综合创新实验:双官能团配体Zhaophos催化3-芳基-3-乙酰氨基丙烯酸甲酯不对称氢化反应*

以前沿科研成果结合笔者的研究领域设计了一个针对应用化学专业本科生的综合创新性实验--双官能团配体Zhaophos的制备及其在Rh催化3-乙酰氨基丙烯酸甲酯不对称氢化反应中的应用。实验内容包括双官能团配体Zhaophos的制备及表征,考察Zhaophos-Rh催化3-乙酰氨基丙烯酸甲酯的活性(包括反应活性和立体选择性),构建Zhaophos-Rh催化模型。本实验将均相不对称催化氢化前沿研究成果引入本科生教学实验,综合考查了学生的基础有机化学知识和实验操作技能,强化了学生对手性化学的认识,同时教授学生综合运用化学知识合理设计手性配体的理念,激发了学生的创新意识,提高了学生的实验兴趣。     

创新综合化学实验:烷基-烷基Kumada偶联反应*

为将交叉偶联反应引入本科化学实验教学中,设计了创新综合化学实验——Kumada偶联反应。该实验选取氯化亚铜作催化剂,常温下即可反应,溶剂低毒,反应时间短,产率高,符合“绿色化学”理念。该实验在无水无氧条件下进行偶联反应,再通过萃取、分液、柱层析对产物进行分离,并引入气相色谱对产物进行定性和半定量分析。通过该实验项目的学习,学生可以掌握典型的有机化合物合成、分离手段并熟悉大型仪器设备的分析技术。     

单质铜与过氧化氢溶液反应的研究*

针对单质铜能否与过氧化氢发生反应,以及用硫酸酸化反应液能否加快铜离子催化过氧化氢分解反应速率的疑惑,设计了单质铜与过氧化氢溶液反应和铜离子催化过氧化氢分解反应的实验。认为单质铜能被过氧化氢氧化生成氧化铜和氧化亚铜,加热反应液能明显增大铜离子催化过氧化氢分解反应的速率,用硫酸酸化反应液能明显减小铜离子催化过氧化氢分解反应的速率。     

铜铝尖晶石“缓释催化”*

催化化学是物理化学中的重要内容,有着较强的实践意义。催化剂寿命是催化剂的主要指标之一,关系工业催化的经济成本。常用的负载型催化剂常由于反应温度高导致活性金属聚集长大而失活,采取增加载体表面积、提高负载量、增强金属/载体的相互作用等方法可以在一定程度上提高催化剂的稳定性和寿命,却无法从根本上阻止活性金属聚集长大的热力学趋势。近年来笔者将活性铜组分均匀分散到氧化铝体相中形成尖晶石型缓释催化剂,从而有效增加了催化剂的稳定性,有望充实物理化学中关于催化化学的内容。     

有机化学创新设计性实验*——氨基酸催化的不对称Aldol反应

氨基酸催化的不对称Aldol反应是不对称催化领域的一个研究热点,将其转化为设计性创新实验并面向化学院三年级学生开设。通过对反应底物、催化剂、溶剂等不同反应条件的探索,加深学生对手性、烯胺催化等概念、机理的理解,培养学生的科研能力及创新能力。     

Au@Pt纳米粒子催化O2还原反应的电化学研究

以100 nm的Au粒子为核,抗坏血酸为还原剂,H2PtCl6·6H2O为前驱体,合成了Pt包Au核壳结构纳米粒子( Au@ Pt)及其修饰的玻碳(GC)电极(Au@ Pt/GC).采用旋转圆盘电极等常规电化学方法,比较了Au@ Pt/GC和商用碳载铂(Pt/C)修饰的玻碳电极(Pt/C/GC)催化O2还原反应活性及耐甲醇性能,发现Au@ Pt纳米粒子在铂用量很低的情况下,其催化O2还原反应活性仍与商用Pt/C相当,而且还具有优良的耐甲醇性能;其催化O2还原反应机理按O2直接还原成H2O的四电子历程进行.     

甲烷与氯气取代反应实验的创新设计*

基于甲烷氯代反应的机理,对物质体系、反应容器、光照条件、实验表征等进行分析,创新设计甲烷氯代反应实验,利用数字化实验的压强和温度传感器采集的实验数据为支持,更直观地多重表征甲烷与氯气发生的“取代”过程,对于成功实现甲烷氯代反应实验具有指导意义。     

纳米铜粒子催化乙炔聚合产物的IR表征

通过IR对气相法制得的纳米铜粒子催化乙炔聚合反应产物 (固、液态 )进行表征 .结果发现 ,其固态产物 (纳米纤维 )分子结构中既有CC共轭双键 ,又有饱和基团—CH3 ,—CH2 — .且暴露在空气中易氧化 ,其分子结构中存在CO及OH基团 ,同时也说明其中含共轭双键 (CHCH )基团 .液体产物为低聚物 ,其中含有相当多的饱和基团及非共轭的 CC 键 ,无羟基和羰基团存在说明不存在氧化现象 .由TEM观察发现 ,纳米铜粒子既可以位于纤维的端部 ,也可以位于纤维的中间 .     

CBS还原合成手性1-苯乙醇实验设计*

将学科热点之一催化不对称合成策略引入实验教学中,通过CBS还原制备手性醇。实验以苯乙酮为原料,还原得到粗产物手性1-苯乙醇,经制备色谱仪分离提纯,气相色谱和自动旋光仪表征产物的光学性质。实验为综合型有机化学实验,通过此实验,学生在掌握手性醇合成原理与方法的同时,进一步学习手套箱、气相色谱、制备色谱仪、自动旋光仪等新技术,以提升学生综合科研素质。     

卤化物对铜铝置换反应速率的影响研究*

从定性和定量角度探究了卤化盐对金属置换反应的催化作用,实验结果表明:卤族元素均有催化作用,Cl^-催化作用最为明显;碱金属与碱土金属离子相比,碱金属条件下铜枝晶形状更为规则,观赏性更好;同时该反应速率与Cl^-浓度呈正相关。通过对反应条件的摸索,实现了将铝置换铜的所谓“铜树”反应改造为能在20 min内产生明显现象的课堂演示实验,可为金属置换反应和电化学腐蚀动力学教学创设情境,培育学生证据推理和模型认知的化学核心素养。     

综合设计性水分析化学实验教学实践

采用“任务式”教学法实施综合设计性水分析化学实验教学。通过师生讨论完善实验方案、学生自主实践方案、自主编制水质监测报告、教学评价等4个教学环节的展开,巩固了学生的专业基础知识和技能,培养了学生知识综合运用能力,激发了学生对于科学探究的兴趣和创新意识。     

有机化学创新设计性实验“甲基化反应”的改进*

结合科研成果及实验教学经验,对有机化学实验中传统的甲基化反应实验进行改进。教材中涉及的传统甲基化试剂具有毒性大等缺点,不利于实验教学的实施。因此,提出使用三氟乙酸甲酯取代传统甲基化试剂,应用于本科有机化学实验教学中,加强学生对甲基化反应理论知识的理解。本实验结合新颖的科研内容,引入科研实验的设计思路,不仅有利于学生更好地掌握理论知识,而且有利于激发学生对科学研究的兴趣,提高学生的综合素养。     

固体氧化物燃料电池综合实验的设计

设计了一个综合性实验——固体氧化物燃料电池制备及性能测试。实验内容包括电解质和电极粉体的制备、电池片压制、对称电极制备,以及采用X射线衍射对粉体结构进行表征,采用电化学工作站对电池化学性能进行测试分析。本实验不仅可以锻炼学生的基本实验操作技能,还可以提高学生的学习兴趣和动手能力,培养学生的创新意识和团队协作精神。     

Controlled Synthesis of Water‐Dispersible Faceted Crystalline Copper Nanoparticles and Their Catalytic Properties

We report a solution‐phase synthetic route to copper nanoparticles with controllable size and shape. The synthesis of the nanoparticles is achieved by the reduction of copper(II) salt in aqueous solution with hydrazine under air atmosphere in the presence of poly(acrylic acid) (PAA) as capping agent. The results suggest that the pH plays a key role for the formation of pure copper nanoparticles, whereas the concentration of PAA is important for controlling the size and geometric shape of the nanoparticles. The average size of the copper nanoparticles can be varied from 30 to 80 nm, depending on the concentration of PAA. With a moderate amount of PAA, faceted crystalline copper nanoparticles are obtained. The as‐synthesized copper nanoparticles appear red in color and are stable for weeks, as confirmed by UV/Vis and X‐ray photoemission (XPS) spectroscopy. The faceted crystalline copper nanoparticles serve as an effective catalyst for N‐arylation of heterocycles, such as the C? N coupling reaction between p‐nitrobenzyl chloride and morpholine producing 4‐(4‐nitrophenyl)morpholine in an excellent yield under mild reaction conditions. Furthermore, the nanoparticles are proven to be versatile as they also effectively catalyze the three‐component, one‐pot Mannich reaction between p‐substituted benzaldehyde, aniline, and acetophenone affording a 100 % conversion of the limiting reactant (aniline).     

无机化学综合实验:葡萄糖酸锌的制备与成分分析

介绍了一个集无机化学、分析化学、仪器分析于一体的无机化学综合实验。通过不同方法制备得到葡萄糖酸锌,并对其成分进行分析,使学生掌握蒸发、浓缩、过滤、结晶等基本操作,学习配位滴定的原理及操作,了解红外光谱检测法及谱图解析。采用分组形式以不同方法制备产物,并对实验结果进行探讨和拓展。学生比较了不同制备方法的优劣,解决了实验过程中的存疑,锻炼和提高了综合实验能力。     

科研转化的综合化学实验:银纳米粒子的制备及其催化反应动力学测量

设计了一个包含胶体化学方法制备金属纳米粒子及其作为异相催化剂催化氧化还原反应的动力学过程等内容的本科生综合化学实验。首先采用晶种生长法合成了不同尺寸的球状和片状银纳米粒子,然后经过离心纯化后作为异相催化剂催化硼氢化钠还原4-硝基苯酚的反应,研究了催化反应动力学过程,分析了催化反应的表观反应速率常数和催化剂的活性。本实验可以锻炼学生制备纳米材料和跟踪反应动力学进程的能力,使学生进一步理解异相催化反应机理、熟悉光谱仪器的应用。     

相转移催化合成酯基取代酞菁铜及其光导性能

酞菁配合物的大π键共轭体系使其具有独特的物理化学性能．但酞菁的难溶性,限制了其进一步的研究和应用．Baker等首次制备了可溶性酞菁单分子膜,并将其应用到光电池中;随后,已有大量的相关研究报道．作为常见的可溶性酞菁衍生物,酯基取代酞菁由于含酯基的前体物质高温分解而不能采用直接缩合的方法,     

新创综合化学实验：利用NBS-Py体系从电子废弃物中提取单质金

将前沿成果引入到大学本科综合实验,设计了利用NBS-Py体系从电子废弃物中提取单质金的新创综合化学实验。以氧化还原和配位理论为指导,利用N-溴代琥珀酰亚胺-吡啶(NBS-Py)体系温和、低毒和高效的特点,从电子废弃物中绿色提取金单质。该研究实验包含丰富的知识原理、实验技能、表征技术且应用性强,故可有效地转化为综合教学实验。在浸出、提取、还原、煅烧以及结构表征等过程中,始终贯穿以问题为导向的探究式教学模式。本实验可在提高学生基本实验技能的同时,锻炼学生运用基础理论理解实验原理、设计实验方案、自主探究和协调合作的能力,并在实验实施过程中的每一环节都注重提高学生的科研素养和创新能力。     

银纳米粒子合成与表征的仪器分析综合性实验

介绍一个银纳米粒子合成与表征的仪器分析综合性实验。基于化学还原法合成银纳米粒子,利用电镜和光学仪器分析方法表征银纳米粒子的性质,考察了还原剂与硝酸银的量对银纳米粒子光学性质的影响及银纳米粒子溶液浓度与吸光度的关系。该实验综合了学生在基础化学实验阶段所学习的物质制备、仪器表征等基本实验技能,且操作步骤简单,表征方法直观,便于学生掌握。     

应用化学专业综合实验设计:光电子转移可行性判断

针对于光化学基本理论的实验教学对于应用化学专业的学生培养具有重要意义,将蒽与碘鎓盐的光电子转移可行性判断,以及蒽/碘鎓盐引发丙烯酸酯单体的聚合实验设计为应用化学专业的综合实验,以培养学生对光化学基本理论的理解。学生通过紫外-可见吸收光谱、荧光激发光谱和循环伏安实验获得实验数据,依据Rehm-Weller方程计算获得蒽与碘鎓盐之间光电子转移的自由能变,并通过光聚合实验学习光电子转移增感引发体系的应用。