科研创新实验对学生综合知识体系的构建*

陈水生 乔瑞 张淑萍 时兆菊 盛良全

(阜阳师范学院化学化工学院 安徽阜阳236041)

大学化学教学的重要任务不仅是要让学生掌握丰富的理论课知识，更要培养学生的创新能力。科研创新型实践教学对于学生创新能力的培养和综合知识体系的构筑具有重要的作用［1-2］。科研创新实验是以学科内容和学生的知识积累为基础，引导学生创造性地运用知识和能力，自主地发现问题、研究问题和解决问题，在研究中积累知识、培养能力和锻炼思维的教学模式［3-4］。我们以国家级大学生创新项目多芳基取代的三唑类化合物的合成研究为例，阐述学生创新训练对学生综合知识体系的构建作用。该创新项目设计的基本思路是:通过创新训练强化基本操作训练;以综合训练促进学生理论知识与实验能力的同步增强;体现各学科之间相互交叉、渗透的客观情况，使创新项目更接近于科研和教学实际，完成学生整体化知识体系的构建［5］。

1 实验方案的设计

以三芳基取代三唑为目标化合物，让学生自己查阅数据库资源相关文献，在教师指导下设计出完整合理的合成路线(图1)，并验证设计方案的可行性。

图1 3-(2-噻吩基)-4-(4-甲基苯基)-5-(2-吡啶基)-1，2，4-三唑(Ⅶ)的合成路线

2 实验方案的可行性分析

三唑类化合物合成方法丰富，化合物3-(2-噻吩基)-4-(4-甲基苯基)-5-(2-吡啶基)-1，2，4-三唑(Ⅶ)的合成路线设计，有选择地涵盖了基础有机化学课程中学过的一些经典有机反应，此路线经过氧化、酰氯化、酰氯醇解、肼解、酰氯胺解和缩合等反应得到目标产物。在合成设计时，学生往往只关注反应理论上的可行性，所以实验时须引导学生结合反应的具体情况确定特定的实验条件及后处理方法。比如，化合物2-吡啶甲酸(Ⅰ)可以由高锰酸钾氧化2-甲基吡啶的方法进行制备，但由于无机盐高锰酸钾为水溶性，而有机物2-甲基吡啶溶于有机溶剂，是非均相反应，不利于反应的进行。因此，学生应充分考虑到这种影响因素。通过查阅资料，羧酸的氧化制备加入少量聚乙二醇(PEG-600)和吡啶溶液，一方面，水和2-甲基吡啶可有效地分散在聚乙二醇和吡啶混合溶液中，PEG-600作为相转移催化剂，可提高高锰酸钾的氧化效率;另一方面，吡啶氮原子可以与氧化羧酸的质子发生结合，羧酸成盐溶于水中，因此过滤除掉氧化后的残渣，加入浓盐酸即可析出产物2-吡啶甲酸。化合物2-吡啶甲酸乙酯(Ⅲ)的制备，可以直接由2-吡啶甲酸和乙醇在浓硫酸的催化下进行制备，但考虑到酯化反应是可逆反应，反应过程通常要采用分水装置，且需加入有毒溶剂苯与水形成共沸物以除水，总体上讲，反应时间长，收率不太高。而羧酸进行酰氯化后，再与醇进行酰氯的醇解反应，可以大大缩短时间和提高收率。羧酸的酰氯化过程通常采用SOCl2作为酰化试剂，缘于反应体系的副产物可以从反应体系逸出;另外，加入少量DMF作为催化剂有利于酰氯的生成。要注意的是，酰氯是非常活泼的羧酸衍生物，酰氯的醇解过程会放出大量的热，必须在冰浴条件下，加入无水乙醇进行酰氯的醇解，以防止反应物暴沸从体系冲出。化合物Ⅲ和Ⅳ分别由酰氯的醇解及酯的肼解反应制备，利用了有机化学理论课程中羧酸衍生物的相关性质。在实验过程中，如何用薄层色谱实现对反应过程的实时监控;在后处理纯化过程中，萃取操作萃取剂及重结晶中溶剂的选择，柱色谱分离和薄层色谱分离等都是实践操作的综合性环节。此方案设计，充分结合实际，有利于学生发现并解决问题，提升缜密的、逻辑的思维能力，是理论知识与实践能力的升华过程。

3 结果与讨论

3.1 化合物的结构分析

有机波谱分析是对化合物的结构和性质进行表征的基本手段。通常包括红外光谱、核磁共振、元素分析、紫外光谱、质谱分析以及X射线单晶衍射测试技术。这要求我们综合运用有机波谱分析相关知识，让学生在了解大型分析仪器使用的同时，提高解析谱图的能力。如红外光谱中，同类化合物的官能团有其特征吸收峰。如二酰肼化合物(Ⅴ)的红外光谱图，3109～3010cm-1处的峰为苯环上的C—H伸缩振动产生的吸收峰，1720cm-1和1680cm-1存在二酰基的强对称和反对称伸缩振动峰，1600～1445cm-1处归属于苯环碳骨架的特征峰，1313～1269cm-1处归属于C—O伸缩振动产生的吸收峰。有机化合物的氢核磁共振波谱，对化合物不同化学环境的氢原子的化学位移进行归属，计算出相邻氢的耦合常数。波谱的解析过程，应充分再现理论课所掌握的知识，比如诱导效应、共轭效应和偶极场效应等电子效应，正确理解影响吸收频率，化学位移的变化因素。

随着化学技术的发展和学科间的相互渗透交叉，先进的科学技术在化学实验实践教学上相继得到应用。在科研创新训练中，我们对产物单晶采用X射线单晶衍射进行结构表征，通过结构解析，确定物质的绝对结构，可让学生进一步了解X射线单晶衍射原理，学习一些晶体结构解析及晶体结构表达的常用软件，实现在分子水平上理解物质的绝对结构。图2为我们所合成的有机分子Ⅶ的单晶结构表征，该分子的结构单元存在着不同杂化状态的碳原子，如sp2和sp3杂化的碳原子键角分别接近120°和109°，五元杂环原子间键角也约为110°。将测得键长和键角与理论课程所学习的同类化合物进行比较，发现实验结果与理论课程所讲述的化合物的结构一致，由此可使学生进一步深化对理论知识的理解。

图2 化合物Ⅶ的单晶分子结构

为加深对分子构象的理解，我们合成了一个新化合物5-((4-甲酰基-1-哌啶基)甲基)异肽酸。同样运用X射线单晶衍射技术测定了分子的绝对结构。在该分子结构单元中，羧基和苯环碳原子的杂化方式为sp2，以碳原子为中心的键角大约为120°(图3)，羧基和苯环碳原子中心键夹角约为120°;而哌啶六元环中的碳原子为sp3杂化方式，夹角为109.40°，与理论值相吻合。

图3 5-((4-甲酰基-1-哌啶基)甲基)异肽酸的单晶分子结构(羧基氢原子省略)

哌啶六元环的结构与环己烷的结构一致。在理论课程中，学生已了解了环己烷分子的船式和椅式两种极限构象。环己烷分子通常以稳定的椅式构象存在。从5-((4-甲酰基-1-哌啶基)甲基)异肽酸有机分子的绝对结构可以看出，该分子存在着与环己烷结构相似的六元哌啶环，且以稳定的椅式构象存在(图4(a))，我们将有机分子中的哌啶环转换成纽曼投影式(图4(b))后，可以清晰地看到，环中相邻碳(氮)原子取代基都处于邻位交叉，邻交叉优势构象的存在，与相关理论知识一致。在实践中，利于我们对环己烷这种相对抽象构象的理解。在科研实践中知识的迁移和相互印证，是科研创新价值所在。

3.2 化合物Ⅶ的光谱性质

由化合物3-(2-噻吩基)-4-(4-甲基苯基)-5-(2-吡啶基)-1，2，4-三唑的晶体结构分析，三芳基取代的1，2，4-三唑，噻吩环与三唑环的二面角为32.94(14)°;吡啶环与三唑环的二面角为29.13(11)°。三唑、噻吩和吡啶的3个芳香环平面间存在一定的共轭性，有利于电子云的流动与跃迁。由图5可见，化合物Ⅶ在位于293nm左右出现一个吸收峰，这主要是苯环及多芳香基取代的共轭体系π-π*或n-π*跃迁的贡献。

图4 5-((4-甲酰基-1-哌啶基)甲基)异肽酸分子中哌啶环(a)及其纽曼结构式(b)

在室温下，对该化合物的固体荧光性质进行了研究。如图6所示，化合物Ⅶ在波长为336nm的光的照射下，在399nm处呈现中等程度的发射峰，激发峰与发射峰呈镜像关系，Stokes位移为63nm，这一发射峰归结为配体中的π-π*电子转移。这样就将晶体学与分析化学中的紫外吸收及荧光发射光谱等理论有机地结合起来，构筑知识的一体化。

图5 化合物Ⅶ的紫外光谱

图6 化合物Ⅶ的荧光光谱

4 结语

以3-(2-噻吩基)-4-(4-甲基苯基)-5-(2-吡啶基)-1，2，4-三唑的合成作为科研创新训练，让学生系统化完成化合物路线的设计合成、结构表征以及性能研究等综合知识运用和技能训练。不仅把有机学科基础理论与实践教学有机地结合成一个实体，而且不同的学科在实践中交叉融合成为综合性学科知识整体，突破了学生知识结构的模块化，有利于学生综合知识体系的构建。

［1］郑明花，金京一，王清珊.大学化学，2011，26(6):38

［2］张艳丽，金昌磊，李艾，等.实验室研究与探索，2011，30(2):138

［3］牛国兴，高翔，徐华龙.大学化学，2012，27(4):27

［4］杨一思，张䶮.大学化学，2013，28(1):13

［5］吕占霞，贺维军，高珍，等.大学化学，2011，26(1):14