有機(jī)化學(xué)開(kāi)放性綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
——以《β-氨基酸酯衍生物的合成及拆分》為例

朱蕓瑩，柏 松，魏 嫻，徐志華，張善淇，陳芊瑀

(貴州理工學(xué)院 化學(xué)工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550003)

1 引言

有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)是化學(xué)化工相關(guān)專業(yè)的重要基礎(chǔ)課程，是聯(lián)系有機(jī)化學(xué)理論與實(shí)踐的必需教學(xué)環(huán)節(jié)[1]。目前我校的《有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)》面向化學(xué)工程、制藥工程、環(huán)境工程等專業(yè)開(kāi)設(shè)，共8個(gè)實(shí)驗(yàn)，32學(xué)時(shí)，主要由經(jīng)典的驗(yàn)證性和綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目組成，如常用有機(jī)實(shí)驗(yàn)儀器的認(rèn)識(shí)及乙醇的蒸餾、乙酸乙酯的制備、黃連素的提取、甲基橙的制備等，使學(xué)生掌握有機(jī)化學(xué)科學(xué)研究的基本實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)技術(shù)及常用有機(jī)儀器的使用方法。但所開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)仍然以基礎(chǔ)操作訓(xùn)練為主，在有限的學(xué)時(shí)中，學(xué)生的創(chuàng)新性、綜合性難以得到足夠的鍛煉。因此，積極開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，開(kāi)展與學(xué)科前沿研究領(lǐng)域相關(guān)的綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，是拓展學(xué)科知識(shí)、激發(fā)學(xué)生實(shí)驗(yàn)熱情、培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立系統(tǒng)的科研思維的重要方式之一[2-3]。

目前，開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目主要來(lái)源于教師科研項(xiàng)目、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目、學(xué)科競(jìng)賽、企業(yè)需求等[4],在設(shè)計(jì)開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)時(shí)，主要考慮到以下幾點(diǎn)：一是保證一定的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，夯實(shí)學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作技能；二是內(nèi)容設(shè)計(jì)合理，既綜合理論知識(shí)，又拓展學(xué)科前沿，項(xiàng)目時(shí)長(zhǎng)適宜，難度適中，避免造成學(xué)生實(shí)驗(yàn)頻繁失敗而打擊其積極性；三是要充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的興趣，發(fā)揮學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力[4-5]。為使學(xué)生夯實(shí)實(shí)驗(yàn)技能，深入了解學(xué)科前沿，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力及創(chuàng)新能力，本文在教師科研項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，由學(xué)生自主設(shè)計(jì)，將科研實(shí)驗(yàn)中的一部分改造為適合本科教學(xué)的綜合性開(kāi)放實(shí)驗(yàn)《β-氨基酸酯衍生物的合成及拆分》，針對(duì)化學(xué)工程等專業(yè)學(xué)生的有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，將有機(jī)化學(xué)和儀器分析相結(jié)合，融入有機(jī)波譜分析，通過(guò)該實(shí)驗(yàn)的實(shí)施，充分提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力，全方位提高有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果。

2 開(kāi)放性綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)探索

2.1 研究背景

該實(shí)驗(yàn)以教師科研項(xiàng)目為載體，為學(xué)生開(kāi)展開(kāi)放性綜合實(shí)驗(yàn)研究提供了相應(yīng)基礎(chǔ)及條件。學(xué)生需要閱讀大量相關(guān)文獻(xiàn)，了解研究背景，根據(jù)課題組前期工作確定研究?jī)?nèi)容，從中找出適合于本科學(xué)生的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，在原有實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。課題組主要進(jìn)行手性農(nóng)藥合成及活性研究，隨著立體化學(xué)和分子生物學(xué)等學(xué)科的發(fā)展，人們逐漸認(rèn)識(shí)到作為生命活動(dòng)重要基礎(chǔ)的生物大分子，如蛋白質(zhì)、多糖、核酸和酶等，幾乎全是手性的，這些分子在體內(nèi)往往具有重要生理功能，而藥物的藥理作用是通過(guò)與體內(nèi)大分子之間的嚴(yán)格手性匹配與分子識(shí)別而實(shí)現(xiàn)。在農(nóng)藥研究中，人們也注意到了不同立體異構(gòu)體表現(xiàn)出來(lái)的活性差異。隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，減少向環(huán)境中投放有毒化學(xué)品的量是必然要求。使用手性農(nóng)藥在經(jīng)濟(jì)及環(huán)境方面具有十分明顯的優(yōu)越性，在減少用量、降低原藥生產(chǎn)、存儲(chǔ)成本的同時(shí)，還可減少施藥所帶來(lái)的副作用和毒性[6]，因此，手性農(nóng)藥逐漸成為農(nóng)藥化學(xué)研究中一個(gè)非常活躍的研究領(lǐng)域。近年來(lái)，通過(guò)手性原料合成、利用金屬絡(luò)合物催化劑進(jìn)行不對(duì)稱催化、有機(jī)小分子進(jìn)行不對(duì)稱催化等獲得手性化合物的研究不斷增多，但外消旋體的手性拆分仍然是獲取手性分子的重要途徑之一。手性拆分的方法主要有色譜法、電泳法、膜拆分法、結(jié)晶拆分、化學(xué)拆分、動(dòng)力學(xué)拆分、萃取拆分等[7-8]，其中色譜法在拆分手性化合物中具有廣泛的應(yīng)用[9]。

在課題組前期的研究[10-14]中發(fā)現(xiàn)，金雞納堿衍生物能高效催化合成含1,3,4-噻二唑、嘧啶等結(jié)構(gòu)的手性β-氨基酸酯類化合物，且該類化合物具有良好的抗煙草花葉病毒活性，主要通過(guò)不對(duì)稱Mannich反應(yīng)，在金雞納堿手性催化劑的條件下合成手性化合物，反應(yīng)溫度為50～60 ℃，反應(yīng)時(shí)間為32～72 h。該條件下反應(yīng)得到的產(chǎn)物收率高，且有優(yōu)異的對(duì)映選擇性。但由于不對(duì)稱催化反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，并不適用于本科實(shí)驗(yàn)。因此在充分調(diào)研了解前期基礎(chǔ)后，對(duì)實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行了創(chuàng)新和改造，合成外消旋體，設(shè)計(jì)采用Mannich反應(yīng)合成含1,3,4-噻二唑的β-氨基酸酯類衍生物——二乙基-2-(((5-(2,4-二氯苯基)-1,3,4-噻二唑-2-基)氨基)(苯基)甲基)丙二酸酯的外消旋體，并利用高效液相色譜進(jìn)行拆分，將該類化合物的合成及手性拆分結(jié)合。

2.2 實(shí)施過(guò)程

實(shí)驗(yàn)主要分為目標(biāo)化合物的合成、分離提純、手性拆分三部分。由學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，對(duì)投料比、溶劑、溫度、時(shí)間等反應(yīng)條件進(jìn)行設(shè)計(jì)、篩選和優(yōu)化，確定了最佳反應(yīng)條件：以2-氨基-5-(2,4-二氯苯基)-1,3,4-噻二唑、苯甲醛、丙二酸二乙酯為原料，摩爾比為1∶1∶1.2，溶劑為對(duì)二甲苯，溫度為120 ℃，TLC監(jiān)測(cè)反應(yīng)，反應(yīng)時(shí)間約3 h。在TLC監(jiān)測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)過(guò)程中先后會(huì)有兩個(gè)新點(diǎn)生成，先生成的新點(diǎn)隨著時(shí)間的增長(zhǎng)又逐漸消失，根據(jù)Mannich反應(yīng)機(jī)理推測(cè)，應(yīng)該是胺和醛先反應(yīng)生成亞胺，得到的中間體亞胺再和丙二酸二乙酯的稀醇式發(fā)生反應(yīng)(丙二酸二乙酯的烯醇互變)得到目標(biāo)產(chǎn)物。然后采用柱層析對(duì)反應(yīng)液進(jìn)行分離純化，得到白色固體，收率為69.43%。用顯微熔點(diǎn)儀測(cè)定該化合物熔程，與文獻(xiàn)[14]報(bào)道一致，并通過(guò)1H NMR、13C NMR確定目標(biāo)化合物結(jié)構(gòu)。再利用高效液相色譜對(duì)該化合物進(jìn)行手性拆分。用Daicel Chiralpak IA手性柱(250 mm×4.6 mm)對(duì)該外消旋體進(jìn)行拆分，在檢測(cè)波長(zhǎng)為270 nm，流動(dòng)相為V(正己烷)∶V(異丙醇)=80∶20，流速為1.0 mL·min-1，進(jìn)樣量為2 μL，進(jìn)樣時(shí)間為12 min，柱溫為20 ℃的條件下，兩個(gè)單一對(duì)映體得到了較好的分離，分離度為6.005。需要注意的是，調(diào)節(jié)泵時(shí)不能將流動(dòng)相的流速直接調(diào)到1.0 mL·min-1，這可能會(huì)導(dǎo)致柱壓過(guò)高損傷手性柱，應(yīng)將流速?gòu)?.2，0.4 ，0.6 ，0.8 ，1.0 mL·min-1成梯度增大，然后再在1.0 mL·min-1的流速下進(jìn)行檢測(cè)。

2.3 教學(xué)要求

該實(shí)驗(yàn)將學(xué)科前沿融入教學(xué)，拓展了立體化學(xué)的知識(shí)，進(jìn)一步鞏固學(xué)生的合成、薄層色譜及柱層析、熔點(diǎn)的測(cè)定等基本操作；融入有機(jī)波譜分析，通過(guò)譜圖解析，確定目標(biāo)產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)及純度；同時(shí)與儀器分析相結(jié)合，利用高效液相色譜對(duì)外消旋體進(jìn)行拆分。實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生根據(jù)前期工作調(diào)研自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，在設(shè)計(jì)、改造、優(yōu)化、分析的過(guò)程中，學(xué)生的綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰蛣?chuàng)新意識(shí)得到系統(tǒng)訓(xùn)練；實(shí)驗(yàn)報(bào)告以科學(xué)論文形式提交，并通過(guò)PPT匯報(bào)答辯，同時(shí)培養(yǎng)了學(xué)生科技論文寫(xiě)作能力和表達(dá)能力。另外，以第一屆全國(guó)大學(xué)生化學(xué)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)競(jìng)賽為契機(jī)，對(duì)實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵步驟拍攝了視頻，實(shí)驗(yàn)視頻的拍攝也大大提升了學(xué)生的興趣和對(duì)于實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性、操作規(guī)范性的自我要求。結(jié)合時(shí)下流行的短視頻、Vlog等，將實(shí)驗(yàn)過(guò)程制作成學(xué)生喜愛(ài)的短視頻也可以成為開(kāi)放實(shí)驗(yàn)成果的一部分，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，便于實(shí)驗(yàn)的重復(fù)和推廣。

3 總結(jié)

該實(shí)驗(yàn)將手性化合物外消旋體的合成及手性拆分結(jié)合，綜合了有機(jī)化學(xué)、有機(jī)波譜解析、儀器分析等知識(shí)，既使學(xué)生了解到學(xué)科研究發(fā)展前沿，同時(shí)切實(shí)加強(qiáng)了學(xué)生的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)技能，提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新意識(shí)。另外，學(xué)生可根據(jù)自己的興趣對(duì)實(shí)驗(yàn)條件的各因素進(jìn)行探索，自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)條件的優(yōu)化，全方位提高有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果。