科研滲透式有機化學綜合實驗設計
——一種防偽墨水的制備

張宇，吉婷婷，張心妍，李春浩，王帥

內蒙古師范大學化學與環境科學學院，呼和浩特 010022

有機化學實驗是高等學校化學及相關專業的重要必修課程，是一門結合基本理論的實踐課程[1]。在教學中融入科研及創新綜合教育、轉變教學理念、增加聯系科技前沿的創新性綜合實驗，有利于增強學生的創新能力、提升學生的學科素養，也有利于培養新時代所需要的應用型人才[2,3]。

隨著高校教學改革的深入及創新意識的加強，有機化學實驗課程改革也是勢在必行。基于創新型人才培養的需求，有機化學實驗教學改革成為培養應用型、高水平的綜合性人才的重要舉措。傳統有機化學實驗的教學目的是讓學生掌握實驗基本操作和基本實驗技能[4]，而對有機化合物的光譜鑒定方法和實際應用等方面的重視程度不夠。隨著社會的發展，對應用型和具有創新意識的全方位人才的需求越來越迫切，使得傳統的有機化學實驗教學模式已不能滿足人才培養的需要。為使學生能夠更好地適應現代科學技術的發展[5]，有機化學實驗教學中應適當引入最新的科研成果，并結合有機化學基本理論設計多種適用于本科有機實驗教學的綜合性實驗，使有機化學實驗充分發揮其學科特有的橋梁作用。

螺吡喃及其衍生物是一類最具代表性的光敏有機化合物，因其在可再寫紙、光控開關及傳感器等方面的潛在應用而引起了廣泛關注[6,7]。螺吡喃及其衍生物在紫外/可見光激發下可以發生螺C-O鍵的斷裂和重新結合，從而導致螺環發生“開環/閉環”的結構變化[8,9]。當螺吡喃類化合物(SP)受到紫外光照射時，分子中螺環上的C-O鍵斷裂，生成開環的、極性增強的部花青化合物(MC)[10]，開環之后整個分子轉變為連續共軛結構，因此在可見光區有吸收并伴隨著相應的顏色變化；而當部花青分子受可見光照射后[11]，C-O鍵重新結合，形成閉環的、非極性態的螺吡喃分子，而且顏色也恢復成原來的無色[12]，正是基于此光之異構化特性，使得螺吡喃分子具有開發成防偽墨水的潛在應用。螺吡喃及其衍生物合成原料簡單便宜，所用試劑毒性較低且實驗時長適宜，這些優勢使其更適合作為理論與實際應用相結合的創新型綜合實驗教學內容。

綜上，本綜合實驗設計以1,2,3,3-四甲基-3H-吲哚鎓碘化物和5-硝基水楊醛為原料，通過一步反應直接合成出一種具有光致異構化特性的螺吡喃分子，該反應機理涵蓋了親核加成、分子內消除和O-烷基化三個過程。實驗過程涵蓋了固液分離、薄層層析、柱層析等有機合成基本操作，通過核磁共振氫譜、紫外光譜的表征，最后將產物應用于防偽墨水。此實驗設計將有機物的“制備-提純-表征-應用”融為一體，注重培養學生使用現代儀器對產物進行結構分析的專業科研能力，通過產物在防偽墨水中的應用拓寬學生科研視野、激發科研興趣、加強學生主動挖掘有機分子在生活中應用的意識、提升他們的有機化學學科素養和社會責任感。本實驗設計是適應時代發展潮流的整體性教學改革[13]，有利于培養專業知識扎實、全面，同時創新能力強的應用型人才[14]。

1 實驗部分

1.1 實驗目的

(1) 了解螺吡喃類化合物光致異構化的原理及應用領域。

(2) 掌握1’,3’,3’-三甲基-6-硝基螺[苯并吡喃-2,2’-吲哚啉]的制備方法。

(3) 掌握薄層色譜法的基本操作及旋轉蒸發儀、紫外-可見分光光度計的使用方法。

(4) 掌握柱色譜法的基本操作及核磁共振波譜儀、紫外分析儀的使用方法。

1.2 實驗合成路線及原理

1’,3’,3’-三甲基-6-硝基螺[苯并吡喃-2,2’-吲哚啉]是一種螺吡喃類化合物，以1,2,3,3-四甲基-3H-吲哚鎓碘化物和5-硝基水楊醛為原料、三乙胺為催化劑，通過一步反應即可合成出來，合成路線如圖1所示。實驗所需藥品、儀器在表1和表2中列出。

圖1 化合物1’,3’,3’-三甲基-6-硝基螺[苯并吡喃-2,2’-吲哚啉]的合成路線

該反應機理涵蓋了親核加成、分子內消除和O-烷基化三個過程。首先，在三乙胺催化條件下，1,2,3,3-四甲基-3H-吲哚鎓碘化物形成碳負離子；接著碳負離子對5-硝基水楊醛中的醛基發生親核加成，通過質子轉移后分子內消除脫去水分子形成碳氮雙鍵；最后氧負離子進攻碳氮雙鍵完成O-烷基化，形成閉環結構的螺吡喃分子。反應機理如圖2所示。

圖2 螺吡喃化合物的合成反應機理

1.3 實驗試劑和藥品

表1 實驗過程中所用化學藥品和試劑

1.4 實驗及測試儀器

表2 實驗過程中所用的儀器

1.5 實驗步驟

1.5.1 1’,3’,3’-三甲基-6-硝基螺[苯并吡喃-2,2’-吲哚啉]粗產品的制備

在100 mL三頸燒瓶一側安裝恒壓滴液漏斗，中間裝上球型冷凝管，另一側口插上溫度計，調整溫度計的位置使水銀球插入液面以下且不影響磁子轉動，反應裝置如圖3(a)所示。向反應裝置中加入5-硝基水楊醛(0.75 g，4.5 mmol)、1,2,3,3-四甲基-3H-吲哚鎓碘化物(1.36 g，4.5 mmol)和10 mL無水乙醇，開啟磁力攪拌使反應液充分混合，76 °C下加熱至回流。

圖3 實驗裝置圖

待回流狀態穩定后，取一支毛細管吸取溶液，在硅膠板上點樣進行薄層色譜分析作為對比樣品，展開劑為石油醚和乙酸乙酯的混合溶液(V:V= 2 : 1)。利用恒壓滴液漏斗向反應體系中滴加三乙胺(0.46 g，4.55 mmol)與5 mL無水乙醇的混合液，反應過程中保持回流。用石油醚和乙酸乙酯(V:V=2 : 1)作為展開劑監測反應進程，每30 min監測一次。3 h反應結束，將混合物冷卻至室溫，待固體析出完全后，抽濾并在布氏漏斗中用少許甲醇溶液(約3 mL)進行洗滌，將所得固體放入真空干燥箱中，在30 °C下恒溫干燥至恒重。得到棕褐色固體，即1’,3’,3’-三甲基-6-硝基螺[苯并吡喃-2,2’-吲哚啉]粗產物。

1.5.2 1’,3’,3’-三甲基-6-硝基螺[苯并吡喃-2,2’-吲哚啉]粗產品的提純

采用柱色譜分離法提純粗產品，實驗裝置如圖3(b)所示。取少許脫脂棉(或玻璃棉)放入色譜柱底部，輕輕塞緊，關閉旋塞，將層析硅膠用石油醚調成糊狀后，緩慢倒入層析柱中。用洗耳球輕輕敲打柱身，使硅膠均勻填充至整個層析柱。

向50 mL圓底燒瓶中加入干燥后的粗產品，并加入約15 mL乙酸乙酯使其充分溶解并向燒瓶加入2.00 g硅膠(約為2倍粗產品質量)，隨后利用旋轉蒸發儀將溶劑全部蒸干，用固體加料漏斗輕輕地把吸附粗產品的硅膠全部轉移至色譜柱中。

待液面略高于硅膠時，沿色譜柱側壁加入展開劑進行洗脫，展開劑為乙酸乙酯/石油醚(V:V=1 : 2)。柱層析過程中可以觀察到橙黃色的色帶自上而下緩慢移動。每接收15 mL流出液時采用薄層色譜法監測一次，直至紫外燈下只有一個產物點時開始收集溶液，紫外燈下無產物點時停止收集。利用旋轉蒸發儀蒸干溶劑后得到黃綠色固體純產品0.99 g，產率為68%。

1.5.3 核磁共振光譜表征分析

取10 mg上述純產品于試劑瓶中并加入0.6 mL (含0.03%V/VTMS)的氘代氯仿配成溶液，將溶液裝入核磁樣品管中進行核磁共振氫譜測試。經結果分析發現，譜圖出峰位置及氫的數目與目標分子一致，證明我們成功地合成出了目標分子。

1.5.4 紫外光譜表征

取1 mg純產品溶于5 mL乙腈溶液作為待測樣品。通過365 nm紫外光照射和可見光照射的紫外光譜分析來驗證螺吡喃分子的光致異構化特性。

1.5.5 應用

將一定量合成出來的螺吡喃分子溶于低毒性的乙酸乙酯溶液中來模擬鋼筆水，質量濃度為2.0 × 10-4g·mL-1。選擇市售的任意一款鋼筆將墨水吸入，在A4打印紙上寫下一行字，并用紫外光照射，觀察現象。

2 結果與討論

本實驗包含了有機化學中羰基的親核加成、分子內消除脫水和O-烷基化成螺環等基本反應類型，而且將回流、抽濾、減壓蒸餾和柱色譜提純等科研基本操作與核磁共振氫譜和紫外光譜等科研表征手段相結合，非常適宜科研滲透式本科有機化學綜合設計實驗的教學目標。將科研技能滲透本科實驗教學當中，既保證了本科人才培養的教學要求，又能滿足培養創新、應用型人才的社會需求。

2.1 反應過程中對螺吡喃分子的薄層色譜分析

在反應開始時、反應開始后每間隔30 min分別取樣進行薄層色譜分析，展開劑為乙酸乙酯/石油醚(V:V= 1 : 2)。經365 nm紫外光照射后發現，反應開始時硅膠板呈現兩個點，上方為極淡的產物點，下方為原料點。隨著反應時間的延長，上方產物點逐漸清晰，下方原料點逐漸變淡，反應3 h時原料點已基本消失，說明此時反應已進行完全。

2.2 反應溫度與反應時間對提純產率的影響

實驗發現，反應時間為3 h時，反應溫度對提純產率的影響如圖4(a)所示。隨著反應溫度的升高，產率大幅上升，在大約76 °C時，提純產率達到峰值，即68%；但當溫度繼續升高時，產率隨反應溫度升高而逐漸下降。以上結果表明，制備1’,3’,3’-三甲基-6-硝基螺[苯并吡喃-2,2’-吲哚啉]的最佳反應溫度為76 °C。

圖4 反應溫度對提純產率的影響(a)；反應時間對提純產率的影響(溫度為76 °C) (b)

實驗發現，一定溫度條件下，反應時間對提純產率的影響如圖4(b)所示。隨著反應時間的延長，產物經提純后所計算的產率明顯增大，在3 h時，提純產率為68%；但在反應3 h后，產率隨反應時長增加而增大的趨勢減緩，3 h后的產率與3 h時相比基本保持不變。因此，從綠色化學以及本科實驗時長要求等角度綜合考慮，將反應時長控制在3 h左右最為理想。綜上所述，制備1’,3’,3’-三甲基-6-硝基螺[苯并吡喃-2,2’-吲哚啉]的最佳反應時長為3 h，最佳反應溫度為76 °C。

2.3 螺吡喃分子的核磁共振光譜分析

測試結果如圖5所示。1H NMR (600 MHz, CDCl3)δ8.01 (d,J= 12.0 Hz, 2H), 7.21 (t,J= 7.7 Hz,1H), 7.09 (d,J= 6.9 Hz, 1H), 6.93 (d,J= 10.3 Hz, 1H), 6.89 (t,J= 7.4 Hz, 1H), 6.77 (d,J= 8.6 Hz, 1H),6.56 (d,J= 7.7 Hz, 1H), 5.86 (d,J= 10.3 Hz, 1H), 2.74 (s, 3H), 1.30 (s, 3H), 1.19 (s, 3H)。

圖5 螺吡喃分子的核磁共振氫譜圖

經分析譜圖出峰位置及氫的數目與目標分子一致，證明我們成功地合成出了一種螺吡喃分子。

2.4 螺吡喃分子的紫外光譜分析

取1 mg純產品溶于5 mL乙腈溶液作為待測樣品。通過紫外光照射和可見光照射的紫外光譜分析來驗證螺吡喃分子的光致異構化特性。首先，用365 nm紫外光照射樣品，溶液中的螺吡喃由閉環的形式轉換成開環的部花青形式，分子結構從螺環轉變為開環的連續共軛結構，從而在可見光區產生強烈的吸收，螺吡喃分子的結構變化如圖6所示。

圖6 螺吡喃分子在紫外光(365 nm)和可見光交替照時的結構變化

圖7a和7b是螺吡喃在乙腈溶液中用紫外/可見光照射不同時間的紫外-可見吸收光譜，從圖7a可以看出，在最初可見光的條件下溶液在可見光范圍內沒有吸收，隨著紫外光照射時間的延長，在波長550 nm處產生吸收并且吸光度逐漸增大，25 s后吸光度不再變大，說明溶液中的螺吡喃分子已全部開環。從圖7b可知，再經過60 s可見光照射后開環的部花青結構逐漸轉變成閉環結構，其吸光度也由1.41降低到0，這說明螺吡喃化合物又全部轉化成閉環的狀態。這種光致異構化現象也可通過裸眼觀察，從圖7c可知，產物溶于乙腈溶液最初是無色透明的，經過25 s紫外光照射后轉變為藍紫色，開環響應速度極快，再經60 s可見光照射后又恢復為最初的無色。圖7d為在紫外/可見光交替照射測試溶液時的吸光度變化。由圖可知，經過紫外/可見光交替照射至少5次循環后，吸光度變化范圍基本保持不變，證明所合成的螺吡喃分子具有良好的抗疲勞性能，能夠在閉環非極性和開環極性兩種構型之間發生多次可逆轉變。

圖7 螺吡喃在乙腈溶液中用紫外光照射(a)和可見光照射(b)不同時間的紫外-可見吸收光譜；(c) 樣品在365 nm紫外光照射25 s和可見光照射60 s后的顏色變化；(d) 紫外光(365 nm)和可見光交替照射樣品時的吸光度變化

2.5 光致變色開環動力學

取1 mg純產品溶于5 mL乙腈溶液作為待測溶液，用紫外光照射不同的時間，測溶液的吸光度。以ln[(A∞-At)/(A∞-A0)]對光照時間t作圖(其中A∞、At、A0分別指時間為t∞、t、t0時的最大吸光度)，產物開環動力學關系如圖8所示。

圖8 SP-NO2乙腈溶液開環動力學關系

實驗發現，溶解在乙腈中的SP-NO2溶液在光致變色過程中，其開環動力學曲線會出現一個轉折點將反應過程分為兩段，折點前后分別為兩段直線。其中前一段的開環動力學方程為y = -0.0117x +0.0252，后一段的開環動力學方程為y = -0.059x + 0.6723，前一段反應速率常數較小，后一段較大。以上結果說明，溶于乙腈的螺吡喃在光致開環過程中，前期速率較后期速率慢，會出現一個臨界點，即曲線轉折點。一般情況下螺吡喃光致開環過程符合一級動力學過程，即開環動力學曲線基本呈一條直線，但研究表明溶劑極性會對動力學過程產生很大影響[15]，本實驗采用極性較大的乙腈溶液做溶劑，所以導致其動力學曲線出現折點。

2.6 光致變色閉環動力學

取1 mg純產品溶于5 mL乙腈溶液，用紫外光不斷照射直至分子全部開環，將溶液放置在黑暗環境中，測不同時間下溶液的吸光度。以ln[(At-A∞)/(A0-A∞)]對光照時間t作圖(其中At、A∞、A0分別指時間為t、t∞、t0時的最大吸光度)，產物閉環動力學關系如圖9所示。

圖9 SP-NO2乙腈溶液閉環動力學關系

由圖9可見，溶解在乙腈中的SP-NO2溶液閉環動力學曲線基本呈一條直線，經線性擬合得到閉環動力學方程y= -0.0871x+ 0.9688，閉環反應速率常數為8.71 × 10-2s-1，其線性關系很好，結果表明，螺吡喃光致閉環過程也符合一級動力學過程。

2.7 螺吡喃化合物在防偽變色墨水中的的應用

將一定量合成出來的螺吡喃分子溶于乙酸乙酯溶液中來模擬鋼筆水，質量濃度為2.0 × 10-4g·mL-1。選擇市售的任意一款鋼筆將墨水吸入，在A4打印紙上寫下一行字，如圖10所示。左圖為自然光下的圖片，右為紫外燈快速照射后的圖片。可以很明顯的看出，在自然光下用鋼筆寫在白紙上的字沒有任何顯示，經紫外光照射后白紙上的字變為紫色而顯色，利用螺吡喃化合物的這種光致變色特性，可將其用于防偽墨水的制備。

圖10 螺吡喃化合物應用于防偽墨水

3 注意事項

(1) 三乙胺與無水乙醇混合液應充分振蕩，以免溶液掛壁影響催化劑加入量。

(2) 三乙胺與無水乙醇混合液應在體系回流狀態下滴入，并使體系始終保持回流狀態。

(3) 取樣檢測時應吸取內部溶液并用適量無水乙醇稀釋，以免點板時溶液過濃影響薄層色譜分析結果。

(4) 反應結束后待反應液自然冷卻至室溫時再進行抽濾，否則產物未完全析出，產率低。

(5) 使用少量甲醇溶液洗滌粗產品并快速抽干，以防產品溶解。

(6) 柱層析過程中不可通過紫外燈照射色譜柱辨別產物是否收集完畢。

(7) 紫外光譜分析時，應用365 nm紫外光燈充分照射產品的乙腈溶液。

4 實驗安排

該綜合實驗在實驗內容和實驗安排上具有較大的靈活性，本實驗時長為10-12 h，教師可根據該實驗的特點靈活選擇教學時長及教學模式。本實驗既適用于整體性教學又適用于模塊化教學，教師可以根據實際需求進行選擇。整體性教學模式已在校內探索，每學年對一個班級(約30人)推行該實驗，教學反饋良好。學生分組進行實驗內容，每2人一組，可在監測反應進程期間，穿插進行柱層析實驗講解及準備、復習核磁共振波譜儀及紫外分析儀操作方法。核磁共振波譜每組均需測試，在對產物進行紫外分析時，每組至少測2個光照時間(開環或閉環)。開環/閉環動力學數據由全班紫外分析數據整合。模塊化教學時，建議按照表3安排進行，可將該實驗分為兩部分進行，即有機合成實驗和儀器分析實驗，儀器分析實驗中要求實驗小組完成所有核磁共振測試和紫外分析測試，每組獨立分析開環/閉環動力學。

表3 模塊化教學實驗內容安排

(1) 課前布置任務：查找三篇螺吡喃類化合物主要應用領域的相關文獻，以培養學生查閱文獻、篩選文獻的科研技能；課前自主回顧薄層色譜法的基本操作及旋轉蒸發儀、紫外-可見分光光度計的使用方法，以順利完成實驗任務。

(2) 將學生分組，合作完成1’,3’,3’-三甲基-6-硝基螺[苯并吡喃-2,2’-吲哚啉]的制備實驗，以培養學生團隊合作的科研能力。

(3) 借助網絡平臺提供柱色譜法的操作視頻及核磁共振波譜儀、紫外分析儀的使用方法，保證學生在課前有效預習。

5 結語

該實驗以有機化學基礎反應機理為指導，綜合了有機實驗基本操作和表征分析手段，將有機物的制備、提純、表征及應用融為一體，綜合性較強，適應新形勢下有機實驗整體性教學。本實驗合成產物具有獨特的光致變色性質，可應用于產品防偽領域，產物實際應用性強，除本實驗中防偽墨水的制備外，還可廣泛應用于光學開關、傳感器、離子探針、分子開關、溫度指示劑、光信息儲存等許多方面，極具研究價值，是多年來的科研熱點之一。不僅如此，該實驗教學與科技前沿成果聯系緊密、合成原料簡單便宜、所用試劑毒性較低、提純產率較高且實驗時長適中，這些優勢使其更適合作為結合理論與實際應用的科研滲透式本科創新型綜合實驗教學內容。

本實驗將有機化學基礎實驗教學與科學前沿及應用結合起來，在本科教育階段培養化學相關專業學生既有過硬基礎操作的本領又兼具綜合創新能力，致力于向社會輸送具有創新思維、具備科研能力的應用型人才。通過設計這樣一個適宜本科教學的科研滲透式綜合實驗方案，既激發了學生的科研探究興趣，同時也與科技前沿成果及實際生活應用緊密聯系起來，著重培養了學生的科研能力和專業知識水平，在有機化學實驗教學乃至本科實驗教學方面具有深遠的指導意義。