三氰基二氫呋喃的合成在研究型實驗教學(xué)中的探索

（濟南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 山東·濟南 250022）

研究型實驗教學(xué)以培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力和創(chuàng)新精神為教學(xué)目標，讓學(xué)生通過多種渠道主動思考、主動探索、主動實踐，從而創(chuàng)造性獲取知識、應(yīng)用知識、解決實際問題、提高實踐能力的學(xué)習(xí)活動。研究型綜合實驗是化學(xué)專業(yè)的重要教學(xué)內(nèi)容，其內(nèi)容包括課題的提出，文獻檢索、設(shè)計實驗方案、課題的實施和結(jié)果與討論。

在本校的化學(xué)專業(yè)綜合實驗教學(xué)中，我們從老師的科研項目中選擇和確定課題。這是因為這些課題都是相關(guān)學(xué)科的研究熱點和前沿，讓學(xué)生接觸這些知識，一方面可培養(yǎng)他們的科研興趣，對他們創(chuàng)新能力的培養(yǎng)有著非常大的影響；二是將理論研究成果轉(zhuǎn)化到教學(xué)實踐過程中，可促進化學(xué)專業(yè)教學(xué)水平的提高。我們選擇其中的一個課題“三氰基二氫呋喃的合成”為例。第一步：學(xué)生通過文獻查閱三氰基二氫呋喃衍生物的研究背景知悉，三氰基二氫呋喃衍生物是一類新型的A--D型結(jié)構(gòu)分子，該結(jié)構(gòu)含有p-共軛體系，使得其激發(fā)與發(fā)射波長全部位于長波區(qū)。而位于長波區(qū)的光不受背景熒光的干擾，組織穿透力強，對細胞組織和器官傷害小。因此，三氰基二氫呋喃衍生物可以應(yīng)用在生物學(xué)中。通過這些交叉學(xué)科知識的了解，激發(fā)學(xué)生的實踐熱情。第二步：指導(dǎo)學(xué)生通過文獻查閱，獨立進行實驗準備和設(shè)計。具體環(huán)節(jié)包括：設(shè)計合成路線、制定實驗步驟、準備實驗藥品和儀器等。第三步：教師講解實驗室注意事項和操作流程后，學(xué)生自行進行樣品制備、實驗測試、數(shù)據(jù)整理分析和撰寫實驗報告等。在整個實踐過程中，寓教于“研究”之中，而研究又處處體現(xiàn)在“教學(xué)”之中，真正實現(xiàn)了“邊學(xué)習(xí)、邊研究、邊實踐”，收到良好的教學(xué)效果。

1 三氰基二氫呋喃合成實驗的實施

1.1 實驗原理

3-羥基-3-甲基-2-丁酮，丙二腈在乙醇鈉作用下經(jīng)過兩步羥醛縮合脫水得到三氰基二氫呋喃。其反應(yīng)合成路線如下：

1.2 主要實驗儀器和試劑

試劑：3-羥基-3-甲基-2-丁酮，丙二腈，乙醇鈉，無水乙醇，石油醚，乙酸乙酯，氘代氯仿。

儀器：圓底燒瓶，球形冷凝管，超聲波，展開缸，紫外燈，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，布氏漏斗，抽濾瓶，核磁共振儀器（Bruker AVANCE III 400 M）。

1.3 實驗過程

1.3.1 合成

稱取0.1875克3-羥基-3-甲基-2-丁酮,0.2425克丙二腈，0.2克乙醇鈉，15毫升乙醇中放入圓底燒瓶中，78攝氏度下回流（反應(yīng)液為黑褐色），每隔半小時板層析檢測(展開劑：石油醚:乙酸乙酯 =1:2)。整個反應(yīng)約為4小時。反應(yīng)完成后，停止加熱，待溶液冷卻后取出反應(yīng)瓶，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)除去溶劑，得到綠色固體。

1.3.2 提純

粗產(chǎn)品中加入2毫升乙醇，10毫升蒸餾水，超聲，析出大量蒼白色（或淡綠色）固體。抽濾，濾餅用蒸餾水洗滌。得到的濾餅放到真空烘箱內(nèi)60攝氏度下過夜烘干，稱量產(chǎn)品，計算產(chǎn)率。

1.3.3 核磁檢測

稱取20毫克產(chǎn)品溶于0.6毫升的氘代氯仿（CDCl3）中，用注射器將其轉(zhuǎn)移至核磁管后搖勻即可進行NMR測試。測試溫度為298K。在專職實驗老師的指導(dǎo)下，學(xué)生自己上機操作，完成測試（包括相位和基線的校正、標定峰的位置、峰面積的積分等）。最后通過 Topspin2.0軟件處理得到樣品的氫譜（1H-NMR）和碳譜（13C-NMR）譜圖。

1.4 核磁共振譜圖解析

根據(jù)譜圖提供的不同種類峰的化學(xué)位移、裂分情況以及峰的積分面積，結(jié)合所學(xué)的有機波譜知識對所合成的三氰基二氫呋喃中各類氫原子和碳原子進行峰的歸屬分析。

1.4.1 氫譜數(shù)據(jù)分析

由氫譜譜圖（圖1A）可知，化學(xué)位移值為7.274 ppm和0.000ppm處的兩組峰分別為溶劑氘代氯仿（CDCl3）和標準樣品四甲基硅烷（TMS）的溶劑峰；化學(xué)位移值為2.377 ppm和1.637 ppm處的兩組單峰的積分面積比為1:2，再結(jié)合三氰基二氫呋喃的結(jié)構(gòu)可推測2.377 ppm處的峰歸屬為連接在C=C雙鍵上的甲基（-CH3）中的3個氫原子，而1.637 ppm處的峰可歸屬為異丙基（-C(CH3)2）中的6個氫原子。

1.4.2 碳譜數(shù)據(jù)分析

從碳譜譜圖（圖 1B）可看出，化學(xué)位移值為77.39-76.75 ppm和0.00 ppm處的兩組峰為溶劑CDCl3和標準樣品TMS的溶劑峰，剩余的10組峰對應(yīng)為化合物三氰基二氫呋喃中的10組碳峰。高場區(qū)的三組峰14.21 ppm，24.37 ppm和58.46 ppm分別為連接在C=C雙鍵上的甲基中的C1（-CH3），異丙基中的 C2（-C(CH3)2）和 C3（-C(CH3)2）的峰；化學(xué)位移值為99.80 ppm和104.81 ppm處的兩組峰分別為C4（=C(CN)2）和C5（=C-CN）的峰；化學(xué)位移值為108.98 ppm，110.43 ppm和111.04 ppm處的三組峰歸屬于氰基中碳原子C6,C7和C8的峰；化學(xué)位移值為175.23 ppm處的峰歸屬于C9（=C-CH3）的峰；化學(xué)位移值為182.65 ppm處的峰歸屬于C10（-O-C=C(CN)2）的峰。

圖1：（A）三氰基二氫呋喃的氫譜，（B）三氰基二氫呋喃的碳譜

2 結(jié)語

三氰基二氫呋喃的合成是一個完整的研究課題，整個實驗包括文獻查閱、實驗方案的設(shè)計及實施、有機化學(xué)實驗的基本操作、化合物結(jié)構(gòu)表征及撰寫實驗報告。此研究課題有機地將理論知識與實踐操作相結(jié)合，既鞏固了學(xué)生的基礎(chǔ)理論，又鍛煉了學(xué)生獨立開展科研的能力。