化学专业科研创新训练的探索与实践

周 鑫

(延边大学 化学系,吉林 延吉 133002)

化学专业科研创新训练的探索与实践

周 鑫

(延边大学 化学系,吉林 延吉 133002)

培养大学生的创新和科研能力，已成为当前有机化学实验教学体系的重要组成部分之一。以新型香豆素衍生物的合成为例，开展了大学生的科研创新训练。实践表明, 通过对化合物的设计路线、合成步骤、结构表征及性质研究等方面的探索与实践，激发了学生的学习兴趣,启迪了学生的创新思维, 培养了学生分析和解决问题的能力，提高了学生的创新实践能力及综合素质。

有机化学实验； 有机合成; 创新训练； 香豆素; 合成; 性质研究

0 引 言

培养大学生自主创新与科研能力是高等教育的重要职能之一，也是建设创新型国家的必然要求[1]。化学作为一门建立在实验基础上的学科，强调学生的基本知识和实验技能，需要对学生加强科研创新方面的训练，提升学生的综合素质[2]。开展以创新性有机化学实验为载体的大学生科研创新训练项目是提升本科生创新能力以及自主学习能力的有效途径[3]。有机化学实验主要研究化合物的合成、分离、表征、分析测试及应用，其综合性比较强，注重学生在每一项环节中的参与。在此过程中，学生结合所学知识，以兴趣为导向，从课题内容着手，独立查阅资料，并在老师的指导和帮助下完成科研训练项目，达到理解本学科的知识体系的目的。

香豆素是一类常见的荧光染料，其合成相对简单，适合用于本科生科研训练的素材。在前期工作的基础上[4-11]，设计了一种香豆素衍生物(L),并以此开展了相应的大学生科研创新训练项目。在此项目中，学生在指导老师的指导下，通过查阅相关资料[12-16]，确定了目标化合物及其合成路线。通过具体的实验操作及后续性质的探索研究，培养了学生独立分析和解决问题的能力。达到了提高学生的创新实践能力的目标，实现了学生理论知识与科研实践的相互融合。

1 实验目的

了解香豆素及衍生物的研究进展、研究意义以及合成方法；掌握加热、过滤、重结晶、萃取、柱层析等基本的实验操作技能；熟练旋转蒸发仪、紫外-可见分光光度计和荧光光谱仪等仪器的使用。通过具体的实验操作及后续的探索研究，掌握羟醛缩合等经典有机反应。培养学生独立分析和解决问题的能力，进一步提高学生的科研创新能力。

2 实验方案

学生在老师的引导下，通过查阅数据库，设计合成路线，确定如下实验方案:①通过4步有机反应制备目标化合物(L),具体合成路线如图1所示;②对目标化合物(L)进行分离纯化与表征;③对目标化合物(L)的光谱性质进行探讨。

图1 目标化合物L的合成路线

3 实验仪器和试剂

仪器：圆底烧瓶，磁力搅拌器，电热套，层析柱，直形冷凝器、锥形瓶，AV-300型核磁共振仪(瑞士布鲁克)，UV-3010型紫外-可见分光光度计(日本岛津)，RF-530IPC型荧光光谱仪(日本岛津)。

试剂：4-二乙胺基水杨醛，丙二酸二乙酯，哌啶，浓盐酸，冰醋酸，氢氧化钠，无水乙醇，N,N-二甲基甲酰胺(DMF)，四氢呋喃，乙腈，三氯氧磷，(3,5,5-三甲基环己-2-烯亚基)丙二腈，无水硫酸钠，石油醚，乙酸乙酯，二甲基亚砜(DMSO)，丙酮。

4 实验步骤

4.1 7-二乙胺基香豆素(1、2)的合成

量取1.2 mL(7.909 mmol)丙二酸二乙酯，放入100 mL双口瓶中,加入10 mL无水乙醇及400 μL(4.040 mmol) 哌啶，搅拌10 min。称取1.000 g(5.178 mmol) 4-二乙胺基水杨醛加到反应体系中，加热回流反应，TLC跟踪，反应过程中溶液呈深红色。反应结束后，冷却至室温，得到目标产物(1)。化合物(1)未经进一步分离纯化继续用于下一步反应，向含有化合物(1)的单口瓶中缓慢加入10 mL浓盐酸(38%)以及10 mL冰醋酸(99.5%)，加热回流，TLC跟踪反应，此过程中溶液为红棕色。反应结束后，用氢氧化钠溶液调节pH至中性，析出大量淡绿色固体。过滤，用蒸馏水润洗3次，干燥后得到粗产品，柱层析分离提纯，流动相EA∶PE=1∶5。分离得到淡绿色固体0.716 1 g，产率为63.7%。

1HNMR(300 MHz,CDCl3) δ 9.17(d,J=9.3 Hz,1H),8.85(d,J=2.0 Hz,1H),8.11(d,J=8.3 Hz,1H),7.67(s,1H),6.80-6.64(dd,J=8.3 Hz，2.0 Hz,1H),3.52(m,J=7.0 Hz,4H),1.29(t,J=7.0 Hz,6H).

4.2 7-二乙胺基-3-甲酰基香豆素(3)的合成

氮气保护下，取出 2 mL精制的N,N-二甲基甲酰胺(DMF)加入到25 mL双口瓶中。冰浴条件下，缓慢加入2 mL POCl3，滴加完毕后，将反应体系移至室温下搅拌1 h，此过程中溶液由无色变为淡红色。然后称取0.100 g(0.460 mmol) 7-二乙胺基香豆素溶入1 mL精制的DMF中，并逐滴加到反应体系。滴加完毕后，将反应体系转移至60 ℃油浴锅中加热，此过程中溶液由淡红色变为深红色，TLC跟踪反应。反应结束后，趁热将反应体系缓慢倒入40 mL冰水中，析出大量红色固体，过滤，干燥得粗产物。用乙醇重结晶，干燥得到红棕色针状固体 0.064 6 g，产率为57.3%。

1HNMR(300 MHz,CDCl3) δ 10.13(s,1H),8.26(s,1H),7.42(d,J=9.0 Hz,1H),6.69-6.64(dd,J=9.0,2.0 Hz 1H),6.51(d,J=2.0 Hz,1H),3.48 (m,J=7.0 Hz,4H),1.26(t,J=7.0 Hz,6H).

4.3 目标产物(L)的合成

称取30 mg(0.115 8 mmol) 7-二乙胺基-3-甲酰基香豆素加入到25 mL单口瓶中，加入5 mL无水乙醇，溶解后加入33 mg(0.173 7 mmol)(3,5,5-三甲基环己-2-烯亚基)丙二腈，滴入催化量的哌啶20 μL(0.202 0 mmol)，加热回流反应2 h，析出绿色固体时停止反应。将反应体系过滤，固体干燥后用乙醇重结晶，得到绿色粉末状固体 0.033 5 g，产率为70%。

1HNMR (300 MHz, CDCl3) δ 7.79 (s, 1H), 7.32 (d, J = 8.9 Hz, 1H), 7.22 (s, 1H), 7.12 (d, J = 16.1 Hz, 1H), 6.83 (s, 1H), 6.64 (dd, J = 9.0, 2.4 Hz, 1H), 6.51 (d, J = 2.4 Hz, 1H), 3.54-3.39 (m, J = 7.0 Hz, 4H), 2.58 (s, 2H), 2.46 (s,2H), 1.24 (t, J = 7.1 Hz, 6H), 1.06 (s, 6H).

13CNMR (75 MHz, CDCl3) δ 169.40, 161.26，156.62, 154.67, 151.54, 140.35, 131.48, 129.83, 129.40, 123.40, 115.80, 11,4.09，113.03, 109.79, 108.98, 96.88, 45.09, 42.72, 39.40, 32.27, 28.19, 12.85.

5 结果与讨论

5.1 实验方案的设计

科研实践训练能有效促进理论知识的深化。目前香豆素类化合物的合成方法有很多，为了更好的将理论知识与实践相结合，实验方案应尽可能采用一些理论课程中常见的有机反应。因此,本实验方案将羟醛缩合，维斯迈尔、脱羧等经典反应，与科研实践相互结合。如图2所示，在化合物(1)和化合物(L)的合成中，运用了羟醛缩合(Aldol condensation)反应，结合了有机化学理论课程中醛和酮的相关性质及反应机理。在此我们采用了碱催化机理，反应过程中碱夺走了丙二酸二乙酯中α-H而生成碳负离子，碳负离子进攻4-二乙胺基水杨醛的羰基而得到相应的α，β不饱和酮。化合物(2)通过甲酰化(Vilsmeier)得到化合物(3)，尽管理论课程中，我们对于Vilsmeier甲酰化的反应接触较少，但是为了更好的掌握其中的反应历程，学生通过自主学习，查阅相关资料，确定了其中的反应路径。首先N,N-二甲基甲酰胺(DMF)与三氯氧磷生成Vilsmeier试剂，然后这一亚甲基铵盐正离子与7-二乙胺基香豆素发生亲电取代反应，生成一个过渡中间体，中间又经过消去反应，水解反应而得到目标化合物(L)。由化合物的设计，合成到反应机理的探讨，为科研实践训练的展开奠定了可靠的基础。

图2 目标化合物L的反应机理

5.2 化合物(L)的光谱性质研究

5.2.1 化合物(L)在不同溶剂中的紫外和荧光光谱实验

准确称取化合物(L)，溶于二氯甲烷溶剂中，用10 mL的容量瓶定容，配制浓度为1.0 mmol·L-1的母液。用100 μL移液枪取出30 μL母液放入3 mL的测试管中，然后分别用乙腈，二氯甲烷，N,N-二甲基甲酰胺，乙醇，二甲基亚砜，四氢呋喃定容，配制成浓度为0.1 μmol·L-1的溶液，用于紫外和荧光光谱的测试实验。

5.2.2 化合物(L)在不同溶剂中的紫外和荧光光谱

为进一步证实本科研创新项目的合理性与可靠性，对化合物(L)在不同溶剂中的紫外和荧光光谱进行了检测，从而促进学生整体知识体系的构建。如图3所示，分别测定了本体浓度为0.1 μmol·L-1的化合物(L)在乙醇(C2H5OH)、丙酮(CO(CH3)2)、乙腈(CH3CN)、二甲基亚砜(DMSO)、四氢呋喃(THF)、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中的紫外吸收光谱。在366 nm处存在一个吸收峰，并且吸收强度较弱，这是1,2-苯并吡喃酮(香豆素)自身的吸收峰，当增加(3,5,5-三甲基环己-2-烯亚基)丙二腈时，共轭程度增加，共轭体系能促进紫外吸收向长波方向移动，由数据可知，紫外光谱中斯托克位移至少增加了140 nm，发生了较大程度的位移。结合有机化学理论课程中分子结构与紫外吸收的关系相关性质知，这是由于共轭体系越大时，最高占据轨道(HOMO)和最低空轨道(LUMO)的能量差越小，紫外吸收波长越长所引发的，一般每增加一个共轭π键，吸收波长向长波方向移动30 nm。化合物(L)在所有溶剂中的紫外吸收峰都达到了500 nm以上，并且N,N-二甲基甲酰胺和二甲基亚砜中的最大吸收峰在522 nm和530 nm处。

图3 化合物(L)在不同溶剂中的紫外吸收光谱

对于化合物(L)的荧光性质也进行了研究，如图4所示。在狭缝宽度为3 nm/3 nm时，分别测定了本体浓度为0.1 μmol·L-1的目标化合物(L)在不同溶剂中荧光发射光谱。数据表明，在激发波长为507 nm时，四氢呋喃的荧光发射峰在626 nm处，乙醇、丙酮、乙腈的发射峰都在640 nm处，与1,2-苯并吡喃酮(香豆素)在450 nm的发射峰相比，发生了很大程度的斯托克位移。并且N,N-二甲基甲酰胺和二甲基亚砜中溶剂中的发射峰为657、661 nm，已经达到了近红外波长范围，而且荧光强度较高。预期目标化合物(L)作为近红外荧光染料可以在生物成像、检测等领域具有广泛的应用前景。

图4 化合物(L)在不同溶剂中的荧光发射光谱

6 结 语

在老师及学生的共同努力下，成功地合成了新型的香豆素衍生物即目标化合物(L)，利用核磁共振手段对其结构进行了表征，学生通过自主学习，独立完成了谱图的解析；运用紫外吸收光谱、荧光发射光谱对目标化合物(L)的性质进行了研究。

通过对化合物的设计、合成、反应机理的探讨以及性质的研究过程，激发学生自主探究的兴趣，为创新思维的形成提供良好的基础。从理论到实际操作再对理论的摸索，增强了学生认识问题、分析问题、解决问题的能力。

[1] 郝 智, 伍玉娇, 张金柱, 等. 以大学生科研训练计划为载体 培养创新人才[J]. 实验室研究与探索, 2010(11): 71-74.

[2] 肖丽萍, 吕 萍, 王彦广. 化学专业本科生创新能力培养的探索与实践[J]. 大学化学, 2009(2): 24-26.

[3] 陈水生, 朱娟娟. 大学生科研创新训练的探索与实践——以1,4-二(1-羧亚甲基-4-咪唑基)苯的合成为例[J]. 化学教育, 2015(2): 26-29.

[4] Zhou X, Jin X, Sun G,etal. A cysteine probe with high selectivity and sensitivity promoted by response-assisted electrostatic attraction[J]. Chem Commun, 2012, 48(70): 8793-5.

[5] Zhou X, Kwon Y, Kim G,etal. A ratiometric fluorescent probe based on a coumarin-hemicyanine scaffold for sensitive and selective detection of endogenous peroxynitrite[J]. Biosens Bioelectron, 2015, 64: 285-91.

[6] Liu Z, Guo S, Piao J,etal. A reversible fluorescent probe for circulatory detection of sulfites through a redox-based tandem reaction[J]. RSC Adv, 2014, 4(97): 54554-54557.

[7] Zhou X, Jin X, Sun G,etal. A sensitive and selective fluorescent probe for cysteine based on a new response-assisted electrostatic attraction strategy: the role of spatial charge configuration[J]. Chemistry, 2013, 19(24): 7817-24.

[8] Baek Y, Park S J, Zhou X,etal. A viscosity sensitive fluorescent dye for real-time monitoring of mitochondria transport in neurons[J]. Biosens Bioelectron, 2016.

[9] Li C, Liu Z, Miao Y,etal. A reversible fluorescent chemosensor for selective and sequential detection of copper ion and sulfide[J]. Dyes and Pigments, 2016, 125: 292-298.

[10] Zhou X, Wu X, Yoon J. A dual FRET based fluorescent probe as a multiple logic system[J]. Chem Commun, 2015, 51(1): 111-3.

[11] Zhou X, Zeng Y, Liyan C,etal. A Fluorescent Sensor for Dual-Channel Discrimination between Phosgene and a Nerve-Gas Mimic[J]. Angew Chem Int Ed Engl, 2016, 55(15): 4729-33.

[12] 郭 萍. 香豆素和香豆素类的合成方法及研究进展[J]. 辽宁化工, 1998(2): 18-20.

[13] 焦亚聪. 乌尔曼C-O偶联反应及简单香豆素合成方法学的研究[D]. 兰州:兰州理工大学, 2014.

[14] 李品华, 阮学海, 孙兴华. 香豆素合成方法的研究[J]. 淮北煤师院学报(自然科学版), 2002(1): 51-54.

[15] 徐小波, 关启明, 颜继忠, 等. 香豆素类化合物合成方法最新研究进展[J]. 化学工程与装备, 2008(2): 83-87.

[16] 赵丽娟. 6，7-二甲氧基香豆素的合成与研究[D]. 兰州:兰州交通大学, 2012.

Exploration and Practice of Innovative Training Project in Chemistry Researches for Undergraduates

ZHOUXin

(Department of Chemistry, Yanbian University, Yanji 133002, Jilin, China)

Cultivation of innovation and research capacities of undergraduates has become one of the important components of organic chemistry experiment teaching system. In this paper, we have taken the synthesis of new coumarin derivative as an innovative training project for college students, the experiment design includes the design routes, synthesis, structure characterization and properties study. The results indicated that this innovative training project can enable to stimulate students’ learning interests, inspire their creative thinking ability, develop their ability of analyzing and solving problems, and improve their creative and practical ability.

organic chemistry experiment; organic synthesis; innovation training; coumarin; synthesis; properties study

2016-03-14

国家自然科学基金项目(21662037)；吉林省青年科研基金项目(20160520003JH)

周 鑫(1986-)，男，吉林延吉人,博士，讲师，主要从事化学生物学方面的研究。

Tel.:18943702030;E-mail：zhouxin@ybu.edu.cn

G 642．0

A

1006-7167(2017)02-0177-04