理論與實驗相結(jié)合，培養(yǎng)化學創(chuàng)新人才
——以氣相色譜法分析醇系物實驗為例

郭慧敏，劉新，張永策，宿艷，姜文鳳，孟長功

大連理工大學化工學院化學系，遼寧 大連 116024

1 儀器分析實驗課程特點與教學現(xiàn)狀

創(chuàng)新能力培養(yǎng)是當今“雙一流”建設背景下拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)中的重中之重。對于化學類專業(yè)而言，創(chuàng)新能力更多來源于學生對已有知識和理論的深入理解、融會貫通和準確運用?；A化學實驗是化學化工及相關專業(yè)本科教學的重要內(nèi)容，更是高校培養(yǎng)化學、化工類人才創(chuàng)新能力的重要實踐環(huán)節(jié)。因此，創(chuàng)新能力培養(yǎng)也對化學理論和實驗教學提出了更高的要求[1–3]。大連理工大學應用化學(理學)專業(yè)始創(chuàng)于1987年，一直是我校理科人才培養(yǎng)高地，2020年成為教育部“雙萬計劃”首批國家級一流本科專業(yè)建設點和教育部“強基計劃”首批招生改革試點專業(yè)，并已于2020年開始“強基計劃”招生[3]。為實現(xiàn)拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)目標，我們也多方面采取措施，貫徹“以學生為中心”的教學理念，優(yōu)化教學團隊、教學內(nèi)容，在理論與實踐相結(jié)合的教學中深化學生對理論課教學內(nèi)容的理解，培養(yǎng)他們的思辨和創(chuàng)新能力[4,5]。我?；A化學實驗中心成立于1996年，是國內(nèi)首批國家級實驗教學示范中心之一，近年來不斷探索優(yōu)化實驗課程體系和教學內(nèi)容，積極推進實驗教學改革，為培養(yǎng)新時代拔尖創(chuàng)新人才營造良好的育人環(huán)境[6]。自教育部啟動“國家拔尖人才培養(yǎng)計劃”以來，我校和國內(nèi)各兄弟院校都在不斷探索，有針對性地進行實驗教學改革[7–12]。

儀器分析實驗是本科基礎化學實驗的重點組成部分之一，也是我校為應用化學(理學)本科生開設的一門必修實驗課。儀器分析實驗內(nèi)容主要包括利用各種大型儀器來測定物質(zhì)的化學組成、含量、狀態(tài)、結(jié)構等。課程教學目標是通過實驗教學和操作，將學生培養(yǎng)成為透徹理解常用儀器分析方法和原理，掌握常用分析儀器的使用方法，并具備利用相關分析儀器解決實際問題能力的高素質(zhì)化學創(chuàng)新人才。根據(jù)人才培養(yǎng)目標，實驗教學內(nèi)容設置分為驗證性實驗和研究性實驗，具體實驗內(nèi)容包括氣相色譜法、液相色譜法、原子吸收光譜法、紫外-可見吸收光譜法、紅外光譜法、核磁共振、氣-質(zhì)譜聯(lián)用，以及電化學分析法等[7]。

實驗教學中，我們發(fā)現(xiàn)部分學生對儀器分析實驗內(nèi)容、原理和操作理解還有很大上升空間，主要原因在于對分析方法的基本原理的理解有待深入，化學理論與實驗教學內(nèi)容之間存在代溝，導致學生對實驗中的具體操作理解片面，容易陷入被動學習狀態(tài)，這嚴重制約了實驗課程教學效果的進一步提升。儀器分析實驗的基本原理多源于物理、化學的基本原理，并已經(jīng)成為化學各學科的研究中實現(xiàn)樣品分離、分析和表征的主要手段。這些基本理論多涉及微觀層次上的物質(zhì)之間的相互作用，物質(zhì)內(nèi)部電子的運動規(guī)律，光、電與分子或分子中電子的相互作用等，無法通過肉眼直接觀測或在生活中接觸不到。在教學和課堂討論中，這些理論的表述也會涉及較多的公式和復雜的推導，內(nèi)容相對抽象、生澀，學生會覺得“難”，所以也必須結(jié)合具體實例使這些理論具體化、形象化，來優(yōu)化學生的學習體驗。因此，在目前教學內(nèi)容快速更替、學時減少的大背景下，必須優(yōu)化實驗教學內(nèi)容、密切實驗與基礎理論教學內(nèi)容的銜接、增設和調(diào)整能力培養(yǎng)內(nèi)容，以激發(fā)學生的學習主動性，提升教學質(zhì)量，實現(xiàn)創(chuàng)新人才培養(yǎng)目標[13–15]。

2 理論與實驗相融合，變“驗證”為“研究”，變“被動”為“主動”

近年來，隨著計算機技術和計算方法的發(fā)展，理論化學已經(jīng)成為化學學科的重要分支，并且發(fā)展迅速。理論化學與實驗研究聯(lián)合發(fā)表的頂刊論文和先進研究成果不斷涌現(xiàn)，不僅彰顯了理論化學研究在化學研究中的重要地位，也進一步表明理論化學研究已經(jīng)逐步成為與實驗研究并行、互補的化學研究手段?！袄碚撆c實驗”的協(xié)同合作可以顯著提高科學研究效率，并已逐步成為科研工作的新范式。這對未來的拔尖創(chuàng)新人才提出了更高的要求，既要了解理論化學的基本原理，也要能借助理論化學手段開展研究。與實驗研究相比，理論化學研究可以直觀形象地給出相關儀器分析原理中涉及但無法直接觀測的微觀層次上的物質(zhì)之間的相互作用、物質(zhì)內(nèi)部電子的運動規(guī)律等微觀尺度的信息，將抽象的原理和理論教學內(nèi)容形象化，有利于加深學生對化學理論的理解。結(jié)合上述實驗教學中凸顯的問題和理論化學研究的優(yōu)勢，我們嘗試將理論化學研究引入到基礎化學實驗——儀器分析實驗中來，讓學生在完成實驗教學的同時進行簡單的密度泛函理論計算，引導他們結(jié)合實驗數(shù)據(jù)和計算結(jié)果，深入理解化學實驗的基本原理，從根本上思考實驗設計等問題。

我校儀器分析實驗中專門開設了氣相色譜法實驗，內(nèi)容是醇系物小分子的分離分析，目的是幫助學生鞏固色譜理論知識。實驗中，學生可以根據(jù)教師講解和實驗流程，通過改變色譜操作條件(溫度、載氣流速、橋電流等)改善混合物的分離效果，進而根據(jù)不同的分離對象改進實驗方案，實現(xiàn)待測樣品分離分析的實驗目標。為避免學生由于對涉及的化學理論理解片面，陷入被動學習狀態(tài)，影響實驗教學效果，我們對氣相色譜法分析醇系物的實驗教學內(nèi)容進行了優(yōu)化和調(diào)整，設置了問題導向的理論化學研究模塊來彌補傳統(tǒng)實驗教學在微觀理論方面的不足。

在教學設計上，在色譜實驗教學之前，首先以問答形式引導學生結(jié)合相關理論課教學內(nèi)容思考氣相色譜法分離甲醇、乙醇、異丙醇和正丙醇的原理和關鍵影響因素——待測/分離物質(zhì)與吸附質(zhì)之間的相互作用。色譜實驗開始前通常需要進行儀器開機前檢查、開機、參數(shù)設置、等待儀器穩(wěn)定等步驟。儀器穩(wěn)定通常需要20分鐘左右。這段時間足夠指導學生生成理論化學計算任務，提交到后臺服務器，并講解數(shù)據(jù)的導入、導出和分析方法。實驗開始后，學生進行儀器操作，理論計算任務由服務器執(zhí)行。實驗操作結(jié)束時，學生可以下載計算任務數(shù)據(jù)，完成實驗和計算結(jié)果的分析和討論。

不同分子與色譜柱的相互作用差別可以用分子吸附能差異來表示。在理論化學研究中，吸附能(Ead)通常定義為吸附質(zhì)能量(Emol)和吸附劑能量(Esorbent)的加和與吸附了吸附質(zhì)的吸附劑的總能量(Esorbent+mol)的差值，由下式表示：

由式(1)可知，計算Ead需要通過理論化學方法分別計算Esorbent、Emol以及Esorbent+mol。吸附能為正值，并且吸附能越大，吸附越穩(wěn)定。理論化學研究模塊的具體設計原則如下：

① 吸附質(zhì)的結(jié)構要簡單合理，容易理解，醇系物分離實驗只涉及甲醇、乙醇、異丙醇和正丙醇。

② 吸附劑的結(jié)構要簡單，學生接受起來容易。氣相色譜常用的吸附劑有由苯乙烯與二乙烯苯共聚合成的高分子多孔微球(GDX系列)和硅膠等。高分子多孔微球適用于氣相和液相中水的分離，氣體及低級脂肪醇混合物的分離。硅膠具有較強的極性，適用常溫下O2、N2、CO、CH4、C2H6、C2H4、CO2、N2O、NO和NO2等氣體的分離。

③ 不同吸附質(zhì)在相同吸附劑上吸附能不同，會影響觀測到的停留時間和出峰的順序。

④ 不同吸附質(zhì)在不同吸附劑上吸附能不同，表現(xiàn)為吸附穩(wěn)定性差異，會影響吸附分離的效率，甚至影響或改變吸附劑結(jié)構和性質(zhì)。

⑤ 理論計算盡可能使用開源或者免費軟件，目前使用免費WebMO軟件作為計算平臺用于計算任務生成、分發(fā)和結(jié)果數(shù)據(jù)處理，計算平臺后臺目前連接安裝我校購買的量子化學計算軟件Gaussian 16的服務器用于快速完成計算。我們正在開發(fā)開源軟件ORCA的相關計算功能，如果成熟將進行遷移，避免版權問題[16]。

⑥ 吸附劑與吸附質(zhì)的相互作用通常為弱相互作用，如分子間的色散、誘導和偶極相互作用、氫鍵、鹵鍵等中的一種或者幾種的組合，因此需要選取合適的計算方法和基組開展有效計算。

⑦ 要求學生整理數(shù)據(jù)，將計算結(jié)果填入到計算結(jié)果表中，再計算相關能量(表1)。

表1 醇系物吸附能處理表格*

⑧ 根據(jù)計算結(jié)果，分析吸附劑與吸附質(zhì)之間相互作用的特點以及不同吸附劑上吸附作用的差別。

3 實施效果

上述理論化學研究模塊的設計原則，在實驗教學過程中具體實現(xiàn)如下：

① 選取密度泛函理論中可以較為精確進行長程相互作用計算的ωb97xd泛函，配合6-311+g(d,p)基組進行計算[17,18]。

② 醇系物分析實驗涉及甲醇、乙醇、異丙醇和正丙醇等小分子，可利用相應分子結(jié)構進行結(jié)構優(yōu)化和頻率計算。

③ 醇類在吸附劑上的吸附應該為可逆表面吸附，只與吸附劑上近鄰表面基團相互作用。為了簡化計算，選取環(huán)己烷作為表示GDX高分子多孔微球的模型化合物，選取二聚硅酸為硅膠的模型化合物。

④ 為幫助學生理解吸附劑選擇的基本原則，要求同時計算高分子多孔微球和硅膠吸附劑上醇類的吸附能；計算所需結(jié)構可以利用WebMO的結(jié)構繪制功能直接錄入，也可以在WebMO中直接導入提供的分子結(jié)構進行結(jié)構優(yōu)化和頻率分析；計算結(jié)束后，得到的吸附結(jié)構如圖1所示，整理得醇系物在高分子多孔微球和硅膠吸附劑上吸附能如表2所示。

表2 醇系物在高分子多孔微球和硅膠吸附劑上吸附能

圖1 計算得到甲醇、乙醇、異丙醇和正丙醇在高分子多孔微球(a–d)和硅膠(e–h)上的吸附結(jié)構和差分電荷密度的等值面圖

⑤ 吸附劑與吸附質(zhì)之間的相互作用和電荷轉(zhuǎn)移情況可以通過差分電荷密度的等值面圖進行評估，計算可以通過開源軟件Multiwfn在色譜終端計算實現(xiàn)[19]，并利用開源軟件VMD進行三維顯示(圖1)。

⑥ 吸附劑與吸附質(zhì)之間的相互作用具體是誘導力、色散力、偶極力、氫鍵等中的一種還是多種也可以利用Multiwfn軟件計算進行約化密度梯度(Reduced Density Gradient，RDG)分析進行評估，并使用開源軟件VMD顯示作圖(圖2)。

圖2 計算得到甲醇、乙醇和異丙醇在高分子多孔微球(a–d)和硅膠(e–h)上的吸附作用的RDG分析

⑦ 將計算結(jié)果與實驗觀測的停留時間等實驗數(shù)據(jù)相關聯(lián)，討論吸附劑的選擇原則和改進色譜分離效果的方法。

由表2數(shù)據(jù)可知，甲醇、乙醇、異丙醇和正丙醇在高分子多孔微球上吸附能均小于17 kJ?mol?1，表明四種醇類在高分子多孔微球上都是通過分子間相互作用力弱吸附在多孔微球上，因此可以通過洗脫或者氣體吹掃實現(xiàn)三種醇類的分離。此外，三種醇類的吸附能的變化規(guī)律為甲醇<乙醇<異丙醇<正丙醇，因此甲醇會優(yōu)先發(fā)生洗脫，停留時間最短，正丙醇最后發(fā)生洗脫，停留時間最長。相比較而言，四種醇類在硅膠上的吸附能均高于60 kJ?mol?1，這與多聚硅酸發(fā)生水解和醇解的能壘類似，表明甲醇吸附會改變吸附劑硅膠的性質(zhì)，因此分離四種醇類不適合采用極性硅膠色譜柱[20,21]。此外，四種醇類的吸附能順序在多孔微球和硅膠上不同，這與具體吸附劑的極性和表面結(jié)構相關。圖1中給出了醇類分子在兩種吸附劑上吸附后的結(jié)構和電荷轉(zhuǎn)移情況。由得失電子區(qū)域的大小和空間分布可知，甲醇、乙醇、異丙醇和正丙醇在高分子多孔微球上的吸附作用為分子間的范德華相互作用，吸附能比較小。在硅膠上，四種醇類的吸附作用都表現(xiàn)較為顯著的氫鍵作用特點，得失電子區(qū)域均分布在醇類和硅膠之間的O―H方向，并且空間分布較大，得失電子較多。因此，醇類在硅膠上吸附能要比在高分子多孔微球上來的更大。圖2給出了吸附劑與吸附質(zhì)相互作用的更直觀信息。RDG分析是著名華裔理論化學家楊偉濤提出的一種可視化研究分子間弱相互作用的方法[22]。當相互作用為吸引作用時，比如氫鍵、鹵鍵等，約化密度梯度會表現(xiàn)為負值，用偏藍顏色表示；當化學鍵為非鍵弱相互作用時，比如：誘導、色散和偶極作用中的一種或者幾種，電子密度和約化密度梯度都較小，用近綠顏色表示；當存在空間位阻和環(huán)張力時，出現(xiàn)非鍵重疊區(qū)域，此時RDG表現(xiàn)為正值，用近紅色表示。由圖2可知，甲醇、乙醇和異丙醇在高分子多孔微球上的吸附作用都主要為非鍵弱相互作用，紅色RDG區(qū)域的峰來源于代表分子本身的環(huán)狀結(jié)構。在硅膠上，三種醇類的吸附作用以氫鍵作用為主，但也包含非鍵范德華相互作用。因此，三種醇類在硅膠上吸附更加穩(wěn)定。這些對圖1和圖2的分析都很好地印證了表2中吸附能數(shù)據(jù)，并且揭示了醇類分子在兩種吸附劑上的吸附規(guī)律，為合理選擇色譜柱、實現(xiàn)混合物的高效分離提供了理論支撐。色譜實驗測量結(jié)果如圖3所示，實驗選用非極性多孔微球色譜柱。其中，四種醇類化合物的流出順序是甲醇先于乙醇，乙醇先于異丙醇，異丙醇先于正丙醇。正丙醇保留時間最長，出峰最慢。這與計算得到的四種醇類與高分子多孔微球之間的吸附能大小規(guī)律(表2)相一致。醇類化合物在高分子多孔微球上吸附能越大，保留的時間就越長，出峰就越慢。

圖3 醇系物色譜流出曲線

在開展上述嘗試的同時，我們也積極關注學生的反饋。學生普遍反映加入理論計算研究模塊后，氣相色譜實驗變得更有挑戰(zhàn)性，而且通過計算結(jié)果可以清晰地看到醇類化合物與吸附劑之間相互作用的本質(zhì)，色譜分離的理論理解得非常透徹，這是其他課程和實驗里都沒有的。也有學生表示：“經(jīng)過這次實驗，才理解原來理論計算可以這么神奇，原來不明白的分子間相互作用的概念更清楚了，原來比較抽象的色譜分離理論能理解透了?！薄斑@樣學到的東西再也不會忘?！庇械膶W生也表示，“這樣的化學實驗才有意思?！薄叭绻渌麑嶒烅椖坷锒荚O有這樣的計算模塊，化學一定能學的更好。”這些學生的反饋表明，我們嘗試將理論化學計算引入儀器分析實驗的舉措，確實激發(fā)了學生學習基礎化學理論的主動性，鞏固并加深了學生對基本理論知識的理解，對培養(yǎng)學生的思辨能力、創(chuàng)新能力很有幫助。

4 結(jié)語

為提高實驗教學效果，培養(yǎng)化學創(chuàng)新人才，我們嘗試將理論化學計算引入到基礎化學實驗中來，建設內(nèi)容豐富、富有挑戰(zhàn)的研究型實驗，來引導學生結(jié)合實驗數(shù)據(jù)和計算結(jié)果深入理解化學實驗的基本原理，從根本上思考實驗設計等問題。在實驗教學中，學生不僅通過理論化學計算研究理解了化學過程的微觀本質(zhì)，感受理論化學的魅力，了解理論化學研究的基本原理和相關操作，他們對相關基本化學理論的理解也得到了很大提升。學情分析表明，該嘗試有效激發(fā)了學生學習基礎化學理論知識的熱情，提高了實驗教學效果，也培養(yǎng)了他們分析問題、解決問題的能力。今后，我們會圍繞儀器分析在內(nèi)的基礎化學實驗教學內(nèi)容，繼續(xù)開發(fā)更多的理論化學模塊融入實驗教學中，助力化學拔尖創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。