開放實驗模式下的有機電合成實驗教學設計與實踐

邊 磊， 關 玲， 李 田， 徐烜峰， 王婕妤， 張奇涵

（北京大學a.化學國家級實驗教學示范中心；b.化學與分子工程學院有機化學研究所，北京 100871）

0 引 言

21 世紀以來，一場以節(jié)約資源和能源、保護生態(tài)環(huán)境為主的綠色工業(yè)革命正在蓬勃興起。人們都在設想用原子經濟性的科學方法來重新設計合成路線，從而在源頭上防止污染的產生［1］。有機電化學合成技術以電子作為清潔的“試劑”直接參與化學反應，為合成化學家提供綠色合成的嶄新思路以及有力工具。有機電化學合成是集電化學、有機化學、化學工程等多學科為一體的交叉學科［2］，具有清潔綠色、節(jié)能高效、條件溫和、調控靈活的優(yōu)點，近年來逐漸成為有機合成領域的熱點［3-4］，其在C-C 鍵偶聯(lián)、C-H 鍵激活、氟化反應［5］、立體選擇性雜環(huán)反應等多個方面的應用不斷增長［6］。我國在電合成領域也不斷取得突破［7-8］。隨著“綠水青山就是金山銀山”理念的深入人心和國家“碳達峰、碳中和”戰(zhàn)略的逐步推進，集中體現(xiàn)著綠色化學理念的有機電合成技術也將迎來更好的發(fā)展前景。

因此，將有機電合成技術引入學校有機化學實驗課程，在基礎實驗課中為學生提供接觸、學習有機電合成技術的機會，不僅有助于開拓學生科學視野、提高綜合研究能力，還能夠加強學生對綠色化學理念的認知，培養(yǎng)學生的社會責任擔當。

1 開放實驗模塊的教學目標與特色

有機化學實驗課程按照分層教學、自主學習的教學思路，在課程后期設置為期3 周的開放實驗模塊。開放實驗模塊以拓展學科視野、加強科學素養(yǎng)、訓練學術思維、增強學術意識、激發(fā)學習熱情、培養(yǎng)自主學習能力和研究能力為教學目標，以學科前沿領域研究項目和有機反應新技術新方法的內容作為載體，組織學生以4 ～5 人學習小組為單位，自主選擇、自主設計、開展合作學習。

開放實驗的內容包括有機催化不對稱合成、過渡金屬催化反應、有機電合成反應、連續(xù)流有機反應等前沿有機研究領域實驗項目。該模塊的“開放”體現(xiàn)在：①學習內容的開放性，每個小組可在若干時長不同的開放實驗項目中自主選擇2 ～4 個實驗項目組成3 周的實驗內容；②探究方向的開放性，鼓勵學生從實驗項目中自主挖掘學習目標，自主設計探究方案；③學習范圍的開放性，通過設置“推薦開放實驗新項目”的任務，引導學生自主查閱學科優(yōu)秀學術期刊，在深入了解學科前沿研究工作的同時進行科研工作的教學轉化設計，學習實驗條件的評估和篩選；④合作學習的開放性，除要求學習小組內部合作學習外，積極組織多種形式的組間交流與合作；⑤工作表達的開放性，通過組織推薦實驗演講、海報制作展示與優(yōu)秀評選等活動，為學生提供科學展示自己成果與客觀評價他人工作的機會；⑥學習資源的開放性，通過自建線上學習資源［9］、挖掘網(wǎng)絡公共資源，給學生提供更豐富的學習內容與體驗?？傊?，開放實驗模塊的各個實驗項目及教學任務在給予基本學習建議的基礎上盡可能地為學生提供了自主發(fā)揮的空間。

開放實驗模塊為有機電合成實驗的引入提供了良好的平臺，學生按照自己的學習興趣自主選擇，相比規(guī)定內容的學習能夠更好地激發(fā)學生的學習熱情，在很大程度上保證學習精力的投入，獲得更好的學習體驗。

2 有機電合成方法概述

2.1 原理簡述

有機電化學合成就是用電化學方法合成有機化合物，讓電子作為“試劑”直接參與有機反應。電化學過程的發(fā)生要滿足3 個基本條件：持續(xù)穩(wěn)定供電的（直流）電源、滿足“電子轉移”的電極、可完成電子移動的介質［10］。電合成反應發(fā)生在電極的表面及其表面鄰近液層。有機電合成具有很多優(yōu)點，如以電子作為清潔的“反應試劑”，避免了有毒或危險的氧化劑和還原劑的使用；合成時通過控制電極電位，減少副反應，提升目標產物的收率和選擇性；許多反應在常溫常壓下即可進行，提高了合成的安全性［2］。

2.2 反應體系與裝置

有機電合成反應體系一般由反應物、電極（陽極和陰極）、反應介質組成。其中電極是電合成裝置中最重要的部件，它提供了實施電子轉移的界面［11］。工作電極即研究電極，是指發(fā)生目標有機反應的電極；對電極又稱輔助電極，其作用是與工作電極構成電流回路。例如在氧化反應中，陽極為工作電極，陰極為對電極。在恒電位合成法或循環(huán)伏安法中會用到參比電極，其在測量電極電位時起到參照物的作用。電極材料的選擇對電極反應的發(fā)生和進行有重要的影響［6］。其裝置除電極外還包括直流穩(wěn)壓電源、電流表與電壓表、電解池等（見圖1）。

圖1 有機電合成裝置示意圖

2.3 電合成方式［2，4］

（1）恒電流法。在恒定的電流條件下進行電合成。采用二電極系統(tǒng)，即只需要工作電極和對電極。由于控制電流要比控制電位容易，且電路和設備簡單，是有機電化學合成中最常用的方法。但在恒電流合成過程中，隨著反應進行，電極周圍的反應物濃度下降，電位上升，副反應增加。實踐中，通過充分攪拌促使電解液流動，可延緩反應物濃度變化，從而使電位在一定程度上維持在合理范圍。

（2）恒電位法。電極電位是影響電化學反應的決定因素，對有機電合成過程來說，選擇合適的電位是控制電極反應方向、保證獲得所需產品數(shù)量和質量的關鍵。恒電位法正是根據(jù)這一需要發(fā)展起來的技術。它采用工作電極、參比電極和對電極的三電極系統(tǒng)。在電解過程中，隨著電解時間增長，電極附近反應物濃度梯度降低，電流逐漸減小，反應完成所需時間增加。

2.4 電化學測試方法

在電合成中了解反應物的氧化還原行為是非常重要的，循環(huán)伏安法是常用的測試電化學行為的方法。通過測試繪制反應物的循環(huán)伏安曲線（見圖2），不僅能幫助人們確定氧化／還原電位、選擇合適的電合成方法和條件，還能幫助人們了解反應的可逆程度、探究反應機理等［12］。圖2 中繪制了3 種反應的循環(huán)伏安曲線，每條曲線的峰或谷電流對應的電位為該反應的氧化或還原電位；同時根據(jù)曲線形狀可以判斷電極反應的可逆程度。

圖2 可逆（藍色）、準可逆（紅色）、不可逆（綠色）反應的循環(huán)伏安曲線［4］

3 實驗內容介紹

有機電合成實驗項目——電化學合成聯(lián)苯內酯，是由我國新近科研成果轉化而來［13］。內酯結構作為一類特殊的結構亞基，引起了生物、醫(yī)學、藥學的廣泛興趣。在已有的合成內酯的方法中，C-H 與羧基O-H直接脫氫偶聯(lián)的反應因其較高的原子經濟性而受到特別關注。目前報道的工作中，大多是利用過渡金屬或有機物為催化劑與強氧化劑一起使用，這對于批量生產而言成本很高。而電合成直接脫氫偶聯(lián)內酯化則避免了使用危險有毒的試劑，環(huán)境友好、操作簡單。本實驗通過合成6H-二苯并［b，d］吡喃-6-酮，學習有機電化學合成的基本方法（見圖3）。

圖3 2-苯基苯甲酸的有機電合成脫氫內酯化

3.1 實驗試劑與儀器

（1）實驗試劑。2-苯基苯甲酸、四丁基高氯酸銨、甲醇、乙腈、石油醚、乙酸乙酯、丙酮均為分析純試劑；柱層析硅膠為200 ～300 目。

（2）實驗儀器。電化學合成儀套裝（型號：ElectraSyn 2.0 pro，德國IKA 公司），含反應主機、6 位平行反應模塊、10 mL未分隔反應管，以及配套石墨電極和Ag／AgCl 電極；直流穩(wěn)壓電源（型號：UTP3313TFL-II）和萬用表（型號：UT33A ＋）購自優(yōu)利德科技（中國）股份有限公司；10 mL 非密封未分隔反應池；石墨電極（15 mm×15 mm×3 mm）。

3.2 實驗內容

（1）恒電流法合成內酯。在電化學合成儀的10 mL未分隔反應管中加入0.099 g（0.50 mmol）2-苯基苯甲酸、0.684 g（2.0 mmol）四丁基高氯酸銨、乙腈-甲醇（7∶1）混合液8.0 mL，加入磁子，攪拌溶解。以石墨電極作為工作電極和對電極，組裝電化學合成裝置。室溫下磁力攪拌，進行恒電流合成，設定電流值為29 mA。TLC監(jiān)測反應，大約2 h 停止反應，旋蒸去除溶劑。殘余物以硅膠柱層析純化，石油醚∶乙酸乙酯6∶1洗脫；TLC 檢測收集洗脫液，旋蒸除去溶劑，得近白色產品結晶，產品以核磁表征確認結構。

（2）測定2-苯基苯甲酸的循環(huán)伏安曲線。按照1.0 mmol／L 2-苯基苯甲酸，0.2 M Bu4NClO4／CH3CN／MeOH（7∶1，v／v）的濃度配制溶液10.0 mL，取7 mL進行循環(huán)伏安法分析。玻碳電極為工作電極、鉑電極為對電極、Ag／AgCl電極為參比電極。參考參數(shù)如下：峰段：2；電壓變化方向：遞增；初始電壓（V）：0；最高電壓（V）：2.5；最低電壓（V）：0；終止電壓（V）：0；掃描速率（mV／s）：100。

（3）恒電位法合成內酯。采用與恒電流法相同的投料量和溶液配制。以石墨電極作為工作電極和對電極，Ag／AgCl電極為參比電極，組裝合成裝置。室溫下充分攪拌，進行恒電位合成，電位設定參考1.8 V或根據(jù)循環(huán)伏安法測定的氧化電位設置。

4 教學設計與實踐

4.1 實驗教學目標

有機電合成實驗項目基于開放實驗模塊的整體目標，結合自身特點明確具化教學目標。

（1）專業(yè)知識技能。學習掌握有機電合成原理、方法與技術，電合成反應的影響因素與條件設置；提高有機反應監(jiān)測、產品分離純化及檢測表征方法的靈活運用能力。

（2）通用知識技能。提高實驗觀察能力、探究設計能力、結果分析能力；訓練科學寫作及表達能力；提高合作學習能力。

（3）情感與思政建設。培養(yǎng)對現(xiàn)代合成技術的興趣、激發(fā)對科學問題探究的潛能；加深對綠色化學理念的認識，培養(yǎng)學生社會責任感。

4.2 學習資源建設

有機電合成在反應機理、實驗裝置、操作方法等方面不同于傳統(tǒng)的有機合成，根據(jù)學生需求，教學團隊制作了豐富的學習資源。（見表1）

表1 有機電合成實驗學習資源

4.3 教學設計安排

在實驗設計方面，項目采用必做-選做相結合的方式使實驗內容層層遞進，對任務工作量不做硬性規(guī)定，對實驗結果本身不進行評分，學生可以自主選擇實驗學習目標、自主安排實驗內容、自主設計探究方向和實驗方案，具體設計包括：

（1）重現(xiàn)文獻實驗（必做）。完成恒電流法合成內酯的實驗任務。此內容是項目必做部分，目的是幫助學生掌握有機電合成的基本原理和最常用的技術方法，熟悉電合成儀的使用。內容大概需要7 學時（1 次實驗課）。

（2）進階技能學習（選做）。通過循環(huán)伏安法獲得原料的氧化電位，再以該電位為參考，嘗試恒電位法合成內酯。設計此內容的目的是促進學生理解有機電合成研究一般流程，學習其他常用電合成方法，體驗不同電合成方法的優(yōu)勢與局限性。選做該內容的學生，可以在循環(huán)伏安法（2 學時）、恒電位法合成（5 學時）任選其一或全選。

（3）自主探究設計（選做）。項目鼓勵學生自主設計探究方向和實驗方案，同時也給出一些潛在探究點，幫助學生確立探究方向。如，使用商品化電合成儀優(yōu)化反應條件，嘗試自主搭建電合成裝置開展反應等。學生探究內容不同，此部分所占時間從7 ～14 學時不等。

（4）課后擴展學習（必做）。按照開放實驗整體要求，學生需要完成實驗總結報告、實驗項目海報制作、從前沿領域科研文獻取材推薦教學實驗項目等課后任務。

開放實驗模塊是以4 人左右的學習小組為單位開展實驗學習，以上學習任務可以通過組內、組間分工合作的方式進行，能夠在3 次實驗課內完成。

在教學模式上，項目采用線上線下混合式教學，利用課程自建的“有機化學實驗課程在線學習與測試平臺”［14］對學習任務進行規(guī)劃安排。課前，通過線上學習，幫助學生熟悉電合成領域知識和儀器的基本使用方法、建立電合成研究工作基本概念，理解實驗具體內容和任務，進而自主規(guī)劃開放實驗階段（3 次課）的工作內容，保證以良好的狀態(tài)進入線下實踐。課堂上，教師對重點內容進行梳理講解，幫助學生融會貫通；學生按照自己計劃完成必做及選做實驗，這種進階式的安排在完成基礎任務的過程中加深對實驗的理解、產生新的想法，并在后續(xù)任務中驗證自己的實驗設計，體驗“理解-探究-迭代”的科研思路和工作模式。課后，學生根據(jù)實驗結果進行總結反思，撰寫論文報告、制作項目宣傳海報及完成實驗項目推薦，增加對科研工作全方位的體驗。

4.4 教學實踐

以本項目在2020 級本科生有機化學實驗課中開設情況為例。開放實驗以4 ～5 人小組合作模式展開，在年級37 個學習小組中有8 個小組選擇了有機電合成實驗。各組根據(jù)自身需求自主安排實驗任務與進度，對于完成本項目的時間投入也從1 次實驗課到3次實驗課不等（見圖4）。其中，7 個小組開展了選做實驗內容，說明本實驗內容有效激發(fā)了學生對于有機電合成的研究興趣，也將“分層教學、自主學習”的理念落到實處。

圖4 選擇本項目的小組在開放實驗模塊中的課時投入

實驗室有電化學合成儀3 套［其中一套配有6 位平行反應模塊，圖5（a）］、自主搭建電合成裝置2 套［圖5（b）］，一共可同時開10 組實驗。同時選電合成實驗的8 個小組分布在2 天，每天4 個小組，所以雖然本實驗對電化學合成儀的依賴較高，但通過合理的儀器分配和時間安排，完全能滿足學生實驗需求。

圖5 電化學合成儀

課后按照開放實驗模塊要求，所有學習小組提交了實驗項目總結報告、項目展示海報和推薦實驗論文，并進行推薦實驗演講，實驗項目推薦和海報制作的完成水平遠超預期，表明本實驗設計的學習任務與大部分學生的潛在學習能力具有良好的匹配性。

5 教學效果

5.1 教學評估反饋

為評估教學效果，開展了有機電合成實驗學習體驗問卷調查（見圖6），大部分學生對該項目的學習體驗、知識收獲給予了正面評價。

圖6 有機電合成實驗學習體驗問卷調查結果

5.2 自主探究意識和能力的培養(yǎng)

開放實驗模塊鼓勵學生在教學團隊提供的實驗參考的基礎上，自主開展實驗學習，自主發(fā)掘探究目標。在本項目中，部分學習小組的學生展示了非常強烈的探究意識和良好的探究能力。例如，有的小組在仔細研讀文獻的基礎上，主動跳出講義給出的探究思路，另辟蹊徑，通過引入催化劑等條件優(yōu)化的方法提高了反應效率，具有良好的研究意識，展示了深入的思考能力和知識遷移運用能力。另一小組則在實驗過程中，通過仔細觀察和思考，并進一步查閱相關資料，指出了商品化電合成儀器在開展有機合成反應方面的局限性，提出購置相關零部件自己組裝電合成儀的設想，教學團隊也在這方面開展了后續(xù)工作，為有機電合成實驗開拓了新的教學方式。

總之，從常規(guī)的有機合成反應知識出發(fā)，學生深入討論了電合成方法的特點、優(yōu)勢與局限性，分析了電合成裝置對反應的影響，探討了近年有機電合成領域的發(fā)展趨勢，表明了學生能夠從宏觀方面進行知識的總結和抽象，在已有的知識和新的領域間建立聯(lián)系，具有較好的批判性思維。

5.3 對后續(xù)課程的影響

在基礎有機實驗課程中引入有機電化學合成實驗，不僅希望學生能了解這一現(xiàn)代合成技術，更重要的是希望學生能將電合成技術作為工具，在以后的學習、科研工作中發(fā)揮作用。教育就是埋下種子的過程，幸運的是，我們很快看到了電合成的種子生根發(fā)芽。在第二學期的進階課程——中級有機化學實驗中，有兩位同學通過自主查閱文獻，主動將有機電化學合成技術應用到傳統(tǒng)的中級有機實驗項目“布洛芬的合成”中，開辟了新的合成路線（見圖7）。

圖7 有機電合成布洛芬

6 展望與結語

有機電合成技術作為近年來有機化學合成領域的熱點，利用開放實驗模塊這一平臺，將其引入到有機化學實驗課程中，可以開闊學生視野，培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)、研究意識和綜合實踐能力。課程計劃進一步拓展有機電合成的實驗內容，增設成對電合成［15］、電還原反應［7，16］、有機電催化［17］和連續(xù)流動電合成［18］等選做內容，給學生提供更豐富的學習內容和更廣闊的探索的空間。

同時，通過電合成技術的教學實踐，有效引導學生建立節(jié)能環(huán)保的綠色化學理念和社會責任感；通過介紹有機電合成的發(fā)展和我國在該領域的研究進展，增強學生民族自豪感和自信心。本項目將課程思政巧妙地融入專業(yè)課中，達到潤物細無聲的育人效果，這也是高校課程思政建設的探索與實踐。

致謝

感謝2021 年參與本課程實驗教學的研究生助教和2020 級選做本項目的同學的參與與合作。