咪唑鎓化合物的光致变色综合性教学实验设计
时间：2020-10-05 14:37:07 来源：达达文档网 本文已影响 人 
李世清
摘 要 基于咪唑鎓盐的光致变色综合性教学实验设计是针对当前环境下实验教学改革提出的包含“设计—合成—分析—观察—推理”完整体系的知识拓展与兴趣开发实验，采用“教学+趣味+研究”型多赢教学模式，促进学科交叉。该文从文献调研、分子设计、有机合成、产品表征与分析、性质测试、总结推论等多个方面渗透，不仅让学生掌握基本实验操作，还能拓展学生科研知识视野，激发学习兴趣，提升综合素质。
关键词 实验教学改革 综合化学实验 咪唑鎓盐 光致变色
中图分类号：G642 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2020.02.032
Experimental Design of Photochromic Integrated Teaching of
Imidazolium Compounds
LI Shiqing
（College of Chemistry and Bioengineering， Guilin University of Technology， Guilin， Guangxi 541004）
Abstract Based on imidazolium salt， the design of photochromic comprehensive teaching experiment is a kind of knowledge expansion and interest development experiment which includes the whole system of "design synthesis analysis observation reasoning" proposed in the current environment of experimental teaching reform. The multi win teaching mode of "teaching + Interest + research" is adopted to promote interdisciplinary. This article penetrates from literature research， molecular design， organic synthesis， product characterization and analysis， property test， summary and inference， which not only enables students to master the basic experimental operation， but also expands students" vision of scientific research knowledge， stimulates their interest in learning， and improves their comprehensive quality.
Keywords experimental teaching reform; comprehensive chemical experiment; Imidazolium salt; photochromic
化学是一门以实验为基础的学科，因此合理的实验设计对提升大学生综合实验素养起着关键性的作用。目前很多大学实验项目都以传统的合成为主，因此实验设计比较简单，学生的实验兴趣不浓。综合性实验除了训练基本操作以外，更重要的是结合当前科学的前沿领域，引进先进的实验技能和知识，促进多学科交叉，推动实验教学改革。
光致变色综合性教学实验的设计，是建立在“教学—设计—观察—推理”模式下，对光致变色这一生活现象进行验证。通过实验向学生展现科研前沿领域动态与化学的魅力，激发学生学习兴趣，符合实验教学发展、综合能力培养、教学与科研并重、“双一流”建设的要求。
1 实验
1.1 背景知识
光致变色材料主要有螺吡喃、俘精酸酐、偶氮、二芳基乙烯等，而二芳基乙烯由于制备简单，性能稳定，结构丰富，性质易调节等优点而被科学家们广泛关注。光致变色过程通常伴随着开环/闭环、顺反异构等变化，从而导致吸收光谱的变色。盐在咪唑鎓C4和C5位引入特定的甲基噻吩，就可以組成双杂芳基乙烯类似物，形成优良的光致变色分子。
1.2 实验原理
标准反应方程式，参见图1。
体系在氮气保护气下，2-芳基咪唑鎓碘盐与2，5-二甲基碘代噻吩在120℃油浴中反应6小时，即可合成得到4，5-二噻吩咪唑鎓盐。此外还可替换咪唑类底物，与2，5-二甲基碘代噻吩进行平行反应设计，得到多个目标分子，后期进行现象和实验对照，并且推理出影响光致变色的因素。
图1 4，5-二噻吩咪唑鎓的合成反应
1.3 仪器与试剂
仪器：恒温磁力搅拌器、常规玻璃仪器、常规实验耗材、旋转蒸发仪、核磁共振波谱仪、高分辨质谱仪、紫外灯、紫外吸收光谱仪、比色皿。
试剂：1，3-二甲基-2（4-氰基苯基）咪唑鎓碘盐、2，5-二甲基碘代噻吩、氧化亚铜、碳酸钾、N，N-二甲基甲酰胺（DMF）、100-200目柱层析硅胶、二氯甲烷、甲醇、乙醇、乙腈、蒸馏水。
1.4 实验步骤
（1）4，5-二噻吩咪唑鎓类化合物的合成。称量2-芳基咪唑鎓碘盐（1毫摩尔）、2，5-二甲基碘代噻吩（2毫摩尔）、氧化亚铜（0.3毫摩尔）和无水碳酸钾（3毫摩尔）于装有搅拌子和冷凝管的圆底烧瓶中，置换3次氮气，在氮气氛围下用注射器注入溶剂DMF（10毫升），在冷凝管上方接一个气球密封然后置于120℃的油浴中反应6 小时。反应完后冷却至室温，减压移除溶剂，将残留物进行柱层析分离，用混合溶剂（二氯甲烷：甲醇=100：1-50：1）进行梯度淋洗，浓缩可得产品。
（2）光致变色性质观察与记录。用容量瓶配制产品浓度为10-5 mol/L乙腈溶液10 mL，观察颜色。从中量取3 ml于比色皿中，记录颜色并拍照。将比色皿放置于紫外灯下，打开365 nm紫外灯管照射，分别记录照射1秒、2秒、3秒、5秒、10秒、30秒和60秒后的颜色并拍照，然后将其置于自然光下，记录褪色时间。
（3）紫外—可见光谱测试。将上述比色皿中的溶液在紫外灯每次照射一定时间（0～60秒）后，立即拿出来放在吸收光谱仪中检测，波长范围为200～800 nm，观察吸收光谱的变化，保存数据并记录最大吸收波长和强度。
2 结果与讨论
2.1 光致变色分子表征
咪唑鎓类化合物的结构表征。
范例产物：2-（4-氰基苯基）-4，5-双（2，5-二甲基噻吩-3-基）-1，3-二甲基咪唑鎓碘盐，浅黄色固体，1H NMR （400 MHz， DMSO-d6）：
= 1.45 （t， J = 7.2 Hz， 6H）， 4.49 （q， J = 7.2 Hz， 4H）， 7.46-7.52 （m， 8H）， 7.58-7.63 （m， 4H）， 7.76 （t， J = 8.0 Hz， 2H）， 7.85 （t， J = 8.0 Hz， 2H） ， 7.95 （s， 4H）， 8.35 （d， J = 8.4 Hz， 2H） ppm. 13C NMR （100 MHz， DMSO-d6）：
= 14.4， 41.8， 113.3， 114.0， 125.4， 127.2， 127.3， 127.7， 130.0， 130.6， 130.7， 131.4， 132.1， 132.6， 148.9 ppm. HRMS （ESI）：
C36H32IN4+ （[M-I-]+），计算值：647.1666，实测值：
647.1669。
2.2 光致变色现象
范例产物：2-（4-氰基苯基）-4，5-双（2，5-二甲基噻吩-3-基）-1，3-二甲基咪唑鎓碘盐，黄色固体，其乙腈溶液（浓度为10-5 mol/L）为无色透明，待放在紫外灯照射1秒后放在自然光下观察，其颜色变成浅紫色，过5秒颜色会褪去回到无色状态。随着在紫外灯下照射的时间逐渐延长，溶液的颜色逐渐加深，照射30秒后变成蓝紫色（如图2所示），随后时间延长颜色变化不明显。
图2范例产物的光致变色现象
2.3 光致变色原理分析
通过文献调研可知二噻吩基乙烯类化合物的光致变色机理是两个噻吩的C2位在光照下发生偶联，使得分子的共轭度增加，因为吸收波长红移导致颜色发生变化。4，5-二噻吩基咪唑的变色机理与二噻吩基乙烯类似，参见图3。
图3 范例产物的光致变色机理
3 教学模式探讨与总结
（1）“教学+趣味+研究”式教学。咪唑鎓化合物光致变色综合性实验教学设计是属于“教学+趣味+研究”式的多赢教学模式，主要是对化学相关专业的学生开放。整个设计将基本实验操作与先进分析仪器相结合，科研与实际相结合，使得课程的设计具有科学性、创新性、趣味性、實用性、结合性。本设计目的在于锻炼学生的基础操作技能，学习较先进的实验手段和使用较为先进的仪器设备，培养学生的动手和思考能力，激发学生的科研思维与热情。
（2）“分组开展+平行对照”的实验教学。由于本设计的实验内容和时间比较长，所以整个设计应该分阶段并分组来完成任务。总体课程安排如下：理论光致变色分子的合成（2人/组，4课时）、光致变色分子的纯化（2人/组，4课时）、化合物的结构鉴定与分析（2人/组，2课时）、电致变色实现象探索（2人/组，2课时）、紫外—可见吸收光谱（2人/组，2课时）。而其中的光致变色分子可以通过改变咪唑鎓C2位的芳基来设计出3-5个电子特性差异较大的化合物，让不同的组来制备，用此作为平行对照反应，最后由全体学生进行实验结果汇总并得到结论。
（3）“设计—合成—分析—观察—推理”型综合实验教学模式。首先让学生进行实验预习，通过调研文献了解光致变色材料发展史和基本原理。在课堂上由老师再归纳讲解光致变色相关知识，并让学生设计出目标分子，或者由老师设计3～5个目标分子，让学生选择。目标分子确定后，分组进行制备实验，之后经过柱层析分离纯化、核磁和质谱鉴定结构、紫外灯照射观察颜色变化、吸收光谱进行表征等一系列过程，形成“设计—合成—分析—观察—推理”型综合实验。该设计的整个过程相比于传统的化学实验，具有教学流程更为系统、内容更加前沿、趣味更加浓厚、更贴近实际生活的优点。另外，由于本设计实验立足于化学，同时与多类型学科（比如材料、物理等）交叉，有助于提升学生的综合素质。
4 结语
基于咪唑鎓类化合物的光致变色综合性教学实验设计是从有机化学理论出发，结合仪器分析知识，探索材料性能，通过合理的分组分工，完成整个“设计—合成—分析—观察—推理”的实验过程。将学生学习到的有机化学、分析化学、有机波谱分析化学等课本知识与实验相结合起来，培养学生“学以致用”和用所学知识解决复杂问题的能力，让学生形成一种系统化的科研思维。本设计能更好地培养学生的发散思维、学习和研究兴趣，培养严谨的实验态度，锻炼学生的逻辑推理能力，推进新世纪新人才培养与建设。
参考文献
[1] 冯晓，强陈烽，侯洵等.光致变色的研究进展[J]应用光学，2000.21（3）：1-6.
