張艷榮，涂 琴，汪玉秀

(西北農(nóng)林科技大學(xué)化學(xué)與藥學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

農(nóng)林院校有機化學(xué)是多個生物類專業(yè)的必修課，以豐富多彩的課堂內(nèi)容激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣顯得尤為重要[1]。雖然各種學(xué)習(xí)視頻和媒介層出不窮，但不可否認(rèn)的是，課本上的知識是最基礎(chǔ)的內(nèi)容，其中許多內(nèi)容可以通過自學(xué)即可掌握，照本宣科地講解這些，只能是水課，并不利于學(xué)生自我學(xué)習(xí)能力的提升；同時，自主學(xué)習(xí)是大學(xué)生立足信息化社會的必備技能之一[2]。華人數(shù)學(xué)界的領(lǐng)袖人物，丘成桐先生十分關(guān)注國內(nèi)人才的培養(yǎng)，卻拋出一個讓人意想不到的結(jié)論：“這些年，中國大學(xué)的基礎(chǔ)教育存在很多問題，大學(xué)生的基礎(chǔ)水平，尤其是修養(yǎng)和學(xué)風(fēng)在下降”。在本科課堂教學(xué)方面，重要的并不是學(xué)生掌握了多少具體知識，記住了多少結(jié)論，更為重要的是要深層次地理解這些結(jié)論是如何被歸納總結(jié)出來的。在本科課堂教學(xué)方面，讓學(xué)生學(xué)會知其然，知其所以然，將認(rèn)知上升到一個新的高度，從而將“水課”轉(zhuǎn)為“金課”。另外，現(xiàn)在越來越多的高等院校特別強調(diào)教授要走入大學(xué)的課堂。其原因之一是教授由于多年從事科學(xué)研究，洞悉最新的科研發(fā)展前沿，可以為課堂注入新的活力，從而能更好地激發(fā)學(xué)生的求知欲。

2016年，《自然》一篇新聞深度分析文章將聚集態(tài)熒光增強(aggregation-induced emission，AIE)列為支撐未來納米光革命的四大納米材料之一，且是其中唯一一個由我國科學(xué)家原創(chuàng)的新材料體系[3]。筆者從教十年，深深體會到教學(xué)與科研相輔相成道理[4]。本人近幾年主要研究領(lǐng)域是基于激發(fā)態(tài)分子內(nèi)質(zhì)子轉(zhuǎn)移機理的聚集態(tài)熒光增強(aggregation-induced emission，AIE)分子的設(shè)計及生物學(xué)應(yīng)用[5]。在此，擬從“聚集態(tài)熒光增強”的概念、發(fā)現(xiàn)、機理及其生物學(xué)應(yīng)用等方面，闡述它是怎樣助力大學(xué)有機化學(xué)課堂。

1 課堂思政

現(xiàn)在本科教育之所以非常注重課堂思政，就是幫助學(xué)生端正人生態(tài)度，不忘初心，牢記使命[6]。在緒論部分，本人沒有開篇大論講解有機化學(xué)發(fā)展史，而是介紹聚集態(tài)熒光增強的發(fā)現(xiàn)過程。十幾年前，唐本忠院士覺得六苯基噻咯(HPS)這一有機分子結(jié)構(gòu)很漂亮，就安排學(xué)生去研究一下這種高顏值分子的性質(zhì)。學(xué)生意外發(fā)現(xiàn)，HPS分子在溶液中不發(fā)光，在溶液揮發(fā)后卻發(fā)出很強的光。這種現(xiàn)象與當(dāng)時已寫入教科書數(shù)十年的一個光物理學(xué)常識正好相反——(聚集態(tài)熒光淬滅，ACQ)。唐本忠院士發(fā)表關(guān)于AIE現(xiàn)象的論文之后，就有同行遺憾地表示，自己做實驗時也曾看到過這種現(xiàn)象，卻未深入研究。此時，引發(fā)學(xué)生思考：到底是什么原因使別的研究者與這一重大發(fā)現(xiàn)失之交臂？筆者認(rèn)為有如下方面的原因：一是沒有深入理解熒光產(chǎn)生的本質(zhì)及影響熒光效率的潛在因素，即基礎(chǔ)理論知識不夠扎實；二是缺乏挑戰(zhàn)傳統(tǒng)觀念的勇氣，沒有深入的了解被大家公認(rèn)的公理的來由。許多重大的發(fā)明“看似偶然，絕非偶然”，愛因斯坦曾經(jīng)說過：“沒有僥幸這回事，最偶然的意外，似乎也都是有必然性的?！比魶]有平時帶著目標(biāo)的思考和學(xué)習(xí)，怎么可能在偶然中觸發(fā)靈感，得出破天荒的創(chuàng)新和發(fā)現(xiàn)。

2 加深對有機化學(xué)鍵的認(rèn)識

有機化合物分子中的原子主要是靠共價鍵相結(jié)合的。恰恰正是分子中成鍵方式的差異，造成了不同有機化合物之間的性質(zhì)迥然不同。有機化學(xué)共價鍵的類型包括σ和π鍵。通過σ鍵連接的兩個原子或基團，可以繞鍵軸自由旋轉(zhuǎn)，σ鍵不會發(fā)生斷裂。π鍵則不然。一般的教材是通過以乙烷和丁烷的對位優(yōu)勢構(gòu)象和環(huán)己烷的椅式構(gòu)象為典型案例來闡述σ鍵的旋轉(zhuǎn)[7]。

許多學(xué)生對這部分知識的理解只是局限在這樣的一個層次，或許還會產(chǎn)生這樣的疑惑，這部分知識有什么潛在的應(yīng)用價值呢？這時向?qū)W生拋出這樣的問題：同樣是發(fā)光分子，為何有的是ACQ式孤膽英雄，有的則具備AIE式團隊精神，越聚集，越發(fā)光！采取蛛絲剝繭的方式向?qū)W生闡述。首先深入淺出的介紹熒光的產(chǎn)生原理。接著以HPS為例，闡述AIE的機理，從而加深σ鍵旋轉(zhuǎn)的概念。HPS在單分子狀態(tài)下分子構(gòu)型是個非平面結(jié)構(gòu)，周邊的苯環(huán)與中心乙烯平面各呈一定的角度，能夠圍繞σ鍵自由旋轉(zhuǎn)。而在固態(tài)或聚集狀態(tài)下，周邊苯環(huán)的旋轉(zhuǎn)也大幅度受到抑制，因此導(dǎo)致了聚集態(tài)下熒光的顯著增強?；谏鲜龇治觯票局姨岢隽朔肿觾?nèi)旋轉(zhuǎn)受限(restriction of intramolecular rotation，RIR)機制：HPS分子在分散狀態(tài)下，激發(fā)態(tài)的能量通過分子內(nèi)苯環(huán)轉(zhuǎn)動這一運動方式消耗掉，就無法通過輻射方式消耗，因此不發(fā)光。但當(dāng)這些分子聚集起來時，分子間錯落堆架，苯環(huán)運動受限，能量就可以通過輻射途徑消耗了，因此越聚集越發(fā)光。因此激發(fā)態(tài)的能量，并不一定會以熒光的形式釋放出來，還有多種其他途徑，比如激發(fā)態(tài)分子內(nèi)鍵的旋轉(zhuǎn)，也會消耗分子激發(fā)態(tài)的能量，從而降低發(fā)光效率。這時要告誡學(xué)生，正如雷鋒同志所說，我們要把有限的時間投入到無限的為人民服務(wù)中去，而我們要把有限的精力投入到自已的學(xué)業(yè)中去，將來更好地報答我們的祖國。

最后向?qū)W生介紹唐院士課題組是如何進一步確認(rèn)該機理。他們考察了HPS溶劑的粘度和溫度對溶液的發(fā)光情況。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)增加溶劑粘度或者降低溶液溫度，也同樣能夠觀測到熒光強度的增加。通過這些的講解，可以幫助學(xué)生逐步建立分析問題、解決問題的能力，體現(xiàn)出素質(zhì)教育。此時，想學(xué)生拋出問題：為什么HPS不是平面分子？同時，引導(dǎo)學(xué)生逆向思維模式，假設(shè)周圍的苯環(huán)與中心骨架共平面，將會導(dǎo)致相鄰苯環(huán)之間的距離太近，以致小于氫原子半徑之和從而產(chǎn)生非鍵斥力。這樣，學(xué)生會進一理解，減少非鍵斥力是鏈狀化合物以鋸齒狀存在的根本原因。筆者認(rèn)為通過這樣的講解，學(xué)生對σ鍵的旋轉(zhuǎn)會有一個質(zhì)的飛躍，靈活應(yīng)用非鍵斥力解釋優(yōu)勢構(gòu)象的相關(guān)問題，到達“溫故而知新”和融會貫通的目的。

同時，可以讓學(xué)生通過查閱文獻，了解激發(fā)態(tài)分子都有哪些去活化的過程呢？比如，常用于治療皮膚癌的光動態(tài)治療，就是激發(fā)態(tài)分子的另一種去活化的途徑的有效應(yīng)用。這時可以啟發(fā)學(xué)生，我們用掌握的知識(好比為激發(fā)態(tài)的分子)為祖國做貢獻的方式有很多途徑(去活化的過程)，可以根據(jù)自身的特點(分子本身的特性)，將自身的價值得到最大程度的有效利用?？梢砸詿晒獾男问?，照亮周圍的世界；可以通過系間穿越，從單線態(tài)轉(zhuǎn)為三線態(tài)，產(chǎn)生具有高細胞毒性的活性氧，殺死周圍的有害微生物，為民除害；也可以通過分子運動，轉(zhuǎn)化為熱能，實現(xiàn)光熱治療，溫暖人間。

3 深度認(rèn)識分子間作用力

在闡述AIE發(fā)光機理時，提及苯環(huán)的旋轉(zhuǎn)受限，同學(xué)們可能只是認(rèn)為從溶液中的單分散態(tài)到聚集態(tài)，分子可以活動的空間減少了而已，其實并非完全如此。另外一個原因是多種分子間作用力的存在。

在許多教材中，分子間作用力僅僅用來闡明分子結(jié)構(gòu)與分子沸點之間的關(guān)系[8]。比如常用分子間氫鍵和分子內(nèi)氫鍵解釋4-硝基苯酚和2-硝基苯酚沸點的不同。而分子間作用力，就不是簡單地依靠分子球棍模型可以解釋清楚了[9]。筆者相信，在連續(xù)的不同章節(jié)，從不同角度去解釋聚集態(tài)熒光增強這一現(xiàn)象，將會在學(xué)生腦海里呈現(xiàn)出更清晰的畫面，認(rèn)識可以逐漸得以升華。除了在課本里常將的幾種分子間作用，還有一些相對較弱的分子間作用。通過Mercury軟件，讓學(xué)生眼見為實，看到各種分子間作用，進一步認(rèn)識分子是如何聚集起來的。我們可以給出檢索晶體cif文件的網(wǎng)址(https：//www.ccdc.cam.ac.uk/deposit/)。下載已報道分子晶體數(shù)據(jù)，來豐富我們的有機課堂。

我們以四苯基乙烯(TPE)分子為例，做進一步的闡述。在TPE分子結(jié)構(gòu)中，四個苯環(huán)以單鍵的方式連接到中心平面結(jié)構(gòu)的乙烯的兩個碳原子上，其中苯環(huán)可以圍繞乙烯這個定子做一定程度的旋轉(zhuǎn)。因此，TPE分子是非常典型的AIE分子。它在稀溶液中以單分子形式存在，通過分子內(nèi)旋轉(zhuǎn)運動以非輻射方式衰減到基態(tài)。在聚集狀態(tài)下，由于C-H…π分子間作用力的存在(圖1)從而限制了非輻射通道并且開啟了熒光輻射路徑。

圖1 TPE分子中C-H…π分子間作用力

另外，從本人的授課過程中覺察到，很多學(xué)生會錯誤的認(rèn)為，一種分子之間只會存在特定的幾種分子間作用了，從而表現(xiàn)出固定的一種聚集態(tài)性質(zhì)。其實不然。一種分子在不同的結(jié)晶環(huán)境下，可以通過不同的分子間作用力，導(dǎo)致分子不同的堆積方式，從而在宏觀上表現(xiàn)出不同的熒光現(xiàn)象。我們教研室的一名教師就報道過這一方面的研究成果[10]。一系列芴酮衍生物，當(dāng)分子從甲苯溶解中結(jié)晶出來時，主要存在分子間的π-π作用力，從而發(fā)射出紅色的熒光；然而當(dāng)分子從二氯甲烷中結(jié)晶出來時，主要存在分子間的C-H…O作用了，從而發(fā)射出黃的熒光(見圖1)。并且，這兩種熒光可以在加熱或研磨等外界條件下發(fā)生相互轉(zhuǎn)變。

4 服務(wù)后續(xù)課程

在課程內(nèi)容的安排上，后面的幾章內(nèi)容(糖、氨基酸、蛋白質(zhì)等等)是為后續(xù)課程(細胞生物學(xué))做鋪墊。對后續(xù)的知識提前有些了解，可以激發(fā)學(xué)生的求知欲。讓學(xué)生清楚地認(rèn)識到，學(xué)科之間都有一定的相關(guān)性，即領(lǐng)悟交叉學(xué)科的重要性。

我們是農(nóng)林院校，許多學(xué)生將來會在分子水平上探索各種生命過程。熒光標(biāo)記法是一種研究各種生物過程，觀測細胞及外界刺激下的細胞響應(yīng)的重要手段[11]。然而，許多有機熒光團是由大的疏水性稠合多核環(huán)構(gòu)成的，當(dāng)其分散在生理環(huán)境水介質(zhì)中時，容易聚集，從而產(chǎn)生臭名昭著的ACQ效應(yīng)。AIE材料為有機熒光團在細胞成像領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新的思路。AIE點具有如下的特點：高熒光量子產(chǎn)率、良好的光穩(wěn)定性，極好的生物兼容性，使其在深度和長期細胞成像和跟蹤方面中具有極大的潛能。

細胞是由多個細胞器組成的，各自發(fā)揮著不同的功能，維持細胞正常的生理功能。細胞自噬是細胞生物學(xué)中一個新名詞。這一過程在1970和2004分別被授予諾貝爾醫(yī)學(xué)獎和諾貝爾化學(xué)獎。唐院士課題組合成了原位監(jiān)測細胞凋亡過程的AIE熒光分子。他們意外地發(fā)現(xiàn)帶有四個電荷的分子TPE-4EP+在連續(xù)光照下，熒光信號會逐漸從線粒體向細胞核區(qū)域轉(zhuǎn)移，同時伴隨著細胞體積收縮、胞膜小泡狀以及形態(tài)學(xué)變化等細胞凋亡的典型特征。他們把這以過程以視頻的形式記錄下來。通過這一案例，讓學(xué)生深刻地體會到有機化學(xué)課堂上所學(xué)到的知識可以有效地延伸到其他課程中去。

5 結(jié) 語

圍繞聚集態(tài)熒光增強這一發(fā)光現(xiàn)象，將這一獨特現(xiàn)象的概念、發(fā)現(xiàn)、機理的提出與驗證及后續(xù)的生物應(yīng)用，貫穿與整個有機化學(xué)的學(xué)習(xí)中，讓學(xué)生領(lǐng)悟到一個新研究領(lǐng)域的發(fā)生、發(fā)展及實際應(yīng)用。如何應(yīng)用學(xué)到的基本知識去理解這一新的概念，又是如何反過來加深我們對這些基礎(chǔ)知識的理解。讓學(xué)生真正地感悟到學(xué)有所用，而不會僅僅體現(xiàn)在卷面的高分上。