绿色合成AIE希夫碱化合物的模块化教学实验设计

＊施连旭 徐知雨 付雪鹏 殷航 李加民 陈立钢

（东北林业大学 化学化工与资源利用学院 黑龙江 150040）

基础有机化学实验在高等教育中占据重要地位，是化学、化工、石油、材料、生物、医药、食品等相关专业人才培养的重要环节[1]。由于有机化学反应通常具有反应时间长，副反应多等特点，因此，一个良好的本科教学实验项目应具有以下几个特征：（1）时效性强，能够在一定的教学时数下完成一个相对独立、完整的实验内容；（2）重现性高，反应条件在一定范围内波动均能发生目标反应，使教学过程稳定可控；（3）绿色环保，实验项目应尽可能无毒、绿色，有害排放少，保证学生的实验环境安全，也使教学过程对环境污染小；（4）操作技能典型性，实验内容应包含常规的基本有机实验操作，培训学生的基本实验技能。此外，实验内容也应尽可能激发学生的实验兴趣，为课程思政教学提供典型案例。

醛酮与伯胺缩合生成希夫碱（Schiff base）的反应是有机化学中经典反应类型之一，具有产率高、反应快、普适性强等特点，且此类反应是底物加合消除水的过程，不产生额外污染，具有较好的原子经济性。聚集诱导发光（AIE，Aggregation-induced Emission）是一种特殊的光致发光现象，由我国化学家唐本忠院士于2001年首先提出[2]，近些年已成为一个热点研究方向，有报道称水杨醛类希夫碱化合物具有AIE性质[3-4]。以AIE材料合成为切入点，结合缩合反应特性，设计基于水杨醛的AIE希夫碱合成的实验项目，能较好符合基础有机化学实验要求[5-6]。然而，希夫碱合成通常是以醇、HTF、DMF、DMSO等为溶剂进行的，在大规模的实验中会造成大量的废液污染，为此我们研究以H2O为溶剂的绿色合成，并结合水杨醛希夫碱的AIE特性，创新设计了基础及综合两种类型的实验教学方案，使该实验项目在实际的教学应用中更具有实践性。

1.实验目的

（1）学会加热回流、抽滤、固体干燥、重结晶的实验基本操作；

（2）掌握醛酮与胺的缩合反应原理及其制备希夫碱的方法；

（3）理解分子发光机理，了解聚集诱导发光效应及其形成机理；

（4）熟悉核磁共振仪、红外光谱仪、荧光光谱仪的基本操作及数据分析；

（5）培养学生绿色化学思维，拓宽学生视野，增强其科研素养。

2.实验原理

(1)希夫碱的合成

希夫碱是指分子结构中具有亚胺基团（R1R2C=N-R3）的一类有机化合物，一般由羰基与伯氨基发生亲核加成-消除（缩合）反应合成。本实验以N1,N1-二甲基对苯二胺1与取代水杨醛2进行缩合反应合成相应的希夫碱产物3。加热有利于亲和加成及消除反应的进行，为提高该反应速率，一般采用高温反应。

图1 水杨醛与芳胺反应过程

(2)光致发光机理及AIE现象

以一定波长的光辐射有机分子时，有机分子吸收入射光能量后从较低的分子能级跃迁至较高能级，形成激发态分子。当电子从分子的第一激发单重态回到基态时，会产生辐射跃迁和非辐射跃迁，其中辐射跃迁伴随着光子的发射，产生分子发光，即荧光，而非辐射跃迁则通过多种转化以热能形式将能量散失。一般，分子的共轭体系较大时，分子的基态与激发态能级差较小，有利于荧光的产生。当共轭分子结构是由较小共轭单元如芳基、乙烯基等通过单键连接而成的大共轭体系，分子在溶解状态时，由于分子内的自由运动显著，导致分子激发态能量主要以非辐射跃迁形式散失，因而分子不发光或发光较弱。但分子在聚集状态下，由于分子间紧密堆积，分子内运动受限，非辐射跃迁方式减弱，激发态能量主要以辐射跃迁形式释放，因而能够发射较强的荧光，分子的这种由于聚集态而显著发光的现象即为聚集诱导发光（AIE）[7]。

3.仪器和试剂

试剂：水杨醛（GR，99%，麦克林）、5-氯水杨醛（98%，麦克林）、4-甲氧基水杨醛（98%，麦克林）、N1,N1-二甲基对苯二胺（97%，阿拉丁试剂）、无水乙醇（AR，科密欧试剂）、甲酸（科密欧试剂）、聚乙二醇6000（LR，大茂）、去离子水。所用试剂来源均为商业购买，除特殊说明外，均未作进一步纯化处理。

仪器及测试方法：集热式磁力搅拌器、三用紫外分析仪、分析天平、水循环式真空泵、吸滤瓶、吸滤漏斗、圆底烧瓶、球型冷凝管等。

4.实验内容

(1)水杨醛希夫碱化合物的合成

以化合物3a的合成为典型操作进行描述。25mL圆底烧瓶内加入去离子水（5mL）及聚乙二醇（0.1g）搅拌至完全溶解。取N1,N1-二甲基对苯二胺（1mmol，0.146g）、水杨醛（1.1mmol，0.12mL）加入圆底烧瓶中，并滴入1滴甲酸（约0.02mL)，反应瓶装置球形冷凝管后，搅拌下加热，控制温度为50-60℃，反应0.5h。反应完成后，移去热源，反应液冷却至室温。抽滤，依次用少量水、乙醇洗涤，真空干燥，得橙黄色固体0.228g，产率87.41%。

取上步合成产物3a（0.1g）加入乙醇（4.5mL），安装回流冷凝装置，搅拌下加热回流10min至产物完全溶解。移去热源，自然冷却至室温，析出黄色片状晶体。抽滤，少量乙醇洗涤，真空干燥，得橙黄色晶状固体0.078g，收率78%。化合物3b、3c重结晶步骤相同，每0.1g化合物分别需加入约10mL及15mL乙醇。

(2)定性观察AIE现象

分别取化合物3a、3b、3c约30mg置于玻璃表面皿上，作为固体聚集态观察试样。另取化合物3a、3b、3c约30mg分别置于玻璃样品瓶中，加入5mL乙醇溶解，作为溶液分散态观察试样。将上述试样直接置于紫外分析仪下（365nm），观察并记录各个试样的荧光发射情况。向溶液分散态试样加入体积分数为10%、25%、50%、70%、90%的去离子水并振荡，再次放到紫外分析仪下观察其荧光发射情况，记录并对比加水前、后的结果。

(3)荧光光谱分析

溶液配制：称取化合物3a（0.058g）加入无水乙醇（13mL）配成溶液，并用去离子水配成水的体积分数分别为0%、25%、50%、70%、90%的一系列溶液（浊液）。化合物3b、3c配置方法相同。

荧光测定：设置激发波长为330nm，发射波长为549nm，狭缝宽度（激发/发射）均为2.5nm。

5.结果与讨论

(1)合成条件优化

对反应条件进行系统研究与优化，实验结果列于表1。由于反应物在水中较难溶解与分散，仅以水为溶剂，反应效果不佳（产率66.7%）。考虑实验的绿色合成，选择无毒、易回收的聚乙二醇为增溶剂，并以微量甲酸为催化剂进行反应，结果以高产率（87.41%）获得希夫碱产物。反应物醛2的用量增加有助于反应产率的提高，但高于1.1 e.q.时，产率增加并不明显，因此，醛的用量为胺的1.1 e.q.为宜。反应时间由20min延长到50min，产率有明显提升，但时间从30min到50min产率增幅不大，结合本科教学学时，反应时间控制为30min。由实验数据可以看出该反应对温度影响并不敏感，本实验选用50～60℃，一方面可以尽快达到平衡同时保证原料的转化率，另一方面能用到温度控制及回流操作，可以训练学生的实验基本操作能力。在优化条件下，将水杨醛底物2a替换为2b及2c，仍然可在较高产率下获得相应希夫碱产物3b和3c。对比产率可知，4-甲氧基取代产物3c的产率较3a、3b要低，而3b最高。

表1 AIE希夫碱水相合成条件优化a

aN1,N1-二甲基对苯二胺1.0mmol；b水杨醛对N1,N1-二甲基对苯二胺的摩尔当量；c水杨醛2a；d5-氯水杨醛2b；e4-甲氧基水杨醛2c；f溶剂5mL。

(2)发光性质研究

制备化合物在可见光照射下不发光（图2a），将样品直接置于紫外分析仪下观察，溶液分散态试样仍均不发光，而固体聚集态样品则发光明显（图2b、c）。化合物3a发出橘色荧光，化合物3b发出黄色荧光，而化合物3c发出绿色荧光（图2b），通过对比可定性观察到聚集诱导发光现象。当在溶液分散态试样中逐渐加入水时，由于引入不良溶剂水造成溶解的希夫碱析出聚集，随着水含量增加荧光发射逐渐增强（图2d）。

图2 制备样品在不同条件下的发光情况

由化合物3a、3b及3c的固态荧光光谱实验，可以定性研究化合物的发光性质。在激发波长为330nm下扫描三种化合物的发射光谱，可以得到化合物3a、3b、3c的强发射峰，最大发射波长分别为549nm、566nm、522nm。在相同条件下对各个化合物的乙醇溶液进行发射光谱测试，则几乎检测不到或只有很弱的荧光发射强度，而在溶液中加入一定量水之后，荧光发射强度增强（图3），当水的体积分数大于50%时AIE显著增强。在相同含水量下，化合物3a的AIE响应梯度变化最为明显（图3a），因此，在教学中若仅选择一种希夫碱定性观察AIE现象时，化合物3a为最佳。

图3 不同含水量下化合物3a、3b及3c溶液的发射光谱

6.模块化实验教学设计

本实验内容可分成三个实验模块：（1）合成实验模块，包括水杨醛希夫碱的合成及重结晶提纯，操作时间约为2h；（2）AIE定性观察模块，使用台式或暗箱紫外分析仪即可完成，操作时间约为0.5h；（3）AIE光谱研究模块，利用荧光光谱仪完成实验操作，操作时间约为1.5h。实验可依据学时与教学需要，设置不同内容。例如，模块1可单独设置成验证型基础实验，学时控制在3-4学时以内；模块1与模块2组合可以设置成验证型综合实验，学时控制在4-5个学时以内；模块1与模块3组合可以设置成分析型综合实验，学时控制在5-6个学时以内，也可以将模块1、模块2、模块3组合一起，设置成研究型综合实验，学时可以控制在6-7个学时以内。此外，该实验也可扩展成研究型设计类实验，探究取代基对合成反应产率的影响，对发光性质的影响，学时可以控制在5-12学时范围内。

该实验将化合物的合成方法与性质探究相结合，目的是不仅使学生理解有机化学反应原理，掌握有机实验基本操作，而且还可以通过实验了解化合物的物理化学性质，深刻认识有机合成的价值与意义，激发学生对有机化学实验的学习兴趣，培养学生的科研思维能力。实验通过模块化设置，使该项目在实际教学应用中更具有广泛的适应性，便于开展教学。

7.结语

本文研究了具有AIE性质的水杨醛希夫碱化合物的绿色合成方法以及合成化合物的聚集诱导发光性质。通过对实验条件的筛选与优化，确立了水相合成步骤以及定性、定量探索AIE性质的实验方案，并根据实验特点对实验内容进行了模块化设计。利用不同实验模块的组合可以设计出多种不同学时的实验教学方案，满足不同实验教学的需求。本实验包含了有机化学实验的基本操作和仪器分析基本技能，训练了学生动手实践能力，强化了实验操作技巧，使学生在掌握有机合成、仪器分析等相关基本实验技能的同时，培养了运用所学理论知识解决实际问题的能力。通过对功能有机分子发光特性的认识，理解有机化学理论及实验的重要性，激发学生对科学研究的兴趣。本实验以绿色合成为主要内容，通过实验训练，使学生能更好理解绿色化学的意义，增强环境保护意识。此外，AIE概念最早由我国化学家唐本忠院士提出，在课程教学中可以使学生了解到我国的科研实力，提升民族自豪感，培育爱国主义精神，丰富实验教学的课程思政教育。