科研成果向本科实验教学转化的探索

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【摘 要】有机电子信息时代是二十一世纪的主题，针对有机半导体材料在有机电子领域扮演重要的角色。探索将本课题组的“一锅法合成氮杂螺芴氧杂蒽有机半导体材料”科研成果转化为实验教学。通过这种形式把科研成果的最新研究进展、国内外研究现状及时转化为实验教学中，使学生能够了解到最新的科研动向、掌握最新的实验操作技术。这种改革无疑会使教学和科研都充满勃勃的生机。将科研和教学相结合，促进了教学方法的改革和教学方式的创新，也培养了适应社会发展需要的高素质人才。

【关键词】傅-克反应；有机半导体材料；氮杂螺芴氧杂蒽

有机电子信息时代是二十一世纪的主题，有机/聚合物半导体支撑有机电子领域正提供新的手段解决当今关键信息技术与能源问题[1]。有机发光二极管（Organic Light-Emitting Diodes， 简称OLEDs）成为替代LCD显示的新一代平板显示技术，同时也为绿色节能面光源固体照明领域提供了解决方案；有机薄膜晶体管可应用于电子书或电子纸、平板显示有源驱动电路、射频识别（RFID）标签（物联网/传感网的关键组件）以及机器人人工皮肤等未来信息领域；有机光伏太阳能电池是解决能源枯竭的重要途径之一。随着有机电子工业的迅速崛起，包括有机发光二极管、有机激光器、有机薄膜晶体管（OFET）、有机光伏太阳能电池以及有机电存储器等有机器件，将改变21世纪人类的生活方式。该领域面临诸多科学问题、挑战与机遇，光电器件高性能化以及有机半导体多功能化是该领域最主要的研究目标。有机半导体作为光电功能器件的核心活性组成，它在很大程度上决定了其工作原理、性能极限、制造工艺与应用范围乃至制造成本与商业化前景，这样从有机半导体材料的角度提高有机光电器件性能和拓展其功能对推进整个有机电子领域及其工业的发展起着至关重要的作用。因此，需要大量从事有机半导体材料研发人员。材料化学是以实验为基础的学科，实验教学是培养材料化学工作者必不可少的教学组成部分。正好本课题主要研究有机/聚合物功能超分子与组装材料[2]。因此，将本课题组的科研成果转化为本科实验教学。教学科研有机结合，推进科研反哺教学，充分激发学生的创新思维和创新能力，引导学生“做中学、研中创”，构建了学做合一、研创结合的创新人才培养模式[3-4]。同时促进了教学方法和教学手段的改进，而高水平、高层次的科研项目和平台也为本科生的培养创造了优越的条件。

1 实验设计思路

将本课题组已发表的SCI论文“一锅法合成氮杂螺芴氧杂蒽有机半导体材料”[5]改为本科实验，主要根据以下原则：

1.1 新颖性原则

螺芴类分子砌块具有共轭打断效应、刚性十字交叉构象和空间位阻效应，被广泛用于有机电致发光二极管、场效应晶体管以及太阳能染料敏化电池等领域[6]，成为一类重要的有机半导体材料。氮杂芴螺环芳烃由芴基螺环芳烃发展而来在继承螺芴的各类优势的基础上增加了氮杂芴基团的功能特性包括电子受体、金属配位、质子化以及超分子弱作用等。因此，具有广阔的发展前景[7-9]。

1.2 可行性原則

所选的科研成果的反应类型是最经典的傅克反应，与学生所学的有机化学课本紧密联系。通过实验预习、讲解、操作以及总结，进一步巩固与加深对傅克反应的理解和运用。另外，该反应原料易得，合成步骤简单易行，无毒安全性高，可以在本科实验室开展。

1.3 综合性原则

氮杂螺芴氧杂蒽的合成操作涉及反应装置的搭建、TLC点样、柱层析等各类操作。在整个操作过程中，重点学习TLC点样和柱层析。产品表征利用核磁共振。

1.4 环保性原则

目前氮杂螺芴氧杂蒽大部分合成方法具有如下缺点：（1）底物范围拓展的限制和前体合成的困难；（2）合成步骤的冗长。我们课题组发展了一锅法合成氮杂螺芴氧杂蒽有机半导体材料。反应过程中依次构建了C-C， C-O和 C-C三支化学键，并高效合成了氮杂芴螺环芳烃，符合绿色化学的理念。

2 实验内容

实验名称：一锅法合成氮杂螺芴氧杂蒽有机半导体材料

实验仪器：磁力搅拌器，圆底烧瓶，回流冷凝管、电子天平、分液漏斗、锥形瓶、层析柱、核磁共振波谱仪。

药品：氮杂芴酮，对甲基苯酚，三氟甲磺酸，1，2-二氯苯，碳酸钾，二氯甲烷，无水硫酸镁，乙酸乙酯。

2.1 实验原理

该反应是典型的傅里德-克拉夫茨反应，简称傅-克反应，英文Friedel–Crafts reaction，是一类芳香族亲电取代反应，1877年由法国化学家查尔斯·傅里德和美国化学家詹姆斯·克拉夫茨共同发现。本实验在酸性条件下反应，首先通过氮杂芴酮与苯酚的傅克反应生成中间体I，紧接着脱水形成三正电型超亲电体II，由于电荷间的排斥作用，导致氮杂芴9 号位的正电荷会通过共振方式迁移至酚羟基上，活化酚羟基的反应活性。随后另一苯酚分子以亲核进攻的方式与中间体III 发生反应，形成醚键。紧接着分子内的质子转移与脱水过程在苯环上再次生成碳正离子V。最后碳正离子重新迁移到氮杂芴的9 号位发生分子内的傅克合环反应，得到最终的目标产物氮杂螺芴氧杂蒽。

2.2 实验步骤

2.2.1 氮杂螺芴氧杂蒽的合成

先向圆底烧瓶中加入0.18克的氮杂芴酮，再分别加入2ml 1，2-二氯苯与0.8ml三氟甲磺酸。在室温下搅拌大约半小时后，向其中加入0.54克的对甲基苯酚。随后升高温度至 85度。通过TLC 板监控反应至氮杂芴酮反应完全。将反应降温至室温，用碳酸钾溶液淬灭此反应，之后用二氯甲烷萃取，收集有机相并用无水硫酸镁干燥，抽滤。最后柱层析分离提纯得到氮杂螺芴氧杂蒽。

2.2.2 螺环氧杂蒽的结构表征

使用核磁共振（NMR）对所得到的产物进行结构表征。通过与标准的氮杂螺芴氧杂蒽的氢谱和碳谱进行对比确认结构

2.2.3 实验报告

实验报告要全面总结实验，特别强调实验结果的分析，并对实验结果提出自己的观点。

3 教学效果

3.1 理论联系实际，深化理论知识

体现有机化学基础知识的综合性，在所设计的实验中涉及《有机化学》中典型的傅克反应。通过TLC板监测反应进度，有助于理解反应现象以及反应过程。通过核磁共振表征产物，可以了解核磁测试过程以及核磁共振表征原理。通过对氢谱的解析，理解化学位移、耦合常数以及自旋裂分等理论知识。

3.2 科研和教学结合，强化创新思维

将科研和教学相结合，促进了教学方法的改革和教学方式的创新，也培养了适应社会发展需要的高素质人才。实践证明，从事科学研究的教师能更准确地把握教学内容，更好地把科學研究的方法贯穿到教学实践之中，是培养学生的创新思维和创新能力的重要途径。同时高水平、高层次的科研项目和平台也为本科生的培养创造了优越的条件。

3.3 实验与生活相结合，激发学习兴致

将制备的氮杂螺芴氧杂蒽作为电致发光材料，应用于有机电致发光二极管、存储器以及太阳能电池中。在整个实验过程中，详细说明每个操作与所学专业的内在联系，

让学生深刻体会到所学专业知识的重要性和必要性，激发学生的学习兴趣以及求知欲望和积极探索精神。在实验操作过程中，锻炼了学生的动手能力以及实践操作能力。通过科学实验报告的撰写，锻炼并加强了学生的写作能力。

4 结语

科研成果转化为本科实验教学，得到了广大师生的认可。通过实验操作和撰写实验报告，培养了学生创新意识和创新能力；通过对实验结果的分析，锻炼了学生的分析问题、解决问题的能力。这为学生后续课程的学习以及科学研究打下坚实的基础。这种改革无疑会使教学和科研都充满勃勃的生机。

将科研和教学相结合，促进了教学方法的改革和教学方式的创新，也培养了适应社会发展需要的高素质人才。

【参考文献】

[1]Forrest S R， The path to ubiquitous and low-cost organic electronic appliances on plastic[J].Nature，2004，428（6986）：911-918.

[2]Xie L H，Yin，C R，Lai W Y，et al.Polyfluorene-based semiconductors combined with various periodic table elements for organic electronics[J].Progress in Polymer Science，2012，37：1192-1264.

[3]郑家茂.构建“做学研”相结合的创新实践平台，促进学生“做中学、学中研、研中创”实验技术与管理[J].2010，27（1）：1-4.

[4]李培根.主动实践：培养大学生创新能力的关键[J].中国高等教育，2006（11）： 17-18.

[5]Lin D， Wei Y， Ou C， et al.Carbon cationic relay via superelectrophiles： synthesis of spiro- diazafluorenes[J].Organic letters， 2016， 18： 6220-6223.

[6]Saragi T P I，Spehr T，Siebert A，et al.Spiro compounds for organic optoelectronics[J].Chemical Reviews， 2007，107（4）：1011-1065.

[7]White P B，Jaworski J N，Fry，C G，et al. Structurally diverse diazafluorene-ligated palladium（II） complexes and their implications for aerobic oxidation reactions [J]. Journal of the American Chemical Society，2016，138（14）：4869-4880.

[8]Annibale V T，Song D， Coordination chemistry and applications of versatile 4，5-diazafluorene derivatives[J].Dalton Transactions， 2016，45（1）：32-49.

[9]Liang Y， Gong C， Qi Z， et al. Intermolecular ionic cross -linked sulfonated poly（ether ether ketone） membranes containing diazafluorene for direct methanol fuel cell applications [J]. Journal of Power Sources， 2015， 284： 86-94.

[责任编辑：朱丽娜]

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