜儀（瑞士布魯克公司）；SGW X-4A 顯微熔點儀（上海儀電物理光學儀器有限公司）；Hitachi F-7000 熒光分光光度計（日本日立公司）。

2.2 特定發色團化合物A1 的合成

首先使4-甲氧基苯甲醛（反應物A，R1=OCH3）與馬尿酸（反應物1，R2=）反應，生成發色團化合物 A1：2-苯基-4-（4-甲氧基苯亞甲基）-5-噁唑酮（4-(4-methoxylbenzylidene)-2-phenyloxazol-5-one）。具體步驟為：將4-甲氧基苯甲醛（0.5 mL，4 mmol）、馬尿酸（0.72 g，4 mmol）、乙酸鈉（0.33 g，4 mmol）、乙酸酐（1.5 mL，16 mmol）一起加入100 mL 圓底燒瓶中，加熱溶解，磁力攪拌下140 ℃左右回流反應2 h。冷卻至室溫后，用60 mL 乙醇分3 次洗滌產物，抽濾，收集濾餅，避光干燥，得亮黃色固體。計算粗產品產率。

2.3 檢測熒光顏色

取少量化合物A1 固體置于濾紙上，在365 nm 波長紫外光照射下觀察化合物的熒光顏色。

2.4 自由選擇反應底物，探索產物熒光性質

學生自主選取芳醛（A 或B）和α-酰基甘氨酸（1或2），兩兩組合，采用與2.1 節中相同條件，進一步合成至少一種不同結構的唑酮化合物（A2 或B1 或B2）。反應時間縮短至10 min 左右反應瓶內出現顏色即可停止反應[12]。取少量有色化合物在365 nm 波長紫外光下觀察并比較不同結構噁唑酮化合物的熒光顏色與強弱。

2.5 產物性質檢測

核磁表征：用核磁共振氫譜儀對制備的A1 結構進行核磁質譜（1H NMR）表征。以氘代氯仿（CDCl3）為溶劑，以四甲基硅烷（TMS）為內標物質。

熔點測定：用熔點儀測定A1 的熔點。

熒光光譜測試：采用熒光分光光度計（λex=450 nm）檢測固體樣品的發光光譜。

3 實驗設計與教學實施特色

3.1 實驗符合綠色化學理念

（1）實驗選取的反應原料無毒或低毒，大多可來源于天然產物。如4-甲氧基苯甲醛又名茴香醛，在自然界中存在于茴香油、小茴香油等物質中，可經氧化分離提取得到。苯甲醛廣泛存在于植物中，特別是薔薇科植物；此外苯甲醛還天然存在于苦杏仁油、藿香油、風信子油、依蘭油等精油中。N-苯?；拾彼嵊置R尿酸，是生物體代謝產物，存在于馬、人類的尿液中。

（2）在反應過程中使用反應物乙酸酐為溶劑，在乙酸酐沸點的溫度（139 ℃）左右反應回流，避免了溶劑使用帶來的污染與危害。

3.2 實驗直觀生動，寓教于樂

反應底物均為白色或無色，隨著反應的進行，學生在幾分鐘到十幾分鐘之內即可觀察到黃色或綠色產物；當停止反應取少量產物置于365 nm 紫外燈下時，又可觀察到比自然光下更加鮮艷明亮的熒光色（見圖3）。

圖3 A1 化合物在自然光照和紫外光照下的顏色

生動鮮明的實驗現象使實驗本身充滿了吸引力，學生通過化學實驗創造具有美感的化學作品、感受樂趣的同時，也學習到了化學實驗的基本知識、鍛煉了動手操作能力。這樣的教學過程既遵從了青年學生的認知規律，也保留了化學以實驗為基礎的學科特點，表現出了傳統化學實驗教學不可比擬的優勢。

圖4 4 種噁唑酮化合物顏色及結構

3.3 以興趣為主導培養研究探索能力

在實驗教學中，學生是活動的中心和主題，興趣是學生主動參與的前提條件[13]。因此，實驗過程中生動直觀的現象引起了學生強烈的好奇心，進一步激發了他們探索現象背后原理的欲望。因此，課程設置了“自主選擇反應底物合成一系列不同結構的唑酮類熒光發色團，并比較相應產物熒光性質的差異”這一開放性內容，以培養學生的研究探索能力。

學生用不同的芳醛和α-酰基甘氨酸兩兩組合，得到了4 種具有不同熒光顏色和強度的噁唑酮化合物，如圖4 所示。因此進一步要求學生針對不同結構化合物具有不同熒光性質這一現象，討論“共軛體系大小”“取代基R1和R2給電子或吸電子能力差異等”因素對化合物熒光性質的影響。學生將具體的實驗現象與理論機理相結合，解釋了4 種化合物熒光強弱的變化規律：A1 化合物同時含有可增大離域體系的苯基（R2）以及強給電子的甲氧基（R1）；A2 和B1 只具有苯基或甲氧基其中一個基團；而B2 中2 個基團都不具備，因此4 種化合物的熒光強弱遵循A1＞A2＞B1＞B2 的規律[14]。

3.4 針對不同知識背景不同層級學生分層次教學

（1）入門層次：由于噁唑酮的合成條件簡單易行、試劑安全無污染，因此即使是非化學相關專業本科學生（如文科生）在經過簡單基礎知識學習與實驗安全培訓后，也能順利完成制備實驗；并且學生們還可以通過觀察發現實驗中有趣現象的發生，獲得對化學反應的直觀了解，加深對化學的認知，從而豐富自身多學科的視野。

（2）基礎層次：對于化學或化學相關專業理工科本科生，在教學中要求學生掌握實驗背景與反應機理；在完成特定化合物合成的同時規范實驗技能；對產物的理化性質進行檢測，如1H NMR 結構表征、熔點測定等，從而鞏固學生的化學理論基礎，提升學生的實驗技能。

（3）提升層次：對于學有余力并有極高研究熱情的同學，可以引導他們深入探究取代基結構對噁唑酮熒光性能的影響，以實驗促進理論知識的掌握；在第一層次直觀觀察熒光顏色的基礎上，進一步用熒光光譜儀對產物進行測試和比較，探究化合物結構對其熒光效率的影響；還可以引入計算化學相關知識，計算化合物HOMO-LUMO 能帶，從結構預測熒光顏色等，從而使學生更深刻體會化學基本原理，激發他們對化學的興趣。

4 結語

本文設計的“綠色熒光蛋白質發色團的合成”實驗，在教學過程中抓住青年學生對事物具有強烈好奇心和敏銳觀察力的特點，使他們產生探究實驗現象背后原因的興趣；學生在操作、改進和探索趣味實驗的同時，強化了對理論知識及規律的理解。遵循從“廣而博”到“少而精”的教育規律，通過層次分明、循序漸進的化學實驗課程訓練，充分鍛煉了學生的動手能力，促進了自主學習能力的提高，培養了實事求是的科學態度，發掘了敢于質疑、勇于創新的科學精神，為學生將來成為具有良好科學素養的創新型人才奠定了基礎。