“互联网+前沿科研成果”在有机化学教学中的应用探索

白翠冰，魏 标，张 琳，宣 俊，李瑞乾，乔 瑞*，杨 松，陈水生

（1.阜阳师范大学 化学与材料工程学院，安徽 阜阳236037；2.安徽大学 化学化工学院，安徽 合肥230601）

有机化学作为现代自然科学的一个重要分支，为人类社会的物质文明建设做出了突出贡献。同时，作为高校化学化工以及材料、环境、生物、医学等相关专业学生的基础课程，在课程教学中占有至关重要的地位[1-3]。就课程内容而言，有机化学课程知识内容抽象，涉及的基础概念和基元反应类型多且复杂。而有机反应往往会伴随着很多副反应的发生，生成的产物异构体间的转化，电子效应和空间位阻效应对反应产物的影响等都给学生在学习有机化学过程中带来许多新的疑问[4-8]。很多时候，学生需要在记忆的基础上才能做到理解并灵活运用。这容易导致学生在学习过程中产生畏难情绪，从而降低学习热情和积极性，使教师的教学效果得不到很好的体现。此外，“互联网+”已经开始融入到校园，那么如何利用“互联网+”的优势进一步深化OBE（outcomes-based education）教育理念在有机化学教学中的应用和改革呢[9]？这也是目前对于高等学校有机化学教学迫切需要研究和解决的课题。

因此，借助互联网在有机化学课堂中导入新的教学方法和教学技巧，高质量完成教学工作，对于帮助学生掌握知识要点、增强创新能力和促进综合素质的全面发展具有非常重要的意义[10]。教学实践表明，借助互联网，适当引入最新前沿科研成果对于提高学生的学习兴趣，促使学生主观能动性的发挥具有积极作用。同时前沿科研成果引入还可以培养学生的科研素养，拓展学生的知识面，实现以研促教、教研相长[11-12]。本文将以羧酸的脱羧反应为例，在介绍教材中的相关概念和反应的基础上，引入羧酸脱羧反应的绿色新方法辅助讲解相关知识点。通过引导学生对比学科前沿成果与教材中经典反应各自的特色与优势，以提高学生的学习兴趣，同时，借助互联网构建动态反应模拟过程，实现课堂教学的动态演示，增加学习趣味，以深化学生对相关知识点的理解与掌握。

1 羧酸的结构

羧酸是指含有-COOH 官能团的有机酸，在人们的日常生活中也有着非常重要的应用，如厨房中的食用醋和常用药物阿司匹林都含有羧基片段。从结构上分析，羧酸中的羧基中心碳原子呈sp2杂化，三个sp2杂化轨道处于同一个平面，键角大约为120°。三个sp2杂化轨道一个与羰基氧形成s 键，一个与羟基氧形成s 键，一个与氢原子或者烃基碳形成s 键。羧基碳原子还有一个p 轨道，与羰基氧原子的p 轨道通过侧面重叠而形成π键。由于p-π 共轭的存在，X 射线衍射实验证明，在甲酸分子中，C=O 键长为123 pm，比一般C=O的键长122 pm 长，而C—O 键长为136 pm，比一般C—O 键长143 pm 短如图1。

羧酸具有非常丰富的化学反应特性，如酸性、酯化反应、还原反应等。在合适的反应条件下，羧酸还可以发生脱羧反应，即失去一分子CO2。由于反应失去的是一个稳定的CO2小分子，从热力学的观点看，越稳定的越容易形成，所以脱羧反应能够发生[13]。

图1 羧酸的结构

2 经典脱羧反应

目前，高校常用的教材中所列出的经典脱羧反应可归纳为以下三类：(1)通过六元环状过渡态机理进行脱羧反应，按照六元环状过渡态机理进行的脱羧反应，对羧酸的结构有特殊要求，一般是羧基的β-碳上连有不饱和基团，如β-酮酸的脱羧反应；(2)当羧酸的羧基碳原子直接和强吸电子基团相连时，反应一般按照碳负离子机理进行，如三氟乙酸加热下的脱羧反应；(3)按照自由基途径进行的脱羧反应，如大多教材中简单涉及的Kolbe脱羧反应，如图2。这类反应一般使用高浓度的羧酸钠盐，在中性或弱酸性溶液中，于较高的分解电压和低温下进行电解。

图2 经典的脱羧反应

教材中的这些脱羧反应各有利弊，且大多对羧酸结构要求较高，反应条件也较为苛刻，在实际操作过程中，比较复杂和繁琐，有些甚至不符合绿色化学要求。如果按照教材按部就班讲解，需要结合羧酸的不同结构对应于不同的脱羧方法，内容相对枯燥乏味且不易理解，而且无法实现动画模拟和演示，不能使学生获得直观的教学感受。并且，学生在学习过程中容易产生这样的疑问，羧酸的脱羧反应有无在温和反应条件下较为普适的方法？因此，需要借助互联网的优势，将最新学科前沿成果引入课堂教学中，进一步完善羧酸脱羧反应的相关内容，既可以解答学生的疑惑，又能拓宽学生的学科视野，增加学习乐趣，提高学生对有机化学学习的兴趣。

3 脱羧反应前沿科研成果

伴随经济的高速发展和人们环保意识的日益增强,社会对化学合成也提出了更高的要求,传统高能耗的合成工艺已无法适应时代需求。绿色化学理念流应运而生，该理念提醒和要求我们学会利用化学原理从源头上削减或消除工业生产对环境造成的污染[14-16]。和传统的化石能源相比，光能是一种廉价无污染的绿色能源。如何利用自然界中取之不尽用之不竭的光能来高效实现有机化学转化将是践行绿色化学理念的重要途径之一。在过去的近十年时间中，可见光诱导的光氧化还原催化取得了长足的发展，是当前有机化学的研究热点之一[17]。可见光促进的羧酸及其衍生物的脱羧反应也取得了可喜的研究成果。在教学过程中，将引入下面三个光促脱羧反应的代表性实例，并通过互联网万物互联的方式，与学生的手机相连接，将代表性实例的动态反应模拟过程推送给学生，实现课堂教学的动态演示，增加学习趣味。

3.1 脱羧还原反应

2014 年，Wallentin 课题组报道了首例可见光照射下羧酸的脱羧还原反应[18]，如图3。该反应以有机吖啶盐作为光氧化还原催化剂，可以高效地实现α-氨基酸、α-羟基氨基酸等的脱羧还原反应，高产率合成了具有生物活性的不同仲胺。除α-氨基酸以外，不同取代的脂肪酸、苯乙酸等衍生物也同样能在标准条件下高效实现脱羧反应。与经典的几类脱羧方法相比，该反应不仅条件温和，而且对羧酸没有特殊的结构要求，普适性更强。

图3 光促脱羧还原反应

3.2 脱羧官能化反应

除了脱羧还原以外，可见光促进的羧酸脱羧过程还被应用于各种官能化反应之中。课堂教学中，可以以我国科学家在此领域的一些代表性研究成果为例向学生讲解，同时可以向学生普及我国科研工作者在本研究方向的研究水平，激发学生的科研热情，将“课堂思政”贯穿于课堂教学中。武汉大学雷爱文教授实现了在25 W 日光灯照射下,α-酮酸的脱羧胺化反应[19]，如图4。反应直接使用廉价清洁的氧气作为最终的氧化剂，可以兼容各种官能团取代的α-酮酸和伯胺,为酰胺化合物的合成提供了一条绿色高效的新方法。

图4 光促脱羧胺化反应

3.3 光促脱羧反应在天然产物合成中的应用

天然产物全合成是合成有机化学中最具原动力、最为活跃的方向之一，也是发展新医药、农药等功能物质的重要途径。利用光促羧酸脱羧反应作为关键步骤，在复杂天然产物和药物分子全合成方面也展示着自己独特的魅力。例如，美国加州大学欧文分校的Overman 等人首次采用光促N-酰氧基邻苯二价酰亚胺的脱羧反应作为关键步骤，通过可见光诱导下脱羧产生的烷基自由基与烯酮的共轭加成反应，实现了天然产物(-)-Aplyviolene 的全合成[20]，如图5。

图5 光促脱羧反应作为关键步骤合成(-)-Aplyviolene

上面所列举的几个脱羧反应，主要中间体都是自由基。但与教材上经典羧酸的自由基脱羧反应相比，介绍的几例前沿科研成果无论在反应条件上还是在羧酸的类型上都有自己独特的优势。目前，前沿脱羧反应的研究其实还有很多案例，不仅体现了绿色化学的发理念，而且也在深化对传统脱羧反应的机理研究。通过将这些前沿科研成果借助互联网，引入在课堂教学，可以进一步深化学生对羧酸结构和脱羧反应过程的理解，拓展学生的知识面。

此外，基于互联网上的有效APP 资源和上述所举的脱羧反应科学研究前沿问题的相关案例，通过“互联网+前沿科研成果”等APP 平台的建设、运用、整理和分析，将所涉及的前言脱羧反应的实际案例等数据可以实现在线随时传递给学生和教师，帮助学生和教师及时在课堂了解相关脱羧反应的发展和研究动态。同时，借助于“互联网+前沿科研成果”平台，可以将课堂所要讲授的知识，提前发布到该平台，而且附上相关的前沿资料和文献，以及学习目的和要求。课堂上可以通过提出相关的问题，和学生进行互动式的探讨行学习，激发学生的学习兴趣，培养学生自主解决问题的能力。与此同时，可以通过这些互联网上的平台收集相关的数据，例如，多少人在线进行学习案例，其中有多少老师、多少学生，他们反馈的问题有哪些等等。这些数据可以为平台的优化提供支持，也做到了对学生有关脱羧反应的疑问和学习进展进行了总体的把握，进而可以快速的实现学习效果的反馈，也提高了学生学习有机化学的乐趣，真正实现寓教于乐。

4 小结

教材中的经典理论是前沿成果发展的基础，而前沿科研成果的发现是对教材经典理论进一步丰富和拓展的保障，二者相互依存，互为补充。在基础有机化学教学中适当引入前沿科研成果，通过让学生将学科前沿和经典理论进行对比，发现并总结异同，可以帮助学生消化和巩固知识点，从而进行有针对性的学习。借助互联网优势，构建动态反应过程，提高课堂讲解的趣味性。这种教学方法提高了学生的主观能动性和参与度，达到“寓教于乐”“以生为本”的教学模式，而且学科前沿成果的引入还可以使学生及早了解前沿学术动态与研究热点，拓展学术视野，为学生后续的毕业论文设计以及进一步深造打下扎实的专业基础。实践证明，借助互联网将有机化学前沿科研成果引入课堂教学，通过与教材中经典理论对比讲解，可以显著提高有机化学的课堂教学效果。