綠色創(chuàng)新型有機(jī)化學(xué)實驗教學(xué)模式構(gòu)建與實踐

查正根， 蘭 泉， 鄭 媛， 劉曉紅， 汪志勇，b， 鄭小琦，b

(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) a.化學(xué)實驗教學(xué)中心;b.化學(xué)系，安徽 合肥 230026)

0 引言

近年來，依托“國家理科基礎(chǔ)研究和教學(xué)人才培養(yǎng)基地”和“國家級實驗教學(xué)示范中心”建設(shè)，按照示范中心“基礎(chǔ)型—綜合型—創(chuàng)新型”實驗體系的建設(shè)要求，前期進(jìn)行了基礎(chǔ)型和綜合型有機(jī)化學(xué)實驗綠色化創(chuàng)建，取得了預(yù)期的效果［1］。近期，學(xué)校立足高遠(yuǎn)，在985三期規(guī)劃中明確強(qiáng)調(diào)，大力加強(qiáng)本科生實驗教學(xué)建設(shè)。配合學(xué)校建設(shè)規(guī)劃，并緊緊圍繞國家級實驗教學(xué)示范中心建設(shè)目標(biāo)，在課程體系建設(shè)、硬件建設(shè)、隊伍建設(shè)、教學(xué)成果建設(shè)等方面開展工作，努力創(chuàng)建綠色化學(xué)導(dǎo)向的創(chuàng)新型有機(jī)化學(xué)實驗，實現(xiàn)學(xué)科交叉，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力，提高我?；瘜W(xué)實驗教學(xué)的質(zhì)量和影響力［2-3］。

為此，我們構(gòu)建了與高水平大學(xué)相匹配的教學(xué)、科研硬件設(shè)備，跟蹤基礎(chǔ)研究進(jìn)展，結(jié)合本校、本課題組基礎(chǔ)研究成果，關(guān)注科學(xué)研究的熱點、前沿，設(shè)計創(chuàng)新型有機(jī)化學(xué)實驗。在常規(guī)的合成方法基礎(chǔ)上，增加微波和超聲波方法［4］;催化劑由傳統(tǒng)的無機(jī)化合物、金屬向有機(jī)小分子、納米金屬催化方向發(fā)展［5］;純化表征手段由定性到定量;創(chuàng)新實驗綠色化。創(chuàng)新型有機(jī)化學(xué)實驗既符合綠色化學(xué)理念、原子經(jīng)濟(jì)性，貼近生活、社會，又與科學(xué)研究的熱點、前沿內(nèi)容相銜接，充滿時代性和挑戰(zhàn)性。

1 構(gòu)建教學(xué)與創(chuàng)新相應(yīng)的硬件設(shè)施

近年來，基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)實驗室加快了實驗室硬件建設(shè)，實驗條件得到了顯著改善。新建化學(xué)樓按照一流高水平大學(xué)的要求對學(xué)生開放，為本科教學(xué)服務(wù)。在國家級實驗教學(xué)示范中心建設(shè)前，有機(jī)實驗室固定資產(chǎn)總值只有27萬元，僅開設(shè)驗證性實驗，綜合、創(chuàng)新型實驗要借助實驗中心平臺，這對于培養(yǎng)學(xué)生的實驗技能和儀器操作能力是有限的。國家級教學(xué)示范中心建設(shè)以來，學(xué)校投入上百萬經(jīng)費(fèi)新增了合成儀器、測試表征儀器。2010年投入143萬元儀器設(shè)備經(jīng)費(fèi)，2011年又增加了54萬元，中心選擇購買學(xué)生受益面廣的儀器設(shè)備，從學(xué)科特點、基礎(chǔ)研究角度選擇儀器，從綠色化學(xué)方面考慮選擇儀器 ，從創(chuàng)新型、探索性實驗需要選擇儀器，部分儀器如圖1所示，硬件設(shè)備得到了顯著提升，有力地保證了創(chuàng)新型有機(jī)化學(xué)實驗開設(shè)。反應(yīng)裝置反復(fù)優(yōu)化，增加實驗安全，實驗微量化、小量化、綠色化，操作安全、簡便，見圖2。實驗室全部配備IKA磁力攪拌加熱裝置，使用安全規(guī)范。

圖1 實驗室部分儀器

2 實驗內(nèi)容綠色、跟蹤基礎(chǔ)研究前沿

創(chuàng)新實驗項目建設(shè)以來，注重基礎(chǔ)，加強(qiáng)綜合，突出創(chuàng)新。中心對實驗內(nèi)容進(jìn)行改革與實踐，有機(jī)化學(xué)實驗均改為小量或微量實驗(見表1)，按照基礎(chǔ)—綜合—創(chuàng)新的層次開設(shè)。①盡量采用綠色溶劑(如水)和綠色試劑(低毒、無氣味);②開設(shè)植物(如蔬菜)的色素提取與分析、茶葉中咖啡因與茶多酚提取與分析、冬青油中主要成分的合成和巴比妥酸類鎮(zhèn)靜藥物的合成。實驗內(nèi)容貼近生活，增加實驗的趣味性。跟蹤基礎(chǔ)研究前沿，在綠色化學(xué)理念導(dǎo)向下，遵從3R(減量化、再使用和再循環(huán))原則和原子經(jīng)濟(jì)性原則［6］，在常規(guī)的合成方法基礎(chǔ)上，增加微波和超聲波方法;催化劑由傳統(tǒng)的無機(jī)化合物、金屬向有機(jī)小分子、納米金屬催化方向發(fā)展;純化表征手段由定性到定量，與基礎(chǔ)研究相一致，如圖3所示。

3 設(shè)計創(chuàng)新型有機(jī)化學(xué)實驗項目

以綠色化學(xué)為導(dǎo)向，跟蹤學(xué)術(shù)前沿、熱點，設(shè)計創(chuàng)新型有機(jī)化學(xué)實驗，實行自主、開放的實驗教學(xué)模式，實驗內(nèi)容貼近生活與科研，具有趣味性。

(1)水相Hantzsch(Biginlli/Claisen-Schmidt)反應(yīng)實驗設(shè)計。

Hantzsch、Biginlli、Claisen-Schmidt反應(yīng)既是人名反應(yīng)，又有最近的研究進(jìn)展，在文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，將這些反應(yīng)設(shè)計為一組水相微量有機(jī)合成實驗，訓(xùn)練學(xué)生分離純化技能，樹立綠色環(huán)保意識［7-8］。

(2)巴比妥酸衍生物的合成。

巴比妥酸衍生物作為鎮(zhèn)靜藥、安眠藥和麻醉藥收到人們的關(guān)注，設(shè)計巴比妥酸衍生物合成實驗，訓(xùn)練學(xué)生無水操作和活潑金屬的使用。

(3)水相Heck反應(yīng)實驗設(shè)計。

表1 有機(jī)化學(xué)實驗內(nèi)容

圖3 綠色化學(xué)導(dǎo)向的創(chuàng)新型實驗課程建設(shè)

由于Heck反應(yīng)對有機(jī)合成的貢獻(xiàn)，在2010年，Richard F.Heck因?qū)eck反應(yīng)的開創(chuàng)性研究而實至名歸地獲得諾貝爾化學(xué)獎。我們關(guān)注基礎(chǔ)研究的熱點，結(jié)合本研究室Heck反應(yīng)研究結(jié)果［9-10］，采用化學(xué)、微波和超聲波合成方法，設(shè)計綠色微量合成實驗。并讓學(xué)生了解水相納米Pd催化的Heck反應(yīng)機(jī)理。

(4)金屬促進(jìn)的水相C—C鍵偶聯(lián)反應(yīng)實驗設(shè)計。

表2 水相C—C鍵偶聯(lián)反應(yīng)使用的合成方法和促進(jìn)劑

表3 水相C—C鍵偶聯(lián)反應(yīng)的底物

結(jié)合本研究室多年研究成果，使用化學(xué)、電化學(xué)［11］、超聲波和微波合成方法，采用金屬、納米金屬和無機(jī)鹽為促進(jìn)劑，將水相Barbier-Grignard型反應(yīng)設(shè)計成創(chuàng)新型實驗，同一個類型反應(yīng)不同組合方式形成個性化的實驗內(nèi)容(見表2、3)，讓學(xué)生學(xué)習(xí)多學(xué)科交叉方面的知識［12-15］。

(5)多取代噁唑環(huán)合成實驗設(shè)計。

將本研究室的研究成果及時轉(zhuǎn)化為創(chuàng)新型實驗，合成天然化合物中存在的雜環(huán)，讓學(xué)生掌握學(xué)習(xí)科研中溶劑的處理方法和反應(yīng)底物的制備［16］。

(6)烯胺不對稱催化及在Aldol反應(yīng)中的應(yīng)用。

有機(jī)小分子催化是有機(jī)合成研究的前沿之一，將手性脯氨酸小分子用于Aldol反應(yīng)，讓學(xué)生學(xué)習(xí)不對稱催化方面的知識［17-18］。

4 創(chuàng)新實驗與自主開放相結(jié)合

為了提高教學(xué)質(zhì)量，適應(yīng)現(xiàn)代高水平高校培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的需要，應(yīng)該改變以前那種相對封閉的教學(xué)模式，加強(qiáng)有機(jī)實驗的開放性和應(yīng)用性。多所高校的探索和實踐證明，實行自主、開放式教學(xué)模式是行之有效的措施。

由此，本課程開設(shè)了自主、開放的創(chuàng)新型有機(jī)化學(xué)實驗專題:水相有機(jī)合成，納米催化劑制備及其催化的有機(jī)反應(yīng)，有機(jī)合成中C—H鍵活化、官能化，脯氨酸衍生物催化的不對稱Aldol縮合以及生物酶催化的有機(jī)反應(yīng)是有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)研究的熱點，我們以此為實驗內(nèi)容，結(jié)合傳統(tǒng)的、現(xiàn)代的分離純化、鑒定技術(shù)，設(shè)計以綠色化學(xué)和學(xué)術(shù)前沿導(dǎo)向的創(chuàng)新型有機(jī)化學(xué)實驗。

自主、開放式實驗教學(xué)主要通過5個方面的開放來實現(xiàn):①實驗時間和空間;②實驗內(nèi)容;③教學(xué)方法;④教學(xué)手段和管理手段;⑤實驗教學(xué)評價。在實驗室指導(dǎo)性的實驗選題下，學(xué)生自主選題、自己查閱文獻(xiàn)、自主設(shè)計方案，在教師指導(dǎo)下實施設(shè)計方案，通過選題，可以加強(qiáng)包括微量操作、綠色化學(xué)、納米技術(shù)、化學(xué)生物學(xué)為內(nèi)容的實驗操作等各項技能訓(xùn)練，實現(xiàn)二級學(xué)科甚至是一級學(xué)科相互交叉。完整的開放式實驗教學(xué)模式的形成，可以充分發(fā)揮學(xué)習(xí)中學(xué)生的主體作用，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新積極性，提高學(xué)生在實踐中發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力，使其成為具有創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的領(lǐng)軍人才、戰(zhàn)略人才。

5 創(chuàng)新型有機(jī)化學(xué)實驗多媒體教學(xué)

依托校級精品課程平臺，建立校精品課程、實驗中心和實驗室有機(jī)化學(xué)實驗網(wǎng)，三大網(wǎng)絡(luò)平臺相互支撐，網(wǎng)絡(luò)資源及時更新，及時介紹儀器維護(hù)與使用，實現(xiàn)實時實驗講解錄像、實時實驗過程拍攝錄像。實驗室配備投影儀和網(wǎng)絡(luò)接口，利用多媒體手段，使有機(jī)實驗課程生動、形象。

①校精品課程有機(jī)化學(xué)實驗網(wǎng)絡(luò)平臺:網(wǎng)址http://www.bb.ustc.edu.cn

②實驗中心有機(jī)化學(xué)實驗網(wǎng)絡(luò)平臺網(wǎng)址http://cec.ustc.edu.cn/teaching/base/o-chem

③實驗室有機(jī)化學(xué)實驗網(wǎng)絡(luò)平臺:網(wǎng)址http://ochem.ustc.edu.cn

6 應(yīng)用情況

有機(jī)化學(xué)實驗室建立了安全、有效的IKA加熱磁力攪拌反應(yīng)裝置，微波、超聲波反應(yīng)裝置，低溫反應(yīng)裝置和低溫循環(huán)裝置;構(gòu)建熔點儀、折光儀等物性數(shù)據(jù)測量儀器，化合物表征的氣相色譜儀、高壓液相色譜儀。滿足所有學(xué)生使用、操作，極大改善了基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)實驗室的環(huán)境和條件。

依托自然科學(xué)基金項目研究，將基礎(chǔ)研究、教學(xué)研究和綠色化學(xué)緊密地結(jié)合起來，進(jìn)行了:①Hantzsch(Biginlli/Claisen-Schmidt)反應(yīng)實驗設(shè)計;②巴比妥酸類鎮(zhèn)靜藥物的合成法;③水相Heck反應(yīng)實驗設(shè)計(化學(xué)、超聲波與微波法);④常規(guī)金屬、納米金屬促進(jìn)的水相C—C鍵偶聯(lián)反應(yīng)實驗設(shè)計(羰基化合物的allylation反應(yīng)和pinacol偶聯(lián)反應(yīng));⑤多取代噁唑環(huán)的合成實驗設(shè)計;⑥烯胺不對稱催化在Aldol反應(yīng)中的應(yīng)用實驗，實行自主、開放地實驗教學(xué)模式，先后在08級、09級、10級和11級實施，獲得學(xué)生好評。

創(chuàng)新型有機(jī)化學(xué)實驗內(nèi)容能滿足我校有機(jī)化學(xué)實驗教學(xué)要求，并能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)有機(jī)化學(xué)實驗的興趣，增強(qiáng)創(chuàng)新意識、環(huán)保意識。

基礎(chǔ)研究成果能及時轉(zhuǎn)化為創(chuàng)新型有機(jī)化學(xué)實驗，同時轉(zhuǎn)化為教學(xué)研究成果。

有機(jī)化學(xué)實驗的網(wǎng)絡(luò)資源生動、形象、直觀，起到非常好的演示效果。兩篇創(chuàng)新型實驗教學(xué)成果的論文在《實驗室研究與探索》雜志上發(fā)表。

按照綠色化學(xué)理念設(shè)計、實施的創(chuàng)新型有機(jī)化學(xué)實驗，起到輻射帶動作用。水相Heck反應(yīng)實驗設(shè)計受到兄弟院校關(guān)注，allylation反應(yīng)實驗曾為全國大學(xué)生化學(xué)實驗競賽內(nèi)容。

7 結(jié)語

通過國家級實驗教學(xué)示范中心建設(shè)，構(gòu)建與教學(xué)、科研相適應(yīng)的儀器、設(shè)備，實行自主開放的實驗教學(xué)模式，開設(shè)創(chuàng)新型有機(jī)化學(xué)實驗，新開的實驗跟蹤基礎(chǔ)研究前沿，及時轉(zhuǎn)化自己的研究成果和基礎(chǔ)研究熱點成果，實驗內(nèi)容豐富、綠色、貼近生活。創(chuàng)新型有機(jī)化學(xué)合成方法綠色多樣，催化劑由無機(jī)小分子到有機(jī)小分子、由常規(guī)金屬到納米金屬，純化、表征由定性到定量?；A(chǔ)研究、教學(xué)研究與創(chuàng)新型有機(jī)化學(xué)實驗相輔相成。同時，構(gòu)建創(chuàng)新型有機(jī)化學(xué)實驗網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，校級精品課程網(wǎng)、實驗中心網(wǎng)頁和實驗室網(wǎng)頁相互支撐，使實驗教學(xué)生動、形象。

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