化学专业大学生研究型实验的探索与实践*

周　鑫，南龙军，田娟娟

(延边大学化学系，吉林　延吉　133002)



教学园地

化学专业大学生研究型实验的探索与实践*

周鑫，南龙军，田娟娟

(延边大学化学系，吉林延吉133002)

研究型有机化学实验已经成为培养化学专业大学生创新和科研能力的教学组成部分之一。本文以典型的光致变色材料-萘并萘醌的合成为例，开展了大学生的研究型实验的探索。实践表明, 通过对化合物的合成、表征及光致变色性质等方面的研究，激发了学生的学习兴趣，培养了学生分析和解决问题的能力，提高了学生的综合素质。

大学生；有机合成；光致变色；研究型实验

化学作为一门建立在实验基础上的学科，强调学生的基本知识和实验技能，需要对学生加强科研创新方面的训练，提升学生的综合素质[1]。有机研究型实验是化学专业教学的重要组成之一[2]。开展有机研究型实验能有效的提升本科生的创新能力[3]。有机研究型实验主要涉及化合物的合成、分离、表征以及性质研究，其综合性比较强，注重学生在每一项环节中的参与[4]。在此过程中，学生结合所学知识，以兴趣为导向，从课题内容着手，并在老师的指导和帮助下完成研究型实验，达到理解本学科的知识体系、实现与其他学科的交叉融合。

苯氧基萘并萘醌(PNQN)化合物是一类重要的光致变色的材料[5]。因为其特殊的光学形式，以萘并萘醌化合物为存储部位的聚合物可以用来做信息的存储，而且其存储级别达到了分子水平。在课题组前期工作的基础上[6-9]，我们设计了化合物PNQN-1并研究了此化合物的光致变色性质，以此为题开展了相应的大学生研究型实验项目。通过具体的实验操作及后续的探索研究，培养了学生独立分析和解决问题的能力，实现了学生理论知识与科研实践的相互融合，达到了提高学生的创新实践能力的目标。

1　实验目的

了解光致变色材料萘并萘醌的研究进展、变色机理以及合成方法；掌握过滤、重结晶、柱层析等基本的实验操作技能；熟练旋转蒸发仪、紫外-可见分光光度计等仪器的使用。通过具体的实验操作及后续的探索研究，掌握傅克反应等经典有机反应。

2　实验方案

萘并萘醌类化合物的合成方法较多[10]。通过查阅数据库，对已有的合成方法进行分析比较，确定实验方案见图1。

图1　目标化合物PNQN-1的合成路线

3　实验仪器和试剂

仪器：圆底烧瓶，研钵，磁力搅拌器，电热套，层析柱，直形冷凝器，锥形瓶，抽滤瓶；AV-300型核磁共振仪，瑞士布鲁克；UV-3010型紫外-可见分光光度计，日本岛津。

试剂：邻苯二甲酸酐，萘酚，三氧化二硼，硝酸钾，浓硫酸，冰醋酸，五氯化磷，无水硫酸钠，四氢呋喃(THF)，二氯甲烷(DCM)，石油醚(PE)，乙酸乙酯(EA)。

4　实验步骤

4.12-(1-氯-2-萘甲酰基)-4-苯甲酸(2)的合成[11]

将化合物1(0.4 g, 1.21 mmol)与五氯化磷(1.7 g, 12.29 mmol)加入两口瓶中，在室温下搅拌30 min让其混合均匀。然后于(165±5) ℃熔融条件下反应6 h，在反应过程中分批补加五氯化磷。反应结束加入乙酸溶解，然后倒入冰水中，迅速出现大量的浅黄色沉淀，过滤，干燥，得到粘稠固体，接着用于下一步反应。

4.26-氯-5,12-萘并萘醌(3)的合成

取化合物2 (2.4 g, 0.0064 mol)放入单口瓶中，加入浓硫酸(50 mL)于60 ℃反应2 h。反应结束后，将反应液倒入冰水中，有大量黄色沉淀生成，过滤。用三氧化二铝柱层析(PE:DCM=5:1)分离提纯，得到浅黄色固体产物0.62 g，产率56.8%。

4.36-氯-9-硝基-5,12-萘并萘醌(PNQN-1)的合成

取化合物3 (0.1 g)溶于15 mL浓硫酸中，0 ℃条件下，将2当量的硝酸钾(浓硫酸溶解后)滴加到反应中，溶液颜色由黑红色变为深橘黄色。20 min后停止反应，将反应液倒入冰水中，常温搅拌2 h，有浅黄色固体生成。黄色固体利用柱层析法进行分离，洗脱剂为PE:EA=6:1，产率20%。

5　结果与讨论

5.1实验方案的设计

研究型实验能有效促进理论知识的深化。本研究型实验以具有光致变色性能的萘并萘醌作为研究内容。一方面，萘并萘醌类化合物的合成比较简单，主要利用傅克反应这一经典的有机反应，学生容易制备得到目标产物，并且深化对傅克反应的理解。另一方面，光致变色这一现象容易激发学生的学习兴趣。学生在兴趣的指导下，能够更加主动的去了解光致变色所涉及的光谱学以及分子轨道理论等知识，有效的提高学生分析问题与解决问题的能力。

5.2化合物PNQN-1的光致变色性质的考察

为进一步证实该研究型实验的合理性与可靠性，我们对目标化合物的光致变色性能进行了实际考察，从而促进学生对整体知识体系的构建与认识。首先，准确称取化合物PNQN-1溶于THF溶剂中，配制浓度为1.0×10-3mol·L-1的母液，再稀释配制成浓度为3.0×10-5mol·L-1的待测溶液，用于光致变色实验。

图2A为化合物PNQN-1在365 nm光照不同时间后的紫外光谱图，化合物在385 nm 的吸收强度随着光照时间逐渐降低，在445 nm, 473 nm处的吸收强度逐渐增强，并在400 nm, 361 nm, 341 nm处出现了三个等吸光点。化合物溶液颜色由浅黄色变成金黄色，完成了从trans-ana的呈色的过程。图2B为化合物在可见光照射下恢复到初始状态的紫外光谱，随着可见光照射时间的增强，385 nm处的吸收峰强度逐渐降升高，在445 nm，473 nm的吸收峰强度逐渐降低，最后达到初始的状态，颜色由金黄色变化原来的浅黄色，完成了从ana-trans的消色过程。

图2　化合物PNQN-1(3×10-5 mol/L)的光致变色的紫外-可见光谱

5.3化合物PNQN-1的光致变色机理

萘并萘醌化合物PNQN-1具有光致变色的性质。其光致变色机理如图3所示，在365 nm紫外光的作用下，6位的基团(硝基苯酚)发生迁移，由原来的trans醌式异构化为ana醌式。在可见光的照射下，ana醌式又回到trans醌式，完成一次光致变色可逆循环。在上述过程中，其光化学机理为：化合物经过紫外光照射，发生分子跃迁，形成trans醌式激发单线态(S1)，此激发单线态在向低能级状态转变过程形成trans激发三线态(T1)，trans三线态又经衰变至ana三线态，最后形成ana醌式产物。

图3　PNQN-1的光致变色机理

6　结　论

通过本次研究型实验的开展，学生对光致变色的机理有了

一定的认识。在这一兴趣的激发下，学生通过自主学习，独立完成了化合物的合成、谱图的解析、及运用紫外吸收光谱对其光致变色性能进行了研究。在这一过程中，不仅提高了学生的综合实验操作技能，而且加深了学生对教材知识的理解，并在此过程中接触到了多个分析仪器的使用，实现了从理论到实际操作的摸索，为培养学生的创新思维提供良好的基础，提高了学生分析问题、解决问题的能力。

[1]肖丽萍, 吕萍,王彦广.化学专业本科生创新能力培养的探索与实践[J]. 大学化学, 2009(02):24-26.

[2]孙婷,侯旭锋,李公春,等.研究型有机化学实验设计[J]. 实验室科学, 2013(03):11-14.

[3]陈水生,朱娟娟.大学生科研创新训练的探索与实践——以1,4-二(1-羧亚甲基-4-咪唑基)苯的合成为例[J]. 化学教育, 2015(02): 26-29.

[4]王海滔.研究型化学实验教学模式的创新与实践[J]. 实验室研究与探索, 2011(02): 117-120.

[5]连慧琴,崔秀国,柳乐仙,等.萘并萘醌类光致变色材料的研究进展[J]. 延边大学学报(自然科学版), 2002(01): 61-66.

[6]尹京花, 连慧琴,周子彦,等.6-羟基-5,12-萘并萘醌及其CH3,C6H5取代衍生物的光致变色理论研究[J]. 化学学报, 2007(24): 2821-2826.

[7]连慧琴,吴学,崔秀国.喹啉氧基并四苯二醌的合成和光致变色性质[J]. 应用化学, 2005(03): 308-311.

[8]连慧琴,吴学.萘并萘醌酚醛树脂的合成和光致变色性质[J]. 功能高分子学报, 2004(01): 119-122.

[9]连慧琴,吴学.三种萘并萘醌酚醛树脂的合成与光致变色性质[J]. 高等学校化学学报, 2004(09): 1740-1742.

[10]连慧琴, 周子彦,侯军,等.苯氧基萘并萘醌衍生物的合成与光致变色性能研究[J]. 化学学报, 2006(10): 1036-1042.

[11]田娟娟.光致变色性质及有机合成中的应用[D].延边:延边大学硕士论文, 2012.

Exploration and Practice of Chemistry Experimental Researches for Undergraduates*

ZHOUXin,NANLong-jun,TIANJuan-juan

(Department of Chemistry, Yanbian University, Jilin Yanji 133002, China)

Organic experimental training of undergraduates has become one of the important components of teaching system in the enhancement of their innovation and research abilities. The synthesis of a well-known photochromic material-naphthacenequinone (PNQN) was taken as a training example for college students, including the synthesis, characterization and properties studies. The results indicated that this training was enable to stimulate students’ learning interests, inspire their ability of analyzing and solving problems, and improve the students’ creative and practical ability.

undergraduates; organic synthesis; photochromism; experimental research

国家自然科学基金项目(No: 21165019)。

周鑫(1986-)，男，讲师，主要从事有机合成与功能分子的研究。

G642.0

A

1001-9677(2016)010-0190-03