朱芸莹，柏 松，魏 娴，徐志华，张善淇，陈芊瑀

(贵州理工学院 化学工程学院，贵州 贵阳 550003)

1 引言

有机化学实验是化学化工相关专业的重要基础课程，是联系有机化学理论与实践的必需教学环节[1]。目前我校的《有机化学实验》面向化学工程、制药工程、环境工程等专业开设，共8个实验，32学时，主要由经典的验证性和综合性实验项目组成，如常用有机实验仪器的认识及乙醇的蒸馏、乙酸乙酯的制备、黄连素的提取、甲基橙的制备等，使学生掌握有机化学科学研究的基本实验原理、实验技术及常用有机仪器的使用方法。但所开设的实验仍然以基础操作训练为主，在有限的学时中，学生的创新性、综合性难以得到足够的锻炼。因此，积极开放实验室，开展与学科前沿研究领域相关的综合性、设计性实验，是拓展学科知识、激发学生实验热情、培养学生独立系统的科研思维的重要方式之一[2-3]。

目前，开放性实验项目主要来源于教师科研项目、大学生创新创业项目、学科竞赛、企业需求等[4],在设计开放性实验时，主要考虑到以下几点：一是保证一定的基础实验内容，夯实学生实验操作技能；二是内容设计合理，既综合理论知识，又拓展学科前沿，项目时长适宜，难度适中，避免造成学生实验频繁失败而打击其积极性；三是要充分调动学生的兴趣，发挥学生的自主学习能力[4-5]。为使学生夯实实验技能，深入了解学科前沿，培养学生的自主学习能力及创新能力，本文在教师科研项目的基础上，由学生自主设计，将科研实验中的一部分改造为适合本科教学的综合性开放实验《β-氨基酸酯衍生物的合成及拆分》，针对化学工程等专业学生的有机化学实验项目进行开放性实验设计，将有机化学和仪器分析相结合，融入有机波谱分析，通过该实验的实施，充分提高学生自主学习能力和创新能力，全方位提高有机化学实验的教学效果。

2 开放性综合实验设计探索

2.1 研究背景

该实验以教师科研项目为载体，为学生开展开放性综合实验研究提供了相应基础及条件。学生需要阅读大量相关文献，了解研究背景，根据课题组前期工作确定研究内容，从中找出适合于本科学生的实验内容，在原有实验的基础上进行改进设计。课题组主要进行手性农药合成及活性研究，随着立体化学和分子生物学等学科的发展，人们逐渐认识到作为生命活动重要基础的生物大分子，如蛋白质、多糖、核酸和酶等，几乎全是手性的，这些分子在体内往往具有重要生理功能，而药物的药理作用是通过与体内大分子之间的严格手性匹配与分子识别而实现。在农药研究中，人们也注意到了不同立体异构体表现出来的活性差异。随着人们环保意识的增强，减少向环境中投放有毒化学品的量是必然要求。使用手性农药在经济及环境方面具有十分明显的优越性，在减少用量、降低原药生产、存储成本的同时，还可减少施药所带来的副作用和毒性[6]，因此，手性农药逐渐成为农药化学研究中一个非常活跃的研究领域。近年来，通过手性原料合成、利用金属络合物催化剂进行不对称催化、有机小分子进行不对称催化等获得手性化合物的研究不断增多，但外消旋体的手性拆分仍然是获取手性分子的重要途径之一。手性拆分的方法主要有色谱法、电泳法、膜拆分法、结晶拆分、化学拆分、动力学拆分、萃取拆分等[7-8]，其中色谱法在拆分手性化合物中具有广泛的应用[9]。

在课题组前期的研究[10-14]中发现，金鸡纳碱衍生物能高效催化合成含1,3,4-噻二唑、嘧啶等结构的手性β-氨基酸酯类化合物，且该类化合物具有良好的抗烟草花叶病毒活性，主要通过不对称Mannich反应，在金鸡纳碱手性催化剂的条件下合成手性化合物，反应温度为50～60 ℃，反应时间为32～72 h。该条件下反应得到的产物收率高，且有优异的对映选择性。但由于不对称催化反应时间较长，并不适用于本科实验。因此在充分调研了解前期基础后，对实验方法进行了创新和改造，合成外消旋体，设计采用Mannich反应合成含1,3,4-噻二唑的β-氨基酸酯类衍生物——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)丙二酸酯的外消旋体，并利用高效液相色谱进行拆分，将该类化合物的合成及手性拆分结合。

2.2 实施过程

实验主要分为目标化合物的合成、分离提纯、手性拆分三部分。由学生团队协作自行设计实验方案，对投料比、溶剂、温度、时间等反应条件进行设计、筛选和优化，确定了最佳反应条件：以2-氨基-5-(2,4-二氯苯基)-1,3,4-噻二唑、苯甲醛、丙二酸二乙酯为原料，摩尔比为1∶1∶1.2，溶剂为对二甲苯，温度为120 ℃，TLC监测反应，反应时间约3 h。在TLC监测过程中发现，反应过程中先后会有两个新点生成，先生成的新点随着时间的增长又逐渐消失，根据Mannich反应机理推测，应该是胺和醛先反应生成亚胺，得到的中间体亚胺再和丙二酸二乙酯的稀醇式发生反应(丙二酸二乙酯的烯醇互变)得到目标产物。然后采用柱层析对反应液进行分离纯化，得到白色固体，收率为69.43%。用显微熔点仪测定该化合物熔程，与文献[14]报道一致，并通过1H NMR、13C NMR确定目标化合物结构。再利用高效液相色谱对该化合物进行手性拆分。用Daicel Chiralpak IA手性柱(250 mm×4.6 mm)对该外消旋体进行拆分，在检测波长为270 nm，流动相为V(正己烷)∶V(异丙醇)=80∶20，流速为1.0 mL·min-1，进样量为2 μL，进样时间为12 min，柱温为20 ℃的条件下，两个单一对映体得到了较好的分离，分离度为6.005。需要注意的是，调节泵时不能将流动相的流速直接调到1.0 mL·min-1，这可能会导致柱压过高损伤手性柱，应将流速从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的流速下进行检测。

2.3 教学要求

该实验将学科前沿融入教学，拓展了立体化学的知识，进一步巩固学生的合成、薄层色谱及柱层析、熔点的测定等基本操作；融入有机波谱分析，通过谱图解析，确定目标产物的结构及纯度；同时与仪器分析相结合，利用高效液相色谱对外消旋体进行拆分。实验要求学生根据前期工作调研自行设计实验方案，在设计、改造、优化、分析的过程中，学生的综合实验能力和创新意识得到系统训练；实验报告以科学论文形式提交，并通过PPT汇报答辩，同时培养了学生科技论文写作能力和表达能力。另外，以第一届全国大学生化学实验创新设计竞赛为契机，对实验关键步骤拍摄了视频，实验视频的拍摄也大大提升了学生的兴趣和对于实验的重复性、操作规范性的自我要求。结合时下流行的短视频、Vlog等，将实验过程制作成学生喜爱的短视频也可以成为开放实验成果的一部分，激发学生的学习兴趣，便于实验的重复和推广。

3 总结

该实验将手性化合物外消旋体的合成及手性拆分结合，综合了有机化学、有机波谱解析、仪器分析等知识，既使学生了解到学科研究发展前沿，同时切实加强了学生的基础实验技能，提高学生的自主学习能力和创新意识。另外，学生可根据自己的兴趣对实验条件的各因素进行探索，自行设计实验方案，进行实验条件的优化，全方位提高有机化学实验的教学效果。