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《Journal of Chemical Education》报道南京大学本科有机化学教学实验创新成果:芳香化合物的电化学氯化反应在有机实验教学中的应用

更新时间:2023-07-25 浏览次数:


芳香化合物的氯化是一类很重要的反应,广泛应用于药物合成和化工原料制备当中,而限于氯气的高毒性,始终难以应用到本科生实验教学当中。文献报道的氯化试剂种类繁多,但大部分也具有毒性强的问题,而N-氯代琥珀酰亚胺,因其廉价易得且易于储存的特性脱颖而出。但由于其反应活性较弱,通过传统方法难以完成转化,因此需要一种安全高效的方法来将氯化反应引入实验教学当中。

近年来,电化学合成经历了新的发展浪潮。通过电极驱动反应物得失电子,在温和条件下实现挑战性的转化,展现出了其绿色特点,成为化学化工生产近年来青睐的一种合成手段。而在本科实验教学中开发方便高效可靠的有机电化学的教学内容目前还少有报道。结合氯化反应在本科有机实验教学中的缺失情况,开发出有机电化学氯化反应,可以实现以上两方面的实验教学需求。

图1. 电化学芳环氯化反应图

为将有机化学学科的前沿发展方向转化为本科实验教学内容,2018级化学化工学院本科生樊锦坤、李宇婕、魏依婷在电化学芳环氯化反应方面开展研究,实现了以N-氯代琥珀酰亚胺为氯源的芳环电化学氯化反应(图1)。结合自行设计的电化学电源装置,三人组队参加了2021年第二届全国大学生化学实验创新设计大赛,获得华东赛区一等奖,全国二等奖。

之后,实验设计团队进一步的将创新实验竞赛内容与基础有机实验课程的具体要求结合,充分优化试剂,电化学参数,反应时间,分离纯化条件等要素,开设了电化学芳环氯化反应这一实验内容。经过2019级和2020级两届本科实验课程的检验,实验设计团队总结此实验的化学原理,实验操作,教学特色等内容,以Application of Electrochemical Chlorination Reaction in Organic Laboratory Course为题,近期发表于美国化学会教育期刊《Journal of Chemical Education》上(J. Chem. Educ. 2023, DOI: 10.1021/acs.jchemed.2c01088)。

图2.电化学氯化反应机理

该反应相较以往的教学实验,首次将电化学合成和氯化反应引入国内本科生实验教学,让学生了解电化学合成的反应机理,即通过电极与底物之间的电子转移实现惰性反应物的活化过程,实现了基础研究与科研前沿的对接(图2)。同时实验过程涉及TLC跟踪反应进程,重结晶,快速柱层析等实验操作,帮助学生掌握基础的实验操作,为学生后续开展科研相关工作夯实基础。

化学化工学院程旭教授和化学实验教学中心戴洁工程师为本文通讯作者,三名2018级本科生:樊锦坤(现2022级化学化工学院博士生),李宇婕(现南洋理工大学化学、化工和生物技术学院),魏义婷(现北京大学化学与分子工程学院)为论文的第一,第二和第三作者。该项目受到基础学科拔尖学生培养计划2.0研究课题:科研融合型的基础有机化学理论和实验双语标杆课程建设(重点课题20221021)和江苏省高阶教育改革研究项目(2021JSJG027)的支持。