基于科教融合的無機化學實驗改革探索*
——以雙三苯基硅烷鉻酸酯的制備為例

李浩宇，馬金文，楊艷華，王寶玲，李湘廣，高樹林，李艷妮

(昆明學院 化學化工學院，云南 昆明 650214)

高等教育中,教學和科研缺乏有效整合的問題在自然學科中較為突出，一方面是高校職稱評定比較單一的偏重科研成果，教師把大量時間用于學術研究，而對教師教學質量的評價機制的構建還不夠完善[1]；另一方面是教師對自身科研內容與實驗教學的融合缺乏思考和實踐。昆明學院自1977年建立化學學科以來，實驗教學雖然在教學實踐中進行了大量的改進和優化，編撰了適合本校學生使用的實驗教材[2]，但實驗內容缺乏創新性和前沿性，未反映出與專業相關的行業整體發展態勢，并不能很好地運用已有實驗思維解決遇到的實際問題，不利于培養學生的創新能力[3]。因此，將與專業相關的、適合產業化的內容進行一定的內容完善，并應用于實驗課程中，一方面讓學生融入在科教融合的實驗教學中，既有利于提高學生的實驗操作實踐能力、創新能力、分析問題和解決問題的能力，也有利于深化學生學以致用、進一步體會化學學科在現代生產生活中的應用價值，為參與科研實驗打下堅實基礎[4]。另一方面，有利于實驗教學與科研融合，將教師研究成果和企業生產經驗轉化運用于實驗教學和人才培養，踐行“科教融合、學術育人”理念，具有良好的示范作用[5]。

人教版高中化學必修第二冊(2019年版)中以乙烯聚合成聚乙烯為例，介紹聚合反應和加聚反應基本概念，其中，聚合反應使用的催化劑未做進一步說明。無機化學實驗是化學化工類學生大學一年級的基礎化學實驗，在課程中加入與化工產業密切相關的實驗內容，可以起到連接高中與大學知識內容的橋梁作用，不僅可以提升學生學習興趣、增強學科認同感和社會責任感，而且還可以進一步培養學生科學探究與創新意識的化學學科核心素養。鉻系催化劑由于催化活性高、合成簡單、成本較低等優點，常用作乙烯聚合催化劑[6]，因此，我們選擇合成雙三苯基硅烷鉻酸酯，作為無機化學實驗教學內容的補充。雖然由三苯基氯硅烷和重鉻酸鉀制備雙三苯基硅烷鉻酸酯的反應機理尚不明確[7]，但可以對實驗過程中使用的各物質的量重新配比，使實驗內容更加符合實驗教學的開展。

1 文獻調研

鈦系[8]、鎳系[9]、鉻系等催化劑，都可催化乙烯聚合，但鈦系和鎳系催化劑在工藝化生產方面還需進一步完善和開發，因此，作為最早應用于乙烯聚合催化工藝的鉻系催化劑仍然占據主導地位。1951年，美國菲利普斯公司研發人員首次發現CrO3負載于硅膠具備催化乙烯聚合的功能，隨著研究深入，發展出了乙酸鉻[10]、二茂鉻/硅膠[11]和Cr(NBut)2Cl2[12]等催化劑。其中，雙三苯基硅烷鉻酸酯在催化過程中產生的副產物較少，廣泛應用于在高密度聚乙烯和線型低密度聚乙烯工藝生產中。

雙三苯基硅烷鉻酸酯的最初合成方法是使用三苯基羥基硅烷和CrO3在冰醋酸中 50 ℃ 反應 10 min[13]，但后處理較為繁瑣。之后，將溶劑改為CCl4[14]、苯[11]、乙腈和丁腈[7]，但反應時間較長、產率較低，且溶劑毒性較大。中國石油化工科學研究院以三苯基氯硅烷、K2Cr2O7和氫氧化物為原料、冰醋酸和烷烴混合物作溶劑，雙三苯基硅烷鉻酸酯在純度和產率上都有明顯提升，但抽濾時間在10 h左右，不適合本科教學實驗開展[16]。王俊等[7]在實驗過程中使用冰醋酸和環己烷混合溶劑，但環己烷極易燃燒，不適合本科生操作。

綜合前期研究成果[7, 15-16]，我們引入雙三苯基硅烷鉻酸酯的制備完善鉻系元素實驗教學內容：以三苯基氯硅烷、K2Cr2O7和氫氧化鉀為原料，冰醋酸和正己烷為溶劑，反應時長 90 min，采用抽濾的分離方法提純物質。整個實驗流程耗時 2 h 左右，滿足3課時的實驗教學要求。實驗結束后，用核磁氫譜和碳譜、紅外分析、紫外-可見光譜和熒光發射光譜表征雙三苯基硅烷鉻酸酯。

2 教學內容設計

2.1 實驗目的

① 知識目標：掌握反應過程中各物質間的相互反應；鞏固固體和液體試劑的取用方法和稱量方法。

② 能力目標：學會反應裝置的連接與搭配、恒溫油浴鍋的使用，鞏固物質稱量、抽濾等基本實驗操作。培養學生正確觀察、記錄、分析總結、歸納實驗現象、撰寫實驗報告等的能力。

③ 素質目標：培養學生基于科學原理、采用科學方法對實際生產中的問題進行研究，通過實驗方案，分析、解釋實驗現象，做到學以致用、實事求是的科學態度和嚴謹的作風，培養學生科學探究與創新意識的化學學科核心素養。

2.2 基本原理

鉻酸酯是十分穩定的一種化合物，其中，雙三苯基硅烷鉻酸酯被廣泛應用于工業上不飽和烴化合物聚合。例如，乙烯聚合的催化劑。使用三苯基氯硅烷和K2Cr2O7為原料、冰醋酸和正己烷為混合溶劑進行制備，反應方程式為：

反應過程中，加入KOH，使產生的CrO3進一步反應為更易溶于水的鉻鹽，提升雙三苯基硅烷鉻酸酯的純度，反應方程式為：

2.3 實驗用品

儀器：恒溫油浴鍋、磁力攪拌子、三口反應瓶、玻璃塞、冷凝管、抽濾瓶、布氏漏斗、分析天平等。

藥品：三苯基氯硅烷(95%)、重鉻酸鉀(99.99%)、氫氧化鉀(95%)、冰醋酸(99.5%)、正己烷(97%)，所有試劑均購自上海麥克林生化科技有限公司，均為試劑純。

材料：稱量紙、濾紙。

2.4 實驗步驟

① 按照圖1(a)所示裝好反應儀器裝置。用分析天平分別稱取K2Cr2O7(1.5 g，5.1 mmol)和(C6H5)3SiCl (3.4604 g，11.7 mmol，2.3 eqv.)于 100 mL 三口反應瓶中，并用量筒量取冰醋酸/正己烷(15 mL/15 mL)混合溶劑，倒入三口反應瓶中，攪拌下加入KOH (0.3427 g，6.1 mmol，1.2 eqv.)，溫度升至 50 ℃，觀察實驗現象。

② 50 ℃ 攪拌 90 min 后，冷卻至室溫。抽濾，濾餅依次用大量水、5 mL 冰醋酸沖洗，繼續抽濾 10 min，真空干燥箱 50 ℃ 烘干，物質顏色如圖1(b)所示。

2.5 實驗習題

① 寫出(C6H5)3SiCl、K2Cr2O7和KOH的反應方程式。

解析：

② 混合溶劑中的正己烷有什么作用？

解析：限制重鉻酸鉀水解，提升雙三苯基鉻酸酯的收率。重鉻酸鉀水解方程式如下：

③ 洗滌濾餅時，為什么要用HAc洗滌？HAc用多了會怎樣？

解析：洗去固體表面附著的黑色色素及紅色雜質。若不用，顏色觀感不好；用量過多會溶解雙三苯基鉻酸酯，使收率降低。

3 雙三苯基硅烷鉻酸酯的表征

學生完成以上內容，實驗教學結束。為了驗證是否成功制備了雙三苯基鉻酸酯及測試其純度，采用核磁譜圖、紅外光譜、紫外—可見光譜和熒光發射光譜進行表征。

3.1 核磁分析

采用Bruker Advance 400核磁儀測試溶解于氘代二甲亞砜溶解三苯基氯硅烷和雙三苯基硅烷鉻酸酯的氫譜(400 Hz)和碳譜(101 Hz)，測試結果如圖2所示。從圖2(a)可知，雖然三苯基氯硅烷和雙三苯基硅烷鉻酸酯的核磁氫都為苯環上的C—H，但前者的化學位移(δ)分別為7.76、7.57和7.37，后者的分別δ為7.56、7.41和7.13，這是生成物中Si—O—Cr中O原子具有孤對p電子，與苯環形成p-π共軛傾向增加，電子云密度增大，質子峰向高場移動，δ下降[17]。然而，三苯基氯硅烷的碳譜δ為137.00、135.00、130.10和128.22，雙三苯基硅烷鉻酸酯的碳譜δ為137.01、134.98、130.12和128.24，δ相差不大，這是由于反應前后，C原子所處化學環境沒有太多變化造成的，從圖2(b)所示。

3.2 紅外光譜分析

采用安捷倫Cary 600系列紅外光譜儀，分別測試三苯基氯硅烷和雙三苯基鉻酸酯紅外光譜(圖3)。從圖3中可知，三苯基氯硅烷中 598 cm-1處為Si—Cl伸縮振動峰，生成雙三苯基鉻酸酯后，此振動峰消失。雙三苯基鉻酸酯在 861 cm-1和 976 cm-1處的峰分別為振動和Si—O—Cr振動引起，1118 cm-1處為Si—O伸縮振動導致。

圖2 三苯基氯硅烷和雙三苯基鉻酸酯核磁氫譜圖(a)與核磁碳譜圖(b)

3.3 紫外—可見光譜和熒光光譜

三苯基氯硅烷和雙三苯基鉻酸酯溶于二氯甲烷，配制成的5×10-5mol/L 的溶液，分別用島津UV-2450紫外—可見分光光度計和安捷倫Cary Eclipse熒光分光光度計測試紫外—可見光譜和熒光發射光譜，如圖4所示。

在紫外—可見光譜圖中，三苯基氯硅烷和雙三苯基鉻酸酯在250 ～275 nm 間的吸收峰處于B吸收帶，為苯環振動能級的躍遷與π-π*躍遷重疊引起。其中，雙三苯基鉻酸酯在 350 nm 左右出現一個吸收帶，此為CrO42-的吸收帶引起。三苯基氯硅烷的熒光發射峰位于 339 nm 處，生成雙三苯基鉻酸酯后，分子共軛程度增加，最大發射峰紅移至345 nm處。此外，雙三苯基鉻酸酯在 392 nm 處出現肩峰，這是由于Cr具有空的3d軌道，引起局部激發態導致。

以上表征結果表明，雙三苯基鉻酸酯已被成功合成。

圖3 紅外光譜圖

圖4 (a)紫外—可見吸收光譜圖；(b)熒光發射光譜圖

4 教學反思

無機化學實驗作為化學化工類大學生最先接觸的基礎化學實驗課程，對培養學生良好的實驗思維、規范的操作技能、飽滿的實驗熱情及學以致用的學科態度至關重要。通過引入與生產實際相關的雙三苯基硅烷鉻酸酯的制備，讓學生加深對學科知識的理解、進一步感受基礎知識與社會需求的關系，激發學生積極思考、夯實基礎、奮力創新的動力。