王茹玘，王佩新，王兆鈺，方睿劍，趙衛(wèi)光，關(guān)英

南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院，天津 300071

高等教育的“重點(diǎn)是面向全體學(xué)生、促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展，著力提高學(xué)生服務(wù)國家服務(wù)人民的社會責(zé)任感、勇于探索的創(chuàng)新精神和善于解決問題的實(shí)際能力”。在本科有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，我們利用翻轉(zhuǎn)課堂、思想實(shí)驗(yàn)、研究性實(shí)驗(yàn)等方式對學(xué)生科研素養(yǎng)的培養(yǎng)進(jìn)行了研究[1-4]，并取得了良好的教學(xué)成果。特別是在《有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)對科研素養(yǎng)的培養(yǎng)——目標(biāo)導(dǎo)向的研究性實(shí)驗(yàn)與創(chuàng)新能力培養(yǎng)》一文[4]中，我們詳細(xì)介紹了目標(biāo)導(dǎo)向的研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)計(jì)思路和實(shí)施方法，并通過方案設(shè)計(jì)(包括研究進(jìn)展綜述、設(shè)計(jì)思路和實(shí)施方案設(shè)計(jì)、可行性分析和實(shí)施方案三個環(huán)節(jié))、實(shí)施(包括方案實(shí)施、論文撰寫兩個環(huán)節(jié))和總結(jié)(包括論文評審和評審意見反饋)三階段的教學(xué)實(shí)踐，讓學(xué)生在本科實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)過程中體驗(yàn)到科學(xué)研究的全過程。本文對目標(biāo)導(dǎo)向的研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程進(jìn)行總結(jié)，并以2021-2022年度學(xué)生未發(fā)表的研究性實(shí)驗(yàn)論文“超聲波輔助的Fischer酯化反應(yīng)”為案例進(jìn)行討論，為實(shí)際教學(xué)應(yīng)用提供參考和借鑒。

1 教學(xué)改革實(shí)踐

2021-2022學(xué)年第二學(xué)期初，我們將酯化反應(yīng)設(shè)為研究性實(shí)驗(yàn)主題，讓全班學(xué)生自由組合成四個研究小組；在課下充分利用微信和視頻會議等方式參與各研究小組關(guān)于選題綜述、方案設(shè)計(jì)和修改的討論，并利用實(shí)驗(yàn)課上的教學(xué)間隙組織各小組在全班進(jìn)行了一次綜述報告和兩次研究方案的匯報講演、討論和評價，對科學(xué)研究中的一些基本手段和方法進(jìn)行了討論和總結(jié)。例如，第一組提出了在超聲波輔助下研究均相和非均相催化劑催化酯化反應(yīng)效果的方案；第二組提出利用量化計(jì)算軟件計(jì)算不同有機(jī)酸在氧化鋁和硅膠上的表面吸附能，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對比，研究催化劑的催化性能的方案；第三組提出考察不同吸水劑和吸水方式對酯化反應(yīng)速率和反應(yīng)程度的影響，并探討利用吸水劑的變色特點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)反應(yīng)監(jiān)測可視化的可行性的方案；第四組提出了用陽離子樹脂以及負(fù)載路易斯酸的陽離子樹脂取代濃硫酸為催化劑，考察樹脂型催化劑對酯化反應(yīng)的影響的方案。四個組的方案都有一定程度的創(chuàng)新，第三組的方案主要考慮的是實(shí)驗(yàn)方法的改進(jìn)，另外三組主要考慮的是催化劑的優(yōu)化，但又各有特色，第一組考慮了超聲輔助反應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)，第二組則考慮了如何用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)。此外，針對酯化反應(yīng)進(jìn)程監(jiān)測，學(xué)生們還提出了多種方法，如薄層色譜法、核磁內(nèi)標(biāo)法、氣相色譜定量法和液相色譜定量法等，并主動自學(xué)了相關(guān)課外知識。教師全程參與指導(dǎo)，并在課堂上以案例分析的方式與學(xué)生充分討論各種方案的優(yōu)點(diǎn)與不足，改進(jìn)方法，并完善相關(guān)知識體系。這種逐層深入的方式也在討論和講演過程中，讓同學(xué)們的視野和思路更加開闊。

受疫情的影響，最后的研究性實(shí)驗(yàn)方案實(shí)施沒能在實(shí)驗(yàn)課堂上完成，但其中一半的學(xué)生仍自發(fā)利用指導(dǎo)教師和其他教師的實(shí)驗(yàn)資源完成了方案實(shí)施，并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析歸納；另外一半的學(xué)生做完了預(yù)實(shí)驗(yàn)，并根據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了思想實(shí)驗(yàn)的預(yù)判。這充分說明目標(biāo)導(dǎo)向的研究性實(shí)驗(yàn)可以積極調(diào)動學(xué)生的科研興趣和主觀能動性，增強(qiáng)其未來致力于科學(xué)研究的信心。全班所有學(xué)生按照《有機(jī)化學(xué)》的投稿模板完成了實(shí)驗(yàn)報告的撰寫，初步學(xué)習(xí)了科研論文的結(jié)構(gòu)和撰寫格式。為了加深理解、互相學(xué)習(xí)和深入總結(jié)，讓學(xué)生互評報告，并邀請參與過本課程已完成本科畢業(yè)論文的優(yōu)秀學(xué)生進(jìn)行論文評審，結(jié)合教師評審，并將所有意見反饋給每一位學(xué)生。學(xué)生們在這個過程中除了全景式地體驗(yàn)科學(xué)研究的全過程，還學(xué)到了大量傳統(tǒng)課堂上學(xué)不到的知識，包括學(xué)生自學(xué)的知識。

我們將目標(biāo)導(dǎo)向的研究性實(shí)驗(yàn)作為學(xué)生的期末考核實(shí)驗(yàn)，成績評定包含方案設(shè)計(jì)30%，方案實(shí)施(本學(xué)期沒有條件完成實(shí)驗(yàn)的同學(xué)，可根據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行思想實(shí)驗(yàn)預(yù)判) 40%，論文撰寫30%。2021-2022學(xué)年春季學(xué)期全班同學(xué)平均分89分，與以往未實(shí)施教改的2017-2018學(xué)年春季學(xué)期全班同學(xué)的期末考核平均成績(83分)相比，增長了6分。

2 學(xué)生意見反饋

在2022春季學(xué)期末，我們通過調(diào)查問卷的形式征詢了學(xué)生們“關(guān)于我們的教學(xué)方式是否有必要取代傳統(tǒng)教學(xué)模式的問題”的意見，全班23人，有效反饋22人，41%的同學(xué)認(rèn)為非常有必要，50%的同學(xué)認(rèn)為有必要，9%的同學(xué)認(rèn)為可以取代傳統(tǒng)教學(xué)模式。

在學(xué)生們的具體信息反饋中，其中3人覺得有點(diǎn)累，3人覺得比較累，1人因?yàn)橄朕D(zhuǎn)專業(yè)，希望按部就班地上課，但對于教學(xué)方式仍予以了肯定。學(xué)生普遍認(rèn)為本課程有以下優(yōu)點(diǎn)：1) 培養(yǎng)了他們獨(dú)立思考的能力；2) 培養(yǎng)了他們的自學(xué)能力；3) 提高了他們的合作能力；4) 有助于今后的科研工作。下面是部分同學(xué)的反饋信息。

學(xué)生一：我和我們小組的大佬一起做了有機(jī)的研究性實(shí)驗(yàn)，讓我對有機(jī)科研有了更多的了解，受益頗多。我們小組氛圍也很好，大家都很認(rèn)真、努力。

學(xué)生二：激發(fā)學(xué)生積極思考，鼓勵討論，讓學(xué)生們可以在實(shí)踐中自主創(chuàng)新，自主學(xué)習(xí)。(現(xiàn)在感覺大部分課程都有渾水摸魚的空間，或者說學(xué)習(xí)效率不高。而且感覺現(xiàn)在同學(xué)們都沒有很高的積極性，也不太愿意主動溝通，沉默是大多數(shù)的情況。但如果給大家平臺，就會發(fā)現(xiàn)大家真的可以碰撞出思維的火花，真的可以學(xué)到很多！)見到很多大佬，感受到大佬們的邏輯，也更加了解每一個實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，更注重細(xì)節(jié)，同時實(shí)驗(yàn)科研技能upup！

學(xué)生三：就我個人感受，相比于其他班，在這個班更能學(xué)到干貨。因?yàn)檫@一模式能夠在很大程度上解決“驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)”的弊病，形式上更加偏向于“探究性實(shí)驗(yàn)”，防止了做實(shí)驗(yàn)的時候“有手無心”，能讓學(xué)生從實(shí)驗(yàn)中學(xué)到更多。

學(xué)生四：可以增加和同學(xué)間的交流。之前實(shí)驗(yàn)課和周圍同學(xué)一個學(xué)期過后也可能不認(rèn)識。但這次研究性實(shí)驗(yàn)中，和同學(xué)之間的交流大大增加了。

學(xué)生五：和老師的互動性增加，從老師的點(diǎn)評中學(xué)到了很多，批評也讓人更加認(rèn)識到自己的錯誤。真的有收獲，不管是知識面還是各種能力，學(xué)到了很多。在這過程中，也看到了很多優(yōu)秀的同學(xué)的能力，也學(xué)習(xí)到了。

3 教學(xué)案例

為了更好地體現(xiàn)教學(xué)效果，下面以全文的形式展示了第一小組王茹玘同學(xué)的研究性實(shí)驗(yàn)論文。從該論文可以看出該小組的同學(xué)閱讀了大量的文獻(xiàn)、精心設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)方案和監(jiān)測方案，進(jìn)行了必要的預(yù)實(shí)驗(yàn)對方案進(jìn)行改進(jìn)來保證正式實(shí)驗(yàn)的順利完成，最終取得了比較理想的結(jié)果，并花了大量時間精心撰寫了論文。盡管該論文寫作略顯稚嫩，論文的系統(tǒng)性稍差，但仍很好地體現(xiàn)了學(xué)生在研究性實(shí)驗(yàn)中的主觀能動性和良好的科研精神，表明我們的教改取得了預(yù)期的教學(xué)效果。文中所有數(shù)據(jù)未在其他刊物發(fā)表，我們對論文進(jìn)行了適當(dāng)?shù)男抻?，基本反映了論文的原貌，并以教師批注的形式進(jìn)行了點(diǎn)評。

3.1 前言

小分子酯類是一種重要的精細(xì)化工產(chǎn)品，在溶劑、醫(yī)藥、香料與食品工業(yè)、化工合成、農(nóng)藥殺蟲劑、傳感器、新型高分子合成等方面有重要作用，廣泛地作為電池載液[5,6]、偶聯(lián)試劑[7-9]、碳負(fù)離子給體[10,11]、羰基化試劑[12]、芳化試劑[13,14]、酶或受體抑制劑[15,16]、傳感器涂層[17]、香味調(diào)配[18]、高分子單體[19]、藥物中間體[20,21]、腫瘤治療與標(biāo)記物[22,23]、食品穩(wěn)定劑[24]等。因此，對酯類分子的高效合成已經(jīng)成為了眾多行業(yè)研究的焦點(diǎn)，具有重大的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、戰(zhàn)略意義[25]。

酯的常用的合成方法包括酸-醇Fischer酯化法[26]、酰鹵-醇酯化法[27]、羧酸鹽-鹵代物酯化法[28]、酯交換法[29]、Baeyer-Villiger氧化法[30]；在工業(yè)生產(chǎn)上也可通過烯、醇、醛類物質(zhì)氧化偶聯(lián)得到[31,32]。而酸催化的Fischer酯化作為最基礎(chǔ)、最簡單的酯化反應(yīng)，由于其原料簡單、成本較低、副反應(yīng)少、對催化劑要求不高、收率穩(wěn)定等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用，因而具有較高的研究價值。由于Fischer酯化為酸催化的平衡反應(yīng)，故成功進(jìn)行該反應(yīng)的關(guān)鍵是在動力學(xué)上使用更高效的催化劑，并在熱力學(xué)上控制平衡右移。傳統(tǒng)的合成方法以濃H2SO4為催化劑、甲苯為帶水劑，通過加熱回流的方式分水，促進(jìn)平衡右移[33]。但這種方式存在著溶劑毒性較大、催化效率較低、副反應(yīng)發(fā)生較多、反應(yīng)裝置與后處理方式復(fù)雜、熱量消耗較多等缺點(diǎn)。

超聲波在流體中產(chǎn)生的力場能夠通過周期變化的流體剪切力對分子產(chǎn)生力矩，微觀上體現(xiàn)為分子運(yùn)動得更加劇烈，同時，超聲波對流體產(chǎn)生的高頻變化的剪切力會造成瞬時的高溫高壓空穴，即“空化效應(yīng)”，宏觀上體現(xiàn)為被活化的分子比例升高，促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行，具有催化效率高和節(jié)能的特點(diǎn)，因而在有機(jī)合成中有著廣泛而良好的應(yīng)用[34]。

因此本文選取具有代表性的苯甲酸與乙醇作為模型底物，嘗試超聲波輔助條件下，使用更低的溫度和不引入其他溶劑的情況下，比較不同催化劑對Fischer酯化反應(yīng)的影響，實(shí)現(xiàn)苯甲酸乙酯的高效和安全合成(圖1)。

圖1 超聲波輔助的Fischer酯化反應(yīng)路線設(shè)計(jì)圖

(教師批注：這是學(xué)生按照《有機(jī)化學(xué)》雜志格式設(shè)計(jì)的目錄圖，設(shè)計(jì)得非常有意思，較好地體現(xiàn)了目錄圖準(zhǔn)確、美觀的要求，是一個很好的設(shè)計(jì)，在此作為路線設(shè)計(jì)圖展示。)

3.2 結(jié)果與討論

為探究超聲波輔助條件下，均相催化劑與非均相催化劑對反應(yīng)的影響，本文選用了濃硫酸、鐵離子負(fù)載的NKC-9樹脂(Fe(III)@NKC-9)、質(zhì)子負(fù)載的蒙脫土K10 (MMT)三種催化劑進(jìn)行探究?；诠?jié)能的酯合成思想，我們將反應(yīng)溫度從常用的乙醇-甲苯回流溫度降低到了40 °C，并使用可以重復(fù)利用的分子篩作為吸水劑。由于苯甲酸在乙醇中的溶解度較差，我們增加了乙醇的用量，使用了5倍的乙醇。具體反應(yīng)條件與結(jié)果見表1。

表1 苯甲酸酯化反應(yīng)條件設(shè)計(jì)a

首先比較了傳統(tǒng)加熱方式和超聲波輔助方式對反應(yīng)的影響(表1中樣1和樣3)，在濃硫酸催化、40 °C反應(yīng)條件下，超聲波輔助的轉(zhuǎn)化率明顯高于傳統(tǒng)加熱方式。圖2是苯甲酸轉(zhuǎn)化率隨時間變化的折線圖?？傮w上，不同反應(yīng)條件苯甲酸的轉(zhuǎn)化率隨反應(yīng)時間增加而上升。對于傳統(tǒng)的濃硫酸催化反應(yīng)(樣1)而言，前60 min反應(yīng)速度較快，90 min以后，反應(yīng)速度降低。而輔以超聲波(樣3)后，轉(zhuǎn)化率顯著性提高，隨反應(yīng)時間延長逐步增加，反應(yīng)120 min后轉(zhuǎn)化率達(dá)到55%，與文獻(xiàn)報道的超聲波酯化反應(yīng)一致[35]。推測原因?yàn)榉磻?yīng)溫度的降低導(dǎo)致酯化反應(yīng)的速率降低；而在超聲環(huán)境中，超聲波在流體中產(chǎn)生的力場同樣能夠通過周期變化的流體剪切力對分子團(tuán)產(chǎn)生力矩，微觀上體現(xiàn)為分子運(yùn)動得更加劇烈，同時，在“空化效應(yīng)”的作用下，反應(yīng)體系中被活化分子的比例升高，從而能夠很好地提高反應(yīng)速率常數(shù)，促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行。相較于使用甲苯作為帶水劑的反應(yīng)方式而言，樣3的條件能夠在基本保證產(chǎn)品收率的同時，顯著降低反應(yīng)溫度，溶劑可以回收套用，避免了毒性較高的甲苯使用，同時避免了甲苯乙醇混合回收套用的困難，工藝更加環(huán)保。

圖2 苯甲酸轉(zhuǎn)化率(面積歸一法)與反應(yīng)時間的關(guān)系

(教師批注：設(shè)計(jì)對照實(shí)驗(yàn)考察反應(yīng)條件對化學(xué)反應(yīng)的影響是科學(xué)研究的基本功，表1中的條件設(shè)計(jì)體現(xiàn)了學(xué)生們的科研思維。然而，學(xué)生們選擇反應(yīng)起始溫度一致進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，忽略了超聲加熱時體系的溫度從40 °C升高到50 °C的現(xiàn)象。如果將樣1的油浴溫度設(shè)定為50 °C，再進(jìn)行結(jié)果對比和分析將更嚴(yán)謹(jǐn)。)

樣2為不使用濃硫酸催化的超聲波輔助反應(yīng)，表1和圖2的結(jié)果表明即使沒有添加強(qiáng)酸催化，酯化反應(yīng)同樣可以進(jìn)行；對比樣2和樣3，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)酸可以顯著提高酯化反應(yīng)速率和轉(zhuǎn)化率。因此酯化反應(yīng)時添加酸催化劑是十分必要的。

(教師批注：在本科學(xué)習(xí)階段，常用薄層色譜定性監(jiān)測反應(yīng)，判斷反應(yīng)終點(diǎn)。該小組的學(xué)生先后研究了氣相色譜、液相色譜定量方法以及定量核磁的實(shí)驗(yàn)方法，選定核磁共振氫譜定量方法，并進(jìn)行了嘗試，最終選用核磁面積歸一法和內(nèi)標(biāo)法兩種方式計(jì)算反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率。內(nèi)標(biāo)法是核磁共振定量分析方法之一，但作為反應(yīng)監(jiān)測使用準(zhǔn)確性較差。因此建議學(xué)生以歸一法的數(shù)據(jù)作圖，考察轉(zhuǎn)化率隨時間的變化。)

此外，為了使反應(yīng)工藝更加環(huán)保，我們嘗試采用非均相催化劑的方式催化該反應(yīng)，這樣通過過濾即可除去催化劑，催化劑可以重復(fù)利用，避免了大量廢水的產(chǎn)生。在強(qiáng)酸催化的基礎(chǔ)上，我們同樣想嘗試非質(zhì)子的Lewis酸在酯化催化上的表現(xiàn)，而FeCl3在酯化催化中應(yīng)用廣泛且普遍收率較高[36,37]，因此我們嘗試將Fe3+負(fù)載在NKC-9樹脂上(樣4)進(jìn)行反應(yīng)催化，結(jié)果表明收率與不加濃硫酸效果接近。我們認(rèn)為可能原因是超聲波會導(dǎo)致NKC-9樹脂結(jié)構(gòu)破壞，在容器內(nèi)形成凝膠狀物質(zhì)，使得催化劑難以與反應(yīng)物充分接觸，并且生成的產(chǎn)物分子被吸附在凝膠狀物質(zhì)中難以分離，由此可見負(fù)載樹脂不適于在超聲條件下催化反應(yīng)進(jìn)行。

為探索結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、不易被超聲破壞的非均相催化劑，我們嘗試制備H+負(fù)載的K10型蒙脫土(MMT)，催化該反應(yīng)(樣5)。由于在反應(yīng)過程中是取上清液檢測并計(jì)算轉(zhuǎn)化率，沒有考慮MMT中吸附的產(chǎn)物，導(dǎo)致樣5的轉(zhuǎn)化率整體偏低，因此圖2中樣5的結(jié)果不具有實(shí)際意義。反應(yīng)2 h后，洗脫MMT中吸附的產(chǎn)物，分離純化后稱重，結(jié)果表明該反應(yīng)實(shí)際收率為76%，明顯優(yōu)于濃硫酸催化(55%)。

(教師批注：雖然在反應(yīng)監(jiān)測過程中取樣和樣品的后處理過程中仍有不足之處，學(xué)生還是敏銳地發(fā)現(xiàn)了這一點(diǎn)，并在后處理過程中予以了糾正。)

我們分析后認(rèn)為，MMT對反應(yīng)催化效果較好的原因是蒙脫土K10具有多個片層結(jié)構(gòu)，片層與片層之間空隙很大，經(jīng)無機(jī)酸負(fù)載處理后，其Hammett酸度函數(shù)(H0)從+1.5 - -3.0降低到-5.6 - -8.2[38]，幾乎與濃硝酸(-5)、濃硫酸(-12)相當(dāng)，并且極大地降低了所用濃硫酸的氧化性，提高反應(yīng)選擇性，減少副反應(yīng)的發(fā)生。文獻(xiàn)也表明其在催化成醚[39]、催化?；痆40]、催化酯合成[41,42]與酯交換[43]等方面都有著廣泛的應(yīng)用。同時，由于蒙脫土比表面積大，超聲波輔助條件下，在蒙脫土表面更容易形成空化作用，可以更好地與反應(yīng)體系相互作用[44]，酸催化位點(diǎn)的效率更高，有利于反應(yīng)的進(jìn)行。

此外，通過比較負(fù)載前后蒙脫土K10的pXRD數(shù)據(jù)(圖3)，負(fù)載后的蒙脫土與原K10的晶體結(jié)構(gòu)基本相同，而其c軸方向晶胞參數(shù)有延長，揭示了其片層之間的距離增大，對H+的負(fù)載能力增強(qiáng)，這一現(xiàn)象的產(chǎn)生被認(rèn)為與負(fù)載時體系中的Zn2+有關(guān)，其半徑較大，可以作為類似模板劑的角色，將蒙脫土晶體片層間距離撐開[45]。根據(jù)pXRD偏移與Bragg方程計(jì)算，其c軸晶胞參數(shù)延長了5.9%。

圖3 蒙脫土(MMT)負(fù)載前后pXRD衍射信號

(教師批注：學(xué)生通過文獻(xiàn)閱讀和自學(xué)，嘗試計(jì)算負(fù)載后蒙脫土的結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而探討其催化機(jī)理，這一行為正是科學(xué)研究中“知其然，知其所以然”的典型案例。盡管在學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)分析過程中還存在疏漏和待改進(jìn)之處，對于本科生的能力拓展卻是值得鼓勵和肯定的。)

3.3 實(shí)驗(yàn)部分

3.3.1 儀器與試劑

超聲反應(yīng)在昆山超聲KQ3200DE型超聲波清洗器中進(jìn)行，標(biāo)準(zhǔn)頻率40 kHz，額定功率150 W。1H NMR在Brucker AVANCE 400 MHz型核磁共振儀上測定，溶劑CDCl3，內(nèi)標(biāo)CH2Br2。pXRD在日本理學(xué)Ultima IV型X射線粉末衍射儀上測定，光管為Cu靶，功率2 kW。

催化劑有濃硫酸、負(fù)載Fe3+的NKC-9樹脂(Fe(III)@NKC-9)和負(fù)載H+的蒙脫土K10 (MMT)，吸水劑為3A分子篩。所有實(shí)驗(yàn)試劑均為市售分析純及以上試劑。

3.3.2 實(shí)驗(yàn)方法

3.3.2.1 催化劑的制備與表征

NKC-9樹脂的負(fù)載：準(zhǔn)確稱量0.510 g FeCl3·6H2O，溶于81.00 mL 5% HCl中，加入4.53 g NKC-9樹脂，樹脂浸入溶液，靜置150 min后過濾，以10 mL去離子水洗滌樹脂三次，合并濾液與洗滌液為待測液。

Fe(III)@NKC-9負(fù)載量的測定：準(zhǔn)確稱量一定量Na2EDTA，定容配制EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液。準(zhǔn)確移取一定量的待測液，加入1-2滴KSCN指示劑，以EDTA標(biāo)準(zhǔn)液滴定至紅色褪去，計(jì)算負(fù)載率，結(jié)果見表2。

表2 Fe(III)@NKC-9 負(fù)載量的測定a

蒙脫土K10的負(fù)載：取6.5 mL濃H2SO4溶于15.0 mL水中，加入1.35 g無水ZnSO4，攪拌溶解。取5.00 g蒙脫土K10，加入16.0 mL上述溶液，90 °C回流4 h。將混合物抽濾，分別以20 mL水、20 mL乙醇洗滌(最后一滴洗滌液pH ≈ 6)。將濾出物置于75 °C下真空干燥過夜，再在180 °C下烘烤4 h，取出密封待用，為灰白色粉末。

蒙脫土K10負(fù)載量的測定：先以鄰苯二甲酸氫鉀(KHP)基準(zhǔn)物標(biāo)定KOH標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度，見表3。再取10 mL水，攪拌條件下加入準(zhǔn)確稱量的蒙脫土，以酚酞為指示劑，以KOH標(biāo)準(zhǔn)液滴定至溶液變?yōu)榈凵?jì)算負(fù)載量，結(jié)果見表4。

表3 KOH標(biāo)準(zhǔn)溶液的標(biāo)定a

表4 MMT負(fù)載量的測定a

3.3.2.2 酯化反應(yīng)及反應(yīng)監(jiān)測

合成方法一(樣1)：取6.1 g (50 mmol)苯甲酸、14.6 mL (250 mmol)乙醇加入至100 mL燒瓶中，加入15 mmol酸當(dāng)量催化劑，液體總體積為21.5 mL，水浴恒溫40 °C，磁力攪拌2 h。

合成方法二(樣2-5)：取6.1 g (50 mmol)苯甲酸、14.6 mL (250 mmol)乙醇加入至100 mL燒瓶中，加入15 mmol酸當(dāng)量催化劑，液體總體積為21.5 mL，保持超聲池初始溫度40 °C，開啟超聲維持2 h。

酯化反應(yīng)監(jiān)測：利用核磁監(jiān)測反應(yīng)進(jìn)程，具體操作如下：反應(yīng)液總體積為21.5 mL，反應(yīng)開始后每30 min取0.1 mL反應(yīng)液或上清液，過濾膜，濾液旋蒸除去乙醇，剩余物質(zhì)溶于0.5 mL含0.2 mol·L-1二溴甲烷的CDCl3中，裝入核磁管檢測。選取內(nèi)標(biāo)CH2Br2的特征峰為δ4.92 (s, 2H, CH)，苯甲酸乙酯中亞甲基的特征峰為δ4.38 (q, 2H, CH,J= 8.0 Hz)。通過兩峰的積分面積(S)計(jì)算苯甲酸乙酯在體系中的含量，計(jì)算不同時間點(diǎn)的轉(zhuǎn)化率(α)。轉(zhuǎn)化率計(jì)算公式如下：

除了內(nèi)標(biāo)法，還可以用歸一法計(jì)算轉(zhuǎn)化率，即以苯甲酸和苯甲酸乙酯中苯環(huán)上的氫(δ7.3-8.1，5H，CH)的積分總面積(S芳基)為反應(yīng)物總量，苯甲酸乙酯中的亞甲基的積分面積(S亞甲基)為產(chǎn)物總量計(jì)算轉(zhuǎn)化率，見公式2。兩種方法計(jì)算所得的轉(zhuǎn)化率匯入表1，從表中可以看到，兩種方法計(jì)算所得的轉(zhuǎn)化率不同，但規(guī)律相同。歸一法得到的不同時間點(diǎn)的轉(zhuǎn)化率數(shù)據(jù)匯入圖2。

對于非均相催化劑的反應(yīng)體系，F(xiàn)e(III)@NKC-9和MMT，由于催化劑對產(chǎn)物的吸附，取不同時間點(diǎn)的反應(yīng)上清液得到的轉(zhuǎn)化率低于實(shí)際轉(zhuǎn)化率。為了測得反應(yīng)120 min時的實(shí)際轉(zhuǎn)化率，分別用熱乙酸乙酯洗滌催化劑。由于Fe(III)@NKC-9樹脂在超聲作用下結(jié)構(gòu)被破壞，形成凝膠，很難分離吸附在樹脂中的產(chǎn)物。而MMT催化劑組，經(jīng)過產(chǎn)物分離和提純后稱重，得到的實(shí)際收率也記錄在表1中。

均相反應(yīng)產(chǎn)物的提純方法：向體系中加入飽和Na2CO3溶液，調(diào)節(jié)pH至7-9之間，加入60 mL乙酸乙酯分兩次萃取水層，合并萃取液，用20 mL飽和食鹽水洗滌，分離有機(jī)層，MgSO4干燥。減壓脫溶劑，減壓蒸餾，收集107-108 °C/20 mm Hg的餾分，稱量。

非均相反應(yīng)產(chǎn)物的提純方法：過濾反應(yīng)液，用20 mL熱乙酸乙酯洗滌催化劑，合并反應(yīng)后濾液處理液(按均相反應(yīng)產(chǎn)物的提純方法得到的有機(jī)層)和催化劑洗滌液，MgSO4干燥。減壓脫溶劑，減壓蒸餾，收集107-108 °C/20 mm Hg的餾分，稱量。

3.3.2.3 產(chǎn)物表征

苯甲酸乙酯，無色透明油狀液體。1H NMR (400 MHz, CDCl3)δ8.05 (d,J= 7.2 Hz, 2H), 7.62 (t,J= 7.4 Hz, 1H), 7.55 (t,J= 7.4 Hz, 2H), 4.38 (q,J= 7.3 Hz, 2H), 1.40 (t,J= 7.2 Hz, 3H)。

3.4 結(jié)論

對于苯甲酸乙酯的Fischer酯化合成，40 °C溫度下使用超聲輔助加熱、質(zhì)子負(fù)載的蒙脫土K10催化反應(yīng)，產(chǎn)物收率較高。該反應(yīng)具有收率高、無溶劑、溫度低、后處理簡單等優(yōu)點(diǎn)。這在一定程度上可以優(yōu)化類似的小分子酯的Fischer合成，即在超聲條件下，配合分子篩等吸水物質(zhì)與負(fù)載蒙脫土等結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的非均相催化劑，可以在較低溫度下使用無溶劑方法以較高的產(chǎn)率合成目標(biāo)酯分子。

4 學(xué)生反思與總結(jié)

這次研究性學(xué)習(xí)促使我們檢索并閱讀了較多的文獻(xiàn)，我在這一過程中學(xué)習(xí)文獻(xiàn)思路，與同組的同學(xué)討論并設(shè)計(jì)了優(yōu)化苯甲酸乙酯的Fisher合成反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方案。在查找文獻(xiàn)尋找優(yōu)化這一酯化反應(yīng)的條件時遇到了不少困難，一方面由于小分子酯化反應(yīng)的研究已經(jīng)趨于完備，很難尋找到體現(xiàn)出創(chuàng)新之處的改進(jìn)思路，而簡單地復(fù)刻文獻(xiàn)反應(yīng)并不能體現(xiàn)出“研究性實(shí)驗(yàn)”的“研究性”；另一方面是很少有文獻(xiàn)直接針對苯甲酸乙酯這種分子的酯化反應(yīng)解決問題，大多針對性不足，難以體現(xiàn)出“目標(biāo)導(dǎo)向”。于是，如何在文獻(xiàn)中尋找有效信息能“為我所用”來解決問題，就成了我們的第一道坎。最終為解決反應(yīng)溫度高、使用有害溶劑、濃硫酸催化導(dǎo)致副反應(yīng)發(fā)生和產(chǎn)生廢液這三個在“微波加熱輔助合成苯甲酸乙酯”教材實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題，我們通過查閱文獻(xiàn)和歸納總結(jié)，分別提出了改用超聲波輔助以降低反應(yīng)溫度、改用無溶劑體系進(jìn)行反應(yīng)、換用以MMT為代表的非均相酸催化劑進(jìn)行催化以解決以上問題。

現(xiàn)在回頭看這些實(shí)驗(yàn)方案都或多或少存在著對比不充分、控制實(shí)驗(yàn)不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)葐栴}：例如我們當(dāng)時忽略了超聲波使體系自然升溫的這一現(xiàn)象，將超聲起始的40 °C直接作為油浴加熱組的反應(yīng)溫度，而若要顯示出超聲對反應(yīng)的促進(jìn)作用則將對比的油浴加熱溫度設(shè)置為超聲結(jié)束的50 °C更為合適；又如在設(shè)計(jì)質(zhì)子負(fù)載的蒙脫土K10促進(jìn)酯化反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)時，應(yīng)當(dāng)再設(shè)置一組未負(fù)載質(zhì)子的蒙脫土K10作為對比試驗(yàn)，以排除蒙脫土K10中Al-Si-Mg氧簇固有結(jié)構(gòu)本身對反應(yīng)的影響。因此，我們發(fā)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)與報告撰寫后的總結(jié)往往能夠促使我們思考并發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與操作上的誤區(qū)，只有不斷意識到不足之處才能讓研究不斷進(jìn)步。這也說明了目標(biāo)導(dǎo)向的研究性實(shí)驗(yàn)對于研究能力的提升，不僅體現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)前的調(diào)研設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)中的優(yōu)化與實(shí)驗(yàn)后撰寫論文的思考和討論，更體現(xiàn)在這一研究性實(shí)驗(yàn)結(jié)束之后的反思和總結(jié)。

5 案例分析

學(xué)生用超聲波輔助酯化反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)有一定的新穎性，同時該反應(yīng)具有條件溫和、不使用有毒有害溶劑、乙醇很容易回收利用、操作簡單等特點(diǎn)。該實(shí)驗(yàn)使用了超聲波清洗儀，沒能采用教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的帶攪拌功能的超聲波合成設(shè)備，影響了實(shí)驗(yàn)效果。盡管實(shí)驗(yàn)結(jié)果有些粗糙，收率僅有76%，但也比實(shí)驗(yàn)教材及以甲苯為帶水劑，微波輔助的合成方法收率要略高[46]，顯示了超聲波輔助方法在Fischer酯化反應(yīng)中的有效性。學(xué)生們的研究結(jié)果既對小分子酯類化合物合成有一定的借鑒意義，又可以作為本科有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中超聲波輔助酯化反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的一個優(yōu)選項(xiàng)。在實(shí)際教學(xué)中可以將催化劑合成穿插在實(shí)驗(yàn)時間短的前期實(shí)驗(yàn)中，核磁監(jiān)測反應(yīng)部分可以在實(shí)驗(yàn)時取樣處理，實(shí)驗(yàn)后利用課下時間測試并分析結(jié)果。

作為本科研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)，由于時間所限，盡管論文沒能就催化劑套用和收率等問題進(jìn)行進(jìn)一步的深入研究，但在實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生們自己提出了很多新思路、自學(xué)了很多新知識、自行解決了很多實(shí)際問題，已經(jīng)充分地體現(xiàn)了目標(biāo)導(dǎo)向的研究性實(shí)驗(yàn)在本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的優(yōu)勢和對于創(chuàng)新能力培養(yǎng)的教學(xué)效果。

6 結(jié)語

本文是對如何在實(shí)驗(yàn)課堂上培養(yǎng)學(xué)生“勇于探索的創(chuàng)新精神和善于解決問題的實(shí)際能力”的一次探索，也是對《有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)對科研素養(yǎng)的培養(yǎng)——目標(biāo)導(dǎo)向的研究性實(shí)驗(yàn)與創(chuàng)新能力培養(yǎng)》一文[4]的案例總結(jié)。本文以學(xué)生期末考試的研究論文“超聲波輔助的Fischer酯化反應(yīng)條件初探”為例，通過學(xué)生論文的全文展示、教師批注和學(xué)生反思相結(jié)合的方式，呈現(xiàn)了培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和科研能力的過程，直觀地再現(xiàn)了學(xué)生們從選題、文獻(xiàn)查閱、方案設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)優(yōu)化直到論文撰寫的全過程，以及學(xué)生們發(fā)現(xiàn)問題、提出解決方案和方案驗(yàn)證與優(yōu)化和對實(shí)驗(yàn)的反思的思維過程。

創(chuàng)新人才的培養(yǎng)是我國建設(shè)創(chuàng)新性國家的關(guān)鍵所在。傳統(tǒng)的有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課教學(xué)主要注重實(shí)驗(yàn)的基本操作技能的培養(yǎng)，并不適應(yīng)創(chuàng)新性人才的培養(yǎng)。如何在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中給學(xué)生提供一塊屬于自己的自由生長的空間是拔尖人才培養(yǎng)的關(guān)鍵。從查閱文獻(xiàn)、方案設(shè)計(jì)、實(shí)施、分析問題、找原因到解決的過程是科研實(shí)驗(yàn)室中一個非常普通的過程，但是如何在本科教學(xué)中實(shí)現(xiàn)，卻是一個非常難的課題。本文希望通過我們的實(shí)例與同行共同探討本科教學(xué)中創(chuàng)新精神和科研能力的培養(yǎng)方法。

此外，“來源于學(xué)生，應(yīng)用于學(xué)生”的故事也將更加激勵學(xué)生們未來從事基礎(chǔ)科學(xué)研究工作，提高“學(xué)生服務(wù)國家服務(wù)人民的社會責(zé)任感、勇于探索的創(chuàng)新精神和善于解決問題的實(shí)際能力”。