發布時間:2023-10-27 10:38:50
序言:作為思想的載體和知識的探索者,寫作是一種獨特的藝術,我們為您準備了不同風格的5篇有機反應與有機合成,期待它們能激發您的靈感。
論文關鍵詞:碳酸二甲酯,反應精餾,非平衡級模型,模擬,優化
1 引 言
碳酸二甲酯(簡稱DMC)是近年來發展迅速的一種新型綠色化工產品,是一種十分有用的有機合成中間體和性能優良的汽油添加劑[1]。近年來對其生產工藝條件的研究報道很多,但是由于碳酸二甲酯的單程轉化率比較低,其中酯交換法的反應精餾工藝是研究開發的主要方向。其反應條件溫和而且生產工藝無污染、對環境友好,是目前合成碳酸二甲酯的先進生產方法之一[2]。由于反應與精餾在同一塔內同時進行,相互之間的影響十分復雜,操作條件和設備參數的微小變化,對操作規律都會產生很大的影響,目前人們對反應精餾規律的認識不是很充分[3],有待于進一步的研究。這就使反應精餾過程的設計、放大、操作性能和控制方案的研究等方面均存在一定的難度。目前報道用計算機模擬此生產過程的文獻較少非平衡級模型,因此用數學模擬的方法,對這種生產過程進行模擬分析,深入探討反應精餾過程的生產規律是非常必要的。
2 反應精餾過程的非平衡級模型描述
模型的推導基于如下假設:每一級系統處于熱力學平衡狀態,即;氣相在達到上一級前完全混合,液相為全混流;
相界面上無質量和能量累積,氣液相只在相界面處達到平衡,在級內各點,傳遞系數相等,反應速率數值相同;過程處于穩態操作;反應只發生在液相,氣相無反應。
全塔共有N+1塊板,冷凝器為第0塊板,再沸器為第N塊板,塔內共有C個組分。非平衡級模型示意圖如圖1所示核心期刊目錄。
圖1非平衡級示意圖
2.1物料衡算方程
總物料:
(j=1,2,…,N-1) (1)
(j=0) (2)
(j=N) (3)
各組分物料:
氣相:
(4)
液相:
(5)
式中:對反應物,生成物,對惰性組分, i=1,…,C,j=1,2,…,N-1。
(j=0) (6)
(j=N) (7)
2.2熱量衡算方程
氣相;
(8)
液相:
(9)
根據Taylor[4]等對普通精餾的模擬計算結果,假設氣液兩相處于熱平衡狀態是合理的。據此,本反應精餾模型中假設氣液兩相達熱平衡,以簡化計算。簡化結果是用板上總焓衡算方程
(j=1,2,…,N-1)(10)
代替(8)(9)兩式。
(j=0)(11)
(j=N)(12)
2.3氣液相界面處平衡方程
相平衡方程:(13)(i=1,…,C;j=0,1,…,N)
質量平衡方程:(14)
(i=1,…,C;j=1,2,…,N-1)
2.4歸一方程
(15)
(16)
(j=0,1,…,N)
2.5傳質速率方程
氣相: (17)
液相: (18)
(i=1,…,C;j=1,2,…,N-1)
2.6反應速率方程
采用文獻[2]中的動力學方程計算反應速率。反應方程式如下:
(19)
每級上的反應量:,其中為持液量。
上述方程組合一起構成了反應精餾全過程非平衡級模擬的數學模型。
3自由度分析
自由度分析見表1、表2所示。由表1和表2可知全塔模型方程自由度為2CN+4N-2C。本文選擇的設計變量分別為:氣液相進料流量、組成、溫度;氣液相側線采出量;回流比;塔頂采出量;再沸器和冷凝器的熱負荷。
表1 全塔變量數分析
變量名
變量數
變量名
變量數
N+1
N+1
N-1
N-1
C(N+1)
C(N+1)
C(N-1)
C(N-1)
N-1
N-1
(C-1)(N-1)
(C-1)(N-1)
N-1
N-1
N-1
N-1
C(N-1)
C(N-1)
N+1
NF
1
1
1
1
【關鍵詞】方劑;英語翻譯;策略
1引言
以藥物加功用命名的方劑,實際上是一種雙重意義上的命名過程。強調了方劑的的作用力度、作用部位和作用意義。與“主要藥物”命名方法相比,更能進一步說明該方劑的特征,簡明扼要地說明其作用臟腑或作用機理,如蘇子降氣湯,方源《太平惠民和劑局方》“主藥為蘇子,具有降氣平喘,祛痰止咳作用”;黃連解毒湯,錄自《外臺秘要》“主藥為黃連,具有清熱解毒作用,適用于三焦火毒熱盛證”;又如朱砂安神丸, 方源《醫學發明》“朱砂為主藥,具有重鎮安神、清心瀉火之功”;再如龍膽瀉肝湯, 方源《醫方集解》“龍膽草為主藥,具有瀉肝膽實火、清下焦濕熱作用。”枳實導滯丸, 方源《內外傷辨惑論》“方中以枳實作為臣藥,具有消食導滯化積、清熱祛濕的功能。”藿香正氣散,方源《太平惠民和劑局方》,藿香為方中君藥,“正氣”意指該方有“理氣和中”的功效。
2以方劑主藥加主要功效命名的方劑英語翻譯例舉及分析
黃連解毒湯Decoction of Coptis for Detoxification
(Decoction:湯劑; Coptis:黃連; Detoxification:解毒作用)
龍膽瀉肝湯Decoction of Gentian for Purging Liver Fire
(Decoction:湯劑;Gentian:龍膽; Purging:清除; Liver Fire:肝火)
蒿芩清膽湯 Decoction of Wormwood and Scutellaria for Clearing away Dampness-heat from the Gallbladder
(Decoction:湯劑;Wormwood:n. [植]苦艾; Scutellaria:黃芩; Clearing away:清除; Dampness-heat :濕熱; Gallbladder:膽囊)
半夏瀉心湯 Pinellia Decoction for Purging Stomach Fire
(Pinellia:半夏; Decoction:湯劑; Purging:清除; Stomach:胃,腹部; Fire:火)
當歸補血湯 Chinese Angelica Decoction for Enriching Blood
(Chinese Angelica:當歸; Decoction:湯劑; Enriching :使富足;Blood:血)
朱砂安神丸 Cinnabar Sedative Pill
(Cinnabar:朱砂; Sedative:使鎮定; Pill:藥丸)
蘇子降氣湯 Decoction of Perilla Seed for Descending Qi
(Decoction:湯劑;Perilla:紫蘇; Seed:種子; Descending:降低; Qi:氣)
當歸四逆湯Decoction of Chinese Angelia for Restoring Yang
(Decoction:湯劑; Chinese Angelia:當歸; Restoring:恢復; Yang:陽)
桃核承氣湯Decoction of Peach Nucleus for Activating Qi
(Decoction:湯劑; Peach Nucleus:桃核; Activating:使活躍; Qi:氣)
藿香正氣散Powder of Agastachis for Restoring Vital Qi
(Powder:散劑; herba Agastachis :藿香; Restoring:恢復; Vital:重要的; Qi:氣)
萆分清飲Decoction of Collett Yam for Clearing Turbid Urine
(Decoction:湯劑; Collett Yam:萆; Clearing:澄清; Turbid Urine:尿濁)
羌活勝濕湯Decoction of Notoperygium for Expelling Dampness
(Decoction:湯劑; Notoperygium incisium:姜活; Expelling Dampness:濕)
此類方劑大多采用直譯的方式,如若方劑名稱中含有中醫特有的用詞,則采用直譯兼音譯的方式。譯式有:一、劑型+of+成分+for+功效。例如:黃連解毒湯Decoction of Coptis for Detoxification;龍膽瀉肝湯Decoction of Gentian for Purging Liver Fire;枳實導滯丸Pill of Immature Bitter Orange for Removing Stagnancy;三子養親湯(三子指白芥子、蘇子、萊菔子,養親是指適合于老年人)Decoction of Three Kinds of Seeds for the Aged;四妙勇安湯(本方藥有四味,勇猛迅速,使身體健康)Decoction of Four Wonderful Drugs for Quick Restoration of Health。蘇子降氣湯 Decoction of Perilla Seed for Descending Qi;二、成分+劑型+for+功效。例如:半夏瀉心湯 Pinellia Decoction for Purging Stomach Fire;當歸補血湯 Chinese Angelica Decoction for Enriching Blood;柴胡舒肝散 Bupleurum Powder for Relieving Liver Qi;三、成分+功效+劑型。例如:朱砂安神丸 Cinnabar Sedative Pill。也有一小部分采用直譯兼意譯的方式,意譯部分主要是對此方的功效的更直接的說明。譯式為劑型+of+成分+for+功效,如當歸四逆湯Decoction of Chinese Angelia for Restoring Yang。
參考文獻
[1] 陳靖紅,《淺談中醫名詞術語英譯》[J],廣西中醫學院學報,1999.
關鍵詞:綠色化學;有機化學;教學
中圖分類號:G642.41 文獻標志碼:A 文章編號:1674-9324(2015)51-0250-02
一、引言
“綠色化學”又稱環境無害化學、環境友好化學、清潔化學,是設計研究沒有或盡可能少的環境負作用,并在技術上、經濟上可行的化學品和化學過程,包括原料和試劑在反應中的充分利用。它是實現化學污染防治的基本方法和科學手段,是一門從源頭上阻止污染的化學。綠色化學適用各種化學領域,是用化學的技術和方法去減少或消滅那些對人類健康、社區安全、生態環境有害的原料、催化劑、溶劑、試劑和產物、副產物等的使用和產生。
有機化學是化學的重要組成部分,有機化學實驗是高校化學化工、環境、醫學、農學等專業重要的基礎課,對學生掌握有機化學知識,培養思維能力有著十分重要的作用。有機合成化學實驗中使用的許多試劑、溶劑、催化劑以及排放的廢料,都易對環境產生污染,影響實驗者的健康,所以在有機化學實驗教學中實行綠色化學教育,培養學生的綠色化和環保意識有十分重要的意義,也是高校有機化學實驗教學改革的重點,因此,實現有機化學實驗綠色化教學勢在必行。作為多年從事有機化學實驗教學的教師,結合實際教學情況和體會,對有機化學實驗的綠色化,提出了一些想法,并進行了初步的實踐。現將我們在有機化學實驗教學過程中的一些經驗總結如下。
二、合理設計實驗,體現綠色化學思想
在保證達到實驗教學目的和使學生能夠掌握基本操作技能的前提下,有機化學實驗要盡力遵循綠色化的途徑。實驗內容應盡量選用毒性小、廢棄物少、污染輕的實驗。例如:“己二酸的制備”實驗,可以采用高錳酸鉀替代硝酸做氧化劑,避免實驗中產生大量有毒的氮氧化物氣體和使用硝酸帶來的強腐蝕性。又如:利用液溴制備溴苯的實驗,液溴有毒,腐蝕性大,可以選用低毒高活性的溴化劑N-溴代丁二酰亞胺代替。
三、綠色化學理念在實驗過程中的滲透
我們在有機化學實驗教學中盡可能地實現實驗內容的綠色化,注意培養學生的綠色化學意識。結合學校的實際情況,合理選擇有機化學實驗內容,不選用苯、甲苯、二氯甲烷、硝基苯、苯胺等毒性較大的試劑作為溶劑、原料和產品進行實驗。總之,在有機化學實驗的操作過程中,要把綠色化學的理念貫穿到整個有機化學實驗的教學之中。
(一)試劑的選擇
時至今日,人們己形成了一種固定思維模式,習慣地將有機反應放在溶劑中進行。在傳統的有機合成中,有機溶劑是最常見的反應介質,因為他們能很好地溶解有機物,保證物料混合均勻和熱量交換穩定,但有機溶劑的毒性和難以回收又成為對環境造成污染的主要因素。隨著綠色化學的發展,新的綠色合成技術和合成方法不斷涌現,這為有機實驗的綠色化提供了很多有效途徑。近年來無溶劑、綠色溶劑(離子液體、超臨界流體、水)在有機合成中的應用得到了空前的發展,這些手段對于加快反應速度、減少能耗、減小污染有很重要的作用。
1.無溶劑的化學合成。在過去的近30年中,無溶劑化學合成得到很大發展。在合成中通常需要使用一些助劑,如催化劑或固體載體,也可能用到光、研磨、微波加熱和超聲波等方法。例如:苯基環己酮與查爾酮的Michael加成反應,可以使用溴化四丁胺為催化劑,在室溫下用研磨的方法合成。又如:2-苯基四氫喹唑啉的合成,可以在無溶劑條件下由2-氨基苯胺與苯甲醛的縮合,轉化率很高。
2.選用水為介質的合成。以水為介質的有機反應是“與環境友好的合成反應”的一個重要組成部分。水相中的有機反應具有許多優點:操作簡便、安全,沒有有機溶劑的易燃、易爆等問題。在有機合成方面,可以省略許多諸如官能團的保護和去保護等的合成步驟。水的資源豐富,成本低廉,不會污染環境,因此是潛在的“與環境友善”的反應介質。
3.選用綠色溶劑的化學合成。綠色溶劑被認為是綠色化學中很有前景的一類反應介質,尤其是離子液體。離子液體的研究是近年來綠色化學領域的研究熱點之一,室溫離子液體是一類特殊的液體熔融鹽,具有優良的物理化學性質及可修飾、調變的陰陽離子結構,且可循環使用,被認為是替代常用揮發性有機溶劑的新型綠色溶劑。近幾年來,離子液體作為一種綠色溶劑及催化劑在有機合成中發揮了獨特的作用,受到人們越來越多的關注。因此,在離子液體中進行有機反應成為化學研究的一個重要領域。例如:在芳醛與丙烯酸甲醋的不對稱Baylis-Hillman合成反應中,用季銨鹽型離子液體作為溶劑,產率很高。又如:在離子液體中進行的Suzuki交叉偶合反應與傳統方法相比具有諸多優勢:少量的催化劑即可使反應活性明顯提高;無副產物產生,產物純凈且容易分離;反應可以在空氣中進行,產率不降低,催化劑不分解;催化體系可以重復使用。
(二)積極開展微量或半微量實驗,減少試劑消耗和污染
傳統的常量實驗具有現象明顯、操作方便的優點,但消耗多、污染大,不利于環境友好。微量或半微量實驗推廣已有十幾年,逐漸引起各國化學教育界的廣泛重視,已成為國際趨勢,成為化學實驗改革的方向之一。目前我國已有數百所大中學校開始在化學教學中采用微型實驗,取得了很好的社會與經濟效益。微型化學實驗主要有以下幾方面的特點:節約藥品、節省能源、降低實驗成本;實驗迅速;減少環境污染,避免不安全隱患;能激發學生學習的興趣,提高學生實驗技能。例如:2-甲基-2-己醇的制備、乙酰乙酸乙酯的制備、肉桂酸的制備等實驗,按照實驗教材藥品用量的■進行實驗。在同樣可以達到實驗目的同時,減少了廢棄物的排放量,保護了環境。總之,微型化學實驗不僅有利于培養學生的創新能力、提高教學質量,也有利于師生的身心健康以及培養環保意識和綠色化學的理念。
(三)綠色催化劑的選擇
催化劑在化學合成中起著十分重要的作用,每種新型催化劑的發現及催化工藝的研制成功,都會引起化學工業的重大革新。綠色催化自然是綠色化學研究的另一個重要內容。少量、高效催化劑的加入可以大大加快反應的速率、提高反應的選擇性及降低副反應的產生。綠色催化劑還應該具備清潔無毒和可循環使用的特點。目前有機合成中使用的綠色催化劑主要包括固體酸、固體堿、晶格氧選擇氧化催化劑等非均相催化劑以及生物催化劑(酶催化劑)。例如:在傳統的有機合成中,烷基化、酯化、水合、酰化、烴類異構化反應一般使用氫氟酸、硫酸、三氯化鋁等液體酸催化劑,這些催化劑在工藝上難以連續生產,不易分離,對設備腐蝕嚴重,危害人體健康,產生廢液廢渣,污染環境。而我們可以選擇分子篩、雜多酸、超強酸等新型催化劑。又如異丁烷與丁烯的烷基化反應原來使用氫氰酸或硫酸作催化劑,現在可用新開發的負載型磺酸鹽/SiO2催化劑代替。
(四)目標產物的綠色化
綠色產品,應具有合理的使用功能及使用壽命,產品易于回收、利用和再生,在使用過程中和使用后不會危害生態環境和人體健康,報廢后易于處置,在環境條件下容易降解。在有機實驗中聯系實際,如目前大量使用的聚苯乙烯發泡塑料快餐盒,使用以后成為垃圾,在自然條件下,需數百年才能降解,對環境帶來嚴重的影響。為了加速它的自然降解,我們生產時可以在其中加入光敏劑、化學助劑等,使其在使用后幾個月內即分解成無害物質。
(五)廢棄物的回收利用
有機化學實驗過程中使用的有機溶劑,一般毒性較大、難處理,隨意倒掉這些有機溶劑,不僅對環境造成嚴重污染,還會造成藥品的浪費。基于綠色化學原則,處理這些有機溶劑,應進行重新蒸餾后利用,或在實驗中重復再次使用。對于在實驗過程中產生的有毒物質也要積極處理,例如:在制備正溴丁烷的實驗中會產生腐蝕性氣體溴化氫,要使用氫氧化鈉溶液進行吸收處理,對水銀溫度計破損灑出的汞認真進行收集,并撒硫磺粉進行處理,盡可能減少對學生的危害。對于某些數量較少、濃度較高確實無法回收使用的有機廢液,可采用活性炭吸附法、過氧化氫氧化法處理,或在燃燒爐中供給充分的氧氣使其完全燃燒。對實驗中產生的廢酸、廢堿,要指導學生倒入相應容器中,經中和至近中性(pH=6-9)時方可排放。通過有機化學實驗綠色化實踐,有效地做到實驗藥品循環使用,減少環境污染,使綠色化學教育在實驗教學中對學生起到潛移默化的作用,提高了學生的環保意識。
(六)多媒體在有機實驗教學中的應用
隨著科技的發展和計算機普及,多媒體已成為化學實驗教學發展的趨勢和必然,將多媒體技術引入實驗教學,對提高學生化學實驗操作技能和對實驗的理解起著重要的作用。例如:像易燃易爆等危險性較大的實驗、毒性較大且不易控制的實驗,可使用多媒體教學輔助手段來代替此類實驗,既保證了學生的安全,保護了環境,又達到了良好的教學效果。例如:在制備亞磷酸二苯酯的實驗中,反應出來的粗品需進行減壓蒸餾,如反應瓶溫度達到250℃,體系中存在微量的氧,亞磷酸將會冒煙,發生爆炸。
四、學生綠色化學意識的加強
我國綠色化學教育還處于起步階段,但化學實驗綠色化已經成為化學教學改革發展的必然趨勢,將成為培養學生的綠色化學觀念和創新能力的重要途徑。有機化學實驗教學不僅需要培養學生的基本化學實驗技能,同時應把綠色化學思想融于實驗教學之中,讓學生了解綠色化學,樹立起綠色意識。
實踐證明,在有機化學實驗教學中滲透綠色化學教育是可行的。
參考文獻:
高等學校有機化學實驗教學有機化學實驗是高等學校化學類專業學生必做的基礎實驗之一,它旨在培養學生的熟練使用各類儀器裝置的能力;掌握研究有機化合物的實驗方法與技術;同時培養學生具有一定進行科學研究的能力,因此各高等學校主要以不同的實驗操作來安排實驗內容。這樣讓學生在每一次實驗中都掌握了相應的實驗技能。而作為基礎實驗,有機實驗培養學生范圍廣,影響大,如何更好地科學合理的安排實驗課內容,將很大程度影響學生以后工作中對化學問題的處理,對人才的培養有積極重要的影響。
1.注重綠色化學對有機實驗的影響。綠色化學是一門具有明確的社會需求和科學目標的新型交叉學科,是實現可持續發展的根本途徑之一。表一為近二十年來我國綠色化學文章的發表情況。表1說明,綠色化學九十年代初得到我國學者的重視,短短幾年,我國學者發表了大量的關于綠色化學的文章,從1992年~2012年翻了200多倍,說明綠色化學引起各行業學者的重視。近年來已經曾比較穩定的趨勢,說明綠色化學發展已經比較平穩。綠色化學具體地說就是選用無毒無害原料和可再生資源,進行原子經濟反應或高選擇性反應,使用無毒無害的溶劑、催化劑等,得到環境友好的產品。GOOdWIN在2004年提出在進行任何實驗室工作室,要從以下三點進行考慮(1)實驗中哪些是綠色化學;(2)實驗中哪些不是綠色化學;(3)如何改進實驗讓過程更加“綠色化”。一般有機實驗過程中人員比較密集,消耗總試劑量比較多,雖然在選取高校實驗過程中,都選取的是低毒的藥品,但由于有機溶劑大多易揮發,即使低毒的試劑也可能會對老師和學生的身體帶來傷害。這也是有機實驗比其他實驗更要重視綠色化學的原因。因此在設計實驗時,將綠色化學作為自己操作的行為準則,力爭做到更高效、更環保。例如,在萃取與蒸餾中可用蒸餾水代替乙醇。環己烯的制備實驗中,曾小君提出環己烯的綠色催化劑,不僅對環境的污染更小而且化學試劑可重復多次使用。
2.實驗設計連續化。以往的實驗中,有機實驗中合成的產品往往作為廢棄物集中處理。如果一個實驗的合成產品是另一個實驗的反應物。不僅節約了成本,也讓廢棄物得到更合理的利用。如環己烯的制備中,制取的環己烯可氧化生成己二酸,己二酸與正丁醇反應生成己二酸正丁酯,這樣避免了生成產品的浪費,讓實驗安排更加合理。乙酰苯胺的制備中,其產物可再次應用于熔點的測定。蒸餾實驗中可用蒸餾分離出的乙醇,用于天然產物中有機成分的萃取劑。
3.科學是不斷進步的,因此在實驗設計時不能僅僅拘泥于課本實驗、照搬書上內容,要做相應的創新,將先進的教育理念帶到實驗中。如微波合成有機化學,研究表明微波對大部分有機合成反應都有促進作用,微波輻射技術在催化加氫、基團保護、重排反應、消除反應、不飽和烴的加成、有機金屬、立體選擇性反應等有機合成領域都有應用,并取得一定的進展。黃學仁等人對微波提取黃連素進行了研究,研究表明用水做浸泡,微波提取后,黃連素的提取速度不僅加快,而且跟常規的乙醇提取法相比,更加環保,對環境不造成污染。李秋榮等人同樣用微波技術合成肉桂酸,表明了微波技術可提高產物質量,節省時間。所以高校可借鑒先進的技術經驗,與時俱進,創新實驗內容。不過將先進技術與高校有機課程相結合,還必須做好實驗條件的優選,及改進技術的對比工作。如微波功力越大,副產品越多,產率越低,而時間照射越長,產率越低。
4.有機實驗與其它實驗相比有其特殊性。高校設置中70%以上以合成為主。各高校普遍存在著合成產品的處理問題。在實驗教學中,大部分實驗教師把實驗操作、實驗結果及報告作為學生的實驗得分,而很多老師大大忽視了廢液的處理,因此必須將綠色化學的理念灌輸給學生,讓學生加強思想建設工作,廢液倒入指定容器內,而實驗教師更要重視實驗中的綠色教學,為學生實驗提供專門的固定容器。每節課前認真查看是否有固定的廢液瓶。將上節課的廢液瓶收集好放在指定位置,防止學生將多種不同性質的廢液混合在一起照成安全隱患。而對于可回收利用的溶劑,收集好后,可供下次的實驗循環使用。
綜上所述,高等教育有機化學實驗室教學模式應與時俱進,以培養優秀人才為目標,優化整合多方面技術,創新實驗內容,人性化教學,不斷研究,提供給學生更好、更新、更實用的教學資源。
參考文獻:
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[3]John Andraos and Andrewp Dicks.Green chemistry teaching in higer education.a review of effective practices.Chemistry Education Research and practice[J].2012.
[4]曾小君.從環己烯制備實驗的改進談化學實驗上的“綠色化”.實驗室研究與探索[J].2004,(23):69-71.
[5]周崇文,曾春亮.淺談微波在有機合成化學中的作用[J].化學工程與制備,2009.91-92.
關鍵詞:有機化學實驗;實驗教學;教學改革?
有機化學是研究有機物質的來源與組成、合成與表征、結構與性質、反應與轉化及其作用機理的科學,是創造新物質的重要學科之一。有機化學基于實驗,有機基礎實驗課程是有機化學教學的重要組成部分。有機化學基礎實驗是化學、生物、環境、醫學和材料等相關專業重要的基礎實驗課,其教學質量與人才培養質量息息相關。合理高效的有機基礎實驗教學體系,對于培養學生分析問題和解決問題的能力、優化并擴展知識結構、掌握實驗技能具有至關重要的作用。多年來,我校有機實驗教學團隊在實驗項目選擇、教學大綱制定和教材建設等方面堅持以學生為本,以能力培養為核心,逐步構建了基元操作實驗、多步合成實驗、半探索型實驗等循序漸進的三層次教學體系。對教學內容、教學方法、考核方式和開放實驗不斷探索和改革,將對學生素質、知識和能力的培養貫穿于整個有機化學實驗教學中,取得了預期的教學成效[1-4]。
1必修的基礎有機實驗
1.1實驗內容改革
基礎有機化學實驗主要包括基本知識、基本原理、基本操作,以及有機合成、產物的分離和純化、產品質量分析與表征等內容。按我校提出的“三三制”教學改革要求,不斷更新教學內容,注重有機化學實驗內容的前沿性、交叉融合性、應用性、趣味性、環保性[5]及實驗手段的現代化,在改造、更新、優化組合實驗內容的同時,循序漸進地將實驗規模由常量向小量、半微量[6]、微量轉化,并將現代儀器分析技術與有機合成、分離純化技術結合,按基礎訓練—綜合訓練—半探索型實驗三個層次進行推進。
1.1.1全面開放現代大型分析儀器將現代儀器分析技術全面引入基礎有機化學實驗教學和開放實驗教學,使有機合成、分離純化、結構表征及質量分析有機結合,進一步鞏固、強化基本操作訓練,使學生獲得試劑處理、有機合成、分離純化、結構鑒定和質量分析五位一體的綜合訓練,提高學生的實驗技能和水平,促進教學相長。學生通過使用UV、IR、1HNMR、GC、GC-MS、HPLC等儀器來鑒定、表征自制的產品,對產品不僅有量的概念,而且有質的把握,能夠較全面地認識一個化合物的性質,有助于誘導學生的發散性思維,喚起他們進一步提高有機合成技術及進行創新實踐的意識[7-11]。
1.1.2開設研究型教學實驗1)引入有機化學研究領域的熱點課題。如將手性聯萘酚的制備及表征引入基礎有機化學實驗,使學生接觸有機化學的新成果、新知識、新設備、新方法。學生通過查閱文獻,了解光學純聯萘酚目前在不對稱催化合成中的應用及國內外的研究進展,拓寬學生的視野,提高學生的學習興趣。并將此課題作為開放實驗讓感興趣的學生進一步深入研究,如用毛細管電泳拆分聯萘酚及其衍生物,與手性HPLC拆分方法進行比較;將手性聯萘酚作為催化劑研究扁桃酸的不對稱合成等。要求學生從查閱文獻到進行實驗再到最后遞交論文均獨立完成,其中有的試劑可幾人合作制備,充分發揮學生的主觀能動性及團隊精神,全面訓練學生的實驗技能和科研素質。2)開放式實驗操作考試。大二學年第二學期末,對學生的考核方式由原先的筆試改為全開放式實驗操作考核,主要考查學生近一年中所學理論知識與實驗技能全面融會貫通、靈活應用的能力,有機基礎和現代儀器分析等綜合操作技能,以及分析問題和解決問題的能力等。3)改進經典的合成實驗,體現化學綠色化。如苯甲酸乙酯的合成常用濃硫酸作催化劑,腐蝕性大,副反應多,使用不安全,廢液污染環境。實驗教學中,引導學生分別采用不同的催化劑如對甲苯磺酸等及不同的反應方式如磁力攪拌和不攪拌等,并與濃硫酸催化酯化進行對比。了解實驗改進的重要性和可行性,學會改進實驗的方法、技術和思路。
1.1.3將實驗教學與有機學科前沿相結合與學科教師緊密合作,將科研成果向教學轉化,開發新的教學實驗,如將過渡金屬催化偶聯反應(Suzuki-Miyaura交叉偶聯反應)應用于2016年全國大學生化學實驗競賽和教學實驗中[12-13]。每學期定期邀請有機學科教師,特別是“青千”“優青”教授進行學科前沿講座,向學生介紹最新的有機化學研究進展,激發他們參與科研的熱情。此外,還引入對學生身邊常見的天然產物的研究,激發學習興趣,產生學習源動力。例如,辣椒紅色素的提取、分離及鑒定;從茶葉中分離咖啡因[14];將超聲波、微波等新技術引入傳統合成實驗,如用微波法合成聯萘酚,用超聲波法合成三苯甲醇[15],縮短實驗時間,提高實驗效率;引導學生利用所學知識,變廢為寶,凈化環境,增強環保意識,如利用廢聚酯飲料瓶制備對苯二甲酸[16]等。
1.2教學方法改革
不斷改進教學方法,由原來“一講課二巡視”的傳統教學方法轉變成“一扶二送三放手”的教學方法。在第一學期基本操作、簡單合成及儀器分析實驗階段,以教師講授為主,通過示范操作、電視錄像、雙向互動式多媒體演示講解等,將連儀器都不認識的學生扶上馬,第二學期再送一程,一個月后以學生為主,教師為輔,放手讓學生自己走,教師主要針對學生在實驗過程的質疑進行引導。學生進到實驗室即可開始實驗操作,并可隨時與教師或其他學生進行討論。這樣可以提高學生的預習質量和效果,提高學生的自學能力和互助精神,增加學生實際動手操作時間。教師可對動手能力差的學生進行反復指導和幫助,使每個學生通過實驗都能有所啟發、有所收獲。同時,嘗試改進傳統的實驗報告格式,要求學生將部分實驗的實驗報告寫成小論文,調動學生的學習積極性,擴大知識面,提高對實驗結果的分析總結及書面表達能力。
2選修的開放實驗
為了使學生在掌握基本操作技術和知識的基礎上,進一步提高實驗能力和水平,激發求知欲,培養獨立思考并運用已學知識解決實際問題的能力,應為學生提供個性發展、提升創新能力的場所和條件。多年來,除利用雙休日、學生平時的空余時間、寒暑假進行開放實驗教學外,還專門開辟了有機化學開放實驗園地,展示學生的開放實驗論文,為學生相互間的學習、研究、討論、交流提供方便。
2.1確定開放實驗課題
由于有機化學開放實驗面向的是二年級的本科生,因此開放實驗的核心問題是確立難度適當的實驗課題。首先要廣泛收集教師、社會和企業的科研課題以及需要更新實驗的課題,每學期從中選擇涉及有機化學、生命科學、食品營養學、農業化學、商品檢測、功能材料等相關學科領域中的研究課題,作為開放實驗課題。這些課題兼具綜合性、實用性、趣味性和研究性,內涵豐富,外延寬闊,又有一定難度和深度,使學生看起來既新鮮有趣又富有挑戰性。每次課題“菜單”一經公布,就會立即引起熱烈反響,學生會踴躍報名選擇自己最感興趣的課題。此外,還提倡學生自帶課題。
2.2實施方法
學生選好課題后,首先需要查閱文獻、設計實驗方案、準備藥品儀器、配制試劑,然后要具體進行實驗研究并撰寫論文等,整個過程均由學生自行完成。這種方式能夠充分發揮學生的主觀能動性,全面鍛煉實驗工作能力和團隊精神,拓寬專業視野,使他們能夠較早接觸有機化學實驗技術的發展前沿,得到更多的實驗技能和科研素質方面的訓練。每天有兩位指導教師負責審查學生的實驗設計方案。在確保安全的前提下,他們會盡量尊重學生的設計方案,并參與實驗討論,盡可能地為學生提供方便。選擇教師在研課題的學生,將進入教師實驗室,由負責的教師進行指導,實驗完成后,每人需遞交相關論文。
2.3實施效果
盡管課題的難易程度不同,但參加開放實驗的學生均能有所收獲,主要體現在以下方面:(1)鞏固了學過的有機實驗基本操作,學到了更多有機實驗新技術、新方法、新手段。如通過查閱電子文獻,了解學習微波合成方法、超聲波合成方法、微波-超聲波聯用技術、毛細管電泳拆分方法、手性HPLC拆分方法、無水無氧雙排管操作技術、手性催化不對稱合成、固相微萃取-氣質聯用技術、低溫反應技術、薄膜濃縮、色譜和光譜分析技術等。(2)增強了綜合運用知識解決實際問題的能力及科技論文寫作能力。整個研究過程均由學生自行完成,充分發揮了學生的主觀能動性,全面鍛煉了學生的實驗工作能力和團隊協作精神。(3)拓寬了知識面,豐富和深化了書本知識,獲得了更多的知識信息,激發了他們對化學的學習興趣。學科教師所擬出的開放實驗課題,不是對現有實驗課程的簡單重復和補充,而是希望以此為媒介將學生引導到有機化學學科發展及實際應用的各個層次和領域,拓寬視野,激發學習興趣,使他們感到有機化學無處不在,無處不用,與國民經濟的發展息息相關,這對他們今后的學習和工作都具有很好的引導和潛移默化作用。