咪唑化合物光致變色教學實驗設計
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摘要：基于咪唑鎓鹽的光致變色綜合性教學實驗設計是針對當前環(huán)境下實驗教學改革提出的包含“設計—合成—分析—觀察—推理”完整體系的知識拓展與興趣開發(fā)實驗，采用“教學+趣味+研究”型多贏教學模式，促進學科交叉。該文從文獻調(diào)研、分子設計、有機合成、產(chǎn)品表征與分析、性質(zhì)測試、總結(jié)推論等多個方面滲透，不僅讓學生掌握基本實驗操作，還能拓展學生科研知識視野，激發(fā)學習興趣，提升綜合素質(zhì)。
關(guān)鍵詞：實驗教學改革；綜合化學實驗；咪唑鎓鹽；光致變色
化學是一門以實驗為基礎的學科，因此合理的實驗設計對提升大學生綜合實驗素養(yǎng)起著關(guān)鍵性的作用。目前很多大學實驗項目都以傳統(tǒng)的合成為主，因此實驗設計比較簡單，學生的實驗興趣不濃。綜合性實驗除了訓練基本操作以外，更重要的是結(jié)合當前科學的前沿領(lǐng)域，引進先進的實驗技能和知識，促進多學科交叉，推動實驗教學改革。光致變色綜合性教學實驗的設計，是建立在“教學—設計—觀察—推理”模式下，對光致變色這一生活現(xiàn)象進行驗證。通過實驗向?qū)W生展現(xiàn)科研前沿領(lǐng)域動態(tài)與化學的魅力，激發(fā)學生學習興趣，符合實驗教學發(fā)展、綜合能力培養(yǎng)、教學與科研并重、“雙一流”建設的要求。
1實驗
1.1背景知識
光致變色材料主要有螺吡喃、俘精酸酐、偶氮、二芳基乙烯等，而二芳基乙烯由于制備簡單，性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)豐富，性質(zhì)易調(diào)節(jié)等優(yōu)點而被科學家們廣泛關(guān)注。光致變色過程通常伴隨著開環(huán)/閉環(huán)、順反異構(gòu)等變化，從而導致吸收光譜的變色。鹽在咪唑鎓C4和C5位引入特定的甲基噻吩，就可以組成雙雜芳基乙烯類似物，形成優(yōu)良的光致變色分子。
1.2實驗原理
標準反應方程式，參見圖1。體系在氮氣保護氣下，2-芳基咪唑鎓碘鹽與2，5-二甲基碘代噻吩在120℃油浴中反應6小時，即可合成得到4，5-二噻吩咪唑鎓鹽。此外還可替換咪唑類底物，與2，5-二甲基碘代噻吩進行平行反應設計，得到多個目標分子，后期進行現(xiàn)象和實驗對照，并且推理出影響光致變色的因素。
1.3儀器與試劑
儀器：恒溫磁力攪拌器、常規(guī)玻璃儀器、常規(guī)實驗耗材、旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀、核磁共振波譜儀、高分辨質(zhì)譜儀、紫外燈、紫外吸收光譜儀、比色皿。試劑：1，3-二甲基-2（4-氰基苯基）咪唑鎓碘鹽、2，5-二甲基碘代噻吩、氧化亞銅、碳酸鉀、N，N-二甲基甲酰胺（DMF）、100-200目柱層析硅膠、二氯甲烷、甲醇、乙醇、乙腈、蒸餾水。
1.4實驗步驟
（1）4，5-二噻吩咪唑鎓類化合物的合成。稱量2-芳基咪唑鎓碘鹽（1毫摩爾）、2，5-二甲基碘代噻吩（2毫摩爾）、氧化亞銅（0.3毫摩爾）和無水碳酸鉀（3毫摩爾）于裝有攪拌子和冷凝管的圓底燒瓶中，置換3次氮氣，在氮氣氛圍下用注射器注入溶劑DMF（10毫升），在冷凝管上方接一個氣球密封然后置于120℃的油浴中反應6小時。反應完后冷卻至室溫，減壓移除溶劑，將殘留物進行柱層析分離，用混合溶劑（二氯甲烷：甲醇=100:1-50:1）進行梯度淋洗，濃縮可得產(chǎn)品。（2）光致變色性質(zhì)觀察與記錄。用容量瓶配制產(chǎn)品濃度為10-5mol/L乙腈溶液10mL，觀察顏色。從中量取3ml于比色皿中，記錄顏色并拍照。將比色皿放置于紫外燈下，打開365nm紫外燈管照射，分別記錄照射1秒、2秒、3秒、5秒、10秒、30秒和60秒后的顏色并拍照，然后將其置于自然光下，記錄褪色時間。（3）紫外—可見光譜測試。將上述比色皿中的溶液在紫外燈每次照射一定時間（0~60秒）后，立即拿出來放在吸收光譜儀中檢測，波長范圍為200~800nm，觀察吸收光譜的變化，保存數(shù)據(jù)并記錄最大吸收波長和強度。
2結(jié)果與討論
2.1光致變色分子表征
咪唑鎓類化合物的結(jié)構(gòu)表征。范例產(chǎn)物：2-(4-氰基苯基)-4，5-雙(2，5-二甲基噻吩-3-基)-1，3-二甲基咪唑鎓碘鹽，淺黃色固體，1HNMR(400MHz，DMSO-d6):=1.45(t，J=7.2Hz，6H)，4.49(q，J=7.2Hz，4H)，7.46-7.52(m，8H)，7.58-7.63(m，4H)，7.76(t，J=8.0Hz，2H)，7.85(t，J=8.0Hz，2H)，7.95(s，4H)，8.35(d，J=8.4Hz，2H)ppm.13CNMR(100MHz，DMSO-d6):=14.4，41.8，113.3，114.0，125.4，127.2，127.3，127.7，130.0，130.6，130.7，131.4，132.1，132.6，148.9ppm.HRMS(ESI):C36H32IN4+([M-I-]+)，計算值：647.1666，實測值：647.1669。
2.2光致變色現(xiàn)象
范例產(chǎn)物：2-(4-氰基苯基)-4，5-雙(2，5-二甲基噻吩-3-基)-1，3-二甲基咪唑鎓碘鹽，黃色固體，其乙腈溶液（濃度為10-5mol/L）為無色透明，待放在紫外燈照射1秒后放在自然光下觀察，其顏色變成淺紫色，過5秒顏色會褪去回到無色狀態(tài)。隨著在紫外燈下照射的時間逐漸延長，溶液的顏色逐漸加深，照射30秒后變成藍紫色（如圖2所示），隨后時間延長顏色變化不明顯。
2.3光致變色原理分析
通過文獻調(diào)研可知二噻吩基乙烯類化合物的光致變色機理是兩個噻吩的C2位在光照下發(fā)生偶聯(lián)，使得分子的共軛度增加，因為吸收波長紅移導致顏色發(fā)生變化。4，5-二噻吩基咪唑的變色機理與二噻吩基乙烯類似，參見圖3。
3教學模式探討與總結(jié)
（1）“教學+趣味+研究”式教學。咪唑鎓化合物光致變色綜合性實驗教學設計是屬于“教學+趣味+研究”式的多贏教學模式，主要是對化學相關(guān)專業(yè)的學生開放。整個設計將基本實驗操作與先進分析儀器相結(jié)合，科研與實際相結(jié)合，使得課程的設計具有科學性、創(chuàng)新性、趣味性、實用性、結(jié)合性。本設計目的在于鍛煉學生的基礎操作技能，學習較先進的實驗手段和使用較為先進的儀器設備，培養(yǎng)學生的動手和思考能力，激發(fā)學生的科研思維與熱情。（2）“分組開展+平行對照”的實驗教學。由于本設計的實驗內(nèi)容和時間比較長，所以整個設計應該分階段并分組來完成任務?？傮w課程安排如下：理論光致變色分子的合成（2人/組，4課時）、光致變色分子的純化（2人/組，4課時）、化合物的結(jié)構(gòu)鑒定與分析（2人/組，2課時）、電致變色實現(xiàn)象探索（2人/組，2課時）、紫外—可見吸收光譜（2人/組，2課時）。而其中的光致變色分子可以通過改變咪唑鎓C2位的芳基來設計出3-5個電子特性差異較大的化合物，讓不同的組來制備，用此作為平行對照反應，最后由全體學生進行實驗結(jié)果匯總并得到結(jié)論。（3）“設計—合成—分析—觀察—推理”型綜合實驗教學模式。首先讓學生進行實驗預習，通過調(diào)研文獻了解光致變色材料發(fā)展史和基本原理。在課堂上由老師再歸納講解光致變色相關(guān)知識，并讓學生設計出目標分子，或者由老師設計3~5個目標分子，讓學生選擇。目標分子確定后，分組進行制備實驗，之后經(jīng)過柱層析分離純化、核磁和質(zhì)譜鑒定結(jié)構(gòu)、紫外燈照射觀察顏色變化、吸收光譜進行表征等一系列過程，形成“設計—合成—分析—觀察—推理”型綜合實驗。該設計的整個過程相比于傳統(tǒng)的化學實驗，具有教學流程更為系統(tǒng)、內(nèi)容更加前沿、趣味更加濃厚、更貼近實際生活的優(yōu)點。另外，由于本設計實驗立足于化學，同時與多類型學科（比如材料、物理等）交叉，有助于提升學生的綜合素質(zhì)。
4結(jié)語
基于咪唑鎓類化合物的光致變色綜合性教學實驗設計是從有機化學理論出發(fā)，結(jié)合儀器分析知識，探索材料性能，通過合理的分組分工，完成整個“設計—合成—分析—觀察—推理”的實驗過程。將學生學習到的有機化學、分析化學、有機波譜分析化學等課本知識與實驗相結(jié)合起來，培養(yǎng)學生“學以致用”和用所學知識解決復雜問題的能力，讓學生形成一種系統(tǒng)化的科研思維。本設計能更好地培養(yǎng)學生的發(fā)散思維、學習和研究興趣，培養(yǎng)嚴謹?shù)膶嶒瀾B(tài)度，鍛煉學生的邏輯推理能力，推進新世紀新人才培養(yǎng)與建設。
參考文獻
[1]馮曉，強陳烽,侯洵等.光致變色的研究進展[J]應用光學,2000.21(3):1-6.
作者：李世清 單位：桂林理工大學化學與生物工程學院