化學(xué)專業(yè)科研創(chuàng)新訓(xùn)練的探索與實(shí)踐

周 鑫

(延邊大學(xué) 化學(xué)系,吉林 延吉 133002)

化學(xué)專業(yè)科研創(chuàng)新訓(xùn)練的探索與實(shí)踐

周 鑫

(延邊大學(xué) 化學(xué)系,吉林 延吉 133002)

培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新和科研能力，已成為當(dāng)前有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的重要組成部分之一。以新型香豆素衍生物的合成為例，開展了大學(xué)生的科研創(chuàng)新訓(xùn)練。實(shí)踐表明, 通過(guò)對(duì)化合物的設(shè)計(jì)路線、合成步驟、結(jié)構(gòu)表征及性質(zhì)研究等方面的探索與實(shí)踐，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,啟迪了學(xué)生的創(chuàng)新思維, 培養(yǎng)了學(xué)生分析和解決問(wèn)題的能力，提高了學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力及綜合素質(zhì)。

有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)； 有機(jī)合成; 創(chuàng)新訓(xùn)練； 香豆素; 合成; 性質(zhì)研究

0 引 言

培養(yǎng)大學(xué)生自主創(chuàng)新與科研能力是高等教育的重要職能之一，也是建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家的必然要求[1]?；瘜W(xué)作為一門建立在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的學(xué)科，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的基本知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技能，需要對(duì)學(xué)生加強(qiáng)科研創(chuàng)新方面的訓(xùn)練，提升學(xué)生的綜合素質(zhì)[2]。開展以創(chuàng)新性有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)為載體的大學(xué)生科研創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目是提升本科生創(chuàng)新能力以及自主學(xué)習(xí)能力的有效途徑[3]。有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)主要研究化合物的合成、分離、表征、分析測(cè)試及應(yīng)用，其綜合性比較強(qiáng)，注重學(xué)生在每一項(xiàng)環(huán)節(jié)中的參與。在此過(guò)程中，學(xué)生結(jié)合所學(xué)知識(shí)，以興趣為導(dǎo)向，從課題內(nèi)容著手，獨(dú)立查閱資料，并在老師的指導(dǎo)和幫助下完成科研訓(xùn)練項(xiàng)目，達(dá)到理解本學(xué)科的知識(shí)體系的目的。

香豆素是一類常見的熒光染料，其合成相對(duì)簡(jiǎn)單，適合用于本科生科研訓(xùn)練的素材。在前期工作的基礎(chǔ)上[4-11]，設(shè)計(jì)了一種香豆素衍生物(L),并以此開展了相應(yīng)的大學(xué)生科研創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目。在此項(xiàng)目中，學(xué)生在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下，通過(guò)查閱相關(guān)資料[12-16]，確定了目標(biāo)化合物及其合成路線。通過(guò)具體的實(shí)驗(yàn)操作及后續(xù)性質(zhì)的探索研究，培養(yǎng)了學(xué)生獨(dú)立分析和解決問(wèn)題的能力。達(dá)到了提高學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生理論知識(shí)與科研實(shí)踐的相互融合。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h2>

了解香豆素及衍生物的研究進(jìn)展、研究意義以及合成方法；掌握加熱、過(guò)濾、重結(jié)晶、萃取、柱層析等基本的實(shí)驗(yàn)操作技能；熟練旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀、紫外-可見分光光度計(jì)和熒光光譜儀等儀器的使用。通過(guò)具體的實(shí)驗(yàn)操作及后續(xù)的探索研究，掌握羥醛縮合等經(jīng)典有機(jī)反應(yīng)。培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析和解決問(wèn)題的能力，進(jìn)一步提高學(xué)生的科研創(chuàng)新能力。

2 實(shí)驗(yàn)方案

學(xué)生在老師的引導(dǎo)下，通過(guò)查閱數(shù)據(jù)庫(kù)，設(shè)計(jì)合成路線，確定如下實(shí)驗(yàn)方案:①通過(guò)4步有機(jī)反應(yīng)制備目標(biāo)化合物(L),具體合成路線如圖1所示;②對(duì)目標(biāo)化合物(L)進(jìn)行分離純化與表征;③對(duì)目標(biāo)化合物(L)的光譜性質(zhì)進(jìn)行探討。

圖1 目標(biāo)化合物L(fēng)的合成路線

3 實(shí)驗(yàn)儀器和試劑

儀器：圓底燒瓶，磁力攪拌器，電熱套，層析柱，直形冷凝器、錐形瓶，AV-300型核磁共振儀(瑞士布魯克)，UV-3010型紫外-可見分光光度計(jì)(日本島津)，RF-530IPC型熒光光譜儀(日本島津)。

試劑：4-二乙胺基水楊醛，丙二酸二乙酯，哌啶，濃鹽酸，冰醋酸，氫氧化鈉，無(wú)水乙醇，N,N-二甲基甲酰胺(DMF)，四氫呋喃，乙腈，三氯氧磷，(3,5,5-三甲基環(huán)己-2-烯亞基)丙二腈，無(wú)水硫酸鈉，石油醚，乙酸乙酯，二甲基亞砜(DMSO)，丙酮。

4 實(shí)驗(yàn)步驟

4.1 7-二乙胺基香豆素(1、2)的合成

量取1.2 mL(7.909 mmol)丙二酸二乙酯，放入100 mL雙口瓶中,加入10 mL無(wú)水乙醇及400 μL(4.040 mmol) 哌啶，攪拌10 min。稱取1.000 g(5.178 mmol) 4-二乙胺基水楊醛加到反應(yīng)體系中，加熱回流反應(yīng)，TLC跟蹤，反應(yīng)過(guò)程中溶液呈深紅色。反應(yīng)結(jié)束后，冷卻至室溫，得到目標(biāo)產(chǎn)物(1)?；衔?1)未經(jīng)進(jìn)一步分離純化繼續(xù)用于下一步反應(yīng)，向含有化合物(1)的單口瓶中緩慢加入10 mL濃鹽酸(38%)以及10 mL冰醋酸(99.5%)，加熱回流，TLC跟蹤反應(yīng)，此過(guò)程中溶液為紅棕色。反應(yīng)結(jié)束后，用氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)pH至中性，析出大量淡綠色固體。過(guò)濾，用蒸餾水潤(rùn)洗3次，干燥后得到粗產(chǎn)品，柱層析分離提純，流動(dòng)相EA∶PE=1∶5。分離得到淡綠色固體0.716 1 g，產(chǎn)率為63.7%。

1HNMR(300 MHz,CDCl3) δ 9.17(d,J=9.3 Hz,1H),8.85(d,J=2.0 Hz,1H),8.11(d,J=8.3 Hz,1H),7.67(s,1H),6.80-6.64(dd,J=8.3 Hz，2.0 Hz,1H),3.52(m,J=7.0 Hz,4H),1.29(t,J=7.0 Hz,6H).

4.2 7-二乙胺基-3-甲?；愣顾?3)的合成

氮?dú)獗Ｗo(hù)下，取出 2 mL精制的N,N-二甲基甲酰胺(DMF)加入到25 mL雙口瓶中。冰浴條件下，緩慢加入2 mL POCl3，滴加完畢后，將反應(yīng)體系移至室溫下攪拌1 h，此過(guò)程中溶液由無(wú)色變?yōu)榈t色。然后稱取0.100 g(0.460 mmol) 7-二乙胺基香豆素溶入1 mL精制的DMF中，并逐滴加到反應(yīng)體系。滴加完畢后，將反應(yīng)體系轉(zhuǎn)移至60 ℃油浴鍋中加熱，此過(guò)程中溶液由淡紅色變?yōu)樯罴t色，TLC跟蹤反應(yīng)。反應(yīng)結(jié)束后，趁熱將反應(yīng)體系緩慢倒入40 mL冰水中，析出大量紅色固體，過(guò)濾，干燥得粗產(chǎn)物。用乙醇重結(jié)晶，干燥得到紅棕色針狀固體 0.064 6 g，產(chǎn)率為57.3%。

1HNMR(300 MHz,CDCl3) δ 10.13(s,1H),8.26(s,1H),7.42(d,J=9.0 Hz,1H),6.69-6.64(dd,J=9.0,2.0 Hz 1H),6.51(d,J=2.0 Hz,1H),3.48 (m,J=7.0 Hz,4H),1.26(t,J=7.0 Hz,6H).

4.3 目標(biāo)產(chǎn)物(L)的合成

稱取30 mg(0.115 8 mmol) 7-二乙胺基-3-甲?；愣顾丶尤氲?5 mL單口瓶中，加入5 mL無(wú)水乙醇，溶解后加入33 mg(0.173 7 mmol)(3,5,5-三甲基環(huán)己-2-烯亞基)丙二腈，滴入催化量的哌啶20 μL(0.202 0 mmol)，加熱回流反應(yīng)2 h，析出綠色固體時(shí)停止反應(yīng)。將反應(yīng)體系過(guò)濾，固體干燥后用乙醇重結(jié)晶，得到綠色粉末狀固體 0.033 5 g，產(chǎn)率為70%。

1HNMR (300 MHz, CDCl3) δ 7.79 (s, 1H), 7.32 (d, J = 8.9 Hz, 1H), 7.22 (s, 1H), 7.12 (d, J = 16.1 Hz, 1H), 6.83 (s, 1H), 6.64 (dd, J = 9.0, 2.4 Hz, 1H), 6.51 (d, J = 2.4 Hz, 1H), 3.54-3.39 (m, J = 7.0 Hz, 4H), 2.58 (s, 2H), 2.46 (s,2H), 1.24 (t, J = 7.1 Hz, 6H), 1.06 (s, 6H).

13CNMR (75 MHz, CDCl3) δ 169.40, 161.26，156.62, 154.67, 151.54, 140.35, 131.48, 129.83, 129.40, 123.40, 115.80, 11,4.09，113.03, 109.79, 108.98, 96.88, 45.09, 42.72, 39.40, 32.27, 28.19, 12.85.

5 結(jié)果與討論

5.1 實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)

科研實(shí)踐訓(xùn)練能有效促進(jìn)理論知識(shí)的深化。目前香豆素類化合物的合成方法有很多，為了更好的將理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合，實(shí)驗(yàn)方案應(yīng)盡可能采用一些理論課程中常見的有機(jī)反應(yīng)。因此,本實(shí)驗(yàn)方案將羥醛縮合，維斯邁爾、脫羧等經(jīng)典反應(yīng)，與科研實(shí)踐相互結(jié)合。如圖2所示，在化合物(1)和化合物(L)的合成中，運(yùn)用了羥醛縮合(Aldol condensation)反應(yīng)，結(jié)合了有機(jī)化學(xué)理論課程中醛和酮的相關(guān)性質(zhì)及反應(yīng)機(jī)理。在此我們采用了堿催化機(jī)理，反應(yīng)過(guò)程中堿奪走了丙二酸二乙酯中α-H而生成碳負(fù)離子，碳負(fù)離子進(jìn)攻4-二乙胺基水楊醛的羰基而得到相應(yīng)的α，β不飽和酮?；衔?2)通過(guò)甲?；?Vilsmeier)得到化合物(3)，盡管理論課程中，我們對(duì)于Vilsmeier甲?；姆磻?yīng)接觸較少，但是為了更好的掌握其中的反應(yīng)歷程，學(xué)生通過(guò)自主學(xué)習(xí)，查閱相關(guān)資料，確定了其中的反應(yīng)路徑。首先N,N-二甲基甲酰胺(DMF)與三氯氧磷生成Vilsmeier試劑，然后這一亞甲基銨鹽正離子與7-二乙胺基香豆素發(fā)生親電取代反應(yīng)，生成一個(gè)過(guò)渡中間體，中間又經(jīng)過(guò)消去反應(yīng)，水解反應(yīng)而得到目標(biāo)化合物(L)。由化合物的設(shè)計(jì)，合成到反應(yīng)機(jī)理的探討，為科研實(shí)踐訓(xùn)練的展開奠定了可靠的基礎(chǔ)。

圖2 目標(biāo)化合物L(fēng)的反應(yīng)機(jī)理

5.2 化合物(L)的光譜性質(zhì)研究

5.2.1 化合物(L)在不同溶劑中的紫外和熒光光譜實(shí)驗(yàn)

準(zhǔn)確稱取化合物(L)，溶于二氯甲烷溶劑中，用10 mL的容量瓶定容，配制濃度為1.0 mmol·L-1的母液。用100 μL移液槍取出30 μL母液放入3 mL的測(cè)試管中，然后分別用乙腈，二氯甲烷，N,N-二甲基甲酰胺，乙醇，二甲基亞砜，四氫呋喃定容，配制成濃度為0.1 μmol·L-1的溶液，用于紫外和熒光光譜的測(cè)試實(shí)驗(yàn)。

5.2.2 化合物(L)在不同溶劑中的紫外和熒光光譜

為進(jìn)一步證實(shí)本科研創(chuàng)新項(xiàng)目的合理性與可靠性，對(duì)化合物(L)在不同溶劑中的紫外和熒光光譜進(jìn)行了檢測(cè)，從而促進(jìn)學(xué)生整體知識(shí)體系的構(gòu)建。如圖3所示，分別測(cè)定了本體濃度為0.1 μmol·L-1的化合物(L)在乙醇(C2H5OH)、丙酮(CO(CH3)2)、乙腈(CH3CN)、二甲基亞砜(DMSO)、四氫呋喃(THF)、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中的紫外吸收光譜。在366 nm處存在一個(gè)吸收峰，并且吸收強(qiáng)度較弱，這是1,2-苯并吡喃酮(香豆素)自身的吸收峰，當(dāng)增加(3,5,5-三甲基環(huán)己-2-烯亞基)丙二腈時(shí)，共軛程度增加，共軛體系能促進(jìn)紫外吸收向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，由數(shù)據(jù)可知，紫外光譜中斯托克位移至少增加了140 nm，發(fā)生了較大程度的位移。結(jié)合有機(jī)化學(xué)理論課程中分子結(jié)構(gòu)與紫外吸收的關(guān)系相關(guān)性質(zhì)知，這是由于共軛體系越大時(shí)，最高占據(jù)軌道(HOMO)和最低空軌道(LUMO)的能量差越小，紫外吸收波長(zhǎng)越長(zhǎng)所引發(fā)的，一般每增加一個(gè)共軛π鍵，吸收波長(zhǎng)向長(zhǎng)波方向移動(dòng)30 nm?；衔?L)在所有溶劑中的紫外吸收峰都達(dá)到了500 nm以上，并且N,N-二甲基甲酰胺和二甲基亞砜中的最大吸收峰在522 nm和530 nm處。

圖3 化合物(L)在不同溶劑中的紫外吸收光譜

對(duì)于化合物(L)的熒光性質(zhì)也進(jìn)行了研究，如圖4所示。在狹縫寬度為3 nm/3 nm時(shí)，分別測(cè)定了本體濃度為0.1 μmol·L-1的目標(biāo)化合物(L)在不同溶劑中熒光發(fā)射光譜。數(shù)據(jù)表明，在激發(fā)波長(zhǎng)為507 nm時(shí)，四氫呋喃的熒光發(fā)射峰在626 nm處，乙醇、丙酮、乙腈的發(fā)射峰都在640 nm處，與1,2-苯并吡喃酮(香豆素)在450 nm的發(fā)射峰相比，發(fā)生了很大程度的斯托克位移。并且N,N-二甲基甲酰胺和二甲基亞砜中溶劑中的發(fā)射峰為657、661 nm，已經(jīng)達(dá)到了近紅外波長(zhǎng)范圍，而且熒光強(qiáng)度較高。預(yù)期目標(biāo)化合物(L)作為近紅外熒光染料可以在生物成像、檢測(cè)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

圖4 化合物(L)在不同溶劑中的熒光發(fā)射光譜

6 結(jié) 語(yǔ)

在老師及學(xué)生的共同努力下，成功地合成了新型的香豆素衍生物即目標(biāo)化合物(L)，利用核磁共振手段對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征，學(xué)生通過(guò)自主學(xué)習(xí)，獨(dú)立完成了譜圖的解析；運(yùn)用紫外吸收光譜、熒光發(fā)射光譜對(duì)目標(biāo)化合物(L)的性質(zhì)進(jìn)行了研究。

通過(guò)對(duì)化合物的設(shè)計(jì)、合成、反應(yīng)機(jī)理的探討以及性質(zhì)的研究過(guò)程，激發(fā)學(xué)生自主探究的興趣，為創(chuàng)新思維的形成提供良好的基礎(chǔ)。從理論到實(shí)際操作再對(duì)理論的摸索，增強(qiáng)了學(xué)生認(rèn)識(shí)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。

[1] 郝 智, 伍玉嬌, 張金柱, 等. 以大學(xué)生科研訓(xùn)練計(jì)劃為載體 培養(yǎng)創(chuàng)新人才[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索, 2010(11): 71-74.

[2] 肖麗萍, 呂 萍, 王彥廣. 化學(xué)專業(yè)本科生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的探索與實(shí)踐[J]. 大學(xué)化學(xué), 2009(2): 24-26.

[3] 陳水生, 朱娟娟. 大學(xué)生科研創(chuàng)新訓(xùn)練的探索與實(shí)踐——以1,4-二(1-羧亞甲基-4-咪唑基)苯的合成為例[J]. 化學(xué)教育, 2015(2): 26-29.

[4] Zhou X, Jin X, Sun G,etal. A cysteine probe with high selectivity and sensitivity promoted by response-assisted electrostatic attraction[J]. Chem Commun, 2012, 48(70): 8793-5.

[5] Zhou X, Kwon Y, Kim G,etal. A ratiometric fluorescent probe based on a coumarin-hemicyanine scaffold for sensitive and selective detection of endogenous peroxynitrite[J]. Biosens Bioelectron, 2015, 64: 285-91.

[6] Liu Z, Guo S, Piao J,etal. A reversible fluorescent probe for circulatory detection of sulfites through a redox-based tandem reaction[J]. RSC Adv, 2014, 4(97): 54554-54557.

[7] Zhou X, Jin X, Sun G,etal. A sensitive and selective fluorescent probe for cysteine based on a new response-assisted electrostatic attraction strategy: the role of spatial charge configuration[J]. Chemistry, 2013, 19(24): 7817-24.

[8] Baek Y, Park S J, Zhou X,etal. A viscosity sensitive fluorescent dye for real-time monitoring of mitochondria transport in neurons[J]. Biosens Bioelectron, 2016.

[9] Li C, Liu Z, Miao Y,etal. A reversible fluorescent chemosensor for selective and sequential detection of copper ion and sulfide[J]. Dyes and Pigments, 2016, 125: 292-298.

[10] Zhou X, Wu X, Yoon J. A dual FRET based fluorescent probe as a multiple logic system[J]. Chem Commun, 2015, 51(1): 111-3.

[11] Zhou X, Zeng Y, Liyan C,etal. A Fluorescent Sensor for Dual-Channel Discrimination between Phosgene and a Nerve-Gas Mimic[J]. Angew Chem Int Ed Engl, 2016, 55(15): 4729-33.

[12] 郭 萍. 香豆素和香豆素類的合成方法及研究進(jìn)展[J]. 遼寧化工, 1998(2): 18-20.

[13] 焦亞聰. 烏爾曼C-O偶聯(lián)反應(yīng)及簡(jiǎn)單香豆素合成方法學(xué)的研究[D]. 蘭州:蘭州理工大學(xué), 2014.

[14] 李品華, 阮學(xué)海, 孫興華. 香豆素合成方法的研究[J]. 淮北煤師院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2002(1): 51-54.

[15] 徐小波, 關(guān)啟明, 顏繼忠, 等. 香豆素類化合物合成方法最新研究進(jìn)展[J]. 化學(xué)工程與裝備, 2008(2): 83-87.

[16] 趙麗娟. 6，7-二甲氧基香豆素的合成與研究[D]. 蘭州:蘭州交通大學(xué), 2012.

Exploration and Practice of Innovative Training Project in Chemistry Researches for Undergraduates

ZHOUXin

(Department of Chemistry, Yanbian University, Yanji 133002, Jilin, China)

Cultivation of innovation and research capacities of undergraduates has become one of the important components of organic chemistry experiment teaching system. In this paper, we have taken the synthesis of new coumarin derivative as an innovative training project for college students, the experiment design includes the design routes, synthesis, structure characterization and properties study. The results indicated that this innovative training project can enable to stimulate students’ learning interests, inspire their creative thinking ability, develop their ability of analyzing and solving problems, and improve their creative and practical ability.

organic chemistry experiment; organic synthesis; innovation training; coumarin; synthesis; properties study

2016-03-14

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(21662037)；吉林省青年科研基金項(xiàng)目(20160520003JH)

周 鑫(1986-)，男，吉林延吉人,博士，講師，主要從事化學(xué)生物學(xué)方面的研究。

Tel.:18943702030;E-mail：zhouxin@ybu.edu.cn

G 642．0

A

1006-7167(2017)02-0177-04