綠色合成AIE希夫堿化合物的模塊化教學實驗設(shè)計

＊施連旭 徐知雨 付雪鵬 殷航 李加民 陳立鋼

（東北林業(yè)大學 化學化工與資源利用學院 黑龍江 150040）

基礎(chǔ)有機化學實驗在高等教育中占據(jù)重要地位，是化學、化工、石油、材料、生物、醫(yī)藥、食品等相關(guān)專業(yè)人才培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)[1]。由于有機化學反應(yīng)通常具有反應(yīng)時間長，副反應(yīng)多等特點，因此，一個良好的本科教學實驗項目應(yīng)具有以下幾個特征：（1）時效性強，能夠在一定的教學時數(shù)下完成一個相對獨立、完整的實驗內(nèi)容；（2）重現(xiàn)性高，反應(yīng)條件在一定范圍內(nèi)波動均能發(fā)生目標反應(yīng)，使教學過程穩(wěn)定可控；（3）綠色環(huán)保，實驗項目應(yīng)盡可能無毒、綠色，有害排放少，保證學生的實驗環(huán)境安全，也使教學過程對環(huán)境污染??；（4）操作技能典型性，實驗內(nèi)容應(yīng)包含常規(guī)的基本有機實驗操作，培訓學生的基本實驗技能。此外，實驗內(nèi)容也應(yīng)盡可能激發(fā)學生的實驗興趣，為課程思政教學提供典型案例。

醛酮與伯胺縮合生成希夫堿（Schiff base）的反應(yīng)是有機化學中經(jīng)典反應(yīng)類型之一，具有產(chǎn)率高、反應(yīng)快、普適性強等特點，且此類反應(yīng)是底物加合消除水的過程，不產(chǎn)生額外污染，具有較好的原子經(jīng)濟性。聚集誘導發(fā)光（AIE，Aggregation-induced Emission）是一種特殊的光致發(fā)光現(xiàn)象，由我國化學家唐本忠院士于2001年首先提出[2]，近些年已成為一個熱點研究方向，有報道稱水楊醛類希夫堿化合物具有AIE性質(zhì)[3-4]。以AIE材料合成為切入點，結(jié)合縮合反應(yīng)特性，設(shè)計基于水楊醛的AIE希夫堿合成的實驗項目，能較好符合基礎(chǔ)有機化學實驗要求[5-6]。然而，希夫堿合成通常是以醇、HTF、DMF、DMSO等為溶劑進行的，在大規(guī)模的實驗中會造成大量的廢液污染，為此我們研究以H2O為溶劑的綠色合成，并結(jié)合水楊醛希夫堿的AIE特性，創(chuàng)新設(shè)計了基礎(chǔ)及綜合兩種類型的實驗教學方案，使該實驗項目在實際的教學應(yīng)用中更具有實踐性。

1.實驗?zāi)康?/h2>

（1）學會加熱回流、抽濾、固體干燥、重結(jié)晶的實驗基本操作；

（2）掌握醛酮與胺的縮合反應(yīng)原理及其制備希夫堿的方法；

（3）理解分子發(fā)光機理，了解聚集誘導發(fā)光效應(yīng)及其形成機理；

（4）熟悉核磁共振儀、紅外光譜儀、熒光光譜儀的基本操作及數(shù)據(jù)分析；

（5）培養(yǎng)學生綠色化學思維，拓寬學生視野，增強其科研素養(yǎng)。

2.實驗原理

(1)希夫堿的合成

希夫堿是指分子結(jié)構(gòu)中具有亞胺基團（R1R2C=N-R3）的一類有機化合物，一般由羰基與伯氨基發(fā)生親核加成-消除（縮合）反應(yīng)合成。本實驗以N1,N1-二甲基對苯二胺1與取代水楊醛2進行縮合反應(yīng)合成相應(yīng)的希夫堿產(chǎn)物3。加熱有利于親和加成及消除反應(yīng)的進行，為提高該反應(yīng)速率，一般采用高溫反應(yīng)。

圖1 水楊醛與芳胺反應(yīng)過程

(2)光致發(fā)光機理及AIE現(xiàn)象

以一定波長的光輻射有機分子時，有機分子吸收入射光能量后從較低的分子能級躍遷至較高能級，形成激發(fā)態(tài)分子。當電子從分子的第一激發(fā)單重態(tài)回到基態(tài)時，會產(chǎn)生輻射躍遷和非輻射躍遷，其中輻射躍遷伴隨著光子的發(fā)射，產(chǎn)生分子發(fā)光，即熒光，而非輻射躍遷則通過多種轉(zhuǎn)化以熱能形式將能量散失。一般，分子的共軛體系較大時，分子的基態(tài)與激發(fā)態(tài)能級差較小，有利于熒光的產(chǎn)生。當共軛分子結(jié)構(gòu)是由較小共軛單元如芳基、乙烯基等通過單鍵連接而成的大共軛體系，分子在溶解狀態(tài)時，由于分子內(nèi)的自由運動顯著，導致分子激發(fā)態(tài)能量主要以非輻射躍遷形式散失，因而分子不發(fā)光或發(fā)光較弱。但分子在聚集狀態(tài)下，由于分子間緊密堆積，分子內(nèi)運動受限，非輻射躍遷方式減弱，激發(fā)態(tài)能量主要以輻射躍遷形式釋放，因而能夠發(fā)射較強的熒光，分子的這種由于聚集態(tài)而顯著發(fā)光的現(xiàn)象即為聚集誘導發(fā)光（AIE）[7]。

3.儀器和試劑

試劑：水楊醛（GR，99%，麥克林）、5-氯水楊醛（98%，麥克林）、4-甲氧基水楊醛（98%，麥克林）、N1,N1-二甲基對苯二胺（97%，阿拉丁試劑）、無水乙醇（AR，科密歐試劑）、甲酸（科密歐試劑）、聚乙二醇6000（LR，大茂）、去離子水。所用試劑來源均為商業(yè)購買，除特殊說明外，均未作進一步純化處理。

儀器及測試方法：集熱式磁力攪拌器、三用紫外分析儀、分析天平、水循環(huán)式真空泵、吸濾瓶、吸濾漏斗、圓底燒瓶、球型冷凝管等。

4.實驗內(nèi)容

(1)水楊醛希夫堿化合物的合成

以化合物3a的合成為典型操作進行描述。25mL圓底燒瓶內(nèi)加入去離子水（5mL）及聚乙二醇（0.1g）攪拌至完全溶解。取N1,N1-二甲基對苯二胺（1mmol，0.146g）、水楊醛（1.1mmol，0.12mL）加入圓底燒瓶中，并滴入1滴甲酸（約0.02mL)，反應(yīng)瓶裝置球形冷凝管后，攪拌下加熱，控制溫度為50-60℃，反應(yīng)0.5h。反應(yīng)完成后，移去熱源，反應(yīng)液冷卻至室溫。抽濾，依次用少量水、乙醇洗滌，真空干燥，得橙黃色固體0.228g，產(chǎn)率87.41%。

取上步合成產(chǎn)物3a（0.1g）加入乙醇（4.5mL），安裝回流冷凝裝置，攪拌下加熱回流10min至產(chǎn)物完全溶解。移去熱源，自然冷卻至室溫，析出黃色片狀晶體。抽濾，少量乙醇洗滌，真空干燥，得橙黃色晶狀固體0.078g，收率78%?；衔?b、3c重結(jié)晶步驟相同，每0.1g化合物分別需加入約10mL及15mL乙醇。

(2)定性觀察AIE現(xiàn)象

分別取化合物3a、3b、3c約30mg置于玻璃表面皿上，作為固體聚集態(tài)觀察試樣。另取化合物3a、3b、3c約30mg分別置于玻璃樣品瓶中，加入5mL乙醇溶解，作為溶液分散態(tài)觀察試樣。將上述試樣直接置于紫外分析儀下（365nm），觀察并記錄各個試樣的熒光發(fā)射情況。向溶液分散態(tài)試樣加入體積分數(shù)為10%、25%、50%、70%、90%的去離子水并振蕩，再次放到紫外分析儀下觀察其熒光發(fā)射情況，記錄并對比加水前、后的結(jié)果。

(3)熒光光譜分析

溶液配制：稱取化合物3a（0.058g）加入無水乙醇（13mL）配成溶液，并用去離子水配成水的體積分數(shù)分別為0%、25%、50%、70%、90%的一系列溶液（濁液）?；衔?b、3c配置方法相同。

熒光測定：設(shè)置激發(fā)波長為330nm，發(fā)射波長為549nm，狹縫寬度（激發(fā)/發(fā)射）均為2.5nm。

5.結(jié)果與討論

(1)合成條件優(yōu)化

對反應(yīng)條件進行系統(tǒng)研究與優(yōu)化，實驗結(jié)果列于表1。由于反應(yīng)物在水中較難溶解與分散，僅以水為溶劑，反應(yīng)效果不佳（產(chǎn)率66.7%）。考慮實驗的綠色合成，選擇無毒、易回收的聚乙二醇為增溶劑，并以微量甲酸為催化劑進行反應(yīng)，結(jié)果以高產(chǎn)率（87.41%）獲得希夫堿產(chǎn)物。反應(yīng)物醛2的用量增加有助于反應(yīng)產(chǎn)率的提高，但高于1.1 e.q.時，產(chǎn)率增加并不明顯，因此，醛的用量為胺的1.1 e.q.為宜。反應(yīng)時間由20min延長到50min，產(chǎn)率有明顯提升，但時間從30min到50min產(chǎn)率增幅不大，結(jié)合本科教學學時，反應(yīng)時間控制為30min。由實驗數(shù)據(jù)可以看出該反應(yīng)對溫度影響并不敏感，本實驗選用50～60℃，一方面可以盡快達到平衡同時保證原料的轉(zhuǎn)化率，另一方面能用到溫度控制及回流操作，可以訓練學生的實驗基本操作能力。在優(yōu)化條件下，將水楊醛底物2a替換為2b及2c，仍然可在較高產(chǎn)率下獲得相應(yīng)希夫堿產(chǎn)物3b和3c。對比產(chǎn)率可知，4-甲氧基取代產(chǎn)物3c的產(chǎn)率較3a、3b要低，而3b最高。

表1 AIE希夫堿水相合成條件優(yōu)化a

aN1,N1-二甲基對苯二胺1.0mmol；b水楊醛對N1,N1-二甲基對苯二胺的摩爾當量；c水楊醛2a；d5-氯水楊醛2b；e4-甲氧基水楊醛2c；f溶劑5mL。

(2)發(fā)光性質(zhì)研究

制備化合物在可見光照射下不發(fā)光（圖2a），將樣品直接置于紫外分析儀下觀察，溶液分散態(tài)試樣仍均不發(fā)光，而固體聚集態(tài)樣品則發(fā)光明顯（圖2b、c）?；衔?a發(fā)出橘色熒光，化合物3b發(fā)出黃色熒光，而化合物3c發(fā)出綠色熒光（圖2b），通過對比可定性觀察到聚集誘導發(fā)光現(xiàn)象。當在溶液分散態(tài)試樣中逐漸加入水時，由于引入不良溶劑水造成溶解的希夫堿析出聚集，隨著水含量增加熒光發(fā)射逐漸增強（圖2d）。

圖2 制備樣品在不同條件下的發(fā)光情況

由化合物3a、3b及3c的固態(tài)熒光光譜實驗，可以定性研究化合物的發(fā)光性質(zhì)。在激發(fā)波長為330nm下掃描三種化合物的發(fā)射光譜，可以得到化合物3a、3b、3c的強發(fā)射峰，最大發(fā)射波長分別為549nm、566nm、522nm。在相同條件下對各個化合物的乙醇溶液進行發(fā)射光譜測試，則幾乎檢測不到或只有很弱的熒光發(fā)射強度，而在溶液中加入一定量水之后，熒光發(fā)射強度增強（圖3），當水的體積分數(shù)大于50%時AIE顯著增強。在相同含水量下，化合物3a的AIE響應(yīng)梯度變化最為明顯（圖3a），因此，在教學中若僅選擇一種希夫堿定性觀察AIE現(xiàn)象時，化合物3a為最佳。

圖3 不同含水量下化合物3a、3b及3c溶液的發(fā)射光譜

6.模塊化實驗教學設(shè)計

本實驗內(nèi)容可分成三個實驗?zāi)K：（1）合成實驗?zāi)K，包括水楊醛希夫堿的合成及重結(jié)晶提純，操作時間約為2h；（2）AIE定性觀察模塊，使用臺式或暗箱紫外分析儀即可完成，操作時間約為0.5h；（3）AIE光譜研究模塊，利用熒光光譜儀完成實驗操作，操作時間約為1.5h。實驗可依據(jù)學時與教學需要，設(shè)置不同內(nèi)容。例如，模塊1可單獨設(shè)置成驗證型基礎(chǔ)實驗，學時控制在3-4學時以內(nèi)；模塊1與模塊2組合可以設(shè)置成驗證型綜合實驗，學時控制在4-5個學時以內(nèi)；模塊1與模塊3組合可以設(shè)置成分析型綜合實驗，學時控制在5-6個學時以內(nèi)，也可以將模塊1、模塊2、模塊3組合一起，設(shè)置成研究型綜合實驗，學時可以控制在6-7個學時以內(nèi)。此外，該實驗也可擴展成研究型設(shè)計類實驗，探究取代基對合成反應(yīng)產(chǎn)率的影響，對發(fā)光性質(zhì)的影響，學時可以控制在5-12學時范圍內(nèi)。

該實驗將化合物的合成方法與性質(zhì)探究相結(jié)合，目的是不僅使學生理解有機化學反應(yīng)原理，掌握有機實驗基本操作，而且還可以通過實驗了解化合物的物理化學性質(zhì)，深刻認識有機合成的價值與意義，激發(fā)學生對有機化學實驗的學習興趣，培養(yǎng)學生的科研思維能力。實驗通過模塊化設(shè)置，使該項目在實際教學應(yīng)用中更具有廣泛的適應(yīng)性，便于開展教學。

7.結(jié)語

本文研究了具有AIE性質(zhì)的水楊醛希夫堿化合物的綠色合成方法以及合成化合物的聚集誘導發(fā)光性質(zhì)。通過對實驗條件的篩選與優(yōu)化，確立了水相合成步驟以及定性、定量探索AIE性質(zhì)的實驗方案，并根據(jù)實驗特點對實驗內(nèi)容進行了模塊化設(shè)計。利用不同實驗?zāi)K的組合可以設(shè)計出多種不同學時的實驗教學方案，滿足不同實驗教學的需求。本實驗包含了有機化學實驗的基本操作和儀器分析基本技能，訓練了學生動手實踐能力，強化了實驗操作技巧，使學生在掌握有機合成、儀器分析等相關(guān)基本實驗技能的同時，培養(yǎng)了運用所學理論知識解決實際問題的能力。通過對功能有機分子發(fā)光特性的認識，理解有機化學理論及實驗的重要性，激發(fā)學生對科學研究的興趣。本實驗以綠色合成為主要內(nèi)容，通過實驗訓練，使學生能更好理解綠色化學的意義，增強環(huán)境保護意識。此外，AIE概念最早由我國化學家唐本忠院士提出，在課程教學中可以使學生了解到我國的科研實力，提升民族自豪感，培育愛國主義精神，豐富實驗教學的課程思政教育。