合成席夫堿類光致變色有機化合物

李金洲，耿嘉浩，劉聰達，李繼龍

（沈陽理工大學環境與化學工程學院，遼寧 沈陽 110158）

0 引言

光致變色指的是一個化合物A，在特定波長的光照射之下進行特定的化學反應或物理效應，并最終生成產物B，因為結構上出現變化使得其吸收光譜的顏色出現變化，而在另外一個波長的光照射或者是熱的作用之下，產物B 又可以恢復到原來的形式[1]。

光致變色現象為現代生活提供嶄新的色彩，將相應的化合物引入到包裝裝潢、玩具制造、油墨生產、液晶顯示等新領域內；會有極其廣闊的發展前景。目前，有機光致變色化合物可分為螺吡喃類、螺噁嗪類、偶氮苯類、二芳基乙烯類、俘精酸酐類、席夫堿類。

本實驗將簡易合成席夫堿類2-（2，4-二硝基芐基）吡啶，結合光致變色原理，用環氧樹脂做成形態各異會變色的物品，例如變色的眼鏡、變色小熊、變色花朵等。本實驗試劑儀器簡單、成本低廉、操作緊湊、現象明顯，有著較強的趣味性，不僅可以幫助學生提高知識水平和專業素養，還可以激發學生對于專業的熱愛。讓公眾領略化學與藝術的完美融合，讓參與者真切感悟到生活中的化學現象。

1 實驗部分

1.1 實驗原理

1）2-芐基吡啶溶液在100 ℃下水浴加熱，與硝酸發生硝化反應，2 個硝基基團取代氫，得到2-（2，4-二硝基芐基）吡啶。吡啶化合物直接硝化，親電試劑主要進攻N 的間位，反應條件強烈，但硝化產率很低[1]，收率僅在40%～50%。

2）用氫氧化鈉溶液除去溶液中的硝酸和硫酸，反應方程式見式（1）、式（2）：

3）2-（2，4-二硝基芐基）吡啶變色主要是由于紫外線照射下，分子結構變化，發生了分子內的質子遷移，使其從黃色變為藍色，數小時后能恢復原狀。

1.2 試劑和儀器

儀器：HH-1 型恒溫水浴鍋、水浴鍋、球形冷凝管、直型冷凝管、CPA225D 型電子天平、CJJ79-1 可控溫磁力攪拌器及常規實驗室用儀器。

1.3 實驗操作及效果

1.3.1 制備2-（2，4-二硝基芐基）吡啶

1）硝化反應：向燒瓶中加入12 mL 濃硫酸和攪拌子，建立冰浴，使其冷卻至5 ℃，10 min 后再向酸中緩慢加入2.5 mL 2-芐基吡啶，攪拌3 min 后，逐滴滴加2.25 mL 濃硝酸。取出燒瓶，安裝球形冷凝器，放入恒溫水浴鍋，于100 ℃下水浴20 min。

2）提純：將產物從小燒瓶倒入燒杯中，建立冰浴，使其冷卻至5 ℃，蒸餾水洗滌燒瓶，然后倒入燒杯中，稱取20 g 氫氧化鈉溶于250 mL 水中，配制氫氧化鈉溶液，倒入燒杯中，檢驗溶液酸堿度呈堿性，提純完成。

3）萃取：將燒杯放在磁力攪拌器上，向燒杯中加入200 mL 乙醚，攪拌20 min。

4）分液：將燒杯中的溶液倒入分液漏斗，靜置1 h，溶液分層，上層是乙醚層，下層是水層，排掉下層廢液，將上層溶液倒入錐形瓶中。

5）除水：向錐形瓶中加入適量的無水硫酸鎂，靜止1 h。

6）過濾：將溶液倒入過濾裝置中，用少量乙醚洗滌燒杯濾渣濾紙。

3)從國家能源戰略需求和電網發展現狀出發，智能電網的建設應從電源側智能化、電網側智能化、配用電側智能化和調度智能化四個層面來布局。其中，電網側智能化建設已卓有成效，配用電側智能化是未來智能電網建設的重點。

7）蒸餾：將溶液倒入蒸溜裝置的燒瓶中，加熱至溶液中有沉淀生成，將燒瓶轉移到水浴鍋中，不斷有沉淀產生，放置1 h，沉淀完全產生。

8）再過濾：將蒸餾產物倒入過濾裝置，并用乙醇洗滌過濾器和燒杯，濾紙上的顆粒就是的2-（2，4-二硝基芐基）吡啶，待其烘干后，得到1.58 g 黃色2-（2，4-二硝基芐基）吡啶晶體。

1.3.2 沖洗照片

1）準備負片，選擇照片，調整圖像為黑白，完成黑白處理后調整圖片為反相，得到反相圖像，打印該圖片就得到了想要沖洗照片的負片[2]。

2）稱取1 g 2-（2，4-二硝基芐基）吡啶，加入3 mL丙酮和3 mL 水，混合，并用其涂在水彩紙上，經過干燥處理（提前準備），將負片放在紙上，用兩片玻璃夾在中間，在陽光下照射1 min，紙上就形成了負片上的圖案[3]。

1.3.3 變色的小熊

1）準備環氧樹脂，提前準備環氧樹脂a、b 膠，將0.5 g 2-（2，4-二硝基芐基）吡啶加入到研缽中，倒入環氧樹脂a，混合攪拌，再倒入環氧樹脂b，混合攪拌，倒入泰迪熊模具中，緩慢固定后，形成藍色的小熊，由于氮酸形式與硝基形式之間的轉變，通過光或者熱相互轉化，有3 種互變異構形式。環氧樹脂的固化反應為放熱反應，分子進入環氧樹脂之后，進行熱致變色，使其變為藍色。

2）用0.5 g 2-（2，4-二硝基芐基）吡啶制作小熊模型，固定后，紫外線照射1 h，小熊由藍色變淺藍色，2 h 小熊變透明，持續照射3 h 變為黃色，由于長時間的紫外線照射破壞了2-（2，4-二硝基芐基）吡啶的分子結構，小熊顏色并不能回復成藍色。

3）用0.5 g 2-（2，4-二硝基芐基）吡啶制作花朵模型，固定后，在紫外線照射下下3 h，花朵從藍色變為黃色。

2 科普展示

2.1 展示條件及對象

根據不同場景，進行不同類型的實驗，對于實驗室和寬敞室內場所，如科技館、中小學教室等，可以進行操作型實驗，合成目標產物，進行指導教學；對于室外場所，如廣場、公園等地點，可以做驗證性實驗，沖洗照片，制作變色的小熊等。室外展示時最好是陽光充足的晴天，有電源時對天氣沒有要求。實驗用品需存儲于棕色玻璃瓶中。

根據參與者年齡，將展示對象分為小學階段（6—12 歲）、中學階段（12—18 歲），本專業相關大學生及成年階段（18 歲以上）3 個人群。

小學階段學生，對于顏色的變化較為敏感，并且感興趣，然而不具備有化學知識，所以重點是讓他們體驗制作變色小熊以及沖洗照片的過程，對化學科學有一定的了解，并感受化學之美與實驗之趣。

中學階段學生，已經有了一定的化學學科知識積累，但是對于化學原理缺乏相應的認知。因此在制作的時候，主要是引導學生去理解光致變色現象的化學原理，并嘗試用學到的化學原理去解答生活中與光化學反應相關的問題。

本專業相關大學生及成年人，對于本專業相關大學生，可以開展相關實驗，掌握光致變色原理以及一系列實驗操作；對于成年人，具備豐富的社會實踐經驗，在制作物品和照片之后，進行紫外線防護拓展實驗，能更好地幫助他們進行紫外線防護，了解生活中常見的光致變色原理，糾正其可能存在的認知誤區。

2.2 展示方案

1）藍曬法沖洗照片：還可以采用多種媒介，像紙、蛋殼、玻璃等，可拓展藍曬的應用范圍，豐富藍曬的表現方式，展現化學科學的魅力。

2）制作變色物品：用多種模具制作不同形狀變色的物品，像變色眼鏡、變色手機殼、變色車膜、變色鞋等。還可以讓學生自由發揮，用不同質量的2-（2，4-二硝基芐基）吡啶，在太陽光下照射不同時間，制備出不同顏色不同程度的物品。

3 結語

本文設計了一個綜合化學實驗，通過硝化反應，合成2-（2，4-二硝基芐基）吡啶。通過學習該有機物的合成和光致變色性能的表征方法，掌握稱量、提純，萃取，分液，過濾、蒸餾等實驗操作，普及光致變色等相關的化學概念以及化學基本操作，對化學發展前沿理論形成初步了解。該實驗所需的試劑儀器較為簡單、成本比較低廉，因此適合在化學或相關專業的本科實驗教學中推廣，同時其實驗現象較為明顯，具有較強的趣味性，可以面向大眾進行化學科普講解。此外，本實驗不但可以提高學生的知識水平和專業素養，也可以培養其對專業的興趣和熱愛。本實驗安全可靠，操作性強，適用面廣，是一個值得推廣的化學科普項目。