基于创新能力培养的综合性有机化学实验教学设计_付伟伟.pdf

2023 年 1 月云南化工Jan 2023第 50 卷第 1 期Yunnan Chemical TechnologyVol.50，No.1doi:10.3969/j.issn.1004-275X.2023.01.43基于创新能力培养的综合性有机化学实验教学设计*付伟伟1，2，3，4，谢晓锋1，陈志涛1，何珊珊1，陈虹1，李双1(1.衡阳师范学院化学与材料科学学院，湖南衡阳421008;2金属有机新材料湖南省高校重点实验室，湖南衡阳421008;3功能金属有机化合物湖南省重点实验室，湖南衡阳421008;4.湘江上游重金属污染监测与治理湖南省工程研究中心，湖南衡阳421008)摘要:以对咪唑基苯甲醛和 3 乙酰基吡啶为原料，在碱性条件下合成了 4(咪唑基苯基)3，2:6，3 三联吡啶(L)，对合成的目标产物进行了表征。实验涉及了羟醛缩合、迈克尔加成、Krhnke 吡啶成环等多个有机化学反应，巩固了回流、抽滤、重结晶等多个有机化学实验基础操作，有助于学生掌握红外光谱、核磁共振1H 谱、13C 谱等多种表征手段，可进一步拓展学生对有机分子结构及其性质之间的构效关系的理解。建议将此实验开设为本科高年级综合性实验，综合锻炼学生对有机化学、无机化学、物理化学、分析化学等化学二级学科交叉知识点的理解与实践。关键词:三联吡啶;有机合成;波谱分析;单晶结构;荧光中图分类号:G634文献标识码:A文章编号:1004 275X(2023)01 0155 06Design of Comprehensive Organic Chemistry Experiment Teaching Based onCultivation of Innovative AbilityFu Weiwei1，2，3，4，Xie Xiaofeng1，Chen Zhitao1，He Shanshan1，Chen Hong1，Li Shuang1(1 College of Chemistry and Materials Science of Hengyang Normal University，Hengyang 421008，China;2 Key Laboratory of Organometallic New Materials，College of Hunan Province，Hengyang 421008，China;3 Key Laboratory of Functional Metal Organic Compounds of Hunan Province，Hengyang 421008，China;4 Hunan Engineering esearch Center for Monitoring and Treatment of Heavy Metals Pollutionin the Upper eaches of Xiangjiang iver，Hengyang 421008，China)Abstract:4 (Imidazolylphenyl)3，2:6，3 terpyridine(L)was synthesized under basic conditions with 4 (imidazolyl)benzaldehydeand 3 acetylpyridine as raw materials This project involves a variety of organic chemical reactions such as aldol condensation，Michael addition，Krhnke pyridine ring formation，etc，which consolidates the basic operation skills of various organic chemistry experiments such as reflux，suctionfiltration，and recrystallization，helps studentsmastering of infrared spectroscopy(I)，nuclear magnetic resonance of1H spectrum，13C spectrumand other characterization methods，and further expand studentsunderstanding of the structure property relationship between the single crystalstructure and luminescence property of organic molecules It is proposed to set this experiment as a comprehensive experiment in the senior gradesof undergraduates to comprehensively improve studentsunderstanding and exploration of the interdisciplinary knowledge of organic chemistry，in-organic chemistry，physical chemistry，analytical chemistry and other secondary disciplines of chemistryKey words:trpyridine;organic synthesis;spectral analysis;crystal structure;fluorescence党的十八大报告指出“科技创新是提高社会生产力和综合国力的战略支撑，必须摆在国家发展全局的核心位置”1。国务院印发了 关于推动创新创业高质量发展打造“双创”升级版的意见中明确提出要强化大学生创新创业教育培训，继续扎实开展各类创新创业赛事活动，不断提升大学生创新精神和实践能力2。为了应对新经济的挑战，从服务国家战略、满足产业需求和面向未来发展的高度而提出的新工科建设，是推动科技创新、产业创新教育发展的新思路，更加强化了对学生分析和解决问题的科学思维、创新意识、创新能力的培养和提升3。随着科学技术发展的进一步深入，随着综合创新性人才培养的广泛需要，推动相关学科的交叉融合已成为高校学科发展的新动力和培养新兴学科优秀人才的有效途径。学科交叉能有效锻炼学生的创新能力和协同能力，激发学生创新思维和实践能力的培养，更有助于深化课程体系、教学内容、教学方法以及实践教学手段的改革，探索多样化的创新型人才培养模式 4。根据我院各专业的教学培养需求，本文报道了一个基于作者科研成果且结构尚未见于报道的综合创新性实验 4(咪唑基苯基)3，2:6，3 三联吡啶(L)的合成、结构与性质。该实验内容能较好地体现有机化学、无机化学、物理化学、分析化学等化学二级学科的交叉与融合，激发学生求知欲和创新动力，锻炼学生理论联系实践能力、文献查阅、动手操作能力，并培养学生提出问题、分析问题、解决问题的综合能力，符合培养培养新兴学科创新型人才的要求 5。1实验设计的背景及意义三联吡啶及其衍生物具有 给电子能力及 受电子能力，能与多种金属离子形成稳定的配合物，是现5512023 年 1 月云南化工Jan 2023第 50 卷第 1 期Yunnan Chemical TechnologyVol.50，No.1代配位化学中应用广泛的一大类螯合配体5。三联吡啶及其衍生物与金属离子配位合成得到的金属配合物，广泛应用于离子交换、多相催化、气体存储和分离、发光、药物输送、电化学、等领域研究6。三联吡啶配体本身因其具有的不同取代基，在荧光探针方面上的应用具有良好的应用前景，部分被修饰的三联吡啶衍生物在金属阳离子、阴离子、生物分子和一些中性分子检测中表现出良好的荧光识别性能7。该类配体的研究涵盖多种化学二级学科中的基础知识:三联吡啶配体合成需要运用有机化学理论知识和实验操作技能，该反应包含了羟醛缩合、迈克尔加成、Krhnke 吡啶成环等多步反应，反应机理较为复杂，而且包括了加热控温、搅拌、回流、真空抽滤、重结晶、干燥等多种实验操作8;晶体的培养需要运用无机化学中水热/溶剂热方法，该方法可以提供产生高质量单晶的高温条件以及合适的降温速度9;晶体结构的解析需要运用结构化学、配位化学、计算化学相关知识，在确定原子种类，分析键长键角，处理无序结构单元等方面得到锻炼10;结构表征需要用到红外光谱和核磁共振氢谱和碳谱，性能测试需要用到紫外可见吸收光谱和荧光光谱，这又与物理化学和仪器分析密不可分11。2实验设计2.1实验目的1)学习利用 Krhnke 中间成环法制备三联吡啶的原理和方法;2)巩固回流、抽滤、洗涤、重结晶等基本操作;3)掌握熔点测定、红外光谱，核磁共振氢谱(1H NM)和核磁共振碳谱(13CNM)在化合物结构鉴定中的应用;4)掌握Chemdraw 软件进行有机化合物绘图的方法;5)了解单晶结构描述和晶体解析，学习 mercury软件的使用方法。6)掌握固体化合物荧光光谱的测试方法，学习通过 origin 软件进行数据处理的方法。2.2实验原理三联吡啶及其衍生物的合成方法有中间成环法，两侧成环法，偶联反应等多种类型2。其中 4位含有芳基取代基的三联吡啶及其衍生物的合成多采用Krhnke 中间成环法。该方法包括碱性条件下芳醛和甲基酮的羟醛缩合反应生成，不饱和酮，甲基酮和，不饱和酮的 Michael 加成生成 1，5 二酮，以及通过氨水、六次甲基四胺、铵根离子等提供氮源生成 1，4 二氢吡啶环，以空气中的氧气作为氧化剂发生氧化反应，得到吡啶环等四步反应12。本文以咪唑基苯甲醛和 3 乙酰基吡啶为原料，采用一锅法合成获得 4 (咪唑基苯基)3，2:6，3 三联吡啶。其合成路线如图 1 所示:图 14 (咪唑基苯基)3，2:6，3 三联吡啶的合成路线2.3试剂仪器主要试剂:3 乙酰基吡啶，甲醇，无水乙醇，浓氨水，氢氧化钾，N，N 二甲基甲酰胺(DMF)，均为分析纯。对咪唑基苯甲醛采购或者根据文献方法制备13。主要仪器:上海舜宇恒平 JY2003 电子天平，巩义予华 DF 101S 仪磁力搅拌器，蜀牛 500 mL 圆底烧瓶，布氏漏斗，蜀牛 500 mL 抽滤瓶，郑州杜甫 SHB IVA 循环水式多用真空泵，北京泰克 X 4 显微熔点测定仪，岛津 FTI 8700 红外光谱仪(4000 400 cm1);Bruker SMAT CCD 单晶衍射仪;BrukerAvance HD500 核磁共振仪;F 4500 荧光分光光度计(日本日立公司)。2.4实验步骤2.4.14 (咪唑基苯基)3，2:6，3 三联吡啶的合成在500 mL 的三颈烧瓶中加入 3.5 g(20 mmol)对咪唑基苯甲醛和4.4 mL(40 mmol)3 乙酰基吡啶，再向其中加入100 mL 甲醇，搅拌均匀后，称取 3.08 g 氢氧化钾固体加入到三颈烧瓶中，溶液变为橙红色，反应10 min，再用滴液漏斗缓慢滴加 60 mL 浓氨水。在油浴锅上78 回流 4 h，自然冷却至室温，然后放入冰箱冷藏一夜，使产品完全析出，静置分层，出现大量沉淀。抽滤，用冰甲醇充分洗涤，烘干得白色固体，1.85 g，产率为 24.7%，熔点为 229 230。本产品采用 DMF 作为溶剂进行重结晶，将合成的粗产品溶于沸6512023 年 1 月云南化工Jan 2023第 50 卷第 1 期Yunnan Chemical TechnologyVol.50，No.1DMF 中，1.0 mL 的 DMF 大约可溶 0.3 g 产品，热过滤，将滤液冷却至室温，抽滤，干燥，称重，计算产率。2.4.2熔点测定与纯度检测取适 量 干 燥 好 的 产 品(样 品 测 试 量 不 多 于0.1 mg)放在一片大小 25 76