2-硝基苯-1,3-二酚合成教學實驗的副反應產(chǎn)物探究及科學素養(yǎng)的培育

羅尚文，袁呈山，楊紅英，黃國生，高坤

蘭州大學化學化工學院，蘭州 730000

習近平總書記在全國高校思想政治工作會議上強調(diào)：“高校立身之本在于立德樹人。要堅持把立德樹人作為中心環(huán)節(jié)，把思想政治工作貫穿教育教學全過程，實現(xiàn)全程育人、全方位育人[1]?！痹诟叩冉逃信囵B(yǎng)基礎學科高層次人才，實現(xiàn)前瞻性基礎研究，是實現(xiàn)中華民族偉大復興的必由之路[2]。如何在課程教學過程中有意識地設計教學環(huán)節(jié)，從而將所倡導的道德規(guī)范與思想認識有機融入教學過程，從而最終達成高等教育的培養(yǎng)目標，是課程改革中的一個重要方向。化學是一門理論與實踐高度結(jié)合的學科。有機化學實驗是化學及其相關(guān)專業(yè)的基礎必修課程。有機化學實驗課程能夠幫助學生加深對理論知識的理解，訓練學生對實驗操作技能的掌握，培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題、研究問題、解決問題的綜合能力，提高學生的科學思維及素養(yǎng)[3–7]。在實驗教學過程中，實驗現(xiàn)象及結(jié)果不符合預期的情況會經(jīng)常出現(xiàn)。我們以2-硝基苯-1,3-二酚合成實驗為例，在教學中引導學生詳細探究了該教學實驗中不符合預期的副反應的產(chǎn)物，并以此探究過程為素材，提煉思政要素，啟發(fā)學生的科學思維，幫助學生樹立嚴謹?shù)目茖W態(tài)度。

1 2-硝基苯-1,3-二酚的合成是一個經(jīng)典的有機化學教學實驗

1.1 實驗教學目標

2-硝基苯-1,3-二酚的合成實驗，已被我國各大有機化學實驗教材收錄，作為一個經(jīng)典的有機化學教學實驗被廣泛開展于各大高校的有機化學實驗課程中[8–10]。該實驗教學時的一個重要目標在于讓學生通過實踐深入學習芳環(huán)上取代反應的定位規(guī)律及利用可逆的磺化反應占位的策略，并掌握定位規(guī)律和磺化占位在有機合成中的初步應用。2-硝基苯-1,3-二酚屬于芳香族硝基化合物，而芳香族化合物的性質(zhì)及反應是有機化學理論課程教學中的一個極為重要的章節(jié)。在基礎有機化學的理論教學中，芳香族化合物的親電取代反應是該類化合物最為重要的特征反應，包括硝化反應、磺化反應等。而芳香族化合物親電取代反應中新引入取代基的位置和反應的難易，也是芳香族化合物章節(jié)甚至整個基礎有機化學教學里的重難點[11]。2-硝基苯-1,3-二酚的合成實驗，同時包含了苯環(huán)的硝化反應、磺化反應及親電取代的定位規(guī)則這些重要的知識點，是一個設計巧妙且內(nèi)涵豐富的有機化學教學實驗。

1.2 實驗原理

該實驗的實驗原理及操作步驟已在多部實驗教材里有詳細論述。簡要來說，2-硝基苯-1,3-二酚的合成以間苯二酚為原料，主要反應步驟可歸納為磺化、硝化和水解三個步驟。首先將間苯二酚與濃硫酸在室溫下反應，生成磺化產(chǎn)物(圖1a)，使得間苯二酚上最容易發(fā)生取代反應的4位與6位被磺酸基占據(jù)，而2位因為位阻效應無法被磺化。然后，再將磺化產(chǎn)物硝化，根據(jù)定位規(guī)則，硝基進入2位(圖1b)。最后，利用水蒸汽蒸餾的操作使得磺化、硝化兩步反應產(chǎn)物上的磺酸基在水蒸汽蒸餾時水解，生成產(chǎn)物2-硝基苯-1,3-二酚。該產(chǎn)物結(jié)構(gòu)中的硝基能分別與鄰位的兩個酚羥基形成兩個分子內(nèi)氫鍵，從而使得該產(chǎn)物的沸點較低，能夠在水蒸汽蒸餾中被蒸出(圖1c)。

圖1 2-硝基苯-1,3-二酚合成的反應式

2 2-硝基苯-1,3-二酚合成實驗的不同實驗現(xiàn)象及相關(guān)產(chǎn)物的鑒定

2.1 實驗教學中出現(xiàn)的不符合預期的實驗現(xiàn)象及思考

在進行水蒸汽蒸餾時，理論上應有較大量的產(chǎn)物被蒸出，且產(chǎn)物顏色為橙紅色(圖2a，下文簡稱產(chǎn)物A)。但是在實驗教學過程中，有大約三分之一的學生在進行水蒸汽蒸餾時，餾出物較少，且顏色為亮黃色(圖2b，下文簡稱產(chǎn)物B)。兩種不同餾出物的形態(tài)也有所不同：橙紅色產(chǎn)物呈針狀晶體，亮黃色產(chǎn)物呈片狀晶體。

圖2 實驗教學中出現(xiàn)的不同性狀的產(chǎn)物

這兩種產(chǎn)物在產(chǎn)量、顏色、形態(tài)上都有著顯著的差異，說明產(chǎn)生兩種產(chǎn)物的反應歷程也不盡相同。教師引導學生在實驗教學過程中對于出現(xiàn)兩種產(chǎn)物的原因展開了廣泛的討論。學生在討論中展示出了積極思考的學習態(tài)度，以及深入理解反應機理的濃厚興趣。

2.2 兩種不同產(chǎn)物的鑒定

為了進一步探討出現(xiàn)兩種產(chǎn)物的原因，我們用薄層色譜、核磁共振以及質(zhì)譜等方法對這兩種產(chǎn)物進行了詳細的分析與鑒定。用V石油醚: V乙酸乙酯= 1 : 1的展開劑進行薄層色譜分析，產(chǎn)物A的Rf值為0.8，產(chǎn)物B的Rf值為0.3，且在薄層色譜板上產(chǎn)生了較明顯的拖尾(圖3)。薄層色譜實驗表明，兩種產(chǎn)物有著較大的極性差異。

圖3 產(chǎn)物A (右)與產(chǎn)物B (左)的薄層色譜分析

核磁共振1H NMR數(shù)據(jù)表明，產(chǎn)物A較純。產(chǎn)物A苯環(huán)上的氫分別在δH 6.63 (2H, d, J = 8.4 Hz)和δH 7.44 (1H, t, J = 8.4 Hz)處顯示出兩個信號，積分比為2 : 1，說明產(chǎn)物A是一個1,2,3-三取代苯(圖4a)。1H NMR上剩余的積分為2的δH 10.66 (s)信號，被歸屬為酚羥基的氫信號。根據(jù)產(chǎn)物A的核磁1H NMR數(shù)據(jù)，結(jié)合產(chǎn)物A與預期相符的顏色與性狀，我們推斷產(chǎn)物A即為教學實驗的預期產(chǎn)物：2-硝基苯-1,3-二酚。

產(chǎn)物B的核磁共振1H NMR譜圖表明產(chǎn)物B是一個混合物。通過分析產(chǎn)物B的1H NMR，我們發(fā)現(xiàn)產(chǎn)物B里含有少量的2-硝基苯-1,3-二酚(圖4b)。除去2-硝基苯-1,3-二酚的信號，產(chǎn)物B的核磁1H NMR譜圖中還剩余三個主要的信號峰，分別歸屬為苯環(huán)上的δH6.82 (s)、δH9.08 (s)及酚羥基信號δH11.03 (s)。其中苯環(huán)上的兩個氫積分比為1 : 1，且都是單重峰，說明苯環(huán)上有四個取代基，且為1,2,4,5-四取代?？紤]到反應原料間苯二酚里的酚羥基為強的鄰、對位定位基，根據(jù)產(chǎn)物B的核磁1H NMR數(shù)據(jù)，B里的主要成分被推測有兩種可能：(1) 間苯二酚的磺化產(chǎn)物，即4,6-二羥基苯-1,3-二磺酸；或(2) 間苯二酚的硝化產(chǎn)物，即4,6-二硝基苯-1,3-二酚。結(jié)合實驗操作過程，產(chǎn)物B是水蒸汽蒸餾的餾出物，而苯環(huán)上的磺酸基容易在水蒸汽蒸餾時水解，因此推測產(chǎn)物B的主要成分不應該是磺化產(chǎn)物，而很可能是硝化產(chǎn)物。為了驗證這個推測，我們用質(zhì)譜對產(chǎn)物B進行了分析。在負離子模式下，化合物B顯示出了一個m/z 199 [M-H]?的信號，與4,6-二硝基苯-1,3-二酚的結(jié)構(gòu)相吻合。因此，產(chǎn)物B被鑒定為2-硝基苯-1,3-二酚與4,6-二硝基苯-1,3-二酚的混合物，其中后者為主要成分，且根據(jù)1H NMR里信號的積分比，兩者物質(zhì)的量比約為1 : 2。除此之外，產(chǎn)物B的1H譜數(shù)據(jù)里還有少許積分較低的峰，推測反應中可能還產(chǎn)生了其他副產(chǎn)物。

圖4 (a) 產(chǎn)物A的1H NMR (CDCl3)；(b) 產(chǎn)物B的1H NMR (CDCl3，400 MHz)

2.3 產(chǎn)物B產(chǎn)生的原因分析及討論

亮黃色的產(chǎn)物B里含有少量的教學實驗預期產(chǎn)物2-硝基苯-1,3-二酚，以及大量的副反應產(chǎn)物4,6-二硝基苯-1,3-二酚。該現(xiàn)象表明，原料間苯二酚的第一步磺化反應不完全，導致大量的副反應產(chǎn)物產(chǎn)生(圖5)。教師將此鑒定結(jié)論告知學生，并再一次引導學生對此實驗現(xiàn)象進行了討論。學生提出了發(fā)生該副反應的幾個可能的原因：(1) 儀器里有殘留的水，導致參與磺化反應的濃硫酸濃度偏低；(2) 間苯二酚原料顆粒太大，導致磺化不完全；(3) 磺化反應在室溫下進行，而反應時室溫過低。教師通過實驗經(jīng)驗推測，反應溫度過低可能是導致磺化不完全的主要原因，但其他兩種可能的原因?qū)嶒炘斐傻挠绊懀枰ㄟ^進一步實驗來驗證。在討論過程中，有相當多的同學都大膽提出了自己的假設，表現(xiàn)出了對該反應進行進一步研究的濃厚興趣。

圖5 生成4,6-二硝基苯-1,3-二酚的反應式

2.4 其他可能發(fā)生的副反應分析及討論

以上實驗數(shù)據(jù)表明，原料間苯二酚在不同的磺化反應條件下，可能形成二磺酸產(chǎn)物，或者不被磺酸化。部分學生在討論過程中提出了新的假設：可能有一磺酸產(chǎn)物的生成。學生推測，在反應過程中，很可能首先生成了一磺酸產(chǎn)物，再由一磺酸產(chǎn)物繼續(xù)磺化生成二磺酸產(chǎn)物。教師引導學生，從現(xiàn)有實驗數(shù)據(jù)中尋找支撐這一假設的證據(jù)。如果有一磺酸產(chǎn)物生成，那么其將會在接下來的硝化反應中生成二硝基產(chǎn)物，最終磺酸基水解后生成2,4-二硝基苯-1,3-二酚(圖6)。再次分析產(chǎn)物B的1H NMR譜圖，發(fā)現(xiàn)在δH6.78 (1H, d, J = 9.7 Hz)和δH8.33 (1H, d, J = 9.7 Hz)有兩個積分較低的信號(物質(zhì)的量比約為主要產(chǎn)物的1/10)，可以歸屬為2,4-二硝基苯-1,3-二酚里苯環(huán)氫的信號。但是否產(chǎn)物B中真的含有2,4-二硝基苯-1,3-二酚，還需將產(chǎn)物B分離純化后進行進一步鑒定。教師引導學生對實驗數(shù)據(jù)進行了詳細的分析并進行了充分的討論，學生在這個過程中體驗到了科研中“發(fā)現(xiàn)問題–分析問題–解決問題–發(fā)現(xiàn)新問題”的思路，體會到了用所學知識去解決實際問題的樂趣。

圖6 2,4-二硝基苯-1,3-二酚反應途徑

3 2-硝基苯-1,3-二酚合成實驗中課程思政要素的提煉

新時代背景下大學生思想政治教育已成為高等教育的重要任務[12]。而課程思政的內(nèi)涵是多方位的，其中就包括對學生科學思維的培養(yǎng)，與嚴謹科學態(tài)度的樹立[13]。

3.1 科學思維的培養(yǎng)

在本科理論課和實驗課教學過程中，傳統(tǒng)的教學方式是教師將知識點直接傳授給學生，學生以考試為導向進行學習。而科學的進步，在于不斷地發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題。從事科學研究活動，需要科學研究者具備科學思維，能夠獨立思考，具有發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力。但傳統(tǒng)的本科教學模式并不利于培養(yǎng)學生的科學思維，這就導致了本科生繼續(xù)深造并從事科學研究時，有一個較長的適應期。如何在本科教學中有意識地培養(yǎng)學生的科學思維，從而更好地為國家培養(yǎng)科研人才，是每一位高等教育工作者都需要思考的問題。

2-硝基苯-1,3-二酚的合成教學實驗，是一個培養(yǎng)本科生科學思維的優(yōu)秀案例。學生首先在自己的實驗操作中發(fā)現(xiàn)了問題，即“有兩種不同性狀的產(chǎn)物產(chǎn)生”，然后自發(fā)產(chǎn)生了“為什么”的疑問。這個思維過程與實際科學研究里發(fā)現(xiàn)問題、分析問題的思維過程是完全吻合的。最后，在教師的引導下，學生通過分析兩種產(chǎn)物的波譜數(shù)據(jù)鑒定出了兩種產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)，并根據(jù)這個結(jié)果又大膽提出了多種假設來解釋產(chǎn)生兩種產(chǎn)物的原因。這個過程，類似于科學研究中不斷解決問題而在解決問題的過程中又不斷發(fā)現(xiàn)新的問題的思維過程。雖然2-硝基苯-1,3-二酚的合成只是一個常規(guī)的本科教學實驗，但該實驗對于培養(yǎng)學生的科學思維有著非常高的價值。

3.2 嚴謹科學態(tài)度的樹立

如上文所述，本科生在進行理論課程學習時，習慣以考試為導向，“凡是不考的就不學”；在進行實驗課程學習時，習慣照著實驗講義抓藥，不去思考為什么實驗要如此設計，出現(xiàn)不符合預期的實驗現(xiàn)象也不去深入思考發(fā)生的原因。這種被動且不嚴謹?shù)膶W習態(tài)度，是非常不利于學生將來從事科研工作的。實際的科研活動，是沒有考試范圍、也沒有能夠完全照搬的實驗講義的。科學的新發(fā)現(xiàn)、新突破，要依靠科研工作者主動求知、主動思考，以及不放過任何一個細節(jié)的嚴謹科學態(tài)度來實現(xiàn)。在本科教學中樹立學生對科學的嚴謹態(tài)度，是課程思政的重要組成部分，能夠為我國培養(yǎng)出創(chuàng)新型科學家打下堅實基礎。

2-硝基苯-1,3-二酚的合成教學實驗，也是一個幫助本科生樹立嚴謹科學態(tài)度的優(yōu)秀案例。該實驗是一個非常經(jīng)典且成熟的本科生教學實驗，這就導致學生容易理所當然地認為反應一定會按照預期的路線進行。但在實際操作中，反應卻產(chǎn)生了兩種不同的產(chǎn)物，并且實驗講義里并沒有對這種現(xiàn)象進行說明。教師在教學實踐中，引導學生對于這種未出現(xiàn)在實驗講義的實驗現(xiàn)象進行了深入探討，學生在這個過程中深刻體會到了科研中對于細節(jié)把控的重要性，從思想上埋下了嚴謹治學的種子。

4 結(jié)語

本文記錄了2-硝基苯-1,3-二酚的合成教學實驗中副反應產(chǎn)物的鑒定，以及教師在教學過程中對于思政要素的提煉。實際上在教學實踐中，諸如2-硝基苯-1,3-二酚的合成教學實驗的案例還有許多。培養(yǎng)科學思維以及樹立嚴謹科學態(tài)度這兩個課程思政要素，甚至可以融合進每一個教學實驗中，“潤物細無聲”地在整個本科生實驗課程體系里都貫穿始終，為國家培養(yǎng)高素質(zhì)科研人才服務。