开放实验模式下的有机电合成实验教学设计与实践

边 磊， 关 玲， 李 田， 徐烜峰， 王婕妤， 张奇涵

（北京大学a.化学国家级实验教学示范中心；b.化学与分子工程学院有机化学研究所，北京 100871）

0 引 言

21 世纪以来，一场以节约资源和能源、保护生态环境为主的绿色工业革命正在蓬勃兴起。人们都在设想用原子经济性的科学方法来重新设计合成路线，从而在源头上防止污染的产生［1］。有机电化学合成技术以电子作为清洁的“试剂”直接参与化学反应，为合成化学家提供绿色合成的崭新思路以及有力工具。有机电化学合成是集电化学、有机化学、化学工程等多学科为一体的交叉学科［2］，具有清洁绿色、节能高效、条件温和、调控灵活的优点，近年来逐渐成为有机合成领域的热点［3-4］，其在C-C 键偶联、C-H 键激活、氟化反应［5］、立体选择性杂环反应等多个方面的应用不断增长［6］。我国在电合成领域也不断取得突破［7-8］。随着“绿水青山就是金山银山”理念的深入人心和国家“碳达峰、碳中和”战略的逐步推进，集中体现着绿色化学理念的有机电合成技术也将迎来更好的发展前景。

因此，将有机电合成技术引入学校有机化学实验课程，在基础实验课中为学生提供接触、学习有机电合成技术的机会，不仅有助于开拓学生科学视野、提高综合研究能力，还能够加强学生对绿色化学理念的认知，培养学生的社会责任担当。

1 开放实验模块的教学目标与特色

有机化学实验课程按照分层教学、自主学习的教学思路，在课程后期设置为期3 周的开放实验模块。开放实验模块以拓展学科视野、加强科学素养、训练学术思维、增强学术意识、激发学习热情、培养自主学习能力和研究能力为教学目标，以学科前沿领域研究项目和有机反应新技术新方法的内容作为载体，组织学生以4 ～5 人学习小组为单位，自主选择、自主设计、开展合作学习。

开放实验的内容包括有机催化不对称合成、过渡金属催化反应、有机电合成反应、连续流有机反应等前沿有机研究领域实验项目。该模块的“开放”体现在：①学习内容的开放性，每个小组可在若干时长不同的开放实验项目中自主选择2 ～4 个实验项目组成3 周的实验内容；②探究方向的开放性，鼓励学生从实验项目中自主挖掘学习目标，自主设计探究方案；③学习范围的开放性，通过设置“推荐开放实验新项目”的任务，引导学生自主查阅学科优秀学术期刊，在深入了解学科前沿研究工作的同时进行科研工作的教学转化设计，学习实验条件的评估和筛选；④合作学习的开放性，除要求学习小组内部合作学习外，积极组织多种形式的组间交流与合作；⑤工作表达的开放性，通过组织推荐实验演讲、海报制作展示与优秀评选等活动，为学生提供科学展示自己成果与客观评价他人工作的机会；⑥学习资源的开放性，通过自建线上学习资源［9］、挖掘网络公共资源，给学生提供更丰富的学习内容与体验。总之，开放实验模块的各个实验项目及教学任务在给予基本学习建议的基础上尽可能地为学生提供了自主发挥的空间。

开放实验模块为有机电合成实验的引入提供了良好的平台，学生按照自己的学习兴趣自主选择，相比规定内容的学习能够更好地激发学生的学习热情，在很大程度上保证学习精力的投入，获得更好的学习体验。

2 有机电合成方法概述

2.1 原理简述

有机电化学合成就是用电化学方法合成有机化合物，让电子作为“试剂”直接参与有机反应。电化学过程的发生要满足3 个基本条件：持续稳定供电的（直流）电源、满足“电子转移”的电极、可完成电子移动的介质［10］。电合成反应发生在电极的表面及其表面邻近液层。有机电合成具有很多优点，如以电子作为清洁的“反应试剂”，避免了有毒或危险的氧化剂和还原剂的使用；合成时通过控制电极电位，减少副反应，提升目标产物的收率和选择性；许多反应在常温常压下即可进行，提高了合成的安全性［2］。

2.2 反应体系与装置

有机电合成反应体系一般由反应物、电极（阳极和阴极）、反应介质组成。其中电极是电合成装置中最重要的部件，它提供了实施电子转移的界面［11］。工作电极即研究电极，是指发生目标有机反应的电极；对电极又称辅助电极，其作用是与工作电极构成电流回路。例如在氧化反应中，阳极为工作电极，阴极为对电极。在恒电位合成法或循环伏安法中会用到参比电极，其在测量电极电位时起到参照物的作用。电极材料的选择对电极反应的发生和进行有重要的影响［6］。其装置除电极外还包括直流稳压电源、电流表与电压表、电解池等（见图1）。

图1 有机电合成装置示意图

2.3 电合成方式［2，4］

（1）恒电流法。在恒定的电流条件下进行电合成。采用二电极系统，即只需要工作电极和对电极。由于控制电流要比控制电位容易，且电路和设备简单，是有机电化学合成中最常用的方法。但在恒电流合成过程中，随着反应进行，电极周围的反应物浓度下降，电位上升，副反应增加。实践中，通过充分搅拌促使电解液流动，可延缓反应物浓度变化，从而使电位在一定程度上维持在合理范围。

（2）恒电位法。电极电位是影响电化学反应的决定因素，对有机电合成过程来说，选择合适的电位是控制电极反应方向、保证获得所需产品数量和质量的关键。恒电位法正是根据这一需要发展起来的技术。它采用工作电极、参比电极和对电极的三电极系统。在电解过程中，随着电解时间增长，电极附近反应物浓度梯度降低，电流逐渐减小，反应完成所需时间增加。

2.4 电化学测试方法

在电合成中了解反应物的氧化还原行为是非常重要的，循环伏安法是常用的测试电化学行为的方法。通过测试绘制反应物的循环伏安曲线（见图2），不仅能帮助人们确定氧化／还原电位、选择合适的电合成方法和条件，还能帮助人们了解反应的可逆程度、探究反应机理等［12］。图2 中绘制了3 种反应的循环伏安曲线，每条曲线的峰或谷电流对应的电位为该反应的氧化或还原电位；同时根据曲线形状可以判断电极反应的可逆程度。

图2 可逆（蓝色）、准可逆（红色）、不可逆（绿色）反应的循环伏安曲线［4］

3 实验内容介绍

有机电合成实验项目——电化学合成联苯内酯，是由我国新近科研成果转化而来［13］。内酯结构作为一类特殊的结构亚基，引起了生物、医学、药学的广泛兴趣。在已有的合成内酯的方法中，C-H 与羧基O-H直接脱氢偶联的反应因其较高的原子经济性而受到特别关注。目前报道的工作中，大多是利用过渡金属或有机物为催化剂与强氧化剂一起使用，这对于批量生产而言成本很高。而电合成直接脱氢偶联内酯化则避免了使用危险有毒的试剂，环境友好、操作简单。本实验通过合成6H-二苯并［b，d］吡喃-6-酮，学习有机电化学合成的基本方法（见图3）。

图3 2-苯基苯甲酸的有机电合成脱氢内酯化

3.1 实验试剂与仪器

（1）实验试剂。2-苯基苯甲酸、四丁基高氯酸铵、甲醇、乙腈、石油醚、乙酸乙酯、丙酮均为分析纯试剂；柱层析硅胶为200 ～300 目。

（2）实验仪器。电化学合成仪套装（型号：ElectraSyn 2.0 pro，德国IKA 公司），含反应主机、6 位平行反应模块、10 mL未分隔反应管，以及配套石墨电极和Ag／AgCl 电极；直流稳压电源（型号：UTP3313TFL-II）和万用表（型号：UT33A ＋）购自优利德科技（中国）股份有限公司；10 mL 非密封未分隔反应池；石墨电极（15 mm×15 mm×3 mm）。

3.2 实验内容

（1）恒电流法合成内酯。在电化学合成仪的10 mL未分隔反应管中加入0.099 g（0.50 mmol）2-苯基苯甲酸、0.684 g（2.0 mmol）四丁基高氯酸铵、乙腈-甲醇（7∶1）混合液8.0 mL，加入磁子，搅拌溶解。以石墨电极作为工作电极和对电极，组装电化学合成装置。室温下磁力搅拌，进行恒电流合成，设定电流值为29 mA。TLC监测反应，大约2 h 停止反应，旋蒸去除溶剂。残余物以硅胶柱层析纯化，石油醚∶乙酸乙酯6∶1洗脱；TLC 检测收集洗脱液，旋蒸除去溶剂，得近白色产品结晶，产品以核磁表征确认结构。

（2）测定2-苯基苯甲酸的循环伏安曲线。按照1.0 mmol／L 2-苯基苯甲酸，0.2 M Bu4NClO4／CH3CN／MeOH（7∶1，v／v）的浓度配制溶液10.0 mL，取7 mL进行循环伏安法分析。玻碳电极为工作电极、铂电极为对电极、Ag／AgCl电极为参比电极。参考参数如下：峰段：2；电压变化方向：递增；初始电压（V）：0；最高电压（V）：2.5；最低电压（V）：0；终止电压（V）：0；扫描速率（mV／s）：100。

（3）恒电位法合成内酯。采用与恒电流法相同的投料量和溶液配制。以石墨电极作为工作电极和对电极，Ag／AgCl电极为参比电极，组装合成装置。室温下充分搅拌，进行恒电位合成，电位设定参考1.8 V或根据循环伏安法测定的氧化电位设置。

4 教学设计与实践

4.1 实验教学目标

有机电合成实验项目基于开放实验模块的整体目标，结合自身特点明确具化教学目标。

（1）专业知识技能。学习掌握有机电合成原理、方法与技术，电合成反应的影响因素与条件设置；提高有机反应监测、产品分离纯化及检测表征方法的灵活运用能力。

（2）通用知识技能。提高实验观察能力、探究设计能力、结果分析能力；训练科学写作及表达能力；提高合作学习能力。

（3）情感与思政建设。培养对现代合成技术的兴趣、激发对科学问题探究的潜能；加深对绿色化学理念的认识，培养学生社会责任感。

4.2 学习资源建设

有机电合成在反应机理、实验装置、操作方法等方面不同于传统的有机合成，根据学生需求，教学团队制作了丰富的学习资源。（见表1）

表1 有机电合成实验学习资源

4.3 教学设计安排

在实验设计方面，项目采用必做-选做相结合的方式使实验内容层层递进，对任务工作量不做硬性规定，对实验结果本身不进行评分，学生可以自主选择实验学习目标、自主安排实验内容、自主设计探究方向和实验方案，具体设计包括：

（1）重现文献实验（必做）。完成恒电流法合成内酯的实验任务。此内容是项目必做部分，目的是帮助学生掌握有机电合成的基本原理和最常用的技术方法，熟悉电合成仪的使用。内容大概需要7 学时（1 次实验课）。

（2）进阶技能学习（选做）。通过循环伏安法获得原料的氧化电位，再以该电位为参考，尝试恒电位法合成内酯。设计此内容的目的是促进学生理解有机电合成研究一般流程，学习其他常用电合成方法，体验不同电合成方法的优势与局限性。选做该内容的学生，可以在循环伏安法（2 学时）、恒电位法合成（5 学时）任选其一或全选。

（3）自主探究设计（选做）。项目鼓励学生自主设计探究方向和实验方案，同时也给出一些潜在探究点，帮助学生确立探究方向。如，使用商品化电合成仪优化反应条件，尝试自主搭建电合成装置开展反应等。学生探究内容不同，此部分所占时间从7 ～14 学时不等。

（4）课后扩展学习（必做）。按照开放实验整体要求，学生需要完成实验总结报告、实验项目海报制作、从前沿领域科研文献取材推荐教学实验项目等课后任务。

开放实验模块是以4 人左右的学习小组为单位开展实验学习，以上学习任务可以通过组内、组间分工合作的方式进行，能够在3 次实验课内完成。

在教学模式上，项目采用线上线下混合式教学，利用课程自建的“有机化学实验课程在线学习与测试平台”［14］对学习任务进行规划安排。课前，通过线上学习，帮助学生熟悉电合成领域知识和仪器的基本使用方法、建立电合成研究工作基本概念，理解实验具体内容和任务，进而自主规划开放实验阶段（3 次课）的工作内容，保证以良好的状态进入线下实践。课堂上，教师对重点内容进行梳理讲解，帮助学生融会贯通；学生按照自己计划完成必做及选做实验，这种进阶式的安排在完成基础任务的过程中加深对实验的理解、产生新的想法，并在后续任务中验证自己的实验设计，体验“理解-探究-迭代”的科研思路和工作模式。课后，学生根据实验结果进行总结反思，撰写论文报告、制作项目宣传海报及完成实验项目推荐，增加对科研工作全方位的体验。

4.4 教学实践

以本项目在2020 级本科生有机化学实验课中开设情况为例。开放实验以4 ～5 人小组合作模式展开，在年级37 个学习小组中有8 个小组选择了有机电合成实验。各组根据自身需求自主安排实验任务与进度，对于完成本项目的时间投入也从1 次实验课到3次实验课不等（见图4）。其中，7 个小组开展了选做实验内容，说明本实验内容有效激发了学生对于有机电合成的研究兴趣，也将“分层教学、自主学习”的理念落到实处。

图4 选择本项目的小组在开放实验模块中的课时投入

实验室有电化学合成仪3 套［其中一套配有6 位平行反应模块，图5（a）］、自主搭建电合成装置2 套［图5（b）］，一共可同时开10 组实验。同时选电合成实验的8 个小组分布在2 天，每天4 个小组，所以虽然本实验对电化学合成仪的依赖较高，但通过合理的仪器分配和时间安排，完全能满足学生实验需求。

图5 电化学合成仪

课后按照开放实验模块要求，所有学习小组提交了实验项目总结报告、项目展示海报和推荐实验论文，并进行推荐实验演讲，实验项目推荐和海报制作的完成水平远超预期，表明本实验设计的学习任务与大部分学生的潜在学习能力具有良好的匹配性。

5 教学效果

5.1 教学评估反馈

为评估教学效果，开展了有机电合成实验学习体验问卷调查（见图6），大部分学生对该项目的学习体验、知识收获给予了正面评价。

图6 有机电合成实验学习体验问卷调查结果

5.2 自主探究意识和能力的培养

开放实验模块鼓励学生在教学团队提供的实验参考的基础上，自主开展实验学习，自主发掘探究目标。在本项目中，部分学习小组的学生展示了非常强烈的探究意识和良好的探究能力。例如，有的小组在仔细研读文献的基础上，主动跳出讲义给出的探究思路，另辟蹊径，通过引入催化剂等条件优化的方法提高了反应效率，具有良好的研究意识，展示了深入的思考能力和知识迁移运用能力。另一小组则在实验过程中，通过仔细观察和思考，并进一步查阅相关资料，指出了商品化电合成仪器在开展有机合成反应方面的局限性，提出购置相关零部件自己组装电合成仪的设想，教学团队也在这方面开展了后续工作，为有机电合成实验开拓了新的教学方式。

总之，从常规的有机合成反应知识出发，学生深入讨论了电合成方法的特点、优势与局限性，分析了电合成装置对反应的影响，探讨了近年有机电合成领域的发展趋势，表明了学生能够从宏观方面进行知识的总结和抽象，在已有的知识和新的领域间建立联系，具有较好的批判性思维。

5.3 对后续课程的影响

在基础有机实验课程中引入有机电化学合成实验，不仅希望学生能了解这一现代合成技术，更重要的是希望学生能将电合成技术作为工具，在以后的学习、科研工作中发挥作用。教育就是埋下种子的过程，幸运的是，我们很快看到了电合成的种子生根发芽。在第二学期的进阶课程——中级有机化学实验中，有两位同学通过自主查阅文献，主动将有机电化学合成技术应用到传统的中级有机实验项目“布洛芬的合成”中，开辟了新的合成路线（见图7）。

图7 有机电合成布洛芬

6 展望与结语

有机电合成技术作为近年来有机化学合成领域的热点，利用开放实验模块这一平台，将其引入到有机化学实验课程中，可以开阔学生视野，培养学生的科学素养、研究意识和综合实践能力。课程计划进一步拓展有机电合成的实验内容，增设成对电合成［15］、电还原反应［7，16］、有机电催化［17］和连续流动电合成［18］等选做内容，给学生提供更丰富的学习内容和更广阔的探索的空间。

同时，通过电合成技术的教学实践，有效引导学生建立节能环保的绿色化学理念和社会责任感；通过介绍有机电合成的发展和我国在该领域的研究进展，增强学生民族自豪感和自信心。本项目将课程思政巧妙地融入专业课中，达到润物细无声的育人效果，这也是高校课程思政建设的探索与实践。

致谢

感谢2021 年参与本课程实验教学的研究生助教和2020 级选做本项目的同学的参与与合作。