碳中和背景下电化学前沿技术在物理化学教学中的应用*

在国家全面绿色转型、实现碳达峰和碳中和目标的背景下,对物理化学课程电化学部分的教学进行了改革探索。引入质子交换膜水电解器技术学习电解池、分解电压、极化曲线、超电势和电极反应动力学,以电化学CO₂还原和N₂还原作为案例材料开展课后小组学习,在夯实基础知识的同时,结合任务驱动式教学方法充分提升学生的自主学习、实践应用和创新能力;并且在教育教学全过程贯穿思想价值引领,培育学生的政治素养和社会责任感。     

新型绿色有机合成反应设计:Pd/β-环糊精催化的纯水相铃木-宫浦偶联反应*

以环境友好的β-环糊精代替毒性膦配体、纯水代替有机溶剂,设计了4-溴苯乙酮和苯硼酸的绿色铃木-宫浦偶联反应。通过单因素实验,探讨了氯钯酸钠用量、氯钯酸钠/β-环糊精配比、苯硼酸用量、反应温度以及反应时间等对产率的影响。通过引导学生对β-环糊精结构的认识和机理探讨,让学生深刻感受到了绿色化学在有机合成中的重要性,并激发了他们对科学研究的兴趣。该实验环境友好,反应条件温和,反应时间短,产率高,重复性好,适宜于本科实验教学。     

同时含α-[Mo8O26]4-和β-[Mo8O26]4-的新型超分子化合物的合成、表征及其抗肿瘤活性

以(NH4)2[Mo4O13]·2H2O, NiCl2·6H2O和2-(1H-吡唑-3-基)吡啶为原料, 通过水热方法合成了一个新颖的[Ni(C8N3H7)3]4[Mo8O26]2·7H2O超分子化合物. 采用元素分析、红外光谱和单晶X射线衍射法表征了该无机-有机杂化配合物的结构. 晶体解析表明, 该化合物同时含有α-[Mo8O26]4-和β-[Mo8O26]4-, 在[Ni(C8N3H7)3]2+阳离子和[Mo8O26]4-阴离子之间通过氢键作用结合, 在[Ni(C8N3H7)3]2+阳离子之间通过芳香环的π-π堆积作用连接, 两种[Mo8O26]4-阴离子作为客体共存于一个具有三维蜂窝状的超分子结构中. 同时研究了该化合物对人卵巢癌细胞SK-OV-3、肺癌细胞A549、宫颈癌细胞Hela和乳腺癌细胞MCF-7等细胞的体外抗肿瘤活性. 结果表明, 该化合物对3种不同来源的肿瘤细胞均有一定的增殖抑制作用, 其中对MCF-7细胞的IC50值为6.48 μmol/L, 具有进一步研究的价值.     

γ-旁氏效应及其在立体异构体确定中的应用*

核磁共振碳谱中,碳化学位移受立体结构影响很大。同族原子中,和含相对较小的电负性原子(如Br/I)分子相比,大电负性原子(如F/Cl)会使其相连的α-碳化学位移增大,而β-及γ-碳化学位移更小。多数教材对其解释过于抽象,让学生理解困难。本文通过立体电子效应和位阻效应详细解释了取代基对于β-和γ-碳化学位移的影响。这些影响中,γ-旁氏效应应用最为广泛,常用于确定立体异构体的构型。大电负性原子有助于提高分子中邻位交叉式构象的比例。进而通过空间排斥,使该原子处于γ-位C—H 键的电子云移向碳端,导致σ键中的氢原子去屏蔽而碳原子屏蔽,进而该γ-位C—H键中相应氢化学位移增大,而碳化学位移减小。这种空间排斥更多见于固定环体系,从而可广泛用于立体异构体的结构分析中。此外,还分享了部分文献和本课题组的数据,帮助读者更好地将其运用于教学和科研中。     

让铁器文物与历史说话*——“金属的电化学腐蚀与防护”教学

以铁器文物的防护为背景,在“金属的电化学腐蚀与防护”主题中,尝试将铁器文物与中学化学教学相结合,通过对不同环境中铁器文物腐蚀原理的探究,了解运用化学原理解释铁器文物保护的方法,使学生掌握金属的电化学腐蚀与防护知识,感受化学对人类的影响,促进学生化学学科核心素养的发展。     

一种含氢燃料火焰降温观色筒的设计和应用*

针对酒精灯火焰呈黄色的解释争议进行研究,以降低环境温度和减少氧气浓度为方向,设计了可观察环境温度变化对含氢燃料火焰颜色影响的仪器。对乙醇、丁烷、蜡烛等燃烧火焰进行降温测试,发现含氢燃料正常燃烧火焰颜色一般为黄色、降低环境温度后变为极淡的蓝色(光亮条件下)的规律,证明了燃烧过程中水分子处于激发态是导致火焰颜色由蓝色变为黄色的重要原因,钠元素的焰色反应不是酒精灯火焰呈黄色的唯一原因。对丁烷喷枪火焰颜色的降温测试,意外观察到4种疑似氢原子光谱的可见光谱线,为今后寻找该谱线提供了可借鉴的方向。研究过程可作为基于真实情境的研究素材,通过问题的发现、仪器的改进和规律的总结,提高学生运用化学知识解决真实问题的能力,培养学生的核心素养。     

一种可视化电化学方法测定商业产品中维生素C的含量*

为探索一种便捷、可视化的维生素C含量测定方法,采用新型闭合式双极性电极(BPE)体系,借助普鲁士蓝(PB)电致变色薄膜电极的颜色作为指示信号,通过比色法对商业产品中的维生素C含量进行测定。该实验装置经济简便且可重复使用,实验方法简单易行,电流效率高,结果可靠,具有较强的实用性和推广价值。     

·CO3–在基于太阳光驱动的TiO2-贝壳粉降解盐酸四环素中的作用:降解机理和转化路径(英文)

抗生素的滥用和不当排放对水陆生生态系统造成了严重威胁,在世界各地水环境污染物调研中普遍检测到盐酸四环素的存在.如何解决水体中高稳定、难降解的盐酸四环素污染问题是当前环境领域重点研究的课题之一.在各种去除方法中,利用光化学反应生成活性氧物种如·CO₃^–,·OH,·O₂^–,·SO4–和1O₂等实现对有机污染物的降解在众多研究方法中脱颖而出.·CO₃^–在水体中具有较高的稳态浓度且其对有机物降解具有高选择性.CO₃^2–或HCO₃^–与活性物种如·OH, h+,·O₂^–,·SO4–等反应可以生成·CO₃^–.传统的半导体光催化剂TiO₂在光照下会产生·OH,·O₂^–及h⁺等活性物种,能有效...     

以模型认知素养为导向的电化学模拟题的命制*——以双极膜的应用为例

以双极膜发展进程为线索,以海水淡化、钠碱循环法脱除烟气中的SO₂等现实发展中真实问题为载体,结合中学生的认知能力水平,构建了电化学双极膜认识模型;命制了双极膜及其应用的电化学模拟题,以此测查学生模型认知素养的水平等级。阐述命题策略及过程,提供以模型认知素养为导向的试题命制思路;从模型建构的角度对2020年高考新课标Ⅰ卷第12题进行了评析。     

碳碳偶合反应中间体Li[Cp2Zr(C≡CPh)·(η2∶1,2-PhC2C≡CPh)]的合成和晶体结构

室温下,用Cp2ZrCl2与LiC≡CPh反应,合成了碳碳偶合反应的Zr(Ⅱ)阴离子中间体Li[Cp2Zr(C≡CPh)(η2:1,2-PhC2C≡CPh)].用元素分析、核磁共振谱和红外光谱对配合物进行了表征,配合物的晶体结构分析给出了两个炔烃之间碳碳偶合的证据.用核磁共振谱初步探讨了合成反应机理.     

Ruthenium‐Catalyzed CC Bond Cleavage in Lignin Model Substrates

Ruthenium–triphos complexes exhibited unprecedented catalytic activity and selectivity in the redox‐neutral C? C bond cleavage of the β‐O‐4 lignin linkage of 1,3‐dilignol model compounds. A mechanistic pathway involving a dehydrogenation‐initiated retro‐aldol reaction for the C? C bond cleavage was proposed in line with experimental data and DFT calculations.     

Deacylative Carbon-Carbon Bond Cleavage of Ketone Equivalents: Applications to Radical Carbon-Carbon Bond Formation Reactions

This article describes the synthetic application of ketone-derived oxaziridines as alkyl radical precursors in copper-catalyzed Carbon-Carbon bond formation reactions. Experimental and computational studies indicate a free radical mechanism, where alkyl radicals are efficiently generated via cleavage of a Carbon-Carbon bond of oxaziridines. Acyclic and unstrained cyclic oxaziridines are applicable to the present radical process, allowing for the generation of various alkyl radicals with good functional group compatibility.     

Palladium‐Catalyzed Formal Cross‐Coupling of Diaryl Ethers with Amines: Slicing the 4‐O‐5 Linkage in Lignin Models

Lignin is the second most abundant organic matter on Earth, and is an underutilized renewable source for valuable aromatic chemicals. For future sustainable production of aromatic compounds, it is highly desirable to convert lignin into value‐added platform chemicals instead of using fossil‐based resources. Lignins are aromatic polymers linked by three types of ether bonds (α‐O‐4, β‐O‐4, and 4‐O‐5 linkages) and other C?C bonds. Among the ether bonds, the bond dissociation energy of the 4‐O‐5 linkage is the highest and the most challenging to cleave. To date, 4‐O‐5 ether linkage model compounds have been cleaved to obtain phenol, cyclohexane, cyclohexanone, and cyclohexanol. The first example of direct formal cross‐coupling of diaryl ether 4‐O‐5 linkage models with amines is reported, in which dual C(Ar)?O bond cleavages form valuable nitrogen‐containing derivatives.     

Photocatalytic C−C Bond Cleavage and Amination of Cycloalkanols by Cerium(III) Chloride Complex

A general strategy for the cleavage and amination of C?C bonds of cycloalkanols has been achieved through visible‐light‐induced photoredox catalysis utilizing a cerium(III) chloride complex. This operationally simple methodology has been successfully applied to a wide array of unstrained cyclic alcohols, and represents the first example of catalytic C?C bond cleavage and functionalization of unstrained secondary cycloalkanols.     

季铵盐C—N键断裂构建C—X键的研究进展

胺类种类繁多, 原料易得. 胺类的C—N键键能较大, 一般需要通过活化再进行断裂. 近些年发展了多种氨基的活化方法, 其中把胺类转化为季铵盐的活化方法, 制备容易、存放稳定, 具有一定优势. 最近十年左右, 芳香胺和苄胺衍生的季铵盐通过C—N键断裂、构建各种C—X键的研究取得了巨大的研究进展. 本综述主要论述了最近几年需要和不需要过渡金属催化的季铵盐通过C—N键断裂构建C—X键的反应. 通过C—N键断裂, 季铵盐可以构建C—B键、C—C键、C—N键、C—O键、C—Si键、C—P键、C—S键、C—Se键等, 合成硼酸酯、芳烃、烷烃、醚类、胺类、硅烷、膦、硫醚、二硫化物、硒醚、二硒化物等化合物. 而且, 如果是采用手性苄胺衍生的季铵盐, 还可以得到多种高对映体纯的手性有机化合物; 季铵盐的手性在产物中保持良好, 并且, 对所有反应都发生S_N2型的构型翻转.     

Photochemical Generation of Chiral N,B,X‐Heterocycles by Heteroaromatic C−X Bond Scission (X=S,O) and Boron Insertion

Chiral organoboron compounds with a chelate backbone and mesityl/heterocycle substituents (thienyl, furyl, and derivatives thereof) undergo a quantitative phototransformation that yields rare, chiral N,B,X‐containing heterocycles, such as base‐stabilized 1,2‐thiaborinines and 1,2‐oxaborinines. Boriranes were observed as intermediates in some of these transformations. The oxaborinines display further reactivity, generating 4a,12b‐dihydrobenzo[h][1,2]oxaborinino[4,3‐f]quinolines through a sequential conrotatory electrocyclization and a [1,5]‐H shift. The N,B,X‐containing heterocycles display strong blue‐green to orange‐red emission in the solid state. Combined DFT//CASP2T calculations suggest that a common biradical intermediate is responsible for the formation of these compounds as well as their interconversion.     

Iron‐Catalyzed Radical Cleavage/C−C Bond Formation of Acetal‐Derived Alkylsilyl Peroxides

A novel radical‐based approach for the iron‐catalyzed selective cleavage of acetal‐derived alkylsilyl peroxides, followed by the formation of a carbon–carbon bond is reported. The reaction proceeds under mild reaction conditions and exhibits a broad substrate scope with respect to the acetal moiety and the carbon electrophile. Mechanistic studies suggest that the present reaction proceeds through a free‐radical process involving carbon radicals generated by the homolytic cleavage of a carbon–carbon bond within the acetal moiety. A synthetic application of this method to sugar‐derived alkylsilyl peroxides is also described.