苯酰腙類衍生物的合成及離子識別測試
——有機化學實驗的前沿研究融合實驗設計

湯柳燕,徐學濤,朱忠智,謝鋒,馮雁賢,卿寧

(五邑大學 生物科技與大健康學院,廣東 江門 529020)

面對新時代的發展需求和挑戰,科教融合已成為我國教育高質量發展的必然趨勢[1]。在教育部發布的《關于一流本科課程建設的實施意見》中也提出,基于提升高階性、突出創新性、增加挑戰度的基本原則,需要在課程設計中增加研究性、創新性、綜合性內容,讓學生體驗“跳一跳才能夠得著”的學習挑戰。《有機化學實驗》是化學及相關專業的重要必修課程,在基礎化學實驗教學中具有十分重要的作用。然而現階段的課程教學內容陳舊,更新較少,在科教融合方面仍處于摸索階段。筆者近年來對苯酰腙類衍生物及它們的離子識別性能進行了詳細研究[2-4]。這類化合物通過醛胺縮合反應這一基礎反應制備,有利于學生結合有機化學理論課程,同步提升他們的理論知識水平和實驗操作能力。

此外,苯酰腙類衍生物的離子識別性能具有重要現實意義。這類衍生物可以靈敏地識別鋁離子。鋁離子是地殼中最豐富的金屬元素,在日常生活中隨處可見。然而,鋁對環境卻有嚴重危害,會導致水質酸化、水生生物群中毒,從而破壞生態環境。此外,長期攝入鋁元素還會使人患上阿爾茨海默氏癥和癌癥等疾病,危及人體健康[5]。采用熒光配體作為探針檢查鋁離子含量是近年來快速發展的新型分析技術,但這些配體存在合成困難,在水中無法克服鋁離子的強水結合性質等問題,還無法滿足實際應用要求。本實驗的目標苯酰腙類衍生物(AHBH)可以在水體中與鋁離子絡合,產生熒光增強的效果,方便快捷地完成現場和實時的鋁離子檢測。由于具有優秀的水體識別效果,AHBH對鋁離子的識別還能夠拓展至污水中鋁離子的檢測,引入在環境污染處理方面的知識,開拓學生的視野,提高有機化學實驗的教學效果。

1 實驗

1.1 實驗目的

(1)結合理論課程內容和文獻調研,學習醛胺縮合反應和離子識別的機理,掌握通過醛胺縮合反應合成一種苯酰腙類衍生物的方法,學會回流實驗裝置的搭建、洗滌分離的基本原理和操作。

(2)通過核磁共振波譜儀、高分辨液相色譜儀、傅里葉紅外光譜儀、熒光光譜儀等儀器表征苯酰腙類衍生物,掌握化合物結構和熒光性能的表征原理和方法,學會數據處理和圖譜分析。

(3)通過探究性實驗設計,培養學生的自主學習能力和綜合實踐能力,并以環境污水處理拓展實驗內容,提升學生的應用思維和環保意識。

1.2 實驗原理

苯酰腙類衍生物是由含醛基化合物與苯酰肼類化合物上的亞胺反應生成的,主體結構中帶有-CH=N-NH-CO-基團。其結構中帶有呈三角形分布的氮原子和氧原子,可以作為供體與金屬離子進行絡合。絡合后的苯酰腙類衍生物會因胺基的去質子化而部分電離,形成內消旋的陰離子態[6]。

本實驗的目標化合物(AHBH)通過4-氨基苯甲酰肼的肼基和水楊醛的醛基在乙腈溶液中加熱回流,發生縮合反應而生成。產物在乙腈中的溶解度大幅度降低而析出,通過過濾和洗滌即可提純。AHBH由于含有未鍵合的碳氮雙鍵,由激發態躍遷到基態過程伴隨著雙鍵的異構化,熒光發射信號很弱。但其能在水溶液中絡合鋁離子,產生強烈的藍色熒光,實現對鋁離子的識別。熒光的產生是因為AHBH與鋁離子形成了配合物,抑制了化合物的激發態分子內質子轉移(ESIPT)和光誘導電子轉移(PET),提高了配合物的剛性,造成螯合增強熒光現象(CHEF)[7]。

AHBH識別鋁離子過程中與離子的結合常數Ka,即AHBH與鋁離子間形成配合物的平衡常數,是衡量配合物結合能力強弱的重要指標,Ka越大,配體與金屬離子的結合能力越強。其計算先通過測定配體與金屬離子間熒光滴定曲線,再基于Benesi-Hildebrand方程[8]得到。當配體與金屬離子為1∶1絡合時公式為:

(1)

其中,I0和I分別代表熒光滴定曲線線性范圍內金屬離子濃度最低時,以及某一濃度時對應的熒光強度,C指熒光強度I所對應的金屬離子濃度。

1.3 實驗儀器和試劑

主要儀器:Bruker AVANCE III 600 MHz 核磁共振波譜儀;Bruker maXis 高分辨質譜儀;Shimadzu FTIR-8100傅里葉紅外光譜儀;Shimadzu UV-2450 紫外可見光譜儀;Horiba FluoroMax+ 熒光光譜儀;磁力控溫攪拌器;循環水真空泵;移液管;容量瓶。

主要試劑:4-氨基苯甲酰肼、水楊醛、乙腈、冰醋酸和氯化鋁均采購于阿達瑪斯試劑,異丙醇來自華大試劑。所有試劑純度均在分析純以上,在購買后直接使用。蒸餾水為實驗室純水機自制。

1.4 實驗步驟

1.4.1 AHBH的制備

AHBH的制備路線如圖1所示。將4-氨基苯甲酰肼(0.26 g,1.76 mmol)加入到 50 mL的三口燒瓶中,氮氣置換3次后,加入水楊醛(0.18 mL,1.76 mmol)和15 mL 乙腈。最后加入1滴冰醋酸作為反應的催化劑。反應在82 ℃下回流3 h。待反應體系冷卻后,粗產物析出,抽濾收集。收集到的粗產物加入裝有30 mL 異丙醇的燒瓶中攪拌30 min,再次抽濾后干燥,得到0.29 g淡黃色的目標產物(產率:64%)。

圖1 AHBH的制備路線

1.4.2 AHBH的結構表征

以氘代二甲基亞砜(DMSO-d6)為溶劑,溶解約5 mg AHBH,制成核磁波譜分析的測試樣品。高分辨質譜的樣品采用水為溶劑,使用電噴霧離子化(ESI)模式測試。紅外光譜測試樣品采用光譜純溴化鉀與少量AHBH混合研磨制片后測試。

1.4.3 AHBH的鋁離子識別

稱取128 mg AHBH(0.05 mmol),用蒸餾水溶解,然后采用50 mL容量瓶定容,配制成0.01 mol/L的AHBH水溶液。取用移液管1 mL上述溶液至100 mL容量瓶中重新定容,最終得到1×10-4mol/L的AHBH水溶液。采用同樣的方法配置1×10-4mol/L的氯化鋁水溶液。用移液管分別移取1 mL的AHBH水溶液和一定體積的氯化鋁水溶液,在10 mL容量瓶中定容,最終得到AHBH的濃度為1×10-5mol/L,AHBH與氯化鋁的物質的量比(AHBH/Al3+質量比)為0,0.1,0.3,0.5,0.7,1.0,2.0,3.0的混合水溶液,用于紫外可見光譜和熒光發射光譜測試。

2 結果與討論

2.1 AHBH的結構分析與表征

AHBH的結構首先采用核磁共振波譜儀進行分析表征(圖2a,b)。核磁氫譜與碳譜數據如下:1H NMR (600 MHz,DMSO-d6) δ (ppm):11.75 (s,1H),11.56 (s,1H),8.56 (s,1H),7.72～7.66 (m,2H),7.47 (dd,1H),7.31～7.25 (m,1H),6.95～6.88 (m,2H),6.64～6.59 (m,2H),5.84 (s,2H);13C NMR (151 MHz,DMSO-d6) δ :163.09,157.86,153.02,147.37,131.36,130.13,129.86,119.69,119.21,119.17,116.83,113.11。此外,使用高分辨質譜對AHBH進行表征(圖2c),得到[M+H]+分子式為 C14H13N3O2H+,計算值為256.10,實測值為256.11。對AHBH的紅外光譜圖進行進一步分析(圖2d),在3 454,334和3 279 cm-1波長處觀察到苯環上羥基和氨基的伸縮振動峰,以及1 658 cm-1波長處觀察到腙基上羰基的伸縮振動峰。以上結構表征結果充分說明AHBH被成功合成。

(a) 核磁共振氫譜;(b) 核磁共振碳譜;(c) 高分辨質譜;(d) 紅外光譜。

2.2 AHBH的鋁離子識別性能

AHBH與鋁離子接觸前后的紫外可見光譜如圖3a所示。可以看到,AHBH與鋁離子接觸后在380 nm處出現了新的吸收峰,這是由AHBH與鋁離子絡合形成的配合物產生的。因此,選取380 nm為激發波長,調節AHBH/Al3+比,測試AHBH與鋁離子的混合水溶液的熒光發射光譜。從圖3b可以看出,AHBH本身熒光非常微弱,但與鋁離子絡合后出現熒光發射峰,最大的發射波長在470 nm,為強烈的藍色熒光。并且,隨著鋁離子含量的提高,混合溶液的熒光強度也不斷提高,說明AHBH對鋁離子具有熒光增強的識別效果。

(a) AHBH在水溶液中的紫外可見光譜圖;(b) 不同AHBH/Al3+比下AHBH與鋁離子的混合水溶液的熒光光譜圖。

以AHBH/Al3+比為0的AHBH與鋁離子的混合水溶液在470 nm處的熒光強度為I0,AHBH/Al3+比為0.05～1的混合水溶液在同樣波長處的熒光強度為I,基于Benesi-Hildebrand方程,建立1/(I-I0)與鋁離子濃度的倒數(1/C(Al3+)的關系曲線(圖4)。對曲線進行線性擬合,通過截距與斜率間的比值得到AHBH與鋁離子Ka,數值為5.79×105L/mol,表明AHBH對鋁離子的絡合能力較強。

圖4 AHBH/Al3+比為0.1～1.0的AHBH與鋁離子混合水溶液的1/(I-I0)與1/C(Al3+)關系曲線

AHBH對鋁離子的識別可以拓展至污水中的鋁離子檢測。用普通濾紙浸泡AHBH的水溶液,然后晾干,可以得到鋁離子檢測試紙。取環境污水樣品滴加至檢測試紙上。通過紫外燈照射下試紙是否有熒光可以判斷污水中是否含有鋁離子,為后續污水處理方式提供參考。

3 實驗教學設計

本實驗開展分為AHBH的合成和結構表注,以及其鋁離子識別性能測定兩個部分,計劃安排10～12課時。其中,AHBH的合成占4課時;其結構表征可根據儀器使用情況、課時安排等在核磁波譜、高分辨質譜和紅外光譜中選取部分進行測試,計劃需2～4課時;鋁離子識別性能測定占4課時。學生可兩人或多人一組完成實驗。

3.1 教學模式

實驗采用線上線下混合教學模式。

在線上,(1)教師在實驗前上傳相關實驗資料,包括實驗原理、實驗操作、儀器運行原理等的參考文獻,幫助學生預習和確定實驗流程及步驟,同時上傳污水中重金屬檢測、環境污水處理等相關文獻資源,拓展學生知識面。(2)開放線上討論,方便學生及時反饋問題,打破課堂時間限制。(3)發布實驗作業,包括對苯酰腙類衍生物及其金屬離子識別的研究及應用調研報告,以及上傳主要實驗裝置照片作為學生的操作評價。

在線下,(1)寫出優秀預習報告和調研報告的學生作課前分享,提高學生學習積極性。(2)學生分組完成實驗,選取組長負責實驗任務的分解和協調,共同采集實驗數據。教師引導學生對數據進行深度分析,數據在組內共享,對失敗實驗進行組內討論,尋找解決方案,教師適當輔助。(3)學生個人單獨完成實驗報告分析主要負責部分的實驗情況,小組匯總對實驗數據進行深入討論后,按照學術論文形式撰寫總報告,對實驗存在的情況進行分析。

3.2 評價模式

在混合教學模式中,學生對線上課程的學習可能會不認真,對課堂上的實驗操作及記錄的規范性不重視,存在“只要完成實驗就可以”的心態。為此,需要建立有效的評價體系。本實驗將采取多元評價模式,具體評價點及權重見表1。

表1 本實驗的多元評價體系

4 結論

本實驗通過經典的醛胺縮合反應制備了苯酰腙類衍生物AHBH,通過核磁共振波譜、高分辨質譜和紅外光譜表征其結構,并通過紫外可見光譜和熒光光譜測試了AHBH對鋁離子的識別能力,讓學生對重金屬離子的熒光識別現象產生形象的認知,對這種識別的應用更詳盡的了解,激發學生的學習積極性和對科研的熱愛。同時,實驗涉及了化合物合成、儀器表征和熒光識別等多方面內容,能更全面地提升學生的實踐能力。此外,采用線上線下混合教學,學生為主教師為輔的探究型實驗方式以及多元評價模式,提高實驗教學效果,為培養創新型高水平人才打下堅實的基礎。