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（郑州大学 化学与分子工程学院，河南 郑州 450001）
摘 要：介绍一个有机化学综合设计实验。该实验以廉价的L-叔亮氨酸为原料，通过碘催化、硼氢化钠还原，得到L-叔亮氨醇，并通过红外光谱、核磁共振氢谱对反应产物进行初步的结构鉴定，通过和反应原料图谱的对比，使学生通过实际例子，进一步巩固有机基础课所学的波谱理论知识。这种理论和实践相结合的试验，能激发学生学习的兴趣，提高实验操作技能，进一步提高实验综合能力和创新能力。要求学生根据实验结果和文献调研，提出该反应合理的反应机理。
关键词：综合性实验；L-叔亮氨醇；手性化合物；催化；还原
中图分类号：O6-3 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2016）08-0074-02
Abstract： In this work， an experiment of synthesis and characterization of L-tert-Leucinol is introduced to the comprehensive chemistry laboratory. The synthesis of L-tert-Leucinol is easily done staring from commercially available L-2-Amino-3，3-dimethylbutanoic acid using sodium borohydride and iodine in THF. The product is characterized by 1H NMR and IR spectra， which not only enhance the students' enthusiasm， but also consolidate the basis of theoretical knowledge and improve their experimental skills.
Keywords： comprehensive chemistry laboratory； L-tert-Leucinol； Chiral Compounds； catalysis； reduction
综合设计性试验是本科教学的重要组成部分，是基础化学实验和研究生科学研究之间的桥梁，是培养学生创新思维的重要手段。学生经过了基础化学理论课的系统学习和实验课的基本操作训练，已经初步掌握了理论课的基础知识和实验课的基本操作技能，但是还没有将各种实验技能、方法有机的和理论知识相结合的能力，创新意识和创新能力也不够，通过综合化学实验，学生可以运用所学的理论知识，结合实际，从查阅文献，设计实验方案着手，进行系统、完整的实验操作，再到书写研究论文等方面可以得到全面的训练，从而帮助学生巩固已掌握的化学理论知识和实验基本技能，使学生初步建立起科学研究的思维方式。所以综合设计性试验对培养大学生的创新思维能力起着非常重要的作用。目前，有很多高校的化学专业在基础化学实验的教学基础上，设计了一些自主创新型的综合化学教学项目，为培养高层次的化学人才搭建了一个很好的平台。
手性是自然界与生命休戚相关的基本属性之一。近年来，人们對单一手性化合物及手性功能材料的需求推动了手性科学的蓬勃发展，手性物质的合成与医药、农药、精细化工和材料科学的密切关系也显示出重要的应用前景。鉴于对光学纯手性化合物的需求量正日益增加，我们结合自己的科研工作，选择设计了一个有教学意义、涉及科學前沿的、难度适宜的课题——手型氨基醇的合成与表征，作为综合设计型实验之一，已对我校的有机化学专业的本科生开设一年。通过“设计——合成——表征”的实验过程，让学生了解科学研究工作的基本思路，通过设计实验方案、解决实验过程中遇到的实际问题，培养学生科学研究的自主性。该实验既反映了科学研究的最新进展，而且涵盖的知识点和技术点较多，涉及到有机化学的还原、催化、波谱学等课程知识，实验的实用性和可操作性较强，学生的学习兴趣浓，有利于培养学生的实验创新能力。该实验可安排学生在两周内完成。进行有机合成，结构的表征以及有关反应机理等综合训练。
一、仪器与实验药品
1. 仪器：三口烧瓶（250mL），圆底烧瓶（100mL），冷凝管（球型，直型），量筒，蒸馏头，尾接管，温度计，温度计套管，滴液漏斗，分液漏斗，玻璃漏斗，磁力搅拌器等；红外图谱仪（IR）；核磁共振波谱仪（NMR）。
2. 药品：L-叔亮氨酸，2.50g（19.1mmol），硼氢化钠，1.74g （46.0mmol），碘，4.85g（19.1mmol），四氢呋喃，80mL，甲醇，20%氢氧化钠水溶液，二氯甲烷，75mL，无水硫酸镁。
二、实验目的
1. 按实验要求合成L-叔亮氨醇。
2. 利用红外吸收光谱，核磁共振氢谱等手段对所合成的化合物进行结构的初步判断，并和反应原料的图谱对比，从而掌握红外吸收光谱，核磁共振氢谱在有机合成中的应用。
3. 从实践和理论上探讨碘在该还原反应中的催化机理。
三、提示
碘的加入需控制速度，防止冲料；二氯甲烷有毒，请注意安全，尽量避免与皮肤接触。请以L-valinol的制备方法为模版，设计并制备标题化合物。
L-tert-leucinol（white solid， mp 30℃， bp 90/0.2 mm， 117-
120℃/57 mm）
四、实验内容
（一）实验前准备
要求学生通过化学专业数据库查阅相关文献，并给出以下材料：1. 合成L-叔丁基氨基醇的方法；2. 设计实验方案的初稿。
（二）L-tert-leucinol的制备 文献报道L-valinol的制备方法（见辅助英文材料），标题化合物可以按照雷同方法制备。请同学们按以上所给原料及用量，结合辅助材料设计相应实验步骤，制备标题化合物。
（三）产物的红外光谱解析
产物的红外图谱可进一步揭示分子的结构特征。测试波数范围4000～400cm-1，分别测定L-叔亮氨酸，L-叔亮氨醇的红外吸收光谱。数据如下：
L-叔亮氨酸：IR（KBr） 3041， 3009， 2966， 2875， 1624， 1605， 1531， 1481， 1404， 1394， 1371， 1138， 1122， 1067， 1029， 939， 681 cm-1；
L-叔亮氨醇：IR （KBr） 3420， 3009，2970， 2880， 1585， 1480， 1420， 1400， 1370， 1350， 1135， 1105， 1040，1020， 985， 940， 920 cm-1.
（四）产物的核磁图谱解析
分别以D2O，CDCl3为溶剂，对L-叔亮氨酸，L-叔亮氨醇的核磁共振氢谱分析，产物的结构得到了进一步证实。数据如下：
L-叔亮氨酸：1H NMR（400 MHz，D2O）d 3.24（s，1H）， 0.93（s，9H）；L-叔丁基氨基醇：1H NMR （400 MHz， CDCl3） 3.73（dd， 1H， J 10.3， 3.8 Hz），3.21 （t，1H， J 10.3 Hz）， 2.51（dd
，1H， J 10.3， 3.8 Hz）， 1.86 （br s， 3H）， 0.94 （s， 9H）。
五、實验结果与讨论
从L-叔亮氨酸和L-叔亮氨醇的红外图谱可以看出，羧基被还原成羟基后，其红外吸收1624cm-1（羧基吸收峰）消失；而1H NMR图谱中，羧基被还原成羟基，其图谱发生了明显的变化。
六、思考题
总结归纳硼氢化钠的还原性，本实验得以实现的原因何在？实验中加入碘的作用是什么？
附：Preparation of L - valinol
A 250 mL three-neck round-bottom flask was fitted with a magnetic stirrer， a reflux condenser， and an addition funnel. The flask was charged with 1.74g（46.0 mmol）sodium borohydri
de and 60 mL of THF. L-valine 2.24 g（19.1 mmol）was added in one portion. The flask was cooled to 0-4℃ in an ice bath.A solution of 4.85g（19.1 mmol）of iodine dissolved in 20 mL of THF was poured into the addition funnel and added slowly and dropwise over 15 min resulting in vigorous evolution of hydrogen. After addition of the iodine was complete and gas evolution had ceased，the flask was heated to reflux for 1.5h and then cooled to room temperature， and methanol wasadded cautiously until the mixture became clear. After stirring 10 min，the solvent was removed by evaporation leaving a white paste which was dissolved by addition of 40mL of 20% aqueous NaOH. The solution was stirred for 0.5h and extracted with 3×25mL of methylene chloride. The organic extracts were dried over sodium sulfate and concentrated in vacuo， affording
a white semisolid（100%）which was bulb-to-bulb distilled to yi
eld 1.85g（94% as a colorless solid： mp 32℃， bp75℃/6mm， lit
.8℃/8mm）.
参考文献
[1]张慧，曹卫国，丁益民，等.大学化学[J].2011，26（3）：54.
[2]王华英，徐家宁，魏士刚，等.实验室研究与探索[J].2008，7（9）：7.
[3]付川，蔡谊敏，刘艳，等.大学化学[J].2008，23（6）：43.
[4]孟庆民，刘百军.大学化学[J].2008，23（6）：47.
[5]李巧云，杨高文.大学化学[J].2011，26（2）：60.
[6]Xin-Qi Hao， Jun-Feng Gong， Chen-Xia Du， et al. Tetrahedron Lett[J]. 2006，47：5033.
基金项目：河南省高等学校教学团队建设项目（教高〔2015〕929号），郑州大学校级教学改革研究項目（校教务〔2014〕5号）
作者简介：郝新奇（1978-），男，汉族，河南叶县人，副教授，博士，研究方向：金属有机材料化学。
赵雪梅（1969-），女，汉族，河南商丘人，副教授，博士，研究方向：金属有机化学。
杨贯羽（1963-），男，汉族，河南汝州人，教授，博士，研究方向：教学管理。
宋毛平（1957-），男，汉族，河南南乐人，教授，博士，研究方向：金属有机化学与不对称催化。
摘 要：介绍一个有机化学综合设计实验。该实验以廉价的L-叔亮氨酸为原料，通过碘催化、硼氢化钠还原，得到L-叔亮氨醇，并通过红外光谱、核磁共振氢谱对反应产物进行初步的结构鉴定，通过和反应原料图谱的对比，使学生通过实际例子，进一步巩固有机基础课所学的波谱理论知识。这种理论和实践相结合的试验，能激发学生学习的兴趣，提高实验操作技能，进一步提高实验综合能力和创新能力。要求学生根据实验结果和文献调研，提出该反应合理的反应机理。
关键词：综合性实验；L-叔亮氨醇；手性化合物；催化；还原
中图分类号：O6-3 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2016）08-0074-02
Abstract： In this work， an experiment of synthesis and characterization of L-tert-Leucinol is introduced to the comprehensive chemistry laboratory. The synthesis of L-tert-Leucinol is easily done staring from commercially available L-2-Amino-3，3-dimethylbutanoic acid using sodium borohydride and iodine in THF. The product is characterized by 1H NMR and IR spectra， which not only enhance the students' enthusiasm， but also consolidate the basis of theoretical knowledge and improve their experimental skills.
Keywords： comprehensive chemistry laboratory； L-tert-Leucinol； Chiral Compounds； catalysis； reduction
综合设计性试验是本科教学的重要组成部分，是基础化学实验和研究生科学研究之间的桥梁，是培养学生创新思维的重要手段。学生经过了基础化学理论课的系统学习和实验课的基本操作训练，已经初步掌握了理论课的基础知识和实验课的基本操作技能，但是还没有将各种实验技能、方法有机的和理论知识相结合的能力，创新意识和创新能力也不够，通过综合化学实验，学生可以运用所学的理论知识，结合实际，从查阅文献，设计实验方案着手，进行系统、完整的实验操作，再到书写研究论文等方面可以得到全面的训练，从而帮助学生巩固已掌握的化学理论知识和实验基本技能，使学生初步建立起科学研究的思维方式。所以综合设计性试验对培养大学生的创新思维能力起着非常重要的作用。目前，有很多高校的化学专业在基础化学实验的教学基础上，设计了一些自主创新型的综合化学教学项目，为培养高层次的化学人才搭建了一个很好的平台。
手性是自然界与生命休戚相关的基本属性之一。近年来，人们對单一手性化合物及手性功能材料的需求推动了手性科学的蓬勃发展，手性物质的合成与医药、农药、精细化工和材料科学的密切关系也显示出重要的应用前景。鉴于对光学纯手性化合物的需求量正日益增加，我们结合自己的科研工作，选择设计了一个有教学意义、涉及科學前沿的、难度适宜的课题——手型氨基醇的合成与表征，作为综合设计型实验之一，已对我校的有机化学专业的本科生开设一年。通过“设计——合成——表征”的实验过程，让学生了解科学研究工作的基本思路，通过设计实验方案、解决实验过程中遇到的实际问题，培养学生科学研究的自主性。该实验既反映了科学研究的最新进展，而且涵盖的知识点和技术点较多，涉及到有机化学的还原、催化、波谱学等课程知识，实验的实用性和可操作性较强，学生的学习兴趣浓，有利于培养学生的实验创新能力。该实验可安排学生在两周内完成。进行有机合成，结构的表征以及有关反应机理等综合训练。
一、仪器与实验药品
1. 仪器：三口烧瓶（250mL），圆底烧瓶（100mL），冷凝管（球型，直型），量筒，蒸馏头，尾接管，温度计，温度计套管，滴液漏斗，分液漏斗，玻璃漏斗，磁力搅拌器等；红外图谱仪（IR）；核磁共振波谱仪（NMR）。
2. 药品：L-叔亮氨酸，2.50g（19.1mmol），硼氢化钠，1.74g （46.0mmol），碘，4.85g（19.1mmol），四氢呋喃，80mL，甲醇，20%氢氧化钠水溶液，二氯甲烷，75mL，无水硫酸镁。
二、实验目的
1. 按实验要求合成L-叔亮氨醇。
2. 利用红外吸收光谱，核磁共振氢谱等手段对所合成的化合物进行结构的初步判断，并和反应原料的图谱对比，从而掌握红外吸收光谱，核磁共振氢谱在有机合成中的应用。
3. 从实践和理论上探讨碘在该还原反应中的催化机理。
三、提示
碘的加入需控制速度，防止冲料；二氯甲烷有毒，请注意安全，尽量避免与皮肤接触。请以L-valinol的制备方法为模版，设计并制备标题化合物。
L-tert-leucinol（white solid， mp 30℃， bp 90/0.2 mm， 117-
120℃/57 mm）
四、实验内容
（一）实验前准备
要求学生通过化学专业数据库查阅相关文献，并给出以下材料：1. 合成L-叔丁基氨基醇的方法；2. 设计实验方案的初稿。
（二）L-tert-leucinol的制备 文献报道L-valinol的制备方法（见辅助英文材料），标题化合物可以按照雷同方法制备。请同学们按以上所给原料及用量，结合辅助材料设计相应实验步骤，制备标题化合物。
（三）产物的红外光谱解析
产物的红外图谱可进一步揭示分子的结构特征。测试波数范围4000～400cm-1，分别测定L-叔亮氨酸，L-叔亮氨醇的红外吸收光谱。数据如下：
L-叔亮氨酸：IR（KBr） 3041， 3009， 2966， 2875， 1624， 1605， 1531， 1481， 1404， 1394， 1371， 1138， 1122， 1067， 1029， 939， 681 cm-1；
L-叔亮氨醇：IR （KBr） 3420， 3009，2970， 2880， 1585， 1480， 1420， 1400， 1370， 1350， 1135， 1105， 1040，1020， 985， 940， 920 cm-1.
（四）产物的核磁图谱解析
分别以D2O，CDCl3为溶剂，对L-叔亮氨酸，L-叔亮氨醇的核磁共振氢谱分析，产物的结构得到了进一步证实。数据如下：
L-叔亮氨酸：1H NMR（400 MHz，D2O）d 3.24（s，1H）， 0.93（s，9H）；L-叔丁基氨基醇：1H NMR （400 MHz， CDCl3） 3.73（dd， 1H， J 10.3， 3.8 Hz），3.21 （t，1H， J 10.3 Hz）， 2.51（dd
，1H， J 10.3， 3.8 Hz）， 1.86 （br s， 3H）， 0.94 （s， 9H）。
五、實验结果与讨论
从L-叔亮氨酸和L-叔亮氨醇的红外图谱可以看出，羧基被还原成羟基后，其红外吸收1624cm-1（羧基吸收峰）消失；而1H NMR图谱中，羧基被还原成羟基，其图谱发生了明显的变化。
六、思考题
总结归纳硼氢化钠的还原性，本实验得以实现的原因何在？实验中加入碘的作用是什么？
附：Preparation of L - valinol
A 250 mL three-neck round-bottom flask was fitted with a magnetic stirrer， a reflux condenser， and an addition funnel. The flask was charged with 1.74g（46.0 mmol）sodium borohydri
de and 60 mL of THF. L-valine 2.24 g（19.1 mmol）was added in one portion. The flask was cooled to 0-4℃ in an ice bath.A solution of 4.85g（19.1 mmol）of iodine dissolved in 20 mL of THF was poured into the addition funnel and added slowly and dropwise over 15 min resulting in vigorous evolution of hydrogen. After addition of the iodine was complete and gas evolution had ceased，the flask was heated to reflux for 1.5h and then cooled to room temperature， and methanol wasadded cautiously until the mixture became clear. After stirring 10 min，the solvent was removed by evaporation leaving a white paste which was dissolved by addition of 40mL of 20% aqueous NaOH. The solution was stirred for 0.5h and extracted with 3×25mL of methylene chloride. The organic extracts were dried over sodium sulfate and concentrated in vacuo， affording
a white semisolid（100%）which was bulb-to-bulb distilled to yi
eld 1.85g（94% as a colorless solid： mp 32℃， bp75℃/6mm， lit
.8℃/8mm）.
参考文献
[1]张慧，曹卫国，丁益民，等.大学化学[J].2011，26（3）：54.
[2]王华英，徐家宁，魏士刚，等.实验室研究与探索[J].2008，7（9）：7.
[3]付川，蔡谊敏，刘艳，等.大学化学[J].2008，23（6）：43.
[4]孟庆民，刘百军.大学化学[J].2008，23（6）：47.
[5]李巧云，杨高文.大学化学[J].2011，26（2）：60.
[6]Xin-Qi Hao， Jun-Feng Gong， Chen-Xia Du， et al. Tetrahedron Lett[J]. 2006，47：5033.
基金项目：河南省高等学校教学团队建设项目（教高〔2015〕929号），郑州大学校级教学改革研究項目（校教务〔2014〕5号）
作者简介：郝新奇（1978-），男，汉族，河南叶县人，副教授，博士，研究方向：金属有机材料化学。
赵雪梅（1969-），女，汉族，河南商丘人，副教授，博士，研究方向：金属有机化学。
杨贯羽（1963-），男，汉族，河南汝州人，教授，博士，研究方向：教学管理。
宋毛平（1957-），男，汉族，河南南乐人，教授，博士，研究方向：金属有机化学与不对称催化。