從紙上到躬行：基于有機化學(xué)理論和文獻的實驗設(shè)計及優(yōu)化之低年級本科教學(xué)初探

李玲玲，蘭泉，鄭媛，蔣俊，查正根

化學(xué)國家級實驗教學(xué)示范中心(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué))，合肥 230026

美國化學(xué)會(American Chemical Society，ACS) 2015年制定的學(xué)士學(xué)位培養(yǎng)方案中，提出化學(xué)專業(yè)本科教育的重要目標是培養(yǎng)學(xué)生能夠以專業(yè)人士的水平，勝任化學(xué)專業(yè)技術(shù)職務(wù)或擁有相關(guān)的科研能力[1]。他們認為上述能力中最重要的是“解決問題的能力”，具體描述為：學(xué)生能夠發(fā)現(xiàn)項目/課題中的問題，提出可供驗證的假設(shè)，設(shè)計并實施實驗，選取合適的數(shù)據(jù)處理方法分析數(shù)據(jù)，認識測試中的不確定性和給出合理的結(jié)論，最終使學(xué)生能夠?qū)⑺麄儗瘜W(xué)學(xué)科知識的理解，通過合理的實驗技術(shù)來解決項目/課題中的問題[1]。英國皇家化學(xué)會(Royal Society of Chemistry，RSC)在學(xué)位認定文件中提出了與ACS基本一致的培養(yǎng)目標，在專業(yè)能力要求中，同樣將“解決問題的能力”“批判性思維能力”放在首位，且特別提到了“實驗設(shè)計能力”[2]。2018年教育部在“雙一流”建設(shè)的指導(dǎo)意見中，要求高校建立科教融合、相互促進的協(xié)同培養(yǎng)機制，促進知識學(xué)習(xí)與科學(xué)研究、能力培養(yǎng)的有機結(jié)合[3]。綜上，國內(nèi)外權(quán)威化學(xué)/教育機構(gòu)普遍認為，將理論知識用于指導(dǎo)實驗方案設(shè)計和實施，以解決實際項目中的問題，是化學(xué)專業(yè)的本科生的核心能力之一。

目前在低年級本科生的有機化學(xué)實驗教學(xué)中，驗證性實驗居多，這固然能為他們以后應(yīng)對更復(fù)雜的實驗體系做準備，但同時我們可以嘗試改變驗證性實驗的教學(xué)模式，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)實驗中的關(guān)鍵問題，并基于理論知識和文獻對實驗方案進行系統(tǒng)設(shè)計和優(yōu)化，提升基礎(chǔ)實驗教學(xué)對學(xué)生科研思維和解決問題的能力的培養(yǎng)[4-8]。但低年級本科生的理論知識儲備和已接受的科研訓(xùn)練都比較有限，完全放手讓其自主設(shè)計新的實驗項目存在一定的挑戰(zhàn)性，且學(xué)習(xí)效果難以保證，因而需要教師在實驗相關(guān)的教材理論部分、研究背景和進展等多方面做綜合了解，引導(dǎo)學(xué)生逐步將其整合到已有實驗項目的方案設(shè)計中，逐步過渡到自主設(shè)計新實驗項目。

本文以“有機化學(xué)基礎(chǔ)實驗(上)”中的乙酰二茂鐵的合成實驗為例，在充分調(diào)研相關(guān)文獻[9-13]和教材理論部分的基礎(chǔ)上，以問題-討論為主線，引導(dǎo)剛接觸有機化學(xué)實驗的本科生，從文獻、底物二茂鐵的電子結(jié)構(gòu)、傅-克酰基化反應(yīng)機理和重要的物理化學(xué)性質(zhì)等進行綜合分析，推測和設(shè)計乙酰二茂鐵的合成路線，鼓勵學(xué)生對教材內(nèi)容提出質(zhì)疑，如反應(yīng)溫度、粗品分離方法等，并自主設(shè)計和開展驗證實驗，對教材中的經(jīng)典方法調(diào)整和優(yōu)化。整個教學(xué)和實驗過程學(xué)術(shù)研究氛圍濃厚，學(xué)生深度參與了實驗方案設(shè)計和關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)置，在實驗中通過驗證改進了已有方案，提升了將已學(xué)理論轉(zhuǎn)化為解決實際問題的能力。

1 教學(xué)開展

1.1 教學(xué)方式

教學(xué)模式定位為學(xué)生主動學(xué)習(xí)和探究式學(xué)習(xí)。課前在學(xué)習(xí)群中發(fā)布預(yù)習(xí)問題集和本次實驗的新裝置、新操作的教學(xué)視頻等。課堂上針對學(xué)生預(yù)習(xí)中的主要問題和實驗設(shè)計涉及的重要問題，以問題-討論的方式引導(dǎo)學(xué)生作為主體，結(jié)合文獻、教材理論知識和相關(guān)的物理化學(xué)性質(zhì)數(shù)據(jù)等逐步設(shè)計乙酰二茂鐵合成方案，基本確定合成路線后，學(xué)生開展實驗，鼓勵學(xué)生嘗試設(shè)計中持有的不同觀點，按需自行分組設(shè)計和開展控制實驗，以實驗結(jié)果檢驗質(zhì)疑，并對方案持續(xù)優(yōu)化。實驗結(jié)束后，集合全班同學(xué)的結(jié)果，對實驗方案進行總結(jié)，總體反饋設(shè)計過程。

1.2 教學(xué)過程

如何引導(dǎo)低年級本科生發(fā)現(xiàn)實驗中的關(guān)鍵問題，與理論課上學(xué)到的理論知識聯(lián)系起來，并能初步提取相關(guān)文獻中的關(guān)鍵信息，糅合到實驗設(shè)計中，是教學(xué)中的重點，亦是難點。教師需要綜合了解本實驗涉及的理論教材部分、研究背景和進展等相關(guān)內(nèi)容，并引導(dǎo)學(xué)生逐步將其整合到實驗項目的方案設(shè)計中，明確分辨哪些信息需要提供給學(xué)生，哪些信息需要學(xué)生自行檢索、領(lǐng)悟和延伸。教學(xué)過程中，鼓勵學(xué)生大膽質(zhì)疑，重視每位學(xué)生提出的異議，結(jié)合文獻、理論知識等逐步合理化設(shè)計方案。我們以“乙酰二茂鐵的合成、純化與表征”的前半部分實驗——乙酰二茂鐵的合成為例，介紹具體的教學(xué)過程(圖1)。

圖1 乙酰二茂鐵的合成：實驗教學(xué)過程的設(shè)計與開展

1.2.1 底物分析

底物二茂鐵及其衍生物在不對稱催化、醫(yī)藥等領(lǐng)域都有不俗的表現(xiàn)。課上我們選取關(guān)注度較高的癌癥特效藥的研發(fā)，以乳腺癌特效藥Tamoxifen為例(圖2中左圖)，結(jié)合臨床數(shù)據(jù)和研究文獻介紹二茂鐵衍生物ferrociphenols對Tamoxifen嚴重副作用的改善[14]。從民生、市場和學(xué)科研究等多角度呈現(xiàn)二茂鐵及其衍生物的重要價值，提高學(xué)生對本次實驗設(shè)計和實施的動力。

圖2 底物分析及相關(guān)背景介紹

二茂鐵的合成和結(jié)構(gòu)鑒定在有機化學(xué)史中很有特色。1951年Thomas J. Kealy和Peter Pauson首次報道了二茂鐵的合成，并給出二茂鐵的結(jié)構(gòu)[15]。但Geoffrey Wilkinson和Ernst Otto Fischer對以上結(jié)構(gòu)深表懷疑，次年推翻并提出二茂鐵的“三明治”獨特結(jié)構(gòu)[16,17]，二人因此獲得了1973年的諾貝爾化學(xué)獎。2016年《自然·化學(xué)》以“Wrong but seminal”為題發(fā)表評論，充分肯定了對二茂鐵結(jié)構(gòu)認知的不斷質(zhì)疑和打破對開拓科學(xué)新領(lǐng)域不可磨滅的作用[18]。我們藉由以上化學(xué)史，突出質(zhì)疑精神的重要性，鼓勵大家在接下來的實驗設(shè)計和實施過程中，大膽質(zhì)疑教材的已有方案。

接下來，我們從文獻中報道的二茂鐵反常的熱穩(wěn)定性著手，引導(dǎo)學(xué)生解析二茂鐵的電子結(jié)構(gòu)，進而推測其重要的反應(yīng)性，為乙酰二茂鐵合成路線的設(shè)計做理論鋪墊。首先列出文獻中關(guān)于二茂鐵反常的熱穩(wěn)定性的報道[15]，拋出問題“二茂鐵470 °C才發(fā)生熱解，它這一反常的熱穩(wěn)定性在理論教材中有沒有對應(yīng)的部分可以解釋？”，部分學(xué)生能夠聯(lián)系到有效原子序數(shù)規(guī)則(Effective atomic number rule，EAN rule)，主動分析二茂鐵中心Fe原子的價電子結(jié)構(gòu)；我們接下來提出合成路線設(shè)計面臨的一個重要問題“底物二茂鐵的反應(yīng)性如何？”，理論基礎(chǔ)較好的同學(xué)會基于以上對二茂鐵電子結(jié)構(gòu)的分析，每個茂環(huán)上π電子數(shù)為6，滿足休克爾規(guī)則，推測二茂鐵具有芳香性，基于此，我們開始接下來的合成路線設(shè)計。

1.2.2 合成路線設(shè)計

以二茂鐵為底物制備乙酰二茂鐵，有些學(xué)生馬上指出此反應(yīng)就是傅-克酰基化反應(yīng)。我們順勢提出問題“能否通過傅-克酰基化反應(yīng)制備乙酰二茂鐵？”，請學(xué)生介紹傅-克酰基化反應(yīng)的概念以及反應(yīng)的條件，結(jié)合上述對底物二茂鐵反應(yīng)性的分析，學(xué)生推測二茂鐵的茂環(huán)能與酰基化試劑發(fā)生親電取代，即傅-克酰基化反應(yīng)合成乙酰二茂鐵的方法可行。此時，我們列出SciFinder檢索到的乙酰二茂鐵的部分制備方法，進一步驗證了上述推測[10-13]。

基于理論課上對傅-克酰基化反應(yīng)的學(xué)習(xí)，我們初步選定的合成方案如下：二茂鐵與醋酸酐在磷酸催化作用下，微量制備乙酰二茂鐵。此步的設(shè)計難度低，無需學(xué)生參與。接下來主要的設(shè)計目標是如何確定反應(yīng)條件使反應(yīng)兼具高產(chǎn)率和高選擇性。通過對二茂鐵傅-克酰基化反應(yīng)的分析，我們明確了主反應(yīng)和主要的副反應(yīng)(圖3)。此時我們提出另外一個問題“如何盡可能獲得高產(chǎn)率和高純度的乙酰二茂鐵呢？”，引導(dǎo)學(xué)生思考如何選取關(guān)鍵實驗條件，設(shè)置小組討論，大部分小組會提出升高溫度以提高反應(yīng)產(chǎn)率，部分小組還會考慮醋酸酐(Ac2O)需要的反應(yīng)條件，提出體系應(yīng)降低H2O的干擾。總體看來，大部分同學(xué)對重要實驗條件的認識不夠全面，我們順勢提出借助反應(yīng)機理分析提高乙酰二茂鐵產(chǎn)率和選擇性的可能實驗條件。

圖3 乙酰二茂鐵制備過程中的主、副反應(yīng)及路線設(shè)計思考

因為同期理論課上已經(jīng)教過傅-克酰基化反應(yīng)的相關(guān)機理，我們請學(xué)生上臺畫出乙酰二茂鐵合成可能的反應(yīng)機理(圖4)。針對反應(yīng)機理，提出“本反應(yīng)體系中的關(guān)鍵中間體和決速步是什么？”“從反應(yīng)機理中能推測出哪些可能的反應(yīng)條件？”等問題，以討論的方式逐步清晰反應(yīng)路徑，如酰基正離子中間體是二茂鐵制備乙酰二茂鐵反應(yīng)過程中的關(guān)鍵中間體，具有比醋酸酐活性更高的反應(yīng)活性，如何最大限度地保證這一活性中間體的持續(xù)產(chǎn)生并與底物二茂鐵快速反應(yīng)？除了適當提高反應(yīng)溫度，還應(yīng)盡可能降低體系中H2O的含量，以減少酰基化試劑的水解。對應(yīng)到實驗裝置上，需要預(yù)先干燥反應(yīng)體系，如反應(yīng)瓶、冷凝管，以及加干燥管等。

確定了無水的反應(yīng)條件后，我們接下來引導(dǎo)學(xué)生討論如何提高反應(yīng)的選擇性，盡可能減少目標產(chǎn)物乙酰二茂鐵被進一步酰基化為1,1’-二乙酰基二茂鐵。此環(huán)節(jié)仍然是基于可能的反應(yīng)機理，同時通過與圖4中酰基正離子中間體活性的比較，大部分同學(xué)能夠得出較為一致的預(yù)期——適當降低反應(yīng)溫度和縮短反應(yīng)時間。

圖4 乙酰二茂鐵反應(yīng)機理及部分反應(yīng)條件的推測

1.2.3 參數(shù)與方法

經(jīng)過以上討論，合成路線框架已基本建立，接下來主要針對實驗路線中的關(guān)鍵參數(shù)和具體操作方法的選擇作進一步的探討。如反應(yīng)過程中，教材中提供的反應(yīng)條件為60-75 °C反應(yīng)10 min后，再于室溫反應(yīng)30 min。此時，有學(xué)生會疑惑室溫下反應(yīng)30 min有何意義，為何不繼續(xù)于60-75 °C反應(yīng)？或者直接取消室溫反應(yīng)環(huán)節(jié)，縮短實驗時間？也有個別同學(xué)在課前文獻調(diào)研中，發(fā)現(xiàn)有在回流條件下反應(yīng)的報道[10]，因而質(zhì)疑高溫反應(yīng)真實的影響。對于學(xué)生對教材已有方案的質(zhì)疑，我們設(shè)置懸念，通過適當提高操作成績等措施，鼓勵學(xué)生針對以上存疑設(shè)計控制實驗方案，在實驗開展中驗證，并基于實驗結(jié)果進行反饋。

在產(chǎn)物的分離過程中，教材中多次提到“冷水”“冰”等，且強調(diào)粗品中總體積不超過25 mL。對于以上操作中的關(guān)鍵點，我們從“反應(yīng)結(jié)束后，體系中存在的主要副產(chǎn)物有哪些？”這一問題入手，引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合主要反應(yīng)物、產(chǎn)物和溶劑等的相關(guān)物理化學(xué)性質(zhì)，如溶解度和反應(yīng)性，討論如何提高產(chǎn)物的分離效率。但常用手冊中難以查到乙酰二茂鐵在水中的溶解度，這使得學(xué)生對加水分離和中和操作中水量、溫度等參數(shù)的理解變得困難。此時，我們引導(dǎo)學(xué)生檢索關(guān)于乙酰二茂鐵溶解度的相關(guān)文獻[19]，結(jié)合文獻數(shù)據(jù)簡單計算，獲得乙酰二茂鐵在水中的溶解度(25 °C，0.11 g)后，可獲知常溫下25 mL H2O可溶解約25%的目標產(chǎn)物，顯著降低了分離效率，故需要通過降低溫度(如冰、冷水等)和水量等減小乙酰二茂鐵的溶解損失。

基于教材，最后通過結(jié)晶和抽濾獲得乙酰二茂鐵粗品，并保存至下周利用柱層析純化。對于這部分內(nèi)容，我們通過對主要組分的溶解度、密度等的介紹，提出問題“教材中的分離方法是否為最優(yōu)方法？”，大部分學(xué)生給予了肯定的回答，小部分同學(xué)表示還可以利用萃取的方法，個別同學(xué)則認為教材中的抽濾方法可能帶來較為嚴重的損失。同樣，我們鼓勵持有不同意見的學(xué)生設(shè)計驗證實驗，在比較中明晰結(jié)論。

2 實驗開展

教學(xué)過程中通過對底物的分析、文獻、相關(guān)機理等的討論，學(xué)生們明晰了乙酰二茂鐵的合成路線和關(guān)鍵的實驗參數(shù)和操作。在接下來的實驗開展中，大家根據(jù)上述討論中遇到的問題或存在的質(zhì)疑，在完成基本實驗內(nèi)容的同時，自主設(shè)計和開展控制實驗以驗證自己的猜測。

2.1 教材中的實驗

通過上述討論中可知，低年級本科生的理論知識儲備和已接受的相關(guān)科研訓(xùn)練都比較有限，學(xué)生主體上認同教材中提供的實驗方法和參數(shù)設(shè)定，存在質(zhì)疑或不同觀點的學(xué)生尚屬小眾，因而按照教材中的實驗內(nèi)容開展實驗仍然是課堂實驗的重點，包括：(1)乙酰二茂鐵的合成。酰基化試劑醋酸酐、催化劑磷酸，60-75 °C反應(yīng)10 min后，再于室溫下反應(yīng)30 min；(2)產(chǎn)物粗品的分離。冰水洗滌醋酸酐、醋酸和濃磷酸等雜質(zhì)、NaOH (aq)中和、析晶和抽濾等。這部分實驗結(jié)果也為部分同學(xué)平行進行的自主設(shè)計實驗提供了充足的對比數(shù)據(jù)。

2.2 自主設(shè)計的實驗

對實驗參數(shù)和方法持有不同于教材觀點的學(xué)生，我們鼓勵其嘗試設(shè)計對應(yīng)的控制實驗方案，并按需自行分組開展控制實驗，以實驗結(jié)果驗證設(shè)想，與教材中的實驗結(jié)果對比分析，對方案持續(xù)優(yōu)化。接下來主要以學(xué)生對反應(yīng)溫度、室溫反應(yīng)30 min和抽濾存在的不同觀點，概要介紹其實驗設(shè)計和開展過程。

2.2.1 對反應(yīng)溫度及室溫反應(yīng)步驟的質(zhì)疑

在參數(shù)與方法的討論中，有學(xué)生在課前文獻調(diào)研中發(fā)現(xiàn)一篇在回流條件下制備乙酰二茂鐵的報道[10]，因而對基于理論推測的高溫會提高二乙酰基二茂鐵副產(chǎn)物的生成產(chǎn)生了懷疑。在實驗開展環(huán)節(jié)，他們平行搭建了一套反應(yīng)裝置，將反應(yīng)溫度設(shè)定為150 °C，體系保持回流狀態(tài)，其他反應(yīng)條件與教材中保持一致。反應(yīng)結(jié)束時，反應(yīng)體系近黑色，且極為粘稠，與60-75 °C反應(yīng)體系的深橘紅完全不同。在隨后的分離操作中，抽濾后濾紙上的粗品仍為近黑色(圖5a插圖：右)，而教材反應(yīng)條件下處理后的粗品為棕紅色(圖5插圖：左)。隨后取少量粗品溶于氘代氯仿，有黑色不溶物，將溶解部分進行核磁分析，核磁譜圖解析顯示僅存在乙酰二茂鐵，未檢測到二乙酰基二茂鐵(圖5a)，初步推測黑色不溶物為乙酰二茂鐵高溫碳化后的副產(chǎn)物。此結(jié)論與基于理論推測的高溫對反應(yīng)體系的影響不一致，但一定程度上說明了高溫回流條件的不足和教材中60-75 °C反應(yīng)溫度的合理性。

圖5 (a) 150 °C回流條件下獲得的粗品中可溶物的核磁譜圖，及兩種反應(yīng)條件下抽濾后粗品實物圖(插圖)；(b)抽濾操作中的濾液；(c)萃取操作中的分相

討論中部分學(xué)生對教材中室溫反應(yīng)30 min的爭議，主要集中在此步反應(yīng)是否存在必要。對此，學(xué)生設(shè)計的控制實驗為薄層色譜跟蹤反應(yīng)進度，并根據(jù)反應(yīng)進度確定是否取消此步操作。60-75 °C反應(yīng)10 min時取體系中少許溶液點樣，于石油醚:乙酸乙酯(V/V) = 6 : 1中展開，薄層色譜顯示樣品有兩個斑點，主要的斑點和次要的斑點分別與乙酰二茂鐵和二乙酰基二茂鐵的標準品具有相同的比移值，未見原料點，初步判斷此時反應(yīng)已基本結(jié)束，并停止反應(yīng)。以上結(jié)果初步說明教材中室溫下反應(yīng)30 min的操作非必需，可省略此步以縮短實驗時間。

2.2.2 分離方法的選擇

教材中采用結(jié)晶和抽濾，獲得乙酰二茂鐵粗品，并將在下次實驗中通過柱層析純化。通過前期的討論，大部分同學(xué)對以上方法沒有異議，個別同學(xué)對抽濾可能帶來的損失表示擔憂，并在這部分的實驗開展中，結(jié)合體系中主要組分如乙酰二茂鐵、二茂鐵、磷酸、醋酸、水等的溶解度和密度等參數(shù)，確定了以乙醚為萃取溶劑進行萃取分離。采用教材中抽濾方法進行分離的同學(xué)，普遍發(fā)現(xiàn)抽濾過程耗時長(布氏漏斗抽濾10-30 min)，且濾液為較濃的橘紅色，薄層色譜檢測結(jié)果為乙酰二茂鐵，產(chǎn)生了較為嚴重的溶解損失(圖5b)；而采用自主設(shè)計的萃取方法的同學(xué)，實現(xiàn)了乙酰二茂鐵的有效分離，同時降低了其在水中的溶解損失(圖5b)。學(xué)生通過以上結(jié)果的比較，認為教材中的結(jié)晶、抽濾方法存在優(yōu)化的空間，部分同學(xué)的質(zhì)疑得到了初步的肯定。

3 結(jié)語

在乙酰二茂鐵的合成實驗教學(xué)中，我們以學(xué)生為課堂的實際主體，采用問題-討論的方式層層遞進，引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合文獻、相關(guān)理論和物理化學(xué)性質(zhì)數(shù)據(jù)等，深度參與乙酰二茂鐵合成方案和關(guān)鍵實驗參數(shù)的設(shè)計，并鼓勵學(xué)生質(zhì)疑教材中的內(nèi)容，設(shè)計驗證方案，部分學(xué)生對反應(yīng)溫度、室溫反應(yīng)過程和分離方法等提出了不同于教材的觀點，并自主設(shè)計控制實驗進行了驗證，通過與采用教材中實驗方法的同學(xué)的結(jié)果比較，初步證實了反應(yīng)溫度對二乙酰基二茂鐵的生成的影響與理論預(yù)測有一定的沖突，教材中室溫反應(yīng)30 min和抽濾方法存在一定的改進空間，教材中的實驗內(nèi)容可進一步優(yōu)化。以上教學(xué)和實驗過程盡可能為學(xué)生提供基于課堂的學(xué)術(shù)研究的沉浸式體驗，讓學(xué)生通過踐行真實體驗到質(zhì)疑精神的重要性，預(yù)期能夠在一定程度上提高學(xué)生將已學(xué)理論轉(zhuǎn)化為解決實驗中實際問題的能力，有利于低年級本科生科學(xué)思維和科研執(zhí)行力的初步培養(yǎng)。