有機化學開放性綜合實驗設計
——以《β-氨基酸酯衍生物的合成及拆分》為例

朱蕓瑩，柏 松，魏 嫻，徐志華，張善淇，陳芊瑀

(貴州理工學院 化學工程學院，貴州 貴陽 550003)

1 引言

有機化學實驗是化學化工相關專業(yè)的重要基礎課程，是聯(lián)系有機化學理論與實踐的必需教學環(huán)節(jié)[1]。目前我校的《有機化學實驗》面向化學工程、制藥工程、環(huán)境工程等專業(yè)開設，共8個實驗，32學時，主要由經典的驗證性和綜合性實驗項目組成，如常用有機實驗儀器的認識及乙醇的蒸餾、乙酸乙酯的制備、黃連素的提取、甲基橙的制備等，使學生掌握有機化學科學研究的基本實驗原理、實驗技術及常用有機儀器的使用方法。但所開設的實驗仍然以基礎操作訓練為主，在有限的學時中，學生的創(chuàng)新性、綜合性難以得到足夠的鍛煉。因此，積極開放實驗室，開展與學科前沿研究領域相關的綜合性、設計性實驗，是拓展學科知識、激發(fā)學生實驗熱情、培養(yǎng)學生獨立系統(tǒng)的科研思維的重要方式之一[2-3]。

目前，開放性實驗項目主要來源于教師科研項目、大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目、學科競賽、企業(yè)需求等[4],在設計開放性實驗時，主要考慮到以下幾點：一是保證一定的基礎實驗內容，夯實學生實驗操作技能；二是內容設計合理，既綜合理論知識，又拓展學科前沿，項目時長適宜，難度適中，避免造成學生實驗頻繁失敗而打擊其積極性；三是要充分調動學生的興趣，發(fā)揮學生的自主學習能力[4-5]。為使學生夯實實驗技能，深入了解學科前沿，培養(yǎng)學生的自主學習能力及創(chuàng)新能力，本文在教師科研項目的基礎上，由學生自主設計，將科研實驗中的一部分改造為適合本科教學的綜合性開放實驗《β-氨基酸酯衍生物的合成及拆分》，針對化學工程等專業(yè)學生的有機化學實驗項目進行開放性實驗設計，將有機化學和儀器分析相結合，融入有機波譜分析，通過該實驗的實施，充分提高學生自主學習能力和創(chuàng)新能力，全方位提高有機化學實驗的教學效果。

2 開放性綜合實驗設計探索

2.1 研究背景

該實驗以教師科研項目為載體，為學生開展開放性綜合實驗研究提供了相應基礎及條件。學生需要閱讀大量相關文獻，了解研究背景，根據課題組前期工作確定研究內容，從中找出適合于本科學生的實驗內容，在原有實驗的基礎上進行改進設計。課題組主要進行手性農藥合成及活性研究，隨著立體化學和分子生物學等學科的發(fā)展，人們逐漸認識到作為生命活動重要基礎的生物大分子，如蛋白質、多糖、核酸和酶等，幾乎全是手性的，這些分子在體內往往具有重要生理功能，而藥物的藥理作用是通過與體內大分子之間的嚴格手性匹配與分子識別而實現(xiàn)。在農藥研究中，人們也注意到了不同立體異構體表現(xiàn)出來的活性差異。隨著人們環(huán)保意識的增強，減少向環(huán)境中投放有毒化學品的量是必然要求。使用手性農藥在經濟及環(huán)境方面具有十分明顯的優(yōu)越性，在減少用量、降低原藥生產、存儲成本的同時，還可減少施藥所帶來的副作用和毒性[6]，因此，手性農藥逐漸成為農藥化學研究中一個非?；钴S的研究領域。近年來，通過手性原料合成、利用金屬絡合物催化劑進行不對稱催化、有機小分子進行不對稱催化等獲得手性化合物的研究不斷增多，但外消旋體的手性拆分仍然是獲取手性分子的重要途徑之一。手性拆分的方法主要有色譜法、電泳法、膜拆分法、結晶拆分、化學拆分、動力學拆分、萃取拆分等[7-8]，其中色譜法在拆分手性化合物中具有廣泛的應用[9]。

在課題組前期的研究[10-14]中發(fā)現(xiàn)，金雞納堿衍生物能高效催化合成含1,3,4-噻二唑、嘧啶等結構的手性β-氨基酸酯類化合物，且該類化合物具有良好的抗煙草花葉病毒活性，主要通過不對稱Mannich反應，在金雞納堿手性催化劑的條件下合成手性化合物，反應溫度為50～60 ℃，反應時間為32～72 h。該條件下反應得到的產物收率高，且有優(yōu)異的對映選擇性。但由于不對稱催化反應時間較長，并不適用于本科實驗。因此在充分調研了解前期基礎后，對實驗方法進行了創(chuàng)新和改造，合成外消旋體，設計采用Mannich反應合成含1,3,4-噻二唑的β-氨基酸酯類衍生物——二乙基-2-(((5-(2,4-二氯苯基)-1,3,4-噻二唑-2-基)氨基)(苯基)甲基)丙二酸酯的外消旋體，并利用高效液相色譜進行拆分，將該類化合物的合成及手性拆分結合。

2.2 實施過程

實驗主要分為目標化合物的合成、分離提純、手性拆分三部分。由學生團隊協(xié)作自行設計實驗方案，對投料比、溶劑、溫度、時間等反應條件進行設計、篩選和優(yōu)化，確定了最佳反應條件：以2-氨基-5-(2,4-二氯苯基)-1,3,4-噻二唑、苯甲醛、丙二酸二乙酯為原料，摩爾比為1∶1∶1.2，溶劑為對二甲苯，溫度為120 ℃，TLC監(jiān)測反應，反應時間約3 h。在TLC監(jiān)測過程中發(fā)現(xiàn)，反應過程中先后會有兩個新點生成，先生成的新點隨著時間的增長又逐漸消失，根據Mannich反應機理推測，應該是胺和醛先反應生成亞胺，得到的中間體亞胺再和丙二酸二乙酯的稀醇式發(fā)生反應(丙二酸二乙酯的烯醇互變)得到目標產物。然后采用柱層析對反應液進行分離純化，得到白色固體，收率為69.43%。用顯微熔點儀測定該化合物熔程，與文獻[14]報道一致，并通過1H NMR、13C NMR確定目標化合物結構。再利用高效液相色譜對該化合物進行手性拆分。用Daicel Chiralpak IA手性柱(250 mm×4.6 mm)對該外消旋體進行拆分，在檢測波長為270 nm，流動相為V(正己烷)∶V(異丙醇)=80∶20，流速為1.0 mL·min-1，進樣量為2 μL，進樣時間為12 min，柱溫為20 ℃的條件下，兩個單一對映體得到了較好的分離，分離度為6.005。需要注意的是，調節(jié)泵時不能將流動相的流速直接調到1.0 mL·min-1，這可能會導致柱壓過高損傷手性柱，應將流速從0.2，0.4 ，0.6 ，0.8 ，1.0 mL·min-1成梯度增大，然后再在1.0 mL·min-1的流速下進行檢測。

2.3 教學要求

該實驗將學科前沿融入教學，拓展了立體化學的知識，進一步鞏固學生的合成、薄層色譜及柱層析、熔點的測定等基本操作；融入有機波譜分析，通過譜圖解析，確定目標產物的結構及純度；同時與儀器分析相結合，利用高效液相色譜對外消旋體進行拆分。實驗要求學生根據前期工作調研自行設計實驗方案，在設計、改造、優(yōu)化、分析的過程中，學生的綜合實驗能力和創(chuàng)新意識得到系統(tǒng)訓練；實驗報告以科學論文形式提交，并通過PPT匯報答辯，同時培養(yǎng)了學生科技論文寫作能力和表達能力。另外，以第一屆全國大學生化學實驗創(chuàng)新設計競賽為契機，對實驗關鍵步驟拍攝了視頻，實驗視頻的拍攝也大大提升了學生的興趣和對于實驗的重復性、操作規(guī)范性的自我要求。結合時下流行的短視頻、Vlog等，將實驗過程制作成學生喜愛的短視頻也可以成為開放實驗成果的一部分，激發(fā)學生的學習興趣，便于實驗的重復和推廣。

3 總結

該實驗將手性化合物外消旋體的合成及手性拆分結合，綜合了有機化學、有機波譜解析、儀器分析等知識，既使學生了解到學科研究發(fā)展前沿，同時切實加強了學生的基礎實驗技能，提高學生的自主學習能力和創(chuàng)新意識。另外，學生可根據自己的興趣對實驗條件的各因素進行探索，自行設計實驗方案，進行實驗條件的優(yōu)化，全方位提高有機化學實驗的教學效果。