基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)教學(xué)與前沿科學(xué)研究的融合
——共價(jià)有機(jī)骨架材料的成鍵方式

宋肖鍇，羅世鵬，張慧，劉維橋，徐慶，史壯志

1江蘇理工學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，江蘇 常州 213001

2中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院，低碳轉(zhuǎn)化科學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201210

3南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，南京 210023

培養(yǎng)全面發(fā)展的高素質(zhì)創(chuàng)新型人才是大學(xué)教育的本質(zhì)和核心功能，而人才培養(yǎng)的直接責(zé)任人是高校教師。目前，很多高校教師，特別是研究型大學(xué)教師的工作側(cè)重于科學(xué)研究。教育部陳寶生部長(zhǎng)強(qiáng)調(diào)：“高校教師不管榮譽(yù)多高，老師是第一身份、教書是第一工作、上課是第一責(zé)任?！币虼耍绾巫龊每蒲泻徒虒W(xué)的平衡是高校教師需要認(rèn)真思考的問(wèn)題。

筆者認(rèn)為，科研和教學(xué)是非矛盾體，是相輔相成的有機(jī)融合體。第一，從教師的角度出發(fā)，將科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)資源，實(shí)現(xiàn)科教融合，能夠提升教師的教學(xué)自信心，亦能吸引學(xué)生參與科研實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)科研和教學(xué)雙贏[1,2]。第二，從“學(xué)生中心”角度出發(fā)，科教融合能夠豐富教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生深層次掌握和消化所學(xué)知識(shí)點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用知識(shí)解決復(fù)雜問(wèn)題的能力；可以開(kāi)闊學(xué)生的科研視野，激發(fā)學(xué)生的科研熱情。第三，科教融合是渾然天成的“思政元素”，學(xué)生可以從科研成果中感受科研之嚴(yán)謹(jǐn)、艱辛，以及對(duì)社會(huì)進(jìn)步的貢獻(xiàn)，從而增強(qiáng)學(xué)生的專業(yè)認(rèn)同感，培養(yǎng)學(xué)生勇于探索的創(chuàng)新精神和勇于擔(dān)當(dāng)?shù)纳鐣?huì)責(zé)任感[3]。因此，科教融合能夠充分發(fā)揮教師科研對(duì)教學(xué)的促進(jìn)作用，提升課程內(nèi)涵與質(zhì)量，成為高素質(zhì)人才的培養(yǎng)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)[4]。

有機(jī)化學(xué)是化學(xué)與化工、藥物化學(xué)和生命科學(xué)專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課，也是材料、環(huán)境、能源工程等其他相關(guān)專業(yè)的必修課程。因此，學(xué)好有機(jī)化學(xué)基本理論知識(shí)，能夠?yàn)楹罄m(xù)的專業(yè)課學(xué)習(xí)、創(chuàng)新實(shí)踐訓(xùn)練或深造打下扎實(shí)的理論基礎(chǔ)。高校有機(jī)化學(xué)課程內(nèi)容一般只涉及有機(jī)理論和基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)反應(yīng)，其知識(shí)點(diǎn)繁瑣、難以記憶，學(xué)生易產(chǎn)生畏懼心理[5]。因此，將有機(jī)化學(xué)基本反應(yīng)在現(xiàn)代精細(xì)化工領(lǐng)域、基礎(chǔ)科學(xué)研究中的應(yīng)用融入有機(jī)化學(xué)課堂教學(xué)，能夠展現(xiàn)化學(xué)的魅力和貢獻(xiàn)，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)化學(xué)專業(yè)的認(rèn)同感，理解基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)反應(yīng)在解決實(shí)際復(fù)雜問(wèn)題中的應(yīng)用。

有機(jī)化學(xué)與材料科學(xué)的交叉與滲透，使得基于有機(jī)化學(xué)反應(yīng)的新型功能材料成為了材料研究領(lǐng)域的前沿。例如，以六炔基苯為單體，通過(guò)催化偶聯(lián)反應(yīng)制備得到的石墨炔，是一種具有優(yōu)良化學(xué)穩(wěn)定性、豐富碳化學(xué)鍵和較大共軛體系的新材料，在儲(chǔ)能和催化領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛能[6]。再如，利用有機(jī)基元反應(yīng)可以制備有機(jī)多孔材料(如共軛微孔聚合物、多孔有機(jī)聚合物等)。這些有機(jī)聚合物是通過(guò)動(dòng)力學(xué)控制的反應(yīng)從而生成不可逆的共價(jià)鍵合成的，是具有無(wú)序孔道結(jié)構(gòu)的有機(jī)非晶態(tài)聚合物。

共價(jià)有機(jī)框架材料(covalent organic framework，COF)是有機(jī)結(jié)構(gòu)單元通過(guò)可逆共價(jià)鍵形成的結(jié)晶性多孔有機(jī)聚合物[7]。COF材料合成方法是基于動(dòng)態(tài)共價(jià)化學(xué)(dynamic covalent chemistry，DCC)，這種方法通過(guò)熱力學(xué)控制“成鍵–斷鍵–再成鍵”的方式形成可逆共價(jià)鍵，并伴隨“自我診斷”和“自我修復(fù)”的過(guò)程，最終形成一個(gè)結(jié)構(gòu)有序、熱力學(xué)穩(wěn)定的有機(jī)晶態(tài)聚合物。COF材料具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、規(guī)整可調(diào)的孔道、高比表面積、大π共軛結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，在催化、吸附、儲(chǔ)能等領(lǐng)域展現(xiàn)出應(yīng)用價(jià)值。

COF材料的發(fā)展，主要取決于有機(jī)化學(xué)反應(yīng)的成功選擇和合成條件的不斷優(yōu)化。根據(jù)動(dòng)態(tài)共價(jià)化學(xué)的特性，COF的合成應(yīng)該選擇可逆有機(jī)化學(xué)反應(yīng)，例如醛酮羰基與胺衍生物的親核加成反應(yīng)是典型的可逆反應(yīng)，基于碳氮雙鍵(亞胺類、腙類)的COF材料被科研工作者廣泛合成與研究。本文重點(diǎn)闡述共價(jià)有機(jī)框架材料的成鍵方式(包括C―N鍵、C―C鍵和C―O鍵)與有機(jī)化學(xué)反應(yīng)的關(guān)聯(lián)，探究基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)教學(xué)與前沿科學(xué)研究融合的可行性和途徑。

1 有機(jī)化學(xué)反應(yīng)與COF成鍵方式的關(guān)聯(lián)

1.1 C―N鍵的形成

有機(jī)化學(xué)教學(xué)內(nèi)容中C―N鍵的成鍵方式主要有以下幾種：1) 氮原子對(duì)飽和碳原子的親核取代反應(yīng)，如鹵代烴與氨/胺的反應(yīng)生成胺(鹵代烴的親核取代反應(yīng))；2) 氮原子對(duì)不飽和碳原子的親核加成-消除(親核取代)反應(yīng)，如酰氯、酸酐或羧酸酯與氨/胺的親核取代反應(yīng)制備酰胺(羧酸衍生物的親核加成-消除反應(yīng))；3) 氮原子對(duì)不飽和碳原子的親核脫水縮合反應(yīng)，如醛酮與氨/氨衍生物的縮合反應(yīng)生成亞胺、肟、腙類化合物(醛酮的親核加成反應(yīng))；4) 氮原子對(duì)不飽和碳原子的親核加成反應(yīng)，如氨/胺對(duì)碳碳雙鍵的加成(Michael反應(yīng))。根據(jù)動(dòng)態(tài)共價(jià)化學(xué)原理，基于C―N鍵COF的合成主要通過(guò)氮原子對(duì)不飽和碳原子的縮合反應(yīng)得到。此外，基于Michael反應(yīng)的COF合成也有報(bào)道。

1.2 C―C鍵的形成

本文中所述的C―C鍵是指碳碳雙鍵的形成。在有機(jī)化學(xué)中碳碳雙鍵的制備方法包括：1) 鹵代烴的消除反應(yīng)(鹵代烴的β-消除反應(yīng))；2) 醇的分子內(nèi)脫水反應(yīng)(醇的β-消除反應(yīng))；3) 羥醛縮合反應(yīng)制備α,β-不飽和羰基化合物(醛酮α-H的反應(yīng))；4) Knoevenagel反應(yīng)(縮合反應(yīng))；5) Wittig反應(yīng)(葉立德的反應(yīng))；6) Hofmann消除反應(yīng)(季銨堿的消除反應(yīng))等。而近期發(fā)展的碳碳雙鍵連接型COF，是通過(guò)羥醛縮合反應(yīng)、Knoevenagel反應(yīng)，以及類Wittig反應(yīng)(Horner-Wadsworth-Emmons反應(yīng))制得。

1.3 C―O鍵的形成

常見(jiàn)的C―O鍵的成鍵反應(yīng)包括：1) 鹵代烴的親核取代反應(yīng)，即鹵代烴與醇鈉或酚鈉反應(yīng)制備醚(Williamson法)；2) 醛酮與醇的親核加成反應(yīng)制備半縮醛和縮醛(醛酮的親核加成反應(yīng))；3) 羧酸及其衍生物的醇解生成酯(羧酸衍生物的親核加成-消除反應(yīng))?；贑―O鍵成鍵形式的COF可以通過(guò)活潑鹵代芳烴的親核取代反應(yīng)、酯交換反應(yīng)制備得來(lái)。

2 COF成鍵方式與課程教學(xué)的融合途徑

2.1 消化鞏固型知識(shí)點(diǎn)

有機(jī)化學(xué)中關(guān)于醛酮羰基的親核加成反應(yīng)是整個(gè)課程的重點(diǎn)和難點(diǎn)。醛酮羰基與氨及其衍生物的反應(yīng)是構(gòu)筑C―N鍵的主要反應(yīng)之一。諸多著名的有機(jī)化學(xué)反應(yīng)，例如Aldol reaction、Knoevenagel reaction、Wittig reaction等都在該章節(jié)中講解。而基于C―N鍵和C―C鍵的COF材料，都是基于上述重要有機(jī)化學(xué)反應(yīng)制備而來(lái)。COF作為補(bǔ)充教學(xué)資源引入課堂，具備得天獨(dú)厚的“可視化”效果。首先，COF材料對(duì)稱有序的周期性二維、三維結(jié)構(gòu)具有極強(qiáng)的美學(xué)吸引力；其次，新穎的晶體結(jié)構(gòu)示意圖能夠更加立體地展現(xiàn)成鍵模式和環(huán)境。因此，可以幫助學(xué)生理解和鞏固對(duì)應(yīng)的成鍵反應(yīng)，達(dá)到良好的教學(xué)效果。

2.1.1 羰基與氨及其衍生物的縮合反應(yīng)(Condensation)

在講解醛酮羰基的親核加成反應(yīng)時(shí)，我們會(huì)講解與氨及其衍生物發(fā)生的親核加成脫水反應(yīng)，即縮合反應(yīng)。亞胺是由醛和胺縮合生成。一般情況下，脂肪胺生成的亞胺極不穩(wěn)定，而芳醛與伯胺生成的亞胺穩(wěn)定，并且可以被還原制備仲胺(圖1a)。采用該縮合反應(yīng)和對(duì)應(yīng)的還原反應(yīng)，首例基于碳氮雙鍵的COF-300[8]和對(duì)應(yīng)的碳氮單鍵COF-300-AR[9]被成功制備(圖1b)。肼與醛縮合生成腙。如圖1c所示，2,5-二乙氧基對(duì)苯二甲酰肼與三齒醛縮合合成COF-42[10]。

圖1 (a) 苯甲醛和苯胺縮合生成亞胺，及其還原生成仲胺；(b) 碳氮雙鍵連接COF-300及碳氮單鍵連接COF-300-AR的合成；(c) 碳氮雙鍵連接COF-42的合成

2.1.2 Knoevenagel condensation

Knoevenagel縮合反應(yīng)是指具有活潑亞甲基的化合物(丙二酸酯、β-酮酸酯、氰乙酸酯、硝基乙酸酯、丙二腈等)在催化劑作用下，與醛酮縮合生成α,β-不飽和化合物的反應(yīng)(圖2a)。Knoevenagel縮合反應(yīng)可以形成缺電子的碳―碳雙鍵實(shí)現(xiàn)碳鏈增長(zhǎng)，而且其縮合產(chǎn)物具有較高的反應(yīng)活性，可以進(jìn)行各種化學(xué)轉(zhuǎn)化，在有機(jī)合成中應(yīng)用特別廣泛。Knoevenagel縮合反應(yīng)被成功應(yīng)用于COF材料的合成中(圖2b)[11]。作為知識(shí)點(diǎn)的鞏固訓(xùn)練，可以讓學(xué)生在課堂上快速解析sp2C-COF的成鍵機(jī)理。

2.1.3 酯交換反應(yīng)(Transesterification reaction)

酯交換反應(yīng)(Transesterification)是羧酸酯與醇(酚)在酸或堿的催化下生成一個(gè)新的酯和一個(gè)新的醇的親核加成-消除反應(yīng)。在授課時(shí)，我們強(qiáng)調(diào)在有機(jī)合成中，可將低級(jí)醇的酯通過(guò)酯交換反應(yīng)，將低級(jí)醇蒸出，生成不易揮發(fā)醇的酯(圖2c)。在此基礎(chǔ)上，我們可以介紹酯交換反應(yīng)被巧妙地應(yīng)用到COF材料的制備中。COF-119是首例基于酯交換反應(yīng)制得的COF材料，反應(yīng)所用的酯和醇單體都需要經(jīng)過(guò)試驗(yàn)的篩選和優(yōu)化(圖2d)[12]。

圖2 (a) 苯甲醛和丙二腈發(fā)生的縮合反應(yīng)；(b) 碳碳雙鍵連接的sp2C-COF的合成；(c) 丙烯酸甲酯與丁醇發(fā)生的酯交換反應(yīng)；(d) 酯鍵連接的COF-119的合成

2.2 拓展探究型知識(shí)點(diǎn)

隨著COF材料研究的不斷深入，很多新的成鍵方式被開(kāi)發(fā)，一些有機(jī)化學(xué)課程中不常見(jiàn)的有機(jī)化學(xué)反應(yīng)被應(yīng)用于COF的合成。面對(duì)這些新的知識(shí)，需要鼓勵(lì)學(xué)生采用探索性學(xué)習(xí)方法，結(jié)合創(chuàng)新實(shí)踐，運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題。讓學(xué)生在掌握新知識(shí)的同時(shí)，體驗(yàn)、理解和運(yùn)用科學(xué)方法，培養(yǎng)創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。

2.2.1 縮合反應(yīng)-互變異構(gòu)(Condensation-Tautomerism)

在有機(jī)化學(xué)中，酮-烯醇互變異構(gòu)(Keto-Enol Tautomerism)是指因醛酮和烯醇之間的化學(xué)平衡，醛酮和烯醇稱為互變異構(gòu)體。由于醛酮羰基具有酸性α-H，在不同的PH值下進(jìn)行質(zhì)子轉(zhuǎn)移，形成酮式和烯醇式(圖3a，3b)。如圖3a所示，氧原子和α-C都有帶有部分負(fù)電荷。因氧的電負(fù)性較大，能更好地容納負(fù)電荷，故共振結(jié)構(gòu)式(II)的貢獻(xiàn)較大。所以，一般含一個(gè)羰基且結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單的醛酮的烯醇式含量很少，即酮式相對(duì)穩(wěn)定。學(xué)生掌握酮-烯醇互變異構(gòu)，對(duì)后續(xù)學(xué)習(xí)醛酮α-H的反應(yīng)(鹵仿反應(yīng)、羥醛縮合反應(yīng)等)具有重要的作用。Banerjee等[13]用1,3,5-三甲?；g苯三酚(Tp)和芳香二胺(Pa-1、Pa-2)為構(gòu)筑單元合成了在酸和強(qiáng)堿中穩(wěn)定的β-碳基烯胺COF材料。合成過(guò)程中首先形成碳氮雙鍵COF，然后進(jìn)行不可逆的烯醇-酮互變異構(gòu)形成β-碳基烯胺鍵(圖3c)。β-碳基烯胺連接的COF具有很強(qiáng)的化學(xué)穩(wěn)定性。通過(guò)這個(gè)知識(shí)點(diǎn)的拓展，可以讓學(xué)生更加深刻地理解“互變異構(gòu)”，以及互變異構(gòu)對(duì)納米材料化學(xué)穩(wěn)定性的影響。

圖3 (a) 堿性條件下酮-烯醇互變異構(gòu)；(b) 酸性條件下酮-烯醇互變異構(gòu)；(c) β-羰基烯胺COF (TpPa-1)的烯醇-酮互變異構(gòu)

2.2.2 Michael加成反應(yīng)

Michael加成反應(yīng)是由活潑亞甲基化合物形成的碳負(fù)離子，對(duì)α,β-不飽和羰基化合物的碳碳雙鍵的共軛加成反應(yīng)。Michael加成反應(yīng)是有機(jī)化學(xué)中的經(jīng)典反應(yīng)，是有機(jī)合成中用以增長(zhǎng)碳鏈、合成帶有各種官能團(tuán)有機(jī)化合物最有價(jià)值的有機(jī)合成反應(yīng)之一，是構(gòu)筑C―C鍵最常用的方法之一。在有機(jī)化學(xué)課程中，我們講授利用Michael加成是合成1,5-二羰基化合物最有效的方法(圖4a)。因此，該反應(yīng)不僅是有機(jī)化學(xué)、有機(jī)合成課程中十分重要的知識(shí)點(diǎn)，而且是有機(jī)合成領(lǐng)域重要的研究熱點(diǎn)。

在此基礎(chǔ)上，我們可以把知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行拓展。讓學(xué)生了解Michael加成除了能夠構(gòu)筑C―C鍵，還能構(gòu)筑C―N鍵。氮親核試劑和α,β-不飽和羰基化合物的氮雜-Michael加成反應(yīng)(aza-Michael addition)是構(gòu)筑C―N鍵有效途徑之一。其中胺類化合物具有較強(qiáng)的親核性，因此可作為氮親核試劑與α,β-不飽和羰基化合物發(fā)生aza-Michael addition，從而構(gòu)建各種新的C―N鍵(圖4b)。學(xué)生掌握了aza-Michael addition反應(yīng)機(jī)理后，我們可以進(jìn)一步拓展基于aza-Michael addition COF (3PD)的合成(圖4c)[14]，并要求學(xué)生利用課余時(shí)間去探究COF (3PD)的成鍵機(jī)理(圖4d)。

圖4 (a) Michael加成反應(yīng)機(jī)理(1,5-二羰基化合物的合成)；(b) aza-Michael addition構(gòu)筑C―N鍵；(c) 基于aza-Michael addition COF (3PD)的合成；(d) COF (3PD)的成鍵機(jī)理

2.2.3 醛羰基的親核加成反應(yīng)(Nucleophilic addition)

對(duì)于醛酮與氨/胺通過(guò)縮合反應(yīng)生成亞胺這個(gè)知識(shí)點(diǎn)，學(xué)生在有機(jī)化學(xué)課堂已牢固掌握。在此基礎(chǔ)上，我們可以講授縮醛胺的合成。在合適的反應(yīng)條件下，醛酮與胺反應(yīng)生成的亞胺，可以繼續(xù)被胺進(jìn)攻，生成縮醛胺(aminal)。這一反應(yīng)也被巧妙地應(yīng)用到COF材料的合成中。中國(guó)科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所趙新課題組選擇D2h對(duì)稱的四醛單體和仲胺(哌嗪)通過(guò)溶劑熱聚合，得到了晶型縮醛胺連接的COFs (Aminal-COF)材料(圖5a)[15]。亞胺與胺的親核加成反應(yīng)是如何進(jìn)行的呢？這個(gè)可以作為思考題，讓學(xué)生利用課余時(shí)間通過(guò)文獻(xiàn)查閱等形式去積極探索COF的成鍵機(jī)理(圖5b)。

圖5 (a) 基于縮醛胺連接的Aminal-COF-1的合成；(b) 筆者提出的成鍵機(jī)理

2.2.4 羥醛縮合反應(yīng)(Aldol condensation)

有機(jī)化學(xué)教學(xué)中講解的羥醛縮合反應(yīng)一般是指在酸或堿催化下，含有α-H的醛(酮)相互作用，生成β-羥基醛(酮)或α,β-不飽和醛(酮)的反應(yīng)(圖6a)。羥醛縮合反應(yīng)在合成中是增長(zhǎng)碳鏈建造分子骨架的一類重要反應(yīng)。通過(guò)羥醛縮合，可將小分子轉(zhuǎn)化成大分子；又可在產(chǎn)物中引入多個(gè)官能團(tuán)(羥基、羰基、雙鍵)，極大地增強(qiáng)了化合物的反應(yīng)性能，所以該反應(yīng)在有機(jī)合成中有著極廣泛的用途。Yaghi課題組[16]報(bào)道的碳碳雙鍵連接COF所涉及的羥醛縮合反應(yīng)中兩個(gè)構(gòu)筑單體分別是二醛和2,4,6-三甲基-1,3,5-三嗪(圖6b)。學(xué)生須充分理解羥醛縮合反應(yīng)中所述的活潑α-H不僅僅特指醛酮的α-H，而是可以擴(kuò)展到其他含有活性α-H的化合物。例如，化合物2,4,6-三甲基-1,3,5-三嗪，甲基上的H原子受到三嗪環(huán)中吡啶-N的影響，具有較高的活性，從而能作為親核試劑對(duì)羰基進(jìn)行親核加成(圖6c)。

圖6 (a) 堿性催化羥醛縮合反應(yīng)機(jī)理(以乙醛自身縮合為例)；(b) 基于碳碳雙鍵連接的COF-701的合成；(c) COF-701碳碳雙鍵成鍵機(jī)理

2.2.5 類Wittig反應(yīng)(Horner-Wadsworth-Emmons reaction)

在醛酮的親核加成反應(yīng)中，磷葉立德的碳負(fù)離子與醛、酮的加成反應(yīng)稱之為Wittig反應(yīng)。這是選擇性合成烯烴的一個(gè)極有價(jià)值的方法，是學(xué)生要掌握的知識(shí)點(diǎn)。Wittig反應(yīng)機(jī)理如圖7a所示，反應(yīng)形成“內(nèi)鏻鹽”結(jié)構(gòu)，還包括四元環(huán)過(guò)渡態(tài)。作為知識(shí)點(diǎn)的拓展，我們可以向?qū)W生介紹一個(gè)類Wittig反應(yīng)，Horner-Wadsworth-Emmons (HWE)反應(yīng)。HWE反應(yīng)用穩(wěn)定的磷酸酯碳負(fù)離子代替磷葉立德，與醛酮反應(yīng)生成以反式為主的烯烴產(chǎn)物(圖7b)。在此基礎(chǔ)上，學(xué)生可以利用課余時(shí)間，去探索基于HWE反應(yīng)的COF (2D-PPQV2)的合成及成鍵機(jī)理(圖7c)[17]。

圖7 (a) Wittig反應(yīng)制備碳碳雙鍵機(jī)理；(b) Horner-Wadsworth-Emmons反應(yīng)機(jī)理；(c) 碳碳雙鍵連接COF (2D-PPQV2)的合成

2.2.6 芳香親核取代反應(yīng)(Nucleophilic aromatic substitution)

在鹵代烴的親核取代反應(yīng)中，我們強(qiáng)調(diào)只有鹵代脂肪烴才可以發(fā)生親核取代反應(yīng)。而鹵代芳烴由于鹵素原子與芳環(huán)間的p–π共軛效應(yīng)，C―X鍵的鍵能增強(qiáng)而不易斷裂。因此，鹵代芳烴一般不能發(fā)生親核取代反應(yīng)。然而鹵代芳烴的芳香親核取代反應(yīng)是一種重要的有機(jī)合成方法，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。如圖8a和8b所示，若親核試劑的親核能力一定，當(dāng)芳環(huán)上取代基(如鹵素)鄰、對(duì)位有吸電子基團(tuán)存在時(shí)，可以促進(jìn)親核取代反應(yīng)進(jìn)行。其次，離去基團(tuán)的電負(fù)性越大，反應(yīng)越容易發(fā)生，如反應(yīng)活性ArF >> ArCl > ArBr > ArI。因此，活化的鹵代芳烴可以與醇或酚反應(yīng)形成C―O鍵。在理解了上述反應(yīng)機(jī)理之后，我們便可以向?qū)W生介紹COF-316的合成。從圖8c可以看出，COF-316所用的氟代芳烴四個(gè)氟原子鄰位碳原子上帶有吸電子基團(tuán)氰基，氰基進(jìn)一步增強(qiáng)了C―F鍵的親電性，導(dǎo)致該氟代芳烴具有很強(qiáng)的親核取代反應(yīng)活性[18]。作為課后提升練習(xí)，要求學(xué)生結(jié)合圖8b所示反應(yīng)機(jī)理，書寫出二氧芑連接的COF-316的成鍵機(jī)理(圖8d)。

圖8 (a) 芳香親核取代的加成消除機(jī)理；(b) 吸電子基團(tuán)對(duì)芳香親核取代反應(yīng)中間體的穩(wěn)定作用；(c) 二氧芑連接的COF-316的合成；(d) 二氧芑的成鍵機(jī)理

這里我們必須指出，鹵代芳烴的芳香親核取代反應(yīng)一般被認(rèn)為是不可逆反應(yīng)。因此，COF-316是通過(guò)不可逆有機(jī)化學(xué)反應(yīng)制備得來(lái)。為什么不可逆有機(jī)化學(xué)反應(yīng)可以制備出晶型COF材料呢？這是一個(gè)值得思考和探究的科學(xué)問(wèn)題。可以鼓勵(lì)學(xué)生通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研或者科研實(shí)踐去尋找答案。

2.3 COF研究的思政元素

高校教師在有機(jī)化學(xué)課程中傳授理論知識(shí)的過(guò)程中還要突顯價(jià)值的導(dǎo)向作用，挖掘有機(jī)化學(xué)思政元素，將有機(jī)化學(xué)課程建設(shè)成為育人思政課程[19,20]。COF材料的研究是有機(jī)化學(xué)課程一個(gè)渾然天成的思政元素。

第一，COF材料是基于動(dòng)態(tài)共價(jià)化學(xué)的可逆有機(jī)化學(xué)反應(yīng)合成而來(lái)，而基于不可逆的有機(jī)化學(xué)反應(yīng)，一般只能得到非晶態(tài)有機(jī)聚合物。不可逆反應(yīng)雖然反應(yīng)速率快，但是無(wú)法得到完美的晶態(tài)產(chǎn)物；而可逆反應(yīng)雖經(jīng)歷了“成鍵–斷鍵–再成鍵”的復(fù)雜過(guò)程，但最終得到了晶態(tài)產(chǎn)物。如果在反應(yīng)體系中引入競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)單元，進(jìn)一步控制反應(yīng)速度，甚至可以得到大顆粒COF單晶。COF合成反應(yīng)的選擇傳遞出“欲速則不達(dá)”的道理。從化合物制備的角度來(lái)說(shuō)，可逆反應(yīng)是不利的，必須要通過(guò)嚴(yán)格控制反應(yīng)條件(例如控制反應(yīng)底物的摩爾比，或者降低產(chǎn)物/副產(chǎn)物在體系中的濃度)，來(lái)使反應(yīng)向產(chǎn)物方向移動(dòng)。而COF的合成正是充分利用了這種“不利因素”，把不利因素巧妙地轉(zhuǎn)化為有利因素，甚至把缺陷做成“特點(diǎn)”，這往往是讓事情扭轉(zhuǎn)乾坤的成功秘訣。

第二，一些不可逆的有機(jī)化學(xué)反應(yīng)(如鹵代芳烴的芳香親核取代反應(yīng))已經(jīng)被證實(shí)可以制備COF材料。從這些“例外”可以看出，凡事沒(méi)有絕對(duì)，任何事情都有多面性，具體問(wèn)題要具體分析。特別是在科學(xué)研究中，我們要用于挑戰(zhàn)固有認(rèn)知，用實(shí)踐檢驗(yàn)真理。

第三，COF材料的成功合成，需要科研工作者對(duì)反應(yīng)條件進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)暮Y選和優(yōu)化。不同的反應(yīng)構(gòu)筑單元需采用不同的催化劑、溶劑體系、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)長(zhǎng)，以及不同的后處理過(guò)程，這都需要科研人員進(jìn)行不斷的探索。如圖2d所示的酯交換反應(yīng)中，兩種常見(jiàn)的酯對(duì)苯二甲酸二甲酯和對(duì)苯二甲酸二苯酯都不能發(fā)生該酯交換反應(yīng)。假如科研人員在摸索階段就此放棄，新型酯鍵鏈接COF材料仍未面世。因此，從COF合成條件的不斷優(yōu)化，可以告訴學(xué)生任何事情的成功都不是輕易得來(lái)的，成功的背后都有艱辛和汗水；遇到挫折不能輕易放棄，唯有不斷嘗試新的方法，唯有堅(jiān)持，方有成功的機(jī)會(huì)。

第四，COF材料的研究，包括新有機(jī)反應(yīng)的選擇、新反應(yīng)條件的探索，以及COF材料在新研究領(lǐng)域的應(yīng)用，都需要科研工作者繼續(xù)貢獻(xiàn)出智慧和實(shí)踐。學(xué)生可以在學(xué)好理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，認(rèn)真思考和探索新型COF材料的設(shè)計(jì)合成，積極參與相關(guān)教師的科研工作，增強(qiáng)自己的創(chuàng)新意識(shí)，鍛煉自己的科研能力。

3 結(jié)語(yǔ)

本文以大學(xué)有機(jī)化學(xué)課程為例，從有機(jī)化學(xué)與材料科學(xué)交叉融合的一個(gè)細(xì)分研究領(lǐng)域——共價(jià)有機(jī)框架材料的成鍵方式，來(lái)闡述有機(jī)化學(xué)課程中引入最新研究成果的必要性和可行性。首先，與傳統(tǒng)的有機(jī)化學(xué)教學(xué)內(nèi)容呈現(xiàn)方式不同，COF材料精美的晶體結(jié)構(gòu)引人入勝，兼具專業(yè)性、美觀性和新穎性，非常適合作為補(bǔ)充教學(xué)資源；其次，COF材料成鍵方式是基于常見(jiàn)的或發(fā)展的經(jīng)典有機(jī)化學(xué)反應(yīng)。如表1所示，根據(jù)成鍵類型，可以合理地將其分成消化鞏固型和拓展探究型兩種知識(shí)點(diǎn)，難易結(jié)合，易于學(xué)生從理解到探究全面接觸和了解科學(xué)研究。第三，COF材料是不可多得的有機(jī)化學(xué)思政元素。從COF材料的合成反應(yīng)選擇和合成條件的優(yōu)化，可以凝練出多條思政元素(表1)，讓學(xué)生在基礎(chǔ)理論知識(shí)學(xué)習(xí)過(guò)程中感知正確的價(jià)值取向以及銳意進(jìn)取、勇于創(chuàng)新的責(zé)任擔(dān)當(dāng)。

表1 COF的成鍵類型與有機(jī)化學(xué)反應(yīng)的關(guān)聯(lián)

雖然COF材料的成鍵形式是理想的補(bǔ)充教學(xué)資源，但是課程教學(xué)與科研前沿的有效融合還有很多細(xì)節(jié)需要我們認(rèn)真思考和探索[21]。(1) 作為補(bǔ)充教學(xué)資源，不能喧賓奪主，而是側(cè)重于培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)解決實(shí)際復(fù)雜問(wèn)題的能力，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)科研的關(guān)注；(2) 傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容與課時(shí)相對(duì)固定，大學(xué)有機(jī)化學(xué)普遍具有知識(shí)點(diǎn)多、課時(shí)緊張的特點(diǎn)。拓展知識(shí)的引入，需要更加合理地安排內(nèi)容和課時(shí)。教師應(yīng)該不斷更新和優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，同時(shí)充分調(diào)動(dòng)學(xué)生利用課余時(shí)間學(xué)習(xí)創(chuàng)新型知識(shí)的積極性；(3) “以學(xué)生為中心”，突出學(xué)生在教學(xué)評(píng)價(jià)中的主體地位，積極探討科教融合教學(xué)模式的教學(xué)效果。

最后，筆者對(duì)本文作如下說(shuō)明：第一，隨著有機(jī)化學(xué)學(xué)科的快速發(fā)展，新的合成方法、新催化劑不斷涌現(xiàn)；有機(jī)化學(xué)與其他領(lǐng)域的交叉融合也促進(jìn)了其他學(xué)科的發(fā)展。因此，諸多有機(jī)化學(xué)科研前沿可以成為有機(jī)化學(xué)課程的融合元素，而本文僅僅從某一個(gè)細(xì)分研究領(lǐng)域出發(fā)，歸納了該研究領(lǐng)域成果與有機(jī)化學(xué)的融合形式與途徑。第二，本文相對(duì)完整地總結(jié)了COF成鍵方式與有機(jī)化學(xué)反應(yīng)的關(guān)聯(lián)，但并不意味要將所有關(guān)聯(lián)點(diǎn)在有機(jī)化學(xué)課程中悉數(shù)講述，而應(yīng)根據(jù)課程的實(shí)際情況，選擇其中的一個(gè)或多個(gè)進(jìn)行講解。第三，本文作為科教融合的一個(gè)案例，希望能夠指導(dǎo)高校教師如何挖掘?qū)I(yè)領(lǐng)域的學(xué)科前沿，并將其與相應(yīng)的專業(yè)課程進(jìn)行科教融合。