应用化学专业非均相酮选择性氧化学生综合实验的设计

培养具有创新精神的高素质人才是二十一世纪高等教育人才培养的首要目标。在高等教育过程中, 实验教学是培养具有实践和创新意识学生的重要途径。因此深化实验教学改革十分必要。精细化工和应用化学专业学生的创新能力培养必须加强创新能力的培养, 增加设计性、综合性、开放性实验, 减少验证性实验, 引导学生的自主学习探究能力。本文将自主科研的相关成果引入到学生综合实验过程中, 创新了实验教学模式, 能有效提高学生的创新能力, 增强学生对本学科的学习和科研探索兴趣。

1 酮选择性氧化反应及特点

酮选择性氧化反应也称Baeyer-Villiger (BV) 催化氧化反应, 是将酮类有机物转变为脂的重要催化反应类型, 所得产物为制药、农药、精细化工等领域的重要中间体, 因而具有广泛的应用价值, 并已成为有机化学反应中的重要基石[1]。目前, 对于BV催化体系的研究主要包括均相、非均相和酶催化三个大类。这些方法各有特点, 各有优势。其中非均相BV催化反应因催化过程简单, 减少过氧酸等原料的使用和废弃物的排放, 可利用“绿色”氧化剂双氧水、分子氧, 具有廉价安全, 易于分离和重复使用等特点而受到广泛关注[2]。

2 酮选择性氧化综合实验的内容设计

因为BV催化反应的产物在许多领域得到广泛使用, 而且决定该产品的性能因素很多, 包括合成方法工艺、配方工艺、环境条件等。要将该实验转化为学生实验, 就需要寻找合适的配方工艺条件和找出影响该反应的条件因素, 包括反应机理、催化剂种类与用量、原料种类与配比, 操作条件与效果, 温度与反应时间等。

考虑到实验的代表性与可操作性, 我们选用了催化效率较高, 无需加入双氧水, 使用空气为氧化剂, 合成温度低的非均相锡系介孔二氧化硅催化材料作为实验内容。并按照实验内容的难易程度以及循序渐进的教学规律, 先合成锡系介孔二氧化硅催化材料, 然后将该催化材料应用于环己酮的氧化过程中。实现了由易到难、分阶段进行实验。并考察不同催化剂活性组分含量, 催化剂用量、温度, 搅拌时间等的影响, 让学生提高对该体系催化合成的感性认识, 使学生实验内容与课堂教学有机结合, 培养学生的实验能力和创新能力。

3 非均相锡系BV催化体系的特点

Corma A.等用微孔的脱铝Beta沸石为晶种, 加入Sn源水热晶化, 制备出了Sn-Beta催化材料, 显示出了优良的非均相BV催化性能。因此, 中国和美国科研人员分别成功开发了小粒径Sn-Beta、介孔层状Sn-MFI和介孔MCM-41负载Sn-MFI等应用于非均相BV催化过程, 改善了反应底物的扩散限制, 显示出高于微孔材料的非均相BV催化活性。因此, 选择良好的孔结构, 改善制备方法对材料孔结构和孔径分布的控制效果能够做到验证性实验与最新科研成果的创新性、设计性相结合, 使学生能够熟练使用相关仪器设备、掌握该实验的基本原理和实施方法[3]。

在这一过程中, 让学生根据实验任务自己查阅文献、设计实验相关细节 (包括配方设计、实验条件设计、仪器设备选用和产品的表征方法等) , 并自主实施完成实验, 以培养学生独立分析问题、解决问题和创新能力。由于设计性、研究性实验容易受到实验仪器和场地的限制, 且试验时间较长, 可以采取学生自愿组合方式组成一个科研小组, 经过查阅文献、小组讨论、上报实验指导教师批准、实验预约后开展实验。实验结束后, 上交实验记录和报告的方式。虽然增加了教师和实验技术人员的管理难度, 但给学生一个独立的思维和科研环境, 能够有效发挥学生的主动性和创新意识。目前, 该项教学科研成果撰写的论文和专利已经获得天津市大学生创业大赛金奖。

4 结语

经过上述实验设计的优化和实验教学内容的整合, 开展应用化学专业酮选择性氧化的设计和实践, 不仅能够起到强化学生基础知识的综合应用和基本实验技能的训练, 更加强了学生对分析、解决问题、独立思考、协同配合等综合能力的培养。通过本专业师生的不同探索和总结, 相信应用化学专业综合实验将会取得更好的效果。

摘要：本文根据高等学校有机化学和精细化工综合实验的特点, 以激发学生学习专业知识的兴趣和培养创新能力为目标, 对有机化学课程原有的实验内容和教学方法进行深化和革新。通过使用锡系非均相介孔二氧化硅催化材料的合成, 以及酮选择性空气氧化为例子, 使学生加深对有机氧化反应的反应机理、过程和实验操作的理解, 使实验内容和理论教学相结合, 培养学生的综合实验能力。

关键词：有机化学,精细化工,非均相催化剂合成,酮选择性氧化,综合实验设计

参考文献

[1] Michael Renz, Bernard Meunier.100 Years of Baeyer-Vil-liger Oxidations.Eur.J.Org.Chem., 1999, 737-750.

[2] 刘媛, 陈长林, 徐南平.负载锑的水滑石催化环己酮Baeyer-Villiger氧化制ε-己内酯.催化学报, 2004 (10) :801-804.

[3] 康自华, 刘海鸥, 张雄福.杂原子Sn-β分子筛脱铝补位两步法制备、表征及环己酮Baeyer-Villiger氧化性能.催化学报, 2012 (5) :898-904.