科研成果在有机化学教学中的渗透*

石先莹

(陕西师范大学化学化工学院 陕西西安710119)

近年来，一些有机化学的新合成策略及方法相继被报道;相应地，一些传统的反应不再是合成目标产物最行之有效的手段，基础有机化学教科书上的一些知识也不尽完善。此外，常用的有机化学教材注重基础理论和基本反应的介绍，鲜有将新的科研成果及应用引入到教材的知识体系中，这会让学生失去兴趣，使学生在学习有机化学的过程中，掌握的仅仅是书本上的基础知识，而与现代有机化学的研究前沿及热点领域脱节。

使学生接触一些前沿的科技及结合生产实际的生动例子，可以加深学生对理论知识的进一步理解，并提高学生的学习热情。因此，将有机化学在近年来取得的重大研究进展引入有机化学课堂，在本科教学过程中贯穿和体现“以科研促进教学”的理念，对于提高本科有机化学教学效果具有举足轻重的意义［1］。如何从科技成果中提炼优质教学资源，渗透到课堂教学，实现科研向教学的多方位转化，提高教学质量，是摆在高校教师面前的一个重要任务。本文结合多年来有机化学教学实践及接触的前沿、热点领域，列出科研成果在有机化学教学中渗透的几个具体实例。

1 绿色化学理念的渗透

绿色化学又称环境友好化学，1995年被美国正式采用后，现已被国际学术界所公认。它起源于有机化学，其内容与有机化学学科密切相关。绿色化学旨在从源头消除污染，在无毒无害条件下生产对环境友好的化学品，充分利用每个原子，最终实现化学品生产中废物的“零排放”。因此，绿色化学已成为各国政府、科技和企业界关注的热点［2］。

在学习烯烃、醇的氧化反应时，可以先向学生介绍常用的高锰酸钾、铬酸及其衍生物、硝酸、卤素含氧酸盐、有机过氧酸等氧化剂的缺点，如:原子利用度很低、三废排放量大、对人体有害、污染环境等。同时强调，在如今普遍提倡绿色生产、讲究原子经济性的年代，研究和开发新的绿色氧化方法和氧化体系，实现清洁生产已成为化学和化工界的共识，并借机向学生介绍一些清洁、绿色的氧化剂，如空气、臭氧、过氧化氢等。

过氧化氢为氧化剂，价廉、且唯一副产物是水。1998年，野依良治等在《Science》杂志上报道了以30% H2O2为氧化剂［3］，Na2WO4·2H2O和［CH3(n-C8H17)3N］HSO4为催化剂，在无有机溶剂、无卤素条件下，实现环己烯直接氧化为结晶己二酸的反应(图1)，收率达93%。其中己二酸是合成尼龙66的重要原料，目前全球年产量估计达220万吨。工业上己二酸主要是以环己酮、环己醇或二者的混合物为原料，通过硝酸氧化生产的。硝酸氧化的缺点是产生大量的温室气体N2O，且生产中排放的硝酸蒸气与废酸会严重污染环境、腐蚀设备。

图1 己二酸的合成

通过在氧化反应中引入绿色化学概念，不仅能扩展学生的知识面，还能突破传统的知识、教育层次，充分体现素质教育的目标，且有利于提高学生的综合素质，增强学生的环保意识。

2 诺贝尔化学奖的引入

诺贝尔化学奖的成果在相当大的程度上可反映出20世纪以来化学科学的主要成就和发展情况。将诺贝尔化学奖融入教学中，不仅能让学生认识到有机化学的重要性，也是培养学生学习兴趣的有效方法;同时，还可作为基础有机化学知识的一个非常必要的补充。

在对映异构体的学习中，可以向学生介绍2001年诺贝尔化学奖金的一半授予给美国科学家威廉·诺尔斯与日本科学家野依良治，以表彰他们在手性催化氢化反应领域所作出的贡献;奖金的另一半授予美国科学家巴里·夏普莱斯，以表彰他在手性催化氧化反应领域所取得的成就。这3位化学家在催化手性不对称合成领域所取得的原创性贡献和突破性成就，无论是对学术研究还是对新的医药、材料的合成与发展都是极其重要的［4］。他们的成就已成功地应用于许多药物，比如抗生素、心脏病药以及治疗帕金森综合症药物的工业合成。此外，这些发现也被用于生产调味剂、甜味剂、杀虫剂及其他生物活性物质。

在教科书关于不同卤代烃亲核取代反应的活性比较中，认为乙烯式卤代烃和芳基卤代烃因为卤素原子孤对电子和双键的共轭作用，使C—卤素键的极性降低，键长缩短，因而这类化合物进行亲核取代反应的活性都很差。但是如果加入催化剂，改变反应机理，卤代烃和芳基卤也可以很容易地发生反应。在这里，可以向学生介绍2010年诺贝尔化学奖［5］授予了美国科学家Richard F.Heck，日本科学家Ei-ichiNegishi和Akira Suzuki。这3位科学家由于在钯催化交叉偶联反应方面的卓越研究而获奖(图2)，他们为化学家提供了一款精致的工具来合成复杂的有机分子。这一成果已广泛应用于制药、电子工业和先进材料等领域。

图2 交叉偶联反应

此外，在向学生引入交叉偶联反应的同时，也可顺便讲述反应机理。使学生了解芳基卤代烃之所以在金属的催化下易于进行交叉偶联反应，其原因在于交叉偶联反应与卤代烃典型的亲核取代反应在机理上有本质的不同。例如，Suzuki-Miyaura反应一般认为经历了氧化加成、金属转移、还原消除三步(图3)，而不是简单的亲核试剂进攻α-C原子，将卤素取代。

图3 Suzuki-Miyaura偶联反应机理

通过诺贝尔化学奖的引入，可以促成学生“面向社会生活、面向实际问题”的学习观，提高学生的实践能力和创新意识，从而培养出更能适应科学技术发展的综合型创新人才。

3 C—H官能化反应及导向基辅助的C—H官能化反应的介绍

在取代单环芳烃进行亲电取代反应时，新引入基团是否容易以及新引入基团进入哪个位置，主要由芳环原有取代基的性质所决定，即定位规律。根据教科书上的定位规律，往间位定位基的邻位不能引入基团;而有邻对位定位基的取代芳烃进行反应时，产物有两种，这就导致了反应的区域选择性较低。此外，当苯环上有强吸电子基(如—NO2、—SO3H、—COR)时，不能发生傅-克反应。但根据最近的研究结果，通过过渡金属催化的导向基辅助C—H官能化反应，不但可以提高反应的区域选择性，而且可以直接往间位定位基的邻位引入基团。因此，在本章节的学习中，可以向学生介绍近年来有机化学的热点研究领域:过渡金属催化的C—H官能化反应及导向基辅助C—H官能化反应。

3.1 C—H官能化反应

过渡金属催化C—H官能化作为一种重要的合成手段已得到了迅速的发展，并被广泛应用于农药、天然产物、药物的合成中。同时，自然界丰富、廉价的C—H化合物使C—H官能化反应为传统C—杂原子(以下简称“C—杂”)、C—C键的形成提供了又一极具吸引力的选择(传统C—杂、C—C键的形成常需要有机卤化物和有机金属试剂，参与反应的底物均需预先官能化，而制备这些底物往往要经过多步反应，并且伴随产生很多有机废物(图4)。利用C—H官能化反应，可以从简单易得的C—H化合物出发直接得到目标产物。因此，利用过渡金属催化C—H键构筑C—杂、C—C键，除了具有原子经济性的优点外，还大幅降低了一些无机盐以及卤化物等废弃物的排放，这在能源和资源日益紧张、环境保护问题日益严峻的情况下，具有重要意义［6-7］。

图4 C—C、C—杂键的形成

3.2 导向基辅助的C—H官能化

与芳烃亲电取代反应的加成、消去机理不同，芳环上导向基辅助的C—H官能化，可以通过导向基中具有配位能力的基团与金属的螯合作用，显著促进最接近金属中心的C—H键断裂，从而在预期位置形成五元或六元金属环中间体，进而发生交叉偶联反应，这样就可以大大提高反应的选择性(图5)。在过去的几年中，导向基辅助的C—H官能化反应成为有关研究领域中最为活跃的课题之一［8］。

图5 导向基辅助的C—H官能化反应

通过导向基的辅助，不但可以使具有邻、对位定位基的取代芳烃的亲电取代选择性地发生在原取代基的邻位，而且可以往间位定位基的邻位直接引入官能团。例如:在导向基的辅助下，钌催化剂催化乙酰苯胺和α，β-不饱和酯反应时，烯基在酰胺基的邻位所形成的产物为主产物，反应过程中没有对位产物的形成(图6)［9］;而在铑催化剂存在下，可以直接往吸电子、钝化的羰基邻位导入烯基(图7)［10］。

图6 在邻、对位定位基的邻位引入烯基

在亲电取代反应中，引入相关的C—H官能化反应及导向基辅助的C—H官能化反应，可以帮助学生了解科学研究的前沿，使他们意识到科研离自己并不远，并对科学研究究竟做什么会有更深的体会。同时，通过对科研方法及成果的了解，可以培养学生的创新意识、创新精神和创造能力。

图7 在间位定位基的邻位引入烯基

4 羧基为无痕导向基的反应

在带有给电子的活化芳烃进行亲电取代反应中，根据教科书知识，只能给出邻、对位产物。对于是否能直接往邻、对位定位的间位引入基团，现有的有机化学教科书上没有答案。而根据最新的研究结果，通过羧基为无痕导向基的脱羧偶联合成策略，以邻、对位取代羧酸为原料，可为传统傅-克反应难以合成的间位取代芳香化合物提供一条有效的途径。

例如:基于此策略，以邻取代羧酸和碘苯为原料，在钯催化下，通过选择性间位芳基化反应，可合成一系列间位取代的联苯类化合物(图8)［11］;铑为催化剂，芳香羧酸与异氰酸酯发生基于C—H官能化/脱羧偶联反应，可一步合成间位取代的N-芳基苯甲酰胺(图9)［12］。

图8 间位取代联苯类化合物的合成

图9 间位取代N-芳基苯甲酰胺的合成

值得指出的是，在给学生引入这类新反应的同时，需要向学生强调新反应的机理不同于经典邻、对位基定位的亲电取代反应。在这些反应中，羧基充当了“无痕导向基(traceless-directing group)”，兼备了导向基和可移除导向基的优点:先借助于羧基辅助的C—H官能团化，在羧基的邻位引入官能团，从而提高反应的区域选择性;在反应结束后，羧基将直接从产物中移除(图10)。如果以邻、对位取代羧酸为原料，就可以达到往邻、对位定位基的间位引入基团的目的。这样可使学生清楚在经典书籍中被“禁阻”的反应并不是改变反应条件就可以发生了，而是在反应机理上有本质区别。

图10 羧基为无痕导向基的反应途径

通过羧基为无痕导向基，在邻、对位定位基的间位引入基团的展示，不但可以充实教学内容，也可使学生的眼界得以开阔。此外，将最新的研究成果引入到教学过程，融科研于教学中，把学生引入到有机化学前沿领域，可以使学生感悟科学的产生过程与科研精神，在潜移默化中提高他们的创新能力。

总之，现代科技发展日新月异，课程教学内容也应与时俱进，尤其是专业课教师更要注重将新知识、新技术和新理论充实到教学内容中，让学生在学好有机化学基础知识的前提下，接触有机化学的研究前沿、热点领域及应用。这样不仅能使教学内容更加丰富、生动、深入，还可以拓宽学生的知识面，激发学生学习有机化学的兴趣，提高学生学习的热情和积极性。此外，对于学生制定职业规划也具有重要的意义。即通过对有机化学前沿领域的接触，使学生对科学研究究竟做什么有更深的认识，并可以分析自己对科研是否感兴趣，是否适合继续深造，从事科学研究。

［1］蔡苹，胡铠，程功臻.大学化学，2014，29(3):25

［2］陈祎平，张岐，李嘉诚，等.大学化学，2014，29(1):22

［3］Sato K，Aoki M，Noyori R.Science，1998，281(5383):1646

［4］廖春阳，孙立力，李声时.自然杂志，2001，23(6):349

［5］肖唐鑫，刘立，强琚莉，等.Chin J Nature，2010，32(6):332

［6］Giri R，Shi B F，Engle K M，et al.Chem Soc Rev，2009，38(11):3242

［7］Lyons T W，Sanford M S.Chem Rev，2010，110(2):1147

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［10］Patureau F W，Besset T，Glorius F.Angew ChemⅠnt Ed，2011，50(5):1064

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［12］Shi X Y，Liu K Y，Fan J，et al.Chem Eur J，2015，21(5):1900