合成席夫堿類光致變色有機(jī)化合物

李金洲，耿嘉浩，劉聰達(dá)，李繼龍

（沈陽(yáng)理工大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110158）

0 引言

光致變色指的是一個(gè)化合物A，在特定波長(zhǎng)的光照射之下進(jìn)行特定的化學(xué)反應(yīng)或物理效應(yīng)，并最終生成產(chǎn)物B，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)上出現(xiàn)變化使得其吸收光譜的顏色出現(xiàn)變化，而在另外一個(gè)波長(zhǎng)的光照射或者是熱的作用之下，產(chǎn)物B 又可以恢復(fù)到原來(lái)的形式[1]。

光致變色現(xiàn)象為現(xiàn)代生活提供嶄新的色彩，將相應(yīng)的化合物引入到包裝裝潢、玩具制造、油墨生產(chǎn)、液晶顯示等新領(lǐng)域內(nèi)；會(huì)有極其廣闊的發(fā)展前景。目前，有機(jī)光致變色化合物可分為螺吡喃類、螺噁嗪類、偶氮苯類、二芳基乙烯類、俘精酸酐類、席夫堿類。

本實(shí)驗(yàn)將簡(jiǎn)易合成席夫堿類2-（2，4-二硝基芐基）吡啶，結(jié)合光致變色原理，用環(huán)氧樹脂做成形態(tài)各異會(huì)變色的物品，例如變色的眼鏡、變色小熊、變色花朵等。本實(shí)驗(yàn)試劑儀器簡(jiǎn)單、成本低廉、操作緊湊、現(xiàn)象明顯，有著較強(qiáng)的趣味性，不僅可以幫助學(xué)生提高知識(shí)水平和專業(yè)素養(yǎng)，還可以激發(fā)學(xué)生對(duì)于專業(yè)的熱愛(ài)。讓公眾領(lǐng)略化學(xué)與藝術(shù)的完美融合，讓參與者真切感悟到生活中的化學(xué)現(xiàn)象。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

1）2-芐基吡啶溶液在100 ℃下水浴加熱，與硝酸發(fā)生硝化反應(yīng)，2 個(gè)硝基基團(tuán)取代氫，得到2-（2，4-二硝基芐基）吡啶。吡啶化合物直接硝化，親電試劑主要進(jìn)攻N 的間位，反應(yīng)條件強(qiáng)烈，但硝化產(chǎn)率很低[1]，收率僅在40%～50%。

2）用氫氧化鈉溶液除去溶液中的硝酸和硫酸，反應(yīng)方程式見(jiàn)式（1）、式（2）：

3）2-（2，4-二硝基芐基）吡啶變色主要是由于紫外線照射下，分子結(jié)構(gòu)變化，發(fā)生了分子內(nèi)的質(zhì)子遷移，使其從黃色變?yōu)樗{(lán)色，數(shù)小時(shí)后能恢復(fù)原狀。

1.2 試劑和儀器

儀器：HH-1 型恒溫水浴鍋、水浴鍋、球形冷凝管、直型冷凝管、CPA225D 型電子天平、CJJ79-1 可控溫磁力攪拌器及常規(guī)實(shí)驗(yàn)室用儀器。

1.3 實(shí)驗(yàn)操作及效果

1.3.1 制備2-（2，4-二硝基芐基）吡啶

1）硝化反應(yīng)：向燒瓶中加入12 mL 濃硫酸和攪拌子，建立冰浴，使其冷卻至5 ℃，10 min 后再向酸中緩慢加入2.5 mL 2-芐基吡啶，攪拌3 min 后，逐滴滴加2.25 mL 濃硝酸。取出燒瓶，安裝球形冷凝器，放入恒溫水浴鍋，于100 ℃下水浴20 min。

2）提純：將產(chǎn)物從小燒瓶倒入燒杯中，建立冰浴，使其冷卻至5 ℃，蒸餾水洗滌燒瓶，然后倒入燒杯中，稱取20 g 氫氧化鈉溶于250 mL 水中，配制氫氧化鈉溶液，倒入燒杯中，檢驗(yàn)溶液酸堿度呈堿性，提純完成。

3）萃取：將燒杯放在磁力攪拌器上，向燒杯中加入200 mL 乙醚，攪拌20 min。

4）分液：將燒杯中的溶液倒入分液漏斗，靜置1 h，溶液分層，上層是乙醚層，下層是水層，排掉下層廢液，將上層溶液倒入錐形瓶中。

5）除水：向錐形瓶中加入適量的無(wú)水硫酸鎂，靜止1 h。

6）過(guò)濾：將溶液倒入過(guò)濾裝置中，用少量乙醚洗滌燒杯濾渣濾紙。

3)從國(guó)家能源戰(zhàn)略需求和電網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀出發(fā)，智能電網(wǎng)的建設(shè)應(yīng)從電源側(cè)智能化、電網(wǎng)側(cè)智能化、配用電側(cè)智能化和調(diào)度智能化四個(gè)層面來(lái)布局。其中，電網(wǎng)側(cè)智能化建設(shè)已卓有成效，配用電側(cè)智能化是未來(lái)智能電網(wǎng)建設(shè)的重點(diǎn)。

7）蒸餾：將溶液倒入蒸溜裝置的燒瓶中，加熱至溶液中有沉淀生成，將燒瓶轉(zhuǎn)移到水浴鍋中，不斷有沉淀產(chǎn)生，放置1 h，沉淀完全產(chǎn)生。

8）再過(guò)濾：將蒸餾產(chǎn)物倒入過(guò)濾裝置，并用乙醇洗滌過(guò)濾器和燒杯，濾紙上的顆粒就是的2-（2，4-二硝基芐基）吡啶，待其烘干后，得到1.58 g 黃色2-（2，4-二硝基芐基）吡啶晶體。

1.3.2 沖洗照片

1）準(zhǔn)備負(fù)片，選擇照片，調(diào)整圖像為黑白，完成黑白處理后調(diào)整圖片為反相，得到反相圖像，打印該圖片就得到了想要沖洗照片的負(fù)片[2]。

2）稱取1 g 2-（2，4-二硝基芐基）吡啶，加入3 mL丙酮和3 mL 水，混合，并用其涂在水彩紙上，經(jīng)過(guò)干燥處理（提前準(zhǔn)備），將負(fù)片放在紙上，用兩片玻璃夾在中間，在陽(yáng)光下照射1 min，紙上就形成了負(fù)片上的圖案[3]。

1.3.3 變色的小熊

1）準(zhǔn)備環(huán)氧樹脂，提前準(zhǔn)備環(huán)氧樹脂a、b 膠，將0.5 g 2-（2，4-二硝基芐基）吡啶加入到研缽中，倒入環(huán)氧樹脂a，混合攪拌，再倒入環(huán)氧樹脂b，混合攪拌，倒入泰迪熊模具中，緩慢固定后，形成藍(lán)色的小熊，由于氮酸形式與硝基形式之間的轉(zhuǎn)變，通過(guò)光或者熱相互轉(zhuǎn)化，有3 種互變異構(gòu)形式。環(huán)氧樹脂的固化反應(yīng)為放熱反應(yīng)，分子進(jìn)入環(huán)氧樹脂之后，進(jìn)行熱致變色，使其變?yōu)樗{(lán)色。

2）用0.5 g 2-（2，4-二硝基芐基）吡啶制作小熊模型，固定后，紫外線照射1 h，小熊由藍(lán)色變淺藍(lán)色，2 h 小熊變透明，持續(xù)照射3 h 變?yōu)辄S色，由于長(zhǎng)時(shí)間的紫外線照射破壞了2-（2，4-二硝基芐基）吡啶的分子結(jié)構(gòu)，小熊顏色并不能回復(fù)成藍(lán)色。

3）用0.5 g 2-（2，4-二硝基芐基）吡啶制作花朵模型，固定后，在紫外線照射下下3 h，花朵從藍(lán)色變?yōu)辄S色。

2 科普展示

2.1 展示條件及對(duì)象

根據(jù)不同場(chǎng)景，進(jìn)行不同類型的實(shí)驗(yàn)，對(duì)于實(shí)驗(yàn)室和寬敞室內(nèi)場(chǎng)所，如科技館、中小學(xué)教室等，可以進(jìn)行操作型實(shí)驗(yàn)，合成目標(biāo)產(chǎn)物，進(jìn)行指導(dǎo)教學(xué)；對(duì)于室外場(chǎng)所，如廣場(chǎng)、公園等地點(diǎn)，可以做驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，沖洗照片，制作變色的小熊等。室外展示時(shí)最好是陽(yáng)光充足的晴天，有電源時(shí)對(duì)天氣沒(méi)有要求。實(shí)驗(yàn)用品需存儲(chǔ)于棕色玻璃瓶中。

根據(jù)參與者年齡，將展示對(duì)象分為小學(xué)階段（6—12 歲）、中學(xué)階段（12—18 歲），本專業(yè)相關(guān)大學(xué)生及成年階段（18 歲以上）3 個(gè)人群。

小學(xué)階段學(xué)生，對(duì)于顏色的變化較為敏感，并且感興趣，然而不具備有化學(xué)知識(shí)，所以重點(diǎn)是讓他們體驗(yàn)制作變色小熊以及沖洗照片的過(guò)程，對(duì)化學(xué)科學(xué)有一定的了解，并感受化學(xué)之美與實(shí)驗(yàn)之趣。

中學(xué)階段學(xué)生，已經(jīng)有了一定的化學(xué)學(xué)科知識(shí)積累，但是對(duì)于化學(xué)原理缺乏相應(yīng)的認(rèn)知。因此在制作的時(shí)候，主要是引導(dǎo)學(xué)生去理解光致變色現(xiàn)象的化學(xué)原理，并嘗試用學(xué)到的化學(xué)原理去解答生活中與光化學(xué)反應(yīng)相關(guān)的問(wèn)題。

本專業(yè)相關(guān)大學(xué)生及成年人，對(duì)于本專業(yè)相關(guān)大學(xué)生，可以開(kāi)展相關(guān)實(shí)驗(yàn)，掌握光致變色原理以及一系列實(shí)驗(yàn)操作；對(duì)于成年人，具備豐富的社會(huì)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在制作物品和照片之后，進(jìn)行紫外線防護(hù)拓展實(shí)驗(yàn)，能更好地幫助他們進(jìn)行紫外線防護(hù)，了解生活中常見(jiàn)的光致變色原理，糾正其可能存在的認(rèn)知誤區(qū)。

2.2 展示方案

1）藍(lán)曬法沖洗照片：還可以采用多種媒介，像紙、蛋殼、玻璃等，可拓展藍(lán)曬的應(yīng)用范圍，豐富藍(lán)曬的表現(xiàn)方式，展現(xiàn)化學(xué)科學(xué)的魅力。

2）制作變色物品：用多種模具制作不同形狀變色的物品，像變色眼鏡、變色手機(jī)殼、變色車膜、變色鞋等。還可以讓學(xué)生自由發(fā)揮，用不同質(zhì)量的2-（2，4-二硝基芐基）吡啶，在太陽(yáng)光下照射不同時(shí)間，制備出不同顏色不同程度的物品。

3 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)硝化反應(yīng)，合成2-（2，4-二硝基芐基）吡啶。通過(guò)學(xué)習(xí)該有機(jī)物的合成和光致變色性能的表征方法，掌握稱量、提純，萃取，分液，過(guò)濾、蒸餾等實(shí)驗(yàn)操作，普及光致變色等相關(guān)的化學(xué)概念以及化學(xué)基本操作，對(duì)化學(xué)發(fā)展前沿理論形成初步了解。該實(shí)驗(yàn)所需的試劑儀器較為簡(jiǎn)單、成本比較低廉，因此適合在化學(xué)或相關(guān)專業(yè)的本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中推廣，同時(shí)其實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象較為明顯，具有較強(qiáng)的趣味性，可以面向大眾進(jìn)行化學(xué)科普講解。此外，本實(shí)驗(yàn)不但可以提高學(xué)生的知識(shí)水平和專業(yè)素養(yǎng)，也可以培養(yǎng)其對(duì)專業(yè)的興趣和熱愛(ài)。本實(shí)驗(yàn)安全可靠，操作性強(qiáng)，適用面廣，是一個(gè)值得推廣的化學(xué)科普項(xiàng)目。