熒光和羥基修飾聚天冬氨酸的制備與阻垢性能
——推薦一個(gè)綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)

高利軍，文日珍，王赟，郭妍蓓，惠永海，高天明，張永飛

嶺南師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，清潔能源材料化學(xué)廣東普通高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 湛江 524048

1 實(shí)驗(yàn)背景

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等學(xué)?；瘜W(xué)類專業(yè)人才培養(yǎng)的必修課程?！痘瘜W(xué)類專業(yè)本科教學(xué)質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)》[1]中的化學(xué)實(shí)踐類課程要求：構(gòu)建基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)–綜合性實(shí)驗(yàn)–研究性實(shí)驗(yàn)的多層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，其中綜合性和研究性實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)不少于總實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)的20%，實(shí)驗(yàn)教學(xué)除基本內(nèi)容還可以增加特色內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)應(yīng)綠色環(huán)保，注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和實(shí)踐能力。目前，各高校都在積極探索和實(shí)踐綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容及教學(xué)模式，其中，與科研項(xiàng)目相結(jié)合設(shè)計(jì)綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)是提升綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)質(zhì)量和效果的有效方法之一[2–4]。

工業(yè)生產(chǎn)中在循環(huán)冷卻水中加入阻垢劑是防止換熱設(shè)備結(jié)垢產(chǎn)生各種不良后果的有效措施[5,6]，聚天冬氨酸(Polyaspartic Acid，PASP)具有生物降解性，屬于綠色環(huán)保水處理阻垢劑，對碳酸鈣和硫酸鈣具有良好阻垢性能[7]，但對于常見的磷酸鈣阻垢效果差，需要對PASP結(jié)構(gòu)進(jìn)行修飾以增強(qiáng)磷酸鈣阻垢性能[8,9]。通常，聚合物分子鏈中引入羥基和磺酸基能增強(qiáng)對磷酸鈣的阻垢性能[10]。另外，水處理劑經(jīng)過熒光標(biāo)記后可以用于熒光示蹤自動加藥系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控藥劑濃度，避免人工加藥導(dǎo)致過多浪費(fèi)或過少結(jié)垢的不足[11]，是該領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究趨勢之一[12]，通過熒光檢測藥劑濃度還具有靈敏度高、測試成本低的優(yōu)勢。涉及到PASP的熒光修飾，文獻(xiàn)報(bào)道較少，因?yàn)楹铣删厶於彼崾侵鸩骄酆蠙C(jī)理，不像聚丙烯酸或聚馬來酸類阻垢劑，用含雙鍵的熒光單體參與共聚就可以方便地進(jìn)行熒光修飾[13]。高利軍等[10]用三氟化硼催化羥基化聚琥珀酰亞胺(PSI)與9-環(huán)氧丙基咔唑反應(yīng)并堿性水解剩余PSI結(jié)構(gòu)單元獲得熒光聚天冬氨酸。該方法第一步需要嚴(yán)格無水反應(yīng)條件，且原料昂貴，不適合作為本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)。

本文將以上科研項(xiàng)目引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，并優(yōu)化了制備方案，采用大宗化工原料和試劑馬來酸酐、碳酸銨、間苯二酚、乙醛酸，利用微波方法合成了熒光和羥基修飾的PASP并應(yīng)用于冷卻水阻垢劑。該實(shí)驗(yàn)包含高分子化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)內(nèi)容，將微波方法引入本科生化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)具有一定特色和應(yīng)用性，且PASP屬于環(huán)境友好阻垢劑，綠色環(huán)保，切合《化學(xué)類專業(yè)本科教學(xué)質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)》對實(shí)踐類課程的要求。本實(shí)驗(yàn)將科學(xué)研究的思維方法融入其中，有利于激發(fā)學(xué)生的科研熱情和創(chuàng)新意識，提高實(shí)驗(yàn)操作水平和科研能力，適合化學(xué)類專業(yè)高年級本科生開設(shè)。

2 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h2>

(1) 掌握水溶性熒光物質(zhì)的合成原理和方法，鞏固有機(jī)合成基本操作；

(2) 掌握熒光基團(tuán)和羥基對PASP結(jié)構(gòu)修飾的原理和方法；

(3) 掌握碳酸鈣、磷酸鈣靜態(tài)阻垢試驗(yàn)方法，以及鞏固EDTA滴定鈣離子濃度的原理和方法、掌握磷鉬酸銨測定濃度的原理和方法；

(4) 了解核磁共振波譜儀、熒光磷光發(fā)光分光光度計(jì)、凝膠滲透色譜儀、可見分光光度計(jì)等儀器的基本原理及操作，學(xué)會分析相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3 實(shí)驗(yàn)原理

熒光和羥基修飾聚天冬氨酸的合成路線如式1所示。

式1 熒光和羥基修飾聚天冬氨酸的合成路線

3.1 水溶性熒光試劑的合成

水溶性熒光化合物的合成路線如式1(b)所示。由間苯二酚和乙醛酸為原料，在酸催化下加熱，首先二者之間發(fā)生芳香環(huán)的親電取代(I反應(yīng))，生成2-(2,4-羥基苯基)-2-羥基乙酸(化合物2)，然后羧基和羥基分子內(nèi)酸催化酯化(II反應(yīng))生成3,6-二羥基苯并呋喃-2-酮(3)，接著羰基質(zhì)子化的化合物2與另一分子間苯二酚羥基對位碳原子進(jìn)行親電取代(III反應(yīng))并脫水消除(IV反應(yīng))生成2-(2,4-二羥基苯基)苯并呋喃-3,6-二醇(5)，化合物4中的烯醇結(jié)構(gòu)異構(gòu)化為酮式結(jié)構(gòu)生成2-(2,4-二羥基苯基)-6-羥基苯并呋喃-3-酮(6) (V反應(yīng))，然后在堿性條件下酚羥基被氧化成醌式結(jié)構(gòu)(VI反應(yīng))，得到目標(biāo)產(chǎn)物水溶性熒光試劑(WSFR)，(E)-6-羥基-2-(2-羥基-4-氧代環(huán)己-2,5-二烯-1-亞基)苯并呋喃-3-酮(1)。

第I步酸催化鄰苯二酚和乙醛酸進(jìn)行親核加成反應(yīng)時(shí)，由于羥基氧上的孤對電子與苯環(huán)π鍵形成給電子的共軛效應(yīng)，因此，羥基的鄰對位帶負(fù)電荷更多一些，4-或6-碳原子進(jìn)攻質(zhì)子化的乙醛酸的醛基碳原子，2-碳原子雖然也是鄰位，但處于兩個(gè)羥基之間，位阻偏大，不易進(jìn)攻醛基碳原子。

第VI步堿性條件被氧化成醌式結(jié)構(gòu)時(shí)，化合物6的2、4、6-酚羥基哪個(gè)更容易被氧化？這里，6-羥基被氧化形成醌式結(jié)構(gòu)后，使原來苯環(huán)和中間五元環(huán)上的羰基的共軛效應(yīng)不復(fù)存在，2-羥基被氧化形成的醌式結(jié)構(gòu)不能和五元環(huán)羰基形成共軛，而4-羥基被氧化后，可以形成共軛，能量更低，熱力學(xué)更有利。因此，產(chǎn)物為4-羥基被氧化的化合物1。

3.2 聚琥珀酰亞胺中間體的合成

以馬來酸酐和碳酸銨為原料，兩者溶于水，微波加熱，合成聚琥珀酰亞胺(Polysuccinimide，PSI)中間體。如式1(c)所示，首先生成馬來酸單銨鹽，加熱后脫水生成單馬來酰胺，然后進(jìn)行邁克爾加成反應(yīng)生成聚酰胺，最后側(cè)羧基的羥基和酰胺氮原子上的氫脫水成環(huán)，生成PSI。聚酰胺根據(jù)-NH2加成雙鍵碳原子位置不同，分別生成α和β兩種結(jié)構(gòu)(式1(d))。

3.3 熒光和羥基修飾聚天冬氨酸

合成路線如式1(a)所示。首先，2-溴乙胺的-NH2與PASP中間體PSI發(fā)生親核加成開環(huán)反應(yīng)，同時(shí)加入1,1的3a-取代?；哂形娮庸曹椥?yīng)，使對位6-酚羥基的酸性比2-酚羥基的酸性大，在碳酸鉀作用下6-酚羥基轉(zhuǎn)變?yōu)檠踟?fù)離子與2-溴乙胺的溴端發(fā)生親核取代反應(yīng)，然后2-溴乙胺的氨基與PSI的酰亞胺發(fā)生親核加成反應(yīng)并開環(huán)。因此，借助2-溴乙胺可以把熒光物質(zhì)1和PSI進(jìn)行連接，使PSI熒光化，根據(jù)PSI開環(huán)時(shí)碳氮鍵斷鍵位置不同，分別得到類似于式1(d)的α和β兩種結(jié)構(gòu)。然后加入乙醇胺，其氨基和部分未開環(huán)的PSI發(fā)生加成開環(huán)反應(yīng)，至此獲得熒光和羥基修飾的PSI (FHPSI)，然后堿性水解FHPSI剩余未開環(huán)的PSI，酸化后獲得熒光和羥基修飾的聚天冬氨酸(FHPASP)。

3.4 碳酸鈣阻垢性能測試

按照國家標(biāo)準(zhǔn)水處理劑阻垢性能的測定——碳酸鈣沉積法(GB/T 16632–2019)測試合成阻垢劑的碳酸鈣阻垢性能。以含有732 mg·L?1碳酸氫根、240 mg·L?1鈣離子和一定量的阻垢劑制備成試液，用3.8 g·L?1十水四硼酸鈉溶液調(diào)節(jié)pH約為9。在80 °C恒溫10 h后，促使碳酸氫鈣加速分解為碳酸鈣。達(dá)到平衡后測定試液中的鈣離子濃度，鈣離子濃度愈大，表明該阻垢劑的阻垢性能愈好。根據(jù)公式(1)計(jì)算阻垢率(η)。

式中，ρ1為加入水處理劑的試液試驗(yàn)后的鈣離子(Ca2+)質(zhì)量濃度的數(shù)值，單位為mg·mL?1；ρ0為未加水處理劑的空白試液試驗(yàn)后的鈣離子(Ca2+)質(zhì)量濃度的數(shù)值，單位為mg·mL?1；ρ2為配制水中鈣離子(Ca2+)質(zhì)量濃度的數(shù)值，單位為mg·mL?1。

3.5 磷酸鈣阻垢性能測試

按照國家標(biāo)準(zhǔn)水處理劑阻垢性能的測定——磷酸鈣沉積法(GB-T 22626–2008)測試合成阻垢劑的磷酸鈣阻垢性能。原理同碳酸鈣阻垢性能測試，不同的是，阻垢試液碳酸氫根替換為5.0 mg·L?1磷酸二氫根離子、鈣離子濃度為100 mg·L?1，阻垢率公式中鈣離子濃度替換為磷酸根離子濃度。

3.6 阻垢試驗(yàn)各溶液濃度測定

碳酸氫鈉儲備液濃度(約18.3 g·L?1)用鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定，溴甲酚綠-甲基紅為指示劑，溶液由綠色變?yōu)榘导t色為終點(diǎn)。

氯化鈣儲備液濃度(約6 g·L?1Ca2+)用乙二胺四乙酸二鈉(EDTA-2Na)標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定，鈣-羧酸(0.2 g鈣-羧酸與100 g氯化鉀混合研磨)為指示劑，溶液由酒紅色變?yōu)榱了{(lán)色為終點(diǎn)。

鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度(約0.1 mol·L?1)用碳酸鈉基準(zhǔn)物標(biāo)定，溴甲酚綠-甲基紅為指示劑，溶液由綠色變?yōu)榘导t色為終點(diǎn)。

EDTA-2Na標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度(0.01 mol·L?1)用碳酸鈣基準(zhǔn)物標(biāo)定。

阻垢試驗(yàn)后，試液中鈣離子濃度用EDTA-2Na標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定。

阻垢試驗(yàn)后，試液中磷酸根離子濃度用鉬酸銨分光光度法測定(GB/T 6913–2023)。其原理為：酸性介質(zhì)中，在銻鹽(酒石酸銻鉀)存在下，正磷酸鹽與鉬酸銨反應(yīng)，生成磷鉬雜多酸，立即被抗壞血酸還原，生成藍(lán)色絡(luò)合物，在710 nm波長下具有最大吸收峰，其吸光度值與正磷酸鹽的濃度成正比例關(guān)系，可以用可見光分光度計(jì)測定濃度。

4 實(shí)驗(yàn)試劑與儀器

試劑：間苯二酚、乙醛酸、鹽酸、氫氧化鉀、氫氧化鈉、馬來酸酐、碳酸銨、乙醇胺、2-溴乙胺氫溴酸鹽、碳酸鉀、N,N-二甲基甲酰胺、無水乙醇、二水合乙二胺四乙酸二鈉、二水合氯化鈣、碳酸氫鈉、十水合四硼酸鈉、鈣羧酸指示劑、氯化鉀、四水合鉬酸銨、抗壞血酸、酒石酸銻鉀、甲酸、硫酸、磷酸二氫鉀。以上試劑均為分析純，購自上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

儀器：家用微波爐，分析天平，恒溫磁力攪拌器，真空干燥箱，循環(huán)水式真空泵，恒溫水浴鍋，熒光分光光度計(jì)(LS-55，美國PerkinElmer)，核磁共振波譜儀(DRX-400，德國Bruker)，凝膠滲透色譜儀(Waters1515，美國Waters)，可見分光光度計(jì)(722N，上海精科)。

5 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

5.1 實(shí)驗(yàn)步驟

1) 水溶性熒光試劑的合成。

0.33 g (4.5 mmol)乙醛酸、1.6 mL水加入5 mL圓底燒瓶中，溶解后，加入1.24 g (11.3 mmol)間苯二酚。固態(tài)全部溶解后，加入2滴37%鹽酸溶液，搖勻，轉(zhuǎn)移至設(shè)置為110 °C的油浴中，磁力攪拌。在80 °C時(shí)反應(yīng)溶液開始變渾濁，1.5 h后析出大量固體顆粒，停止反應(yīng)。進(jìn)行減壓抽濾，每次用5 mL冷蒸餾水洗滌3次，將濾餅轉(zhuǎn)移至表面皿上，在35 °C真空干燥，得到白色固體，產(chǎn)量0.75 g，產(chǎn)率65%。

稱取上述產(chǎn)物0.52 g (2 mmol)于10 mL圓底燒瓶中，加入5 mL無水乙醇，溶解后變成乳白色粘稠液體。加入0.22 g (4 mmol) KOH，溶液馬上變成紫色，轉(zhuǎn)移至油浴鍋中(溫度設(shè)為50 °C)，磁力攪拌。30 min后溶液變?yōu)榧t棕色，2 h后停止反應(yīng)。減壓蒸掉乙醇得到固體。40 °C真空干燥箱2 h，得到紅棕色固體，即WSFR，產(chǎn)量0.36 g，產(chǎn)率71%。產(chǎn)物加入水中，顯示綠色溶液，黑暗中有綠色熒光現(xiàn)象。

2) 中間體聚琥珀酰亞胺的合成。

0.98 g (0.1 mol)馬來酸酐和7.2 g (0.75 mol)碳酸銨置于500 mL燒杯中，混勻，加入10.0 mL蒸餾水，搖勻，固體完全溶解后，將燒杯迅速放入微波爐中，調(diào)節(jié)微波爐至高溫檔(800 W)，加熱5 min，得到紅棕色泡沫狀產(chǎn)物，將其研成粉末，每次用20 mL蒸餾水傾析洗滌3次，減壓過濾，在80 °C真空干燥至恒重，得粉紅色粉末，產(chǎn)量8.6 g，產(chǎn)率約88%。

3) 熒光和羥基修飾聚天冬氨酸的合成。

0.5 g (約5.2 mmol，按結(jié)構(gòu)單元計(jì)) PSI、0.04 g (0.16 mmol，約為PSI的3 mol%，摩爾百分比，后同) WSFR、0.032 g (0.16 mmol) 2-溴乙胺氫溴酸鹽、1.5 mLN,N-二甲基甲酰胺置于5 mL圓底燒瓶中。固體溶解后，加入0.088 g (0.64 mmol)無水碳酸鉀，60 °C油浴中磁力攪拌反應(yīng)4 h。然后加入0.13 g(2.1 mmol，PSI的40 mol%)乙醇胺，繼續(xù)加熱反應(yīng)30 min。反應(yīng)物緩慢滴入不斷攪拌的6 mL無水乙醇中析出聚合物，抽濾，濾餅用無水乙醇洗滌三次，40 °C真空干燥至恒重，得到棕色固體0.6 g，為熒光和羥基修飾的PSI。

以上產(chǎn)物0.4 g置于5 mL圓底燒瓶中，加入0.12 g NaOH (3 mmol)溶于1 mL水的溶液，在60 °C水浴中攪拌反應(yīng)30 min。用濃鹽酸調(diào)反應(yīng)液的pH為3–4，然后滴入不斷攪拌的6 mL無水乙醇中析出固體，用無水乙醇洗滌多次，連同燒杯置于80 °C真空干燥箱中干燥至恒重，得到黃色固體0.41 g，為熒光和羥基修飾的PASP。

4) 聚天冬氨酸的合成。

作為對照，制備PASP。用PSI堿性水解再酸化獲得。具體為：0.41 g (10.3 mmol) NaOH溶于4 mL水中，加入1 g PSI，60 °C水浴中磁力攪拌30 min。用濃鹽酸調(diào)反應(yīng)液的pH為3–4，然后滴入不斷攪拌的25 mL無水乙醇中析出固體，用無水乙醇洗滌多次，連同燒杯置于80 °C真空干燥箱中干燥至恒重，得到淡黃色固體1.1 g。

5) 分析測試。

采用核磁共振波譜儀(DRX-400，德國Bruker)測試產(chǎn)物1H NMR譜表征產(chǎn)物結(jié)構(gòu)，以氧化氘為溶劑；采用凝膠滲透色譜儀(Waters1515，美國Waters)測定產(chǎn)物分子量；采用熒光分光光度計(jì)(LS-55，美國PerkinElmer)測試產(chǎn)物熒光性能。

6) 碳酸鈣阻垢性能測試。

配制儲備液：氫氧化鉀溶液：200 g·L?1。碳酸氫鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液：稱取25.2 g碳酸氫鈉于100 mL燒杯中，蒸餾水溶解并轉(zhuǎn)移到100 mL容量瓶中，定容。用移液管移取5.00 mL于250 mL錐形瓶中，加入50 mL水、4滴溴甲酚綠-甲基紅指示劑，用鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定，溶液由綠色變?yōu)榘导t色為終點(diǎn)，計(jì)算出儲備液中HCO3?的濃度為18.4 mg·mL?1。氯化鈣標(biāo)準(zhǔn)溶液：稱取16.7 g無水氯化鈣于100 mL燒杯中，蒸餾水溶解并轉(zhuǎn)移到100 mL容量瓶中，定容。用移液管移取2.00 mL于250 mL錐形瓶中，加入80 mL水、5 mL氫氧化鉀溶液、0.1 g鈣-羧酸指示劑，用0.01 mol·L?1EDTA-2Na標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定，溶液由酒紅色變?yōu)榱了{(lán)色為終點(diǎn)，計(jì)算出儲備液中Ca2+的濃度為6.1 mg·mL?1。硼砂緩沖溶液：稱取3.80 g十水四硼酸鈉溶于水并定容于100 mL容量瓶中，pH約為9。阻垢劑溶液：100 mg·L?1，定容于500 mL容量瓶。

阻垢試驗(yàn)：500 mL容量瓶中，依次加入250 mL水、19.7 mL氯化鈣標(biāo)準(zhǔn)溶液、一定量的阻垢劑溶液，搖勻，再加入20 mL硼砂緩沖液，用水沖淋容量瓶頸部，搖勻。再緩慢加入19.9 mL碳酸氫鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液，邊加邊搖，防止局部離子濃度過大，導(dǎo)致生成碳酸鈣，溶液變渾濁。最后定容。轉(zhuǎn)移到1000 mL潔凈的錐形瓶中，錐形瓶上置帶塞子的冷凝管，不通冷卻水。錐形瓶置于80 ± 1 °C的水浴中，恒溫10 h，期間水浴液面應(yīng)高于試驗(yàn)水液面。恒溫10 h后趁熱用中速定量濾紙過濾，濾液冷卻后，移取25 mL于250 mL錐形瓶中，加入80 mL水、5 mL氫氧化鉀溶液、0.1 g鈣-羧酸指示劑，用EDTA-2Na標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定溶液由酒紅色變?yōu)榱了{(lán)色為終點(diǎn)。同時(shí)滴定空白試液(不加阻垢劑)以及配制試液水(不加熱)中Ca2+的濃度。按公式(1)計(jì)算碳酸鈣的阻垢率。

7) 磷酸鈣阻垢性能測試。

配制儲備液：氯化鈣標(biāo)準(zhǔn)溶液、硼砂緩沖液和阻垢劑溶液同碳酸鈣阻垢試驗(yàn)。另需配制，磷酸二氫鉀標(biāo)準(zhǔn)儲備溶液：含，稱取事先在105 °C干燥過的磷酸二氫鉀0.1791 g，用水溶解并定容于1000 mL容量瓶中。磷酸二氫鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液：含，移液管移取磷酸二氫鉀標(biāo)準(zhǔn)儲備溶液10 mL到100 mL容量瓶中，稀釋至刻度。硫酸溶液：濃硫酸和水體積比為1 : 1?？箟难崛芤海?00 g·L?1，10 g ± 0.5 g抗壞血酸溶解于100 mL ± 5 mL水中，儲存在棕色瓶中，冰箱冷藏可保存2周。鉬酸銨溶液：26 g·L?1，稱取13 g鉬酸銨，精確至0.5 g，0.35 g 1/2水合酒石酸銻鉀，精確至0.01 g，溶于200 mL水中，加入230 mL硫酸溶液，混勻，冷卻后用水稀釋至500 mL，混勻，儲存于棕色瓶中。

阻垢試驗(yàn)：500 mL容量瓶中，依次加入250 mL水、8.2 mL氯化鈣標(biāo)準(zhǔn)溶液、一定量的阻垢劑溶液，搖勻，再加入20 mL硼砂緩沖液，用水沖淋容量瓶頸部，搖勻。再緩慢加入20 mL磷酸二氫鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液，邊加邊搖，防止局部離子濃度過大，導(dǎo)致生成磷酸鈣，溶液變渾濁。最后定容。轉(zhuǎn)移到1000 mL潔凈的錐形瓶中，置于80 ± 1 °C的水浴中，恒溫10 h，期間水浴液面應(yīng)高于試驗(yàn)水液面。恒溫10 h后趁熱用中速定量濾紙過濾，濾液冷卻后，用移液管移取20 mL濾液加入50 mL容量瓶中，按照以上描述的分光光度法測定濃度的方法測定每組試驗(yàn)水中的的濃度。按公式(1) (其中Ca2+濃度替換為濃度)計(jì)算磷酸鈣的阻垢率。

5.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

1) 結(jié)構(gòu)表征。

圖1為阻垢劑FHPASP的1H NMR譜圖?；瘜W(xué)位移(δ, D2O)：8.33 (1H, CONH), 7.81, 6.79, 6.59, 6.40(6H,H-Ar), 4.56 (1H, CH2CH-CONH), 4.37 (1H, CH2CH-COR, R 為 如 式 1(a) 所 示的―OH, ―NHCH2CH2OH 和―NHCH2CH2OAr, Ar 來 自WSFR), 3.55 (2H, NHCH2CH2OH 和NHCH2CH2OAr), 3.22 (2H, NHCH2CH2OH和NHCH2CH2OAr), 2.56–2.66 (2H, CHCH2CONH)，δ4.70的峰來自氧化氘的殘留氫。通過產(chǎn)物結(jié)構(gòu)的1H NMR譜圖解析，證明為目標(biāo)物質(zhì)。凝膠滲透色譜測定FHPASP的數(shù)均分子量為3250 g·mol?1，分子量分布指數(shù)為2.3。

圖1 FHPASP的1H NMR譜圖

2) 熒光性能。

圖2為WSFR的熒光激發(fā)發(fā)射光譜圖，用321 nm激發(fā)，在524 nm處有最大發(fā)射峰。圖3為PASP和不同濃度FHPASP水溶液的熒光光譜圖，熒光強(qiáng)度和濃度的數(shù)據(jù)列于表1。WSFR修飾PASP后，熒光最大發(fā)射峰紅移至526 nm。FHPASP水溶液的熒光強(qiáng)度隨濃度增大逐漸增強(qiáng)，并呈良好的線性關(guān)系(圖4)：Y= 151.5 + 7.7X，相關(guān)系數(shù)R的平方為0.9999。作為對照，PASP無熒光性能。

表1 PASP和不同濃度FHPASP水溶液的熒光強(qiáng)度值

圖2 WSFR的熒光光譜圖

圖3 PASP和不同濃度FHPASP水溶液熒光光譜

圖4 FHPASP水溶液濃度和熒光強(qiáng)度線性關(guān)系

3) 碳酸鈣阻垢性能。

設(shè)置阻垢試液中FHPASP的濃度分別為0.5、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10 mg·L?1，測定對碳酸鈣的阻垢性能，并與相同濃度的PASP對照，結(jié)果如圖5所示。FHPASP和PASP對碳酸鈣的阻垢性能都有普遍存在的閾值效應(yīng)，F(xiàn)HPASP在1 mg·L?1時(shí)，阻垢率迅速增大，之后增大趨勢變緩，PASP的閾值濃度在0.5 mg·L?1。在4 mg·L?1時(shí)，F(xiàn)HPASP和PASP阻垢率基本趨于平緩，分別為73%和89%；10 mg·L?1時(shí)，分別為79%和93%。與PASP相比，F(xiàn)HPASP經(jīng)過修飾后，碳酸鈣阻垢率有所下降，這是因?yàn)椋揎椇笠徊糠拄然涣u基替換，而羧基對碳酸鈣阻垢效果優(yōu)于羥基[6]。羧基對Ca2+的螯合能力起分散和晶格畸變作用，是阻碳酸鈣垢的主要官能團(tuán)[14]。

圖5 FHPASP和PASP對碳酸鈣和磷酸鈣的阻垢性能

4) 磷酸鈣阻垢性能。

設(shè)置阻垢試液中FHPASP的濃度分別為1、2、4、6、8、10、12、14、16、18、20 mg·L?1，測定對磷酸鈣的阻垢性能，并與相同濃度的PASP對照，結(jié)果如圖5所示。FHPASP和PASP對磷酸鈣的阻垢率隨濃度增大而增大，F(xiàn)HPASP也存在閾值效應(yīng)，阻垢率在10 mg·L?1時(shí)迅速增大，20 mg·L?1時(shí)達(dá)到最大97%。PASP對磷酸鈣的阻垢性不存在閾值效應(yīng)，當(dāng)濃度為16 mg·L?1時(shí)阻垢率達(dá)到30%，之后隨濃度增大阻垢率基本不變。與PASP相比，F(xiàn)HPASP引入羥基后，對磷酸鈣的阻性能顯著增強(qiáng)，同理是因?yàn)?，修飾后一部分羧基被羥基替換，而羥基對磷酸鈣阻垢效果優(yōu)于羧基[10]。羥基可以和鈣離子絡(luò)合，阻止鈣離子和磷酸根離子結(jié)合[15]，從而起到阻磷酸鈣垢的效果。

6 教學(xué)組織形式和實(shí)施成效

6.1 教學(xué)組織形式

嶺南師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院高分子材料與工程專業(yè)開設(shè)了創(chuàng)新綜合實(shí)驗(yàn)課程，共64學(xué)時(shí)，設(shè)置10個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)，本文介紹的實(shí)驗(yàn)為其中之一。授課對象為第7學(xué)期大四學(xué)生，人數(shù)30–50人，分組進(jìn)行，4–5人/組，學(xué)生根據(jù)興趣，每組選擇參加4個(gè)實(shí)驗(yàn)。

本綜合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容如圖6所示，包括前期預(yù)習(xí)、方案制定、阻垢劑合成、結(jié)構(gòu)表征和阻垢性能測試、數(shù)據(jù)處理和撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。前期預(yù)習(xí)的內(nèi)容包括水溶性熒光試劑和聚合物PSI的合成方法，聚合物PASP的熒光和羥基修飾方案，F(xiàn)HPASP熒光性能和阻垢性能的測試方法。其中涉及到高分子化學(xué)實(shí)驗(yàn)、有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)和分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)知識和PASP改性研究的科研文獻(xiàn)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)的實(shí)施都以學(xué)生為主體，教師起引導(dǎo)作用，培養(yǎng)學(xué)生勤于思考的習(xí)慣，提高綜合利用各類儀器設(shè)備和實(shí)驗(yàn)方法分析和解決問題的能力。

圖6 高分子化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)綜合性實(shí)驗(yàn)?zāi)K

給定題目和相關(guān)問題后，讓學(xué)生帶著問題檢索文獻(xiàn)。

問題1：用間苯二酚和乙醛酸制備水溶性熒光試劑的原理是什么？

問題2：PASP的中間體PSI的合成原理是什么？

問題3：對PASP進(jìn)行熒光和羥基修飾起什么作用？該問題指明了結(jié)構(gòu)和性能的聯(lián)系。

問題4：凝膠滲透色譜測試聚合物分子量的原理是什么？

問題5：如何分別配制一定濃度的氯化鈣、碳酸氫鈉、磷酸二氫鉀儲備液？

問題6：酸堿滴定、EDTA滴定鈣離子的原理是什么？

問題7：磷鉬酸銨法測定磷酸根離子濃度的原理是什么？

經(jīng)過匯總文獻(xiàn)資料，每位組員都給出實(shí)驗(yàn)方案。

然后在教師指導(dǎo)下，展開討論，精修實(shí)驗(yàn)方案，并提出實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)：

(1) 阻垢性能測試時(shí)，盛裝阻垢試液的錐形瓶務(wù)必清洗干凈，防止個(gè)別錐形瓶中雜質(zhì)促進(jìn)晶體生長，使平行試驗(yàn)產(chǎn)生較大偏差；

(2) 量取儲備液的移液管要用鉻酸洗液清洗干凈，不能掛水珠，防止各平行阻垢試液溶液量取不一致；

(3) 混合可成垢的儲備液時(shí)，如向氯化鈣溶液中加碳酸氫鈉溶液時(shí)，務(wù)必足夠稀釋和搖動，并緩慢加入，防止局部濃度過大，提前析出垢質(zhì)；

(4) 實(shí)驗(yàn)安全方面，間苯二酚、濃硫酸按規(guī)范安全使用和操作；微波爐工作時(shí)保持安全距離。

6.2 實(shí)施成效

該綜合實(shí)驗(yàn)的實(shí)施，在提升學(xué)生基本知識、基本理論和基本技能方面效果顯著。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)和能力培養(yǎng)見表2。預(yù)習(xí)階段，通過學(xué)習(xí)并深入理解有機(jī)反應(yīng)機(jī)理、高分子反應(yīng)機(jī)理以及分析測試原理，既加強(qiáng)學(xué)生的基本知識，提高基本理論水平，又指導(dǎo)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)操作時(shí)應(yīng)該注意哪些細(xì)節(jié)問題。分析測試階段，用儀器數(shù)據(jù)支持所合成化合物的結(jié)構(gòu)正確，這樣既加強(qiáng)了學(xué)生基本技能訓(xùn)練，又避免了在普通實(shí)驗(yàn)中缺少表征的“瞎子摸象”的現(xiàn)象，真正讓學(xué)生體會到科學(xué)實(shí)驗(yàn)必須建立在堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，培養(yǎng)學(xué)生樹立實(shí)事求是的科學(xué)研究精神。數(shù)據(jù)整理和撰寫報(bào)告階段，學(xué)生學(xué)會運(yùn)用Origin進(jìn)行數(shù)據(jù)作圖、用MestReNova進(jìn)行核磁波譜分析、用ChemDraw編輯化學(xué)結(jié)構(gòu)式，提升了學(xué)生實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析處理能力和圖表繪制能力。整個(gè)實(shí)驗(yàn)的完成，不同于普通實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)“照方抓藥”式的教學(xué)模式，學(xué)生在檢索文獻(xiàn)、討論方案、具體實(shí)施、撰寫報(bào)告各階段發(fā)揮了積極的主觀能動性，大大加強(qiáng)了學(xué)生獨(dú)立分析解決問題的能力。

表2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)與能力培養(yǎng)

嶺南師范學(xué)院以“挑戰(zhàn)杯”競賽為大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)工作的龍頭，注重學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的培養(yǎng)。本綜合實(shí)驗(yàn)相關(guān)內(nèi)容“強(qiáng)磷酸鈣阻垢性的熒光聚天冬氨酸”曾參加第十三屆“挑戰(zhàn)杯”廣東大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽，獲得二等獎。作為高分子材料與工程專業(yè)的創(chuàng)新綜合實(shí)驗(yàn)，深受學(xué)生喜歡，高分子材料與工程專業(yè)每屆幾乎一半的學(xué)生選擇該綜合實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程中呈現(xiàn)直觀的現(xiàn)象對比，如PASP在紫外燈下幾乎無熒光，經(jīng)過修飾的PASP具有亮黃色熒光；滴定實(shí)驗(yàn)中溶液顏色的變化；阻垢試液后空白試液(不加阻垢劑)出現(xiàn)很多白色垢質(zhì)(碳酸鈣或磷酸鈣)，加阻垢劑的試液垢質(zhì)較少或幾乎沒有；經(jīng)過羥基修飾的PASP的阻垢試液中磷酸鈣垢比沒有修飾的PASP少很多。學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的對比，用實(shí)踐證明了PASP經(jīng)過官能團(tuán)修飾后，其性能發(fā)生顯著提升。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中不僅加深了對理論知識的理解，而且對自己的實(shí)驗(yàn)結(jié)果頗有成就感，激發(fā)了對科學(xué)研究的興趣，其中不少學(xué)生堅(jiān)定了本科畢業(yè)后繼續(xù)攻讀研究生的決心。

7 結(jié)語

本文推薦了一個(gè)以高分子化學(xué)內(nèi)容為主、融合了有機(jī)化學(xué)和分析化學(xué)的綜合性本科實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過程中需要進(jìn)行一系列高分子化學(xué)、有機(jī)化學(xué)以及分析化學(xué)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)操作以及數(shù)據(jù)處理作圖分析，有利于提升學(xué)生“三基”能力。通過比較PASP結(jié)構(gòu)修飾前后性能的優(yōu)化，有利于激發(fā)學(xué)生的科研熱情，培養(yǎng)創(chuàng)新能力，達(dá)到綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程目標(biāo)，符合應(yīng)用型創(chuàng)新人才培養(yǎng)要求。本實(shí)驗(yàn)涉及環(huán)境友好聚合物阻垢劑的合成、結(jié)構(gòu)修飾和表征以及性能評價(jià)，符合綠色化學(xué)發(fā)展理念，不僅易操作、成本低，而且具有應(yīng)用性，適合推廣。