“有機化學(xué)”課程中的太陽能轉(zhuǎn)化與利用

摘 要：將中國特色社會主義生態(tài)文明建設(shè)的理念深度融入“有機化學(xué)”課程教學(xué)，實現(xiàn)了豐富課程思政內(nèi)容的教學(xué)目標(biāo)。本文以三個極具代表性的重要知識點（Knoevenagel縮合反應(yīng)、酸酐的親核加成—消除反應(yīng)、季銨鹽化反應(yīng)）為例，具體介紹有機化學(xué)基礎(chǔ)知識在開發(fā)可用于有機太陽能電池的高性能有機光電功能材料中的重要應(yīng)用，同時充分挖掘課程知識點中的思政元素。課程設(shè)計旨在解決目前理論課程教學(xué)中存在的基礎(chǔ)知識與科學(xué)研究脫節(jié)嚴(yán)重的問題，提高教學(xué)質(zhì)量，從而提升學(xué)生的綜合素質(zhì)能力并向他們傳授綠色發(fā)展理念。期望通過這一課程設(shè)計，將“有機化學(xué)”課程專業(yè)知識傳授、核心價值引領(lǐng)與能力培養(yǎng)有機統(tǒng)一，從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，鍛煉他們利用課堂所學(xué)知識解決實際問題的能力，為培養(yǎng)兼具專業(yè)知識與綠色發(fā)展理念的人才提供重要借鑒。

關(guān)鍵詞：有機化學(xué)；太陽能；課程思政；光電功能材料；綠色發(fā)展理念

中圖分類號：G64；O62

黨的十八大以來，黨中央將生態(tài)文明建設(shè)提升到前所未有的戰(zhàn)略高度，明確提出走綠色低碳發(fā)展道路是實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的必由之路［1］。隨著社會高速發(fā)展，人們對能源的需求與日俱增，而傳統(tǒng)化石能源的大量開采與使用造成了嚴(yán)重的環(huán)境與氣候問題。太陽能是綠色清潔的可再生能源，具有取之不盡用之不竭的特點。我國2023年全球創(chuàng)新指數(shù)排名升至第12位，擁有的全球百強科技創(chuàng)新集群數(shù)量首次躍居世界第一［2］。其中，太陽能電池相關(guān)產(chǎn)品合計出口總額創(chuàng)造新高，重大科技創(chuàng)新捷報頻傳［3］。與無機太陽能電池相比，基于有機半導(dǎo)體材料的有機太陽能電池具有成本低、質(zhì)量輕、材料結(jié)構(gòu)易于調(diào)控、柔性、半透明甚至全透明等優(yōu)良特性［4］。目前單節(jié)有機太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)突破20%，應(yīng)用潛力巨大［5］。因此，開發(fā)高性能有機光電功能材料制備高效太陽能電池，對于綠色清潔能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

有機化學(xué)作為專業(yè)性較強的基礎(chǔ)學(xué)科，其內(nèi)容是有機功能材料合成的關(guān)鍵。把思想政治教育、知識傳授和能力培養(yǎng)貫穿于教學(xué)全過程的課程思政教育已成為教學(xué)改革的重要趨勢。將太陽能轉(zhuǎn)化和利用相關(guān)知識融入“有機化學(xué)”課程中，不僅能豐富教學(xué)內(nèi)容、完善現(xiàn)有課程設(shè)計，還能在解決實際問題中鍛煉學(xué)生的基礎(chǔ)知識應(yīng)用能力，并潛移默化地傳遞社會主義生態(tài)文明建設(shè)的思想政治內(nèi)容，體現(xiàn)了科教融合的理念，順應(yīng)了教學(xué)改革大趨勢。

一、Knoevenagel縮合反應(yīng)在稠環(huán)電子受體材料設(shè)計合成中的應(yīng)用

在“有機化學(xué)”課程的教學(xué)實踐中，筆者觀察到多數(shù)學(xué)生對有機反應(yīng)的認知局限于教材中的幾個典型反應(yīng)，難以構(gòu)建有效的知識網(wǎng)絡(luò)，這對他們后續(xù)學(xué)習(xí)以及靈活運用基礎(chǔ)知識解決實際問題帶來了不小的困擾。這一問題在《羧酸及其衍生物》章節(jié)的學(xué)習(xí)中尤為突出。為此，筆者在實際教學(xué)中引入科研實例，以促進學(xué)生對相關(guān)內(nèi)容的深入理解。

Knoevenagel縮合反應(yīng)本質(zhì)上是負碳離子對醛酮羰基的親核加成—消除反應(yīng)［見圖1（a）］，機理可概述為：兩側(cè)連接有吸電子基團（Electron withdrawing group，EWG）的亞甲基化合物，在弱堿（B-）催化下與醛、酮發(fā)生醛醇型縮合并進一步發(fā)生消除反應(yīng)得到α，β—不飽和二羰基化合物或其相關(guān)化合物［見圖1（b）］［6］。Knoevenagel縮合的機理及反應(yīng)方程式的書寫是重要知識點，同時該反應(yīng)在較溫和且不需要金屬催化劑的條件下即可實現(xiàn)分子共軛骨架的拓展，在有機功能材料的構(gòu)筑中得到廣泛應(yīng)用。在有機太陽能電池材料的合成方面，常需要通過該反應(yīng)向1，3—茚二酮及其衍生物結(jié)構(gòu)中引入二氰基乙烯基片段，以構(gòu)筑具有更強吸電子能力的結(jié)構(gòu)單元。進一步地，通過該反應(yīng)將所得強吸電子結(jié)構(gòu)單元封端于具有較強給電子能力的稠環(huán)核心單元兩側(cè)，可獲得具有A—D—A（其中，A與D分別代表吸電子與給電子結(jié)構(gòu)單元）結(jié)構(gòu)的稠環(huán)電子受體。

在實際教學(xué)過程中，筆者結(jié)合吸電子模塊單元CT以及稠環(huán)電子受體ITCT的合成這一具體案例［7］［見圖1（c）］，將書中的理論知識與個人的科研實踐經(jīng)驗相融合，旨在加深學(xué)生對Knoevenagel縮合反應(yīng)相關(guān)理論知識的理解和記憶，幫助他們更好地把握反應(yīng)機理，構(gòu)建系統(tǒng)的知識網(wǎng)絡(luò)，并引導(dǎo)學(xué)生樹立綠色化學(xué)意識和資源合理利用價值觀。

二、酸酐的親核加成—消除反應(yīng)設(shè)計基于苝二酰亞胺的光電功能材料

在“有機化學(xué)”課程中，教師往往注重對知識點本身的教授，而忽視了對知識運用能力的培養(yǎng)，尤其是在“建立分子結(jié)構(gòu)與性質(zhì)之間的聯(lián)系”方面有所欠缺。筆者在實際教學(xué)中，從“結(jié)構(gòu)—性質(zhì)—用途”三個維度出發(fā)，著眼于“溶解度”這一有機化合物重要物理性質(zhì)，講述了苝二酰亞胺類功能材料的設(shè)計思路，幫助學(xué)生建立分子結(jié)構(gòu)與性質(zhì)之間的聯(lián)系。

《羧酸衍生物的化學(xué)性質(zhì)》部分重點涉及幾類羧酸衍生物的親核加成—消除反應(yīng)。其中，酸酐與胺通過親核加成—消除反應(yīng)生成酰胺的機理如圖2（a）所示［6］，環(huán)狀二酸酐在高溫條件下發(fā)生氨解時，所得產(chǎn)物以酰亞胺為主［見圖2（b）］。利用這一反應(yīng)，可以將不同官能團引入芳酰亞胺側(cè)鏈，實現(xiàn)對其溶解性的調(diào)控。筆者從自身的科研內(nèi)容出發(fā)，以苝二酰亞胺的N—位功能化為例，講述以3，4，9，10—苝四酸酐為起始原料開發(fā)基于苝二酰亞胺的電子受體材料及電子傳輸層材料的過程與分子設(shè)計思路［見圖2（c）］。根據(jù)相似相溶原理，當(dāng)引入的側(cè)鏈為烷基或芳烷基時，所得苝二酰亞胺分子（如PDIEH）往往溶解于三氯甲烷、氯苯等低極性溶劑，從而確保了它們作為溶液可加工電子受體材料；而當(dāng)引入的側(cè)鏈中具有胺基、咪唑、羥基等大極性官能團時，所得苝二酰亞胺分子（如PDIEA）則表現(xiàn)出良好的醇溶性。這種與活性層材料正交的溶解性可以最大程度地避免器件在通過逐層旋涂法制備時發(fā)生侵蝕，從而保障了器件結(jié)構(gòu)完整性。

在本案例教學(xué)中，學(xué)生認識了一種運用所學(xué)知識改變光電功能分子溶解度的方法：通過引入不同取代基側(cè)鏈將芳香族酸酐轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂刑囟ㄈ芙庑缘姆减啺贰４税咐粌H加深了學(xué)生們對親核加成—消除反應(yīng)的理解，還加深了他們對“分子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)關(guān)系”這一重要概念的認識。

三、季銨鹽化反應(yīng)在電子傳輸層材料設(shè)計中的應(yīng)用

《有機含氮化合物》章節(jié)涉及季銨鹽相關(guān)知識。盡管教材中列舉了季銨鹽在相轉(zhuǎn)移催化劑及表面活性劑方面的應(yīng)用價值，但是一些學(xué)生在學(xué)習(xí)本章節(jié)知識時，對此類有機離子化合物的特性與應(yīng)用場景仍缺乏足夠的認識。筆者結(jié)合自身科研經(jīng)歷，以季銨鹽離子型聚合物，即紫羅烯（ionenes）的合成及其在有機太陽能電池中的應(yīng)用為例，幫助學(xué)生理解有機離子化合物的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)特點，相關(guān)內(nèi)容也有助于培養(yǎng)學(xué)生的綠色化學(xué)理念。

季銨鹽通常是由叔胺與鹵代烴共熱制得的［見圖3（a）］。當(dāng)反應(yīng)物叔胺與鹵代烴都為雙官能度時，季銨鹽化反應(yīng)將循環(huán)往復(fù)地發(fā)生，最終得到聚合物，即紫羅烯。筆者介紹了等當(dāng)量的二溴化物DAN—Br與二叔胺NDI—N在氯仿—甲醇體系中共熱制備紫羅烯P1的實例［見圖3（b）］。P1兼具聚合物的高穩(wěn)定性和季銨鹽的優(yōu)良水/醇溶解性。此外，P1還會借由分子內(nèi)與分子間的ππ相互作用自組裝，構(gòu)筑出可供電子傳輸?shù)耐ǖ馈Ｒ虼耍琍1可作為有機太陽能電池中的電子傳輸層材料。更重要的是，與常規(guī)的過渡金屬催化偶聯(lián)聚合反應(yīng)相比，紫羅烯合成反應(yīng)條件溫和、原子經(jīng)濟性高，反應(yīng)物不涉及劇毒且昂貴的過渡金屬催化劑及錫試劑，符合綠色化學(xué)的節(jié)能環(huán)保要求。

本案例的引入不僅有助于學(xué)生鞏固并靈活運用季銨鹽相關(guān)知識，還可以加深學(xué)生對“結(jié)構(gòu)—性質(zhì)—用途”三者之間關(guān)系的理解，培養(yǎng)他們節(jié)能環(huán)保的綠色化學(xué)理念。

結(jié)語

本文詳細論述了與太陽能電池材料開發(fā)密切關(guān)聯(lián)的三個有機化學(xué)知識案例，每個案例都由筆者的科研經(jīng)歷和教學(xué)經(jīng)驗?zāi)毝鴣怼０咐囊爰扔兄趯W(xué)生理解、消化課程內(nèi)容并掌握有關(guān)技能，又可以豐富學(xué)生的認知，更重要的是引導(dǎo)學(xué)生樹立“尊重自然、順應(yīng)自然、保護自然”的價值觀。最后，我們希望學(xué)生們未來在走入社會之后，能夠結(jié)合自己的專業(yè)知識，帶領(lǐng)大家樹立起節(jié)約意識、環(huán)保意識、生態(tài)意識，倡導(dǎo)簡約適度、綠色低碳的生活方式，把建設(shè)美麗中國視為崇高的追求，攜手共創(chuàng)中國夢！

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基金項目：北京化工大學(xué)化學(xué)學(xué)院2024年本科教育教學(xué)改革研究項目“基于綠色發(fā)展理念的化學(xué)綜合實驗設(shè)計與自主科研創(chuàng)新引導(dǎo)”（2024HXJG28）；中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進會“低成本有機光伏受體的設(shè)計與合成”（2022165）

作者簡介：劉文旭（1988— ），男，漢族，遼寧沈陽人，博士研究生，副教授，研究方向為有機光電功能材料設(shè)計與性能。

*通信作者：劉瑤（1985— ），男，漢族，河南信陽人，博士研究生，教授，研究方向為有機光電功能材料與器件。