陳水生 喬瑞 張淑萍 時兆菊 盛良全

(阜陽師范學院化學化工學院 安徽阜陽236041)

大學化學教學的重要任務不僅是要讓學生掌握豐富的理論課知識，更要培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力?？蒲袆?chuàng)新型實踐教學對于學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)和綜合知識體系的構筑具有重要的作用［1-2］?？蒲袆?chuàng)新實驗是以學科內容和學生的知識積累為基礎，引導學生創(chuàng)造性地運用知識和能力，自主地發(fā)現(xiàn)問題、研究問題和解決問題，在研究中積累知識、培養(yǎng)能力和鍛煉思維的教學模式［3-4］。我們以國家級大學生創(chuàng)新項目多芳基取代的三唑類化合物的合成研究為例，闡述學生創(chuàng)新訓練對學生綜合知識體系的構建作用。該創(chuàng)新項目設計的基本思路是:通過創(chuàng)新訓練強化基本操作訓練;以綜合訓練促進學生理論知識與實驗能力的同步增強;體現(xiàn)各學科之間相互交叉、滲透的客觀情況，使創(chuàng)新項目更接近于科研和教學實際，完成學生整體化知識體系的構建［5］。

1 實驗方案的設計

以三芳基取代三唑為目標化合物，讓學生自己查閱數(shù)據(jù)庫資源相關文獻，在教師指導下設計出完整合理的合成路線(圖1)，并驗證設計方案的可行性。

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

2 實驗方案的可行性分析

三唑類化合物合成方法豐富，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)的合成路線設計，有選擇地涵蓋了基礎有機化學課程中學過的一些經典有機反應，此路線經過氧化、酰氯化、酰氯醇解、肼解、酰氯胺解和縮合等反應得到目標產物。在合成設計時，學生往往只關注反應理論上的可行性，所以實驗時須引導學生結合反應的具體情況確定特定的實驗條件及后處理方法。比如，化合物2-吡啶甲酸(Ⅰ)可以由高錳酸鉀氧化2-甲基吡啶的方法進行制備，但由于無機鹽高錳酸鉀為水溶性，而有機物2-甲基吡啶溶于有機溶劑，是非均相反應，不利于反應的進行。因此，學生應充分考慮到這種影響因素。通過查閱資料，羧酸的氧化制備加入少量聚乙二醇(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作為相轉移催化劑，可提高高錳酸鉀的氧化效率;另一方面，吡啶氮原子可以與氧化羧酸的質子發(fā)生結合，羧酸成鹽溶于水中，因此過濾除掉氧化后的殘渣，加入濃鹽酸即可析出產物2-吡啶甲酸?；衔?-吡啶甲酸乙酯(Ⅲ)的制備，可以直接由2-吡啶甲酸和乙醇在濃硫酸的催化下進行制備，但考慮到酯化反應是可逆反應，反應過程通常要采用分水裝置，且需加入有毒溶劑苯與水形成共沸物以除水，總體上講，反應時間長，收率不太高。而羧酸進行酰氯化后，再與醇進行酰氯的醇解反應，可以大大縮短時間和提高收率。羧酸的酰氯化過程通常采用SOCl2作為酰化試劑，緣于反應體系的副產物可以從反應體系逸出;另外，加入少量DMF作為催化劑有利于酰氯的生成。要注意的是，酰氯是非常活潑的羧酸衍生物，酰氯的醇解過程會放出大量的熱，必須在冰浴條件下，加入無水乙醇進行酰氯的醇解，以防止反應物暴沸從體系沖出?；衔铫蠛廷舴謩e由酰氯的醇解及酯的肼解反應制備，利用了有機化學理論課程中羧酸衍生物的相關性質。在實驗過程中，如何用薄層色譜實現(xiàn)對反應過程的實時監(jiān)控;在后處理純化過程中，萃取操作萃取劑及重結晶中溶劑的選擇，柱色譜分離和薄層色譜分離等都是實踐操作的綜合性環(huán)節(jié)。此方案設計，充分結合實際，有利于學生發(fā)現(xiàn)并解決問題，提升縝密的、邏輯的思維能力，是理論知識與實踐能力的升華過程。

3 結果與討論

3.1 化合物的結構分析

有機波譜分析是對化合物的結構和性質進行表征的基本手段。通常包括紅外光譜、核磁共振、元素分析、紫外光譜、質譜分析以及X射線單晶衍射測試技術。這要求我們綜合運用有機波譜分析相關知識，讓學生在了解大型分析儀器使用的同時，提高解析譜圖的能力。如紅外光譜中，同類化合物的官能團有其特征吸收峰。如二酰肼化合物(Ⅴ)的紅外光譜圖，3109～3010cm-1處的峰為苯環(huán)上的C—H伸縮振動產生的吸收峰，1720cm-1和1680cm-1存在二?；膹妼ΨQ和反對稱伸縮振動峰，1600～1445cm-1處歸屬于苯環(huán)碳骨架的特征峰，1313～1269cm-1處歸屬于C—O伸縮振動產生的吸收峰。有機化合物的氫核磁共振波譜，對化合物不同化學環(huán)境的氫原子的化學位移進行歸屬，計算出相鄰氫的耦合常數(shù)。波譜的解析過程，應充分再現(xiàn)理論課所掌握的知識，比如誘導效應、共軛效應和偶極場效應等電子效應，正確理解影響吸收頻率，化學位移的變化因素。

隨著化學技術的發(fā)展和學科間的相互滲透交叉，先進的科學技術在化學實驗實踐教學上相繼得到應用。在科研創(chuàng)新訓練中，我們對產物單晶采用X射線單晶衍射進行結構表征，通過結構解析，確定物質的絕對結構，可讓學生進一步了解X射線單晶衍射原理，學習一些晶體結構解析及晶體結構表達的常用軟件，實現(xiàn)在分子水平上理解物質的絕對結構。圖2為我們所合成的有機分子Ⅶ的單晶結構表征，該分子的結構單元存在著不同雜化狀態(tài)的碳原子，如sp2和sp3雜化的碳原子鍵角分別接近120°和109°，五元雜環(huán)原子間鍵角也約為110°。將測得鍵長和鍵角與理論課程所學習的同類化合物進行比較，發(fā)現(xiàn)實驗結果與理論課程所講述的化合物的結構一致，由此可使學生進一步深化對理論知識的理解。

圖2 化合物Ⅶ的單晶分子結構

為加深對分子構象的理解，我們合成了一個新化合物5-((4-甲酰基-1-哌啶基)甲基)異肽酸。同樣運用X射線單晶衍射技術測定了分子的絕對結構。在該分子結構單元中，羧基和苯環(huán)碳原子的雜化方式為sp2，以碳原子為中心的鍵角大約為120°(圖3)，羧基和苯環(huán)碳原子中心鍵夾角約為120°;而哌啶六元環(huán)中的碳原子為sp3雜化方式，夾角為109.40°，與理論值相吻合。

圖3 5-((4-甲?；?1-哌啶基)甲基)異肽酸的單晶分子結構(羧基氫原子省略)

哌啶六元環(huán)的結構與環(huán)己烷的結構一致。在理論課程中，學生已了解了環(huán)己烷分子的船式和椅式兩種極限構象。環(huán)己烷分子通常以穩(wěn)定的椅式構象存在。從5-((4-甲?；?1-哌啶基)甲基)異肽酸有機分子的絕對結構可以看出，該分子存在著與環(huán)己烷結構相似的六元哌啶環(huán)，且以穩(wěn)定的椅式構象存在(圖4(a))，我們將有機分子中的哌啶環(huán)轉換成紐曼投影式(圖4(b))后，可以清晰地看到，環(huán)中相鄰碳(氮)原子取代基都處于鄰位交叉，鄰交叉優(yōu)勢構象的存在，與相關理論知識一致。在實踐中，利于我們對環(huán)己烷這種相對抽象構象的理解。在科研實踐中知識的遷移和相互印證，是科研創(chuàng)新價值所在。

3.2 化合物Ⅶ的光譜性質

由化合物3-(2-噻吩基)-4-(4-甲基苯基)-5-(2-吡啶基)-1，2，4-三唑的晶體結構分析，三芳基取代的1，2，4-三唑，噻吩環(huán)與三唑環(huán)的二面角為32.94(14)°;吡啶環(huán)與三唑環(huán)的二面角為29.13(11)°。三唑、噻吩和吡啶的3個芳香環(huán)平面間存在一定的共軛性，有利于電子云的流動與躍遷。由圖5可見，化合物Ⅶ在位于293nm左右出現(xiàn)一個吸收峰，這主要是苯環(huán)及多芳香基取代的共軛體系π-π*或n-π*躍遷的貢獻。

圖4 5-((4-甲?；?1-哌啶基)甲基)異肽酸分子中哌啶環(huán)(a)及其紐曼結構式(b)

在室溫下，對該化合物的固體熒光性質進行了研究。如圖6所示，化合物Ⅶ在波長為336nm的光的照射下，在399nm處呈現(xiàn)中等程度的發(fā)射峰，激發(fā)峰與發(fā)射峰呈鏡像關系，Stokes位移為63nm，這一發(fā)射峰歸結為配體中的π-π*電子轉移。這樣就將晶體學與分析化學中的紫外吸收及熒光發(fā)射光譜等理論有機地結合起來，構筑知識的一體化。

圖5 化合物Ⅶ的紫外光譜

圖6 化合物Ⅶ的熒光光譜

4 結語

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為科研創(chuàng)新訓練，讓學生系統(tǒng)化完成化合物路線的設計合成、結構表征以及性能研究等綜合知識運用和技能訓練。不僅把有機學科基礎理論與實踐教學有機地結合成一個實體，而且不同的學科在實踐中交叉融合成為綜合性學科知識整體，突破了學生知識結構的模塊化，有利于學生綜合知識體系的構建。

［1］鄭明花，金京一，王清珊.大學化學，2011，26(6):38

［2］張艷麗，金昌磊，李艾，等.實驗室研究與探索，2011，30(2):138

［3］牛國興，高翔，徐華龍.大學化學，2012，27(4):27

［4］楊一思，張?.大學化學，2013，28(1):13

［5］呂占霞，賀維軍，高珍，等.大學化學，2011，26(1):14