合成席夫碱类光致变色有机化合物

李金洲，耿嘉浩，刘聪达，李继龙

（沈阳理工大学环境与化学工程学院，辽宁 沈阳 110158）

0 引言

光致变色指的是一个化合物A，在特定波长的光照射之下进行特定的化学反应或物理效应，并最终生成产物B，因为结构上出现变化使得其吸收光谱的颜色出现变化，而在另外一个波长的光照射或者是热的作用之下，产物B 又可以恢复到原来的形式[1]。

光致变色现象为现代生活提供崭新的色彩，将相应的化合物引入到包装装潢、玩具制造、油墨生产、液晶显示等新领域内；会有极其广阔的发展前景。目前，有机光致变色化合物可分为螺吡喃类、螺噁嗪类、偶氮苯类、二芳基乙烯类、俘精酸酐类、席夫碱类。

本实验将简易合成席夫碱类2-（2，4-二硝基苄基）吡啶，结合光致变色原理，用环氧树脂做成形态各异会变色的物品，例如变色的眼镜、变色小熊、变色花朵等。本实验试剂仪器简单、成本低廉、操作紧凑、现象明显，有着较强的趣味性，不仅可以帮助学生提高知识水平和专业素养，还可以激发学生对于专业的热爱。让公众领略化学与艺术的完美融合，让参与者真切感悟到生活中的化学现象。

1 实验部分

1.1 实验原理

1）2-苄基吡啶溶液在100 ℃下水浴加热，与硝酸发生硝化反应，2 个硝基基团取代氢，得到2-（2，4-二硝基苄基）吡啶。吡啶化合物直接硝化，亲电试剂主要进攻N 的间位，反应条件强烈，但硝化产率很低[1]，收率仅在40%～50%。

2）用氢氧化钠溶液除去溶液中的硝酸和硫酸，反应方程式见式（1）、式（2）：

3）2-（2，4-二硝基苄基）吡啶变色主要是由于紫外线照射下，分子结构变化，发生了分子内的质子迁移，使其从黄色变为蓝色，数小时后能恢复原状。

1.2 试剂和仪器

仪器：HH-1 型恒温水浴锅、水浴锅、球形冷凝管、直型冷凝管、CPA225D 型电子天平、CJJ79-1 可控温磁力搅拌器及常规实验室用仪器。

1.3 实验操作及效果

1.3.1 制备2-（2，4-二硝基苄基）吡啶

1）硝化反应：向烧瓶中加入12 mL 浓硫酸和搅拌子，建立冰浴，使其冷却至5 ℃，10 min 后再向酸中缓慢加入2.5 mL 2-苄基吡啶，搅拌3 min 后，逐滴滴加2.25 mL 浓硝酸。取出烧瓶，安装球形冷凝器，放入恒温水浴锅，于100 ℃下水浴20 min。

2）提纯：将产物从小烧瓶倒入烧杯中，建立冰浴，使其冷却至5 ℃，蒸馏水洗涤烧瓶，然后倒入烧杯中，称取20 g 氢氧化钠溶于250 mL 水中，配制氢氧化钠溶液，倒入烧杯中，检验溶液酸碱度呈碱性，提纯完成。

3）萃取：将烧杯放在磁力搅拌器上，向烧杯中加入200 mL 乙醚，搅拌20 min。

4）分液：将烧杯中的溶液倒入分液漏斗，静置1 h，溶液分层，上层是乙醚层，下层是水层，排掉下层废液，将上层溶液倒入锥形瓶中。

5）除水：向锥形瓶中加入适量的无水硫酸镁，静止1 h。

6）过滤：将溶液倒入过滤装置中，用少量乙醚洗涤烧杯滤渣滤纸。

3)从国家能源战略需求和电网发展现状出发，智能电网的建设应从电源侧智能化、电网侧智能化、配用电侧智能化和调度智能化四个层面来布局。其中，电网侧智能化建设已卓有成效，配用电侧智能化是未来智能电网建设的重点。

7）蒸馏：将溶液倒入蒸溜装置的烧瓶中，加热至溶液中有沉淀生成，将烧瓶转移到水浴锅中，不断有沉淀产生，放置1 h，沉淀完全产生。

8）再过滤：将蒸馏产物倒入过滤装置，并用乙醇洗涤过滤器和烧杯，滤纸上的颗粒就是的2-（2，4-二硝基苄基）吡啶，待其烘干后，得到1.58 g 黄色2-（2，4-二硝基苄基）吡啶晶体。

1.3.2 冲洗照片

1）准备负片，选择照片，调整图像为黑白，完成黑白处理后调整图片为反相，得到反相图像，打印该图片就得到了想要冲洗照片的负片[2]。

2）称取1 g 2-（2，4-二硝基苄基）吡啶，加入3 mL丙酮和3 mL 水，混合，并用其涂在水彩纸上，经过干燥处理（提前准备），将负片放在纸上，用两片玻璃夹在中间，在阳光下照射1 min，纸上就形成了负片上的图案[3]。

1.3.3 变色的小熊

1）准备环氧树脂，提前准备环氧树脂a、b 胶，将0.5 g 2-（2，4-二硝基苄基）吡啶加入到研钵中，倒入环氧树脂a，混合搅拌，再倒入环氧树脂b，混合搅拌，倒入泰迪熊模具中，缓慢固定后，形成蓝色的小熊，由于氮酸形式与硝基形式之间的转变，通过光或者热相互转化，有3 种互变异构形式。环氧树脂的固化反应为放热反应，分子进入环氧树脂之后，进行热致变色，使其变为蓝色。

2）用0.5 g 2-（2，4-二硝基苄基）吡啶制作小熊模型，固定后，紫外线照射1 h，小熊由蓝色变浅蓝色，2 h 小熊变透明，持续照射3 h 变为黄色，由于长时间的紫外线照射破坏了2-（2，4-二硝基苄基）吡啶的分子结构，小熊颜色并不能回复成蓝色。

3）用0.5 g 2-（2，4-二硝基苄基）吡啶制作花朵模型，固定后，在紫外线照射下下3 h，花朵从蓝色变为黄色。

2 科普展示

2.1 展示条件及对象

根据不同场景，进行不同类型的实验，对于实验室和宽敞室内场所，如科技馆、中小学教室等，可以进行操作型实验，合成目标产物，进行指导教学；对于室外场所，如广场、公园等地点，可以做验证性实验，冲洗照片，制作变色的小熊等。室外展示时最好是阳光充足的晴天，有电源时对天气没有要求。实验用品需存储于棕色玻璃瓶中。

根据参与者年龄，将展示对象分为小学阶段（6—12 岁）、中学阶段（12—18 岁），本专业相关大学生及成年阶段（18 岁以上）3 个人群。

小学阶段学生，对于颜色的变化较为敏感，并且感兴趣，然而不具备有化学知识，所以重点是让他们体验制作变色小熊以及冲洗照片的过程，对化学科学有一定的了解，并感受化学之美与实验之趣。

中学阶段学生，已经有了一定的化学学科知识积累，但是对于化学原理缺乏相应的认知。因此在制作的时候，主要是引导学生去理解光致变色现象的化学原理，并尝试用学到的化学原理去解答生活中与光化学反应相关的问题。

本专业相关大学生及成年人，对于本专业相关大学生，可以开展相关实验，掌握光致变色原理以及一系列实验操作；对于成年人，具备丰富的社会实践经验，在制作物品和照片之后，进行紫外线防护拓展实验，能更好地帮助他们进行紫外线防护，了解生活中常见的光致变色原理，纠正其可能存在的认知误区。

2.2 展示方案

1）蓝晒法冲洗照片：还可以采用多种媒介，像纸、蛋壳、玻璃等，可拓展蓝晒的应用范围，丰富蓝晒的表现方式，展现化学科学的魅力。

2）制作变色物品：用多种模具制作不同形状变色的物品，像变色眼镜、变色手机壳、变色车膜、变色鞋等。还可以让学生自由发挥，用不同质量的2-（2，4-二硝基苄基）吡啶，在太阳光下照射不同时间，制备出不同颜色不同程度的物品。

3 结语

本文设计了一个综合化学实验，通过硝化反应，合成2-（2，4-二硝基苄基）吡啶。通过学习该有机物的合成和光致变色性能的表征方法，掌握称量、提纯，萃取，分液，过滤、蒸馏等实验操作，普及光致变色等相关的化学概念以及化学基本操作，对化学发展前沿理论形成初步了解。该实验所需的试剂仪器较为简单、成本比较低廉，因此适合在化学或相关专业的本科实验教学中推广，同时其实验现象较为明显，具有较强的趣味性，可以面向大众进行化学科普讲解。此外，本实验不但可以提高学生的知识水平和专业素养，也可以培养其对专业的兴趣和热爱。本实验安全可靠，操作性强，适用面广，是一个值得推广的化学科普项目。