如何實現從高校基礎化學課程到本科科研創新的跨越式發展
——從學生角度分享高校科研創新成長經歷

徐一澤，張壬嘉，李若璞，周堅，徐大振

南開大學化學學院，天津 300071

當前，為響應國務院辦公廳2015年印發的《關于深化高等學校創新創業教育改革的實施意見》(簡稱“《意見》”)，全面部署深化高校創新創業教育改革工作，各高校陸續開展“本科生創新科研計劃”項目。該《意見》明確指出深化高校創新創業教育改革是國家實施創新驅動發展戰略、促進經濟提質增效升級的迫切需要，是推進高等教育綜合改革、促進高校畢業生更高質量創業就業的重要舉措。在此背景下，南開大學每年面向在讀本科生開展創新創業項目立項工作。為鼓勵在校大學生積極參與科研創新，學校團委每年都會組織“校長杯”等各類創新創業比賽，提高同學們的參與熱情。由我(本文第一作者)作為負責人組建的三人學生創新團隊于2021年申請到南開大學“國家級大學生創新創業訓練計劃”(簡稱“國創”)項目。截至2021年底，該項目被推薦為教育部重點資助項目，同年相關創新成果參加“挑戰杯”全國大學生課外學術科技作品競賽獲全國一等獎。本文將重點介紹我們成功申請教育部重點“國創”項目的準備過程，以及期間參加“挑戰杯”競賽的經歷，希望通過經驗分享為即將開始科研創新訓練的本科同學提供參考。

1 基礎化學課程與科研工作接軌

在南開大學就讀的第一學期，學院開設的“當代化學前沿2-1”課程，來自不同研究方向的老師向新生介紹了各自研究前沿內容，這使我明白了化學專業所學內容的重要性和實用性，并對化學科學有了更深層次的了解。在這一學期，學院還舉辦了“我愛實驗室”主題活動，將學生帶入科研實驗室中參觀學習，從純粹的理論學習到開始接觸科研實踐工作。通過與多個課題組負責導師的進一步溝通，我了解到當前化學前沿的研究熱點。

第二個學期，學院開設了“當代化學前沿2-2”課程，邀請不同研究領域的教師為我們講解他們研究的課題，通過將我們所學的基礎知識與生活中的“高科技”產品相聯系，使我們更加熱愛自己所學的專業，并進一步激發了我們學習化學的好奇心。

在接下來的暑期科研訓練中，我選擇了自己喜歡的有機合成方法學研究方向進行科研訓練。在此過程中，我深刻認識到課本知識與實際應用之間的差別。因為，有機實驗課程中以經典實驗為主，目的是理解概念、學習基礎操作；而科研工作中開展的實驗則側重于探索創新，以嘗試性實驗為主，大多沒有可供參考的案例。除此以外，在課題組的培訓中還注重文獻的查找和閱讀，而不再像課堂學習，直接翻閱課本就能獲得答案。在每次實驗開展前，我們要做大量的期刊查閱和調研工作，最終經過導師同意確定自己的實驗內容，開展創新實驗。

在實驗過程中，我們還需要熟練掌握各種儀器的使用。學院開設的“儀器分析實驗”課程，所學內容只是入門級別，以了解為主，并不能滿足科研實驗的需要。另外，由于大部分儀器價格昂貴且資源有限，在課程學習中多人一組同時學習使用同一臺儀器，不能達到自主使用儀器的熟練程度。而在課外科研訓練中我們會有更多的機會去接觸這些大型儀器，如高效液相色譜、400 M核磁共振儀等，并實現完全獨立操作，彌補了教學中的不足。

2 本科生科研創新成長計劃

在暑期科研訓練結束后，我在第三個學期正式加入了課題組的研究工作。在導師的指導下，我和兩位組員參與了多個實踐案例，全方位踐行“本科生科研創新成長計劃”。

2.1 第一部分：工作的開展

我參與的本科生科研創新成長計劃可分為以下過程：確定指導教師、了解研究背景、設計反應體系、篩選和優化反應條件、拓展底物、探討反應機理等。

2.1.1 確定指導教師

在開展此計劃前，首先要根據自己的研究興趣選擇相關課題組。在進入課題組前，我了解到徐大振老師課題組的研究方向是廉價金屬鐵鹽促進的綠色、高效交叉偶聯反應，我對這個課題非常感興趣，并且徐老師指導本科生的經驗豐富，曾多次指導本科生獲得國家、省部和學校級別各項創新比賽大獎。一個好的平臺能讓個人能力得到最大限度的發揮，并且會有更多的機會與國內一流高校學生進行學習交流，因此我選擇進入該課題組。

2.1.2 文獻調研與研究目標的確立

了解研究背景即通過查閱文獻、師生交流等方式，對科研方向已取得的成果進行利弊分析，了解前沿進展和未來發展方向，評估自己創新項目的可行性和重要性。

結合“當代化學前沿2-2”課程內容，我了解到過渡金屬催化的交叉偶聯反應是公認最有效構建化學鍵的方法之一。2010年諾貝爾化學獎頒給了相關研究領域的三位化學家，這充分說明了過渡金屬催化交叉偶聯反應的重要性。但是傳統的交叉偶聯反應仍存在一些問題需要攻克[1]，其中最主要的兩點是：(1)底物需要預官能團化。交叉偶聯反應是通過兩個C―X鍵和C―Y鍵的斷裂進而形成新的化學鍵，同時產生等當量的副產品X―Y，降低原子經濟性的同時還產生巨大的環保壓力；(2)反應條件仍需改進。由于目前絕大多數反應還需要Pd、Rh等貴過渡金屬催化，生產成本較高，它們大多用于具有較高附加值的產品生產。針對以上因素，最近化學家們又發展出一系列新型的不同C―H鍵間直接去氫偶聯方法[2]，極大地提高了反應的原子利用率，也從源頭上緩解了環境問題，成為目前構建C―C鍵的理想方案。

另一方面，含有季碳中心的化合物廣泛存在于天然產物和合成藥物分子中[3]。季碳中心對這些化合物的生理活性作用和藥物的代謝穩定性具有重要影響，尤其是3位含有季碳中心的吲哚-2-酮衍生物常常具有多種生物活性，圖1中列舉了5個含有此類結構的代表性化合物。但是，由于季碳原子中4個碳取代基之間存在較大的空間位阻，通過交叉偶聯方法構建季碳中心仍然是有機合成中的一大挑戰。

圖1 3位有季碳中心的吲哚-2-酮衍生物

根據以上知識儲備和對反應背景的了解，我們團隊決定向這一“挑戰”發起進攻，嘗試通過去氫交叉偶聯方式實現對3位含有季碳中心吲哚-2-酮衍生物的合成。至此，我們的科研創新工作正式展開。

2.1.3 設計反應體系

在科研培訓階段，我們已經了解到鐵鹽催化氧化反應體系的核心原理，即鐵鹽與酰胺化合物能夠形成不穩定的配體，可在一定條件下活化酰胺α-H并產生相應的自由基，進而引發相關反應[4]。因此，我們設想利用廉價、易得的吲哚-2-酮作為酰胺底物，通過鐵鹽催化去氫偶聯的方式，實現對其3位的雙芳基化衍生修飾，合成含有類似結構的化合物(圖2)。

圖2 吲哚-2-酮的雙芳基化反應

2.1.4 對該反應體系的系統性研究

在確定反應體系后，我們依次對反應條件、底物適用性和反應機理進行了研究。首先是反應條件的優化，表1中，我們只選取部分具有代表性的結果進行展示。該反應以吲哚-2-酮(1a)和吲哚(2a)作為模板底物，對不同催化劑和反應條件進行篩選、優化。我們發現在FeCl2·4H2O催化下、乙醇溶液中反應時，該反應效果最佳。即使將催化劑的用量降低到5 mol% (摩爾分數)時，也能以93%的收率得到目標產物(3a)。

表1 條件篩選、優化實驗[a] [5]

隨后，我們基于表1中得到的最優反應條件對不同底物的適用性進行了拓展實驗，共合成了34個化合物(圖3)，實現了在溫和、綠色反應條件下，通過去氫交叉偶聯的方式對含有季碳中心吲哚-2-酮衍生物的制備，并將結果發表在國際著名的化學期刊Green Chemistry上[5]。

圖3 底物拓展實驗[5]

為了深入研究該雙芳基化反應過程，我們設計了多組研究實驗，如自由基捕獲實驗、氧化劑替換實驗，以及對反應中間體的捕捉等。經過與導師的多次溝通、研討后，我們提出了一種可能的自由基反應過程(圖4)：首先，底物吲哚-2-酮在鐵鹽(III)和空氣的作用下產生自由基中間體(4)，然后與分子氧偶聯、脫除氫氧根得到陽離子(7)，它在吲哚的親核進攻下并脫去一分子水得到(8)，再氧化脫氫生成中間體(9)。最后，中間體(9)與另一吲哚分子繼續反應得到目標產物(3a)。在轉化過程中，鐵鹽還有另一個重要用途，就是在親核步驟中起到活化吲哚的作用。

圖4 可能的反應機理

2.1.5 合成方法的應用

通過大學前期的學習和生活，我已明白作為當代大學生學習新知識、勇攀科學高峰的最終目的是要做到科研報國。在和導師交流的過程中，他也經常教導我們做科研要做到“知中國、服務中國”，要做對國家和人民有用的科研。此項創新工作基于方法學展開，其最終目的則是能夠利用更加先進的方法實現對重要化工產品的制備。因此，我們選擇海洋天然產物C (3a)和醫用殺精化合物E (3l)進行克級放大實驗，產率分別達到了80%和81%，說明該方法有放大用于生產的潛力(圖5)。

圖5 克級放大實驗

2.2 第二部分：創新項目的申報

基于前期科研訓練基礎，我與另外兩位同學共同申報了2021年“國家級大學生創新創業訓練計劃”項目。在申報過程中，我們團隊順利完成了項目開展前的立項背景調研、項目申報、答辯和實驗設計等各項工作。

2.2.1 文獻調研

由于我們對廉價金屬鐵鹽催化的交叉偶聯反應有了一定了解，下一步我們將擴大其在有機合成中應用范圍。我們團隊通過查閱文獻了解到硫醚及其衍生物常常表現出多種生物活性，它們廣泛存在于醫藥和農藥中；同時，芳基硫化物是C―C偶聯反應中的常用原料，也是亞砜類化合物、芳烴類化合物和硫醇類化合物的通用前體。另外，酚類化合物在有機合成中的地位也十分重要，具有多種用途[6]。硫醚苯酚就是集二者于一身的一類具有較高生物活性的功能化合物[7]，圖6中給出了此類兩個代表性化合物的結構[8]。

圖6 代表性的硫醚苯酚類化合物

通過文獻查閱，我們總結了硫醚苯酚的合成方法：目前主要是通過碘催化苯酚或環己酮與高價態的亞磺酸鈉反應而得到相應產物[9,10]。而這些合成方法都具有一定的局限性，如反應時間長、反應條件相對苛刻等，并且只能得到單硫化產物(圖7a)。因此，我們嘗試廉價金屬鐵鹽催化環己酮與硫酚間通過“偶聯-芳構化”的反應過程，實現對硫醚苯酚類化合物的綠色、高效制備，并選擇性地生成雙取代產物(圖7b)。

圖7 硫醚苯酚類化合物的合成

2.2.2 項目申報、答辯

由于前期我們對該項目做了充分的調研和準備工作，這使得之后的立項和答辯階段進展十分順利。我們針對評委提出的問題，如：研究背景、研究目標、所合成化合物的理化性質及表征方法等，都給出了滿意的答案，成功申請到“國創”項目的經費支持。在項目答辯階段，研究團隊也了解到校內其他同學的研究內容及進展狀況，這也極大地拓展了團隊成員的視野，對不同研究方向有了進一步了解。由于前期準備充分，我們的項目還被天津市推薦為教育部重點資助項目，團隊成員都受到了極大的鼓舞，同時也感受到肩上的重擔，我們一定要出色完成該創新項目。

2.2.3 項目的開展和實施

有了最初科研培訓的經歷，我們對實驗中所遇到的不同困難有了更多的解決方案，目前實驗已順利開展。從確定反應體系、條件篩選及現在剛剛開始的底物拓展，我們認真參與每一個過程，記錄所有實驗數據，培養自己的實驗思維和模式。

研究過程存在很多不可預知因素，因2022年新冠疫情在天津多次出現，我們的創新工作進展也受到了較大影響。疫情讓我深刻認識到疫苗、特效藥等醫療藥物的重要價值，更讓研究團隊深刻體會到科研工作的重要性。

2.3 第三部分：參加創新競賽

基于進入實驗室初期的創新成果，我有幸參加了2021年“挑戰杯”全國大學生課外學術科技作品競賽。與之前的創新工作不同，“挑戰杯”賽事更注重團隊協作，因此團隊成員間的分工合作顯得十分重要。我們團隊的參賽主題是“廉價金屬鐵鹽催化氧化體系”，旨在通過化工行業實現“源頭減排”，響應國家“2030碳達峰、2060碳中和”的號召。這要求我們必須結合國內政策和實際化工行業的弊病進行背景分析，進而將我們的創新內容融入其中，實現“產、學、研”的鏈式結合。從校賽到市賽，我們歷經了多場培訓和答辯，使自身綜合能力得到顯著提升。最終，我們拿到了國賽的入場券。

2.3.1 前期材料準備

在前期材料準備中，團隊必須嚴格按照“挑戰杯”官網發布的文件，準備線上材料和紙質材料。線上申報材料主要包括申報書填寫、論文整理和支持材料的準備。內容看似不多，但卻十分繁瑣，需要團隊成員共同合作，在網頁開放時間內用科學、嚴謹的表述填寫申報內容。

首先，團隊必須正確解讀填報要求。比如參賽通道的選擇(即參賽作品類別)，參賽作品會在對應時間段進行網篩審核，每個賽道的參賽作品會有相應領域的專家進行審核，如果賽道選擇錯誤，再好的參賽項目也只能止步于此。

其次，申報內容的表述必須科學嚴謹、有理有據。比如在填寫申報書具體模塊時，要注意重點突出、答對所問，也要在字數限制內表述完全。總體內容應體現“發現問題、解決問題、實際效果分析”的過程，適當用真實數據作為支撐，避免大段語句贅述、含糊其辭。

需要注意的是，支持材料并不是由大量的實驗數據堆疊而成，而是需要整體脈絡，如論文材料部分、專利材料部分、數據材料部分。也可以在其中加入已有的宣傳報道等，用來豐富支持材料。

在團隊成員分工完成上述材料后，應先將材料整合完畢，團隊內部完成審核，再提交給指導教師，審查材料內容，對其中表述不當、缺乏科學性的內容進行修改調整，最終提交申報材料。

2.3.2 賽前培訓指導

“挑戰杯”作為全國高校的重要比賽，對參賽團隊的綜合素質要求極高。從校賽開始，團隊就有了明確分工。每個成員各司其職，不僅能最大程度發揮出自身實力，還能培養團隊默契協作精神。

在校賽準備期間，我們團隊的工作以模擬答辯為主，各個參賽隊伍之間相互鼓勵、相互競爭，大家都在為進入市賽而不斷努力。我們邀請參與校賽的其他隊伍成員作為評委，參與模擬答辯并從學生角度進行提問，對其中講解不到位、講解過于繁瑣的內容標記修改，同時對我們的回答措辭提出改善建議。在每輪模擬答辯之后，我們都會綜合其他隊伍給出的相關建議不斷完善答辯現場。而我作為團隊的主講，在答辯過程中承擔著重要的責任，言行舉止都有著嚴格的要求，每次完善稿件后必須第一時間做出調整，不能因為狀態不佳、言辭不當造成答辯失誤。在一次次模擬答辯的壓力鍛煉下，我的心理抗壓能力不斷增強，綜合素質得到提高。這也讓我的答辯狀態更加穩定、回答提問井然有序。最終，我們的項目因為成果豐富、答辯內容重點突出，在激烈的答辯之后脫穎而出，進入市賽階段。

根據市賽要求以及校賽時評委給出的建議，我們對項目進行了調整。首先對答辯稿中缺乏科學性表述的語句進行修改，將PPT中忽略的重要細節進行補充，重新演練答辯。在完成上述工作后，我們還邀請了專業教師對我們的項目進行模擬答辯，首先將參賽項目展示給各位老師，讓他們對該項目有整體的把控，并收集修改意見進行相應修改。在此基礎上，和指導教師不斷探討，結合項目進行補充完善，避免遺漏重要內容。最終，我們成功沖出了市賽的重圍進入國賽。

在國賽前期，我們就市賽現場評委的提問和建議對項目進行再次修改，從支持材料中找出對應語句，修改措辭使其更科學、更嚴謹。與此同時，從校賽到國賽期間，我們團隊又有新的成果發表，還要將這一部分內容加入到申報材料中，并相應修改答辯內容。在修訂參賽材料的同時，我們團隊每周向導師至少做兩次模擬答辯匯報，從答辯內容專業性、現場規范性兩方面不斷完善，提升團隊綜合素質。

2021年全國挑戰杯總決賽因疫情延期至2022年，團隊在本屆比賽中獲得了“全國一等獎”的好成績。我們也深刻認識到，比獲獎更加重要的是團隊在備賽期間的團結合作，是每個隊員個人綜合能力的有效發揮、提升。

3 經驗總結、分享

在一年多的科研創新工作中，我們團隊每個人都取得了進步和收獲，我以第一作者身份在Green Chemistry期刊發表論文一篇，每位成員各申請發明專利一項[11]，并且該“國創”項目已經被推薦到教育部第十五屆“雙創”年會，這是對我們努力工作的肯定和鼓舞；此外，我和李若璞同學分別獲得了北京大學和清華大學攻讀博士生資格。在參與科研創新工作的過程中，無論是我們成功申報教育部“國創”重點項目，還是參與“挑戰杯”比賽，都離不開團隊成員的共同努力和課題組導師的辛勤指導。我將自己的一些經驗進行總結分享，希望對即將參與科研創新的同學有所幫助，做到在有限的大學時間里最大程度提升自身綜合能力。

在開展科研創新工作之前，需要有扎實的基礎知識。首先，專業課程是必須要專心學習的，專業課所教授的不僅是課本知識，更是設計實驗、開展實驗的理論基礎，無論是哪個方向的科研創新，都需要對應領域內的基礎知識做鋪墊。此外，在學好專業課的基礎上盡可能多地去了解不同的二級學科和相關課題組，為大二進入課題組選擇自己喜歡的方向做好準備。

在實驗課程中培養良好的實驗習慣，學習各種實驗儀器的規范操作。在大學一年級時，首先接觸的是必修的基礎實驗，要做到在實驗課前仔細閱讀實驗步驟，認真思考每一個實驗步驟的意義，而不是在實驗開始后機械操作，缺乏思考過程。同時，各種實驗儀器的使用也需要有規范性，尤其是貴重的實驗儀器，必須規范操作。只有養成良好的實驗習慣，通過正確的實驗方法才能得到科學的實驗結果。

在科研創新工作中要“樹立自信、端正態度”，這也是我們的導師徐大振老師一直教誨我們本科生做科研創新的基本要求。“樹立自信”即相信自己，作為初入實驗室參與科研工作的本科生，一切都是“從零開始”，在面對困難和挫折時很容易產生消極的想法，這時樹立自信就顯得十分重要。真實的實驗數據是所有科研工作的基石，只要所有操作是按照標準完成的，那么數據就是可靠的，具有重要的參考價值。“端正態度”是指本科生參與科研創新工作的本質是以學習本領、提升能力為目的，在這個過程中會因為努力工作和辛勤付出而取得一定的成果和榮譽，但是我們不能好高騖遠，為了追求成果而盲目參與科研創新工作。只有“樹立自信、端正態度”才能走得更遠，收獲更多。

在科研創新工作中一定要多了解、多思考、多溝通，注重師生密切配合。創新工作是推陳出新，這要求我們對已有的工作做出總結和思考，發現問題然后再提出自己的創新方法。在這個過程中，通過查閱文獻等方式多了解已有的工作是基礎，要做到全面了解所選課題的研究背景，不去做重復的工作；遇到問題勤思考培養解決實際問題的能力，提高綜合能力使自己快速成長；整個項目過程要注重“團隊協作”，包括與隊友的協作、與導師的有效溝通，我們必須發揮團隊協作精神，才能做到高效工作、避免失誤，最終解決問題，實現“1 + 1 ＞ 2”。

4 結語

本文主要介紹了我參與本科生科研創新工作的經歷，從前期基礎課程與科研工作的接軌，到后來實施的本科生科研創新成長計劃，并詳細介紹了該成長計劃中我們科研工作的開展、創新項目的申報和參加創新競賽的經歷。在此分享給同樣在科研創新工作中拼搏奮斗的同學，也為即將參與本科科研創新的同學提供參考，祝愿大家在科研創新工作中快速成長、收獲滿滿、不負韶光！