董志強，阮嬋姿，張春艷，易波,?，陳欣,?，陳燁超,?，呂銀云，許振玲，潘蕊，翁玉華，章文偉，任艷平,＊

1廈門大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，化學(xué)國家級實驗教學(xué)示范中心(廈門大學(xué))，福建 廈門 361005

2南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，化學(xué)國家級實驗教學(xué)示范中心(南京大學(xué))，南京 210023

前文[1,2]已經(jīng)介紹了南京大學(xué)為“第10屆全國大學(xué)生化學(xué)實驗邀請賽”設(shè)計的“無機及分析化學(xué)實驗試題”，即“配合物[Ni(Me3en)(acac)]BPh4的合成及其溶劑/熱致變色行為研究”所富有的教學(xué)意義、實驗實施過程、實驗結(jié)果及其拓展問題的探討內(nèi)容，其內(nèi)容概要如圖1。

圖1 “配合物[Ni(Me3en)(acac)]BPh4的合成及其溶劑/熱致變色行為研究”內(nèi)容概要

本文主要介紹有關(guān)配合物[Ni(Me3en)(acac)]BPh4的合成過程優(yōu)化的基本思路及其初步實施結(jié)果等內(nèi)容。不同合成過程及其初步結(jié)果概覽如圖2所示。

圖2 配合物[Ni(Me3en)(acac)]BPh4不同合成過程及其初步結(jié)果概覽

如前[1]所述，配合物[Ni(Me3en)(acac)]BPh4的合成分為兩大步，也稱為“乙醇-二氯甲烷+石油醚兩步法”，即先在乙醇介質(zhì)中，由Ni(NO3)2(競賽題目中強調(diào)“稱量Ni(NO3)2·6H2O時，用濾紙盡可能將其表面水吸干”)與乙酰丙酮(Hacac)和N,N,N’-三甲基乙二胺(Me3en)以及在Na2CO3存在下得到中間產(chǎn)物[Ni(Me3en)(acac)NO3]；再在二氯甲烷介質(zhì)中，由中間產(chǎn)物[Ni(Me3en)(acac)NO3]與NaBPh4反應(yīng)并引入不良溶劑石油醚使目標(biāo)產(chǎn)物[Ni(Me3en)(acac)]BPh4析出，有關(guān)合成反應(yīng)見方程式(1)、(2)和(3)。

在給定的合成原理指導(dǎo)下，已經(jīng)成功得到目標(biāo)產(chǎn)物[1,2]，即實驗事實證明合成原理毋容置疑。根據(jù)所給定的合成條件，如反應(yīng)介質(zhì)和NaBPh4的引入等以及具體實驗過程，結(jié)合所學(xué)的有關(guān)配位化學(xué)基礎(chǔ)理論知識，引導(dǎo)學(xué)生再從理論上分析其合成原理在熱力學(xué)上的可能性和動力學(xué)上的可行性，幫助學(xué)生將所學(xué)理論知識應(yīng)用于實踐，并通過實踐加深對理論知識的理解。

從上述實驗原理分析，加速促使反應(yīng)(3)向右進(jìn)行的因素有以下三個方面：1) 在得到中間產(chǎn)物后，巧妙轉(zhuǎn)換溶劑，即使用“一舉三得”的二氯甲烷作溶劑，既能溶解中間產(chǎn)物，又沒有配位能力，還能將目標(biāo)產(chǎn)物與體系中的雜質(zhì)有效分離；2) 引入本身沒有配位能力，且空間位阻很大的BPh-4阻止了體系中溶劑分子或NO-3配位；3) 更重要的是，對于給定合成體系的Ni2+來說，形成四配位結(jié)構(gòu)的平面正方形配合物比形成六配位八面體結(jié)構(gòu)的配合物能夠獲得更多的晶體場穩(wěn)定化能，因此在BPh-4的驅(qū)動下，中心金屬Ni(II)更趨向于形成配位數(shù)為4的平面正方形結(jié)構(gòu)的配離子[Ni(Me3en)(acac)]+。綜上所述，在同時滿足形成配位數(shù)為4和配位數(shù)為6的Ni(II)鎳配合物的體系中，由于上述三個方面有利因素的共同作用，可以控制體系選擇性地定向形成目標(biāo)產(chǎn)物[Ni(Me3en)(acac)]BPh4。這也是通過控制條件達(dá)到精準(zhǔn)合成的典型實例。這種有關(guān)配合物設(shè)計合成的思想方法也是科研中常常用到的。

但對于配合物[Ni(Me3en)(acac)]BPh4的具體合成過程，還有以下疑問或設(shè)想：

1)在給定的合成步驟中，特別強調(diào)在稱取Ni(NO3)2·6H2O固體之時，要用濾紙盡可能將其表面水吸干，為什么？若合成體系中引入了水，對合成結(jié)果有什么影響？

2) 如上所述，該配合物成功合成的關(guān)鍵步驟是采用了配位能力很弱的二氯甲烷作為反應(yīng)介質(zhì)以及引入了沒有配位能力[3]，且空間位阻很大的BPh-4阻止了體系中溶劑分子或NO-3配位。既然如此，在反應(yīng)物量比都不變的條件下，如果直接在二氯甲烷介質(zhì)中，所有反應(yīng)物都在“一鍋”中反應(yīng)是否可以得到目標(biāo)產(chǎn)物呢？

當(dāng)然，消除這些疑問或證實這些設(shè)想的最好方法還是實驗事實。下面先來探討水對合成結(jié)果的影響。

為了便于學(xué)生直觀認(rèn)識和比較不同合成過程、實驗條件、實驗現(xiàn)象及實驗結(jié)果，文中也比較詳細(xì)地以照片的形式展示了有關(guān)配合物[Ni(Me3en)(acac)]BPh4合成的不同過程，旨在培養(yǎng)學(xué)生的問題意識和批判性思維能力。

1 用水代替乙醇，即“水-二氯甲烷+石油醚兩步法”合成[Ni(Me3en)(acac)]BPh4

首先，我們從理論上分析體系中引入水的幾種可能情況：1) 體系中有Na2CO3存在，若體系中引入的水太多，堿性介質(zhì)可能導(dǎo)致Ni2+水解沉淀，進(jìn)而導(dǎo)致中間產(chǎn)物的純度和產(chǎn)率降低；2) 乙酰丙酮能被水分解為乙酸和丙酮[4]，也同樣導(dǎo)致中間產(chǎn)物的產(chǎn)率降低；3) H2O的配位能力較強，若體系中有大量水存在，導(dǎo)致中間產(chǎn)物可能是有H2O參與配位的配合物[Ni(Me3en)(acac)(H2O)2]NO3，或致使旋蒸除水時間長或難于除盡水而影響后續(xù)實驗效果。

體系中引入水是否對中間產(chǎn)物的形成有影響？

在反應(yīng)原料及其量比和其他合成條件都不變的情況下，僅僅用15 mL純水代替15 mL乙醇，其具體實驗過程及實驗現(xiàn)象如圖3所示。

圖3 “水-二氯甲烷+石油醚兩步法”合成[Ni(Me3en)(acac)]BPh4實驗過程及實驗現(xiàn)象

從圖3可以看出，用水代替乙醇也能成功得到紅色產(chǎn)物，并且表觀上來看，所得產(chǎn)物的產(chǎn)率高、晶態(tài)好、色澤鮮艷，說明了水對中間產(chǎn)物的形成沒有影響，也就是說，Ni(NO3)2·6H2O固體具有很強的吸濕性，所以在稱取Ni(NO3)2·6H2O固體時，用濾紙吸干其表面的水，僅僅就是為了稱取有效量的Ni(NO3)2·6H2O以防影響產(chǎn)率。

有關(guān)合成反應(yīng)見方程式(4)、(5)和(3)。

用水代替乙醇還具有以下優(yōu)點：Na2CO3在水中的溶解度大，有利于Na2CO3與Hacac的反應(yīng)完全，使中間產(chǎn)物的產(chǎn)率可能提高，進(jìn)而提高了目標(biāo)產(chǎn)物的產(chǎn)率。同時，用水代替乙醇，反應(yīng)生成的NaNO3也易溶于水，旋蒸前不需要過濾，溶于水的雜質(zhì)也不影響后續(xù)實驗(其雜質(zhì)能一并在后續(xù)過濾時除去)，避免由于多次過濾分離而造成物料轉(zhuǎn)移的損失，影響目標(biāo)產(chǎn)物的產(chǎn)率。

用水代替乙醇后，由于水的沸點較高，旋蒸除水的時間較長。實驗結(jié)果證實，以水作為介質(zhì)的合成反應(yīng)可以在燒杯中進(jìn)行，反應(yīng)30 min后，可直接加熱蒸發(fā)至近干，得到藍(lán)綠色中間產(chǎn)物。這樣用水代替乙醇，不僅節(jié)約了乙醇，還不需要旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，同時也減少了相當(dāng)量的乙醇廢液的排放；實驗教學(xué)成本降低，在一般的無機及普化實驗室都可以廣泛開展該實驗。

2 二氯甲烷介質(zhì)中“一鍋”法合成[Ni(Me3en)(acac)]BPh4

圖3的合成實驗過程及結(jié)果證明水對配合物的合成不僅沒有影響，而且用水代替乙醇還有上述諸多優(yōu)點。在反應(yīng)物量比都不變的條件下，如果直接在二氯甲烷介質(zhì)中將所有反應(yīng)物都一起加入“一鍋”中反應(yīng)是否可以得到目標(biāo)產(chǎn)物？一起觀察圖4所示的實驗過程及實驗現(xiàn)象。

從圖4可以看出，在二氯甲烷介質(zhì)中，所有反應(yīng)物都放入“一鍋”中反應(yīng)也能成功得到紅色產(chǎn)物，產(chǎn)率較高，且產(chǎn)物的晶態(tài)和色澤都較好。有關(guān)合成反應(yīng)見方程式(6)和(7)。

在這“一鍋”法反應(yīng)合成中，最終只有紅色產(chǎn)物能溶于二氯甲烷，其他雜質(zhì)如生成的NaNO3以及未反應(yīng)完全的Na2CO3和反應(yīng)剩余的NaBPh4都以濾渣形式過濾除去。比較圖4與圖3可以看出，圖4所展示的二氯甲烷介質(zhì)中的“一鍋”法合成反應(yīng)時間短(共需30 min)，且省去了中間產(chǎn)物的過濾分離以及旋蒸等步驟，實驗效率大大提高，同時也減少了過濾等造成物料損失而導(dǎo)致目標(biāo)產(chǎn)物產(chǎn)率降低的幾率。二氯甲烷介質(zhì)中“一鍋”法合成[Ni(Me3en)(acac)]BPh4，還省去了15 mL乙醇或純水溶解Ni(NO3)2，不需要旋蒸分離，也就不需要旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，實驗成本也降低了，同時也減少了廢液的排放，在一般無機或普化實驗室都可以同時安排多人同時開展實驗教學(xué)，并使學(xué)生有更充足時間試驗產(chǎn)物的溶劑/熱致變色性質(zhì)和探討其變色機理。

通過實驗證實：1) 水對中間產(chǎn)物的形成沒有影響；2) 也能在二氯甲烷介質(zhì)中“一鍋”法合成得到紅色產(chǎn)物。但上述目標(biāo)產(chǎn)物合成及其后處理過程都要用到二氯甲烷、石油醚等有機溶劑(每個學(xué)生完成實驗要用近30 mL二氯甲烷和30 mL石油醚)，這兩種溶劑都有刺激性氣味，且沸點還比較低，需要在通風(fēng)櫥中操作，同時排放大量有機廢液，存在環(huán)保問題和安全隱患，不符合綠色、環(huán)保的實驗要求。

如上所述，通過采用沒有配位能力的二氯甲烷作為反應(yīng)介質(zhì)，以及引入沒有配位能力且空間位阻很大的過量控制配位數(shù)為4的平面正方形結(jié)構(gòu)的配合物[Ni(Me3en)(acac)]BPh4的形成，并借助目標(biāo)產(chǎn)物溶于二氯甲烷，而體系中生成的雜質(zhì)NaNO3和反應(yīng)剩余的NaBPh4都不溶于二氯甲烷，將產(chǎn)物與雜質(zhì)有效分離。那么，沒有配位能力的二氯甲烷是否是必要條件？如果僅從分離的角度來說，鑒于產(chǎn)物難溶于水，而雜質(zhì)NaNO3等易溶于水，從理論上來說在以水作為介質(zhì)的“一鍋”反應(yīng)也可以得到目標(biāo)產(chǎn)物。能否用水代替圖4中的二氯甲烷而實現(xiàn)“一鍋”法反應(yīng)合成目標(biāo)產(chǎn)物，還是通過實驗來證實。

3 以水作為介質(zhì)的“一鍋”法合成[Ni(Me3en)(acac)]BPh4

在反應(yīng)物量比都不變的條件下，直接以水作為介質(zhì)，將所有反應(yīng)物都一起加入“一鍋”中反應(yīng)，具體實驗過程及實驗現(xiàn)象如圖5所示。

圖5 以水作為介質(zhì)的“一鍋”法合成[Ni(Me3en)(acac)]BPh4實驗過程及實驗現(xiàn)象

從圖5可以看出，以水作為介質(zhì)，所有反應(yīng)物都放入“一鍋”中反應(yīng)也能順利得到紅色產(chǎn)物，且產(chǎn)率較高，但產(chǎn)物的晶態(tài)和色澤較差，這可能與結(jié)晶溶劑及過程有關(guān)[5]。有關(guān)合成反應(yīng)見方程式(8)和(9)。

從圖5也可以看出，以水作為介質(zhì)的“一鍋”法合成反應(yīng)時間短；借助產(chǎn)物難溶于水的性質(zhì)，巧妙將產(chǎn)物與易溶于水的雜質(zhì)如NaNO3以及未反應(yīng)完全的Na2CO3和NaBPh4分離，產(chǎn)物合成及其后處理過程都不用有機溶劑，實現(xiàn)綠色化合成，同時實驗過程也大大簡化。以水作為介質(zhì)的“一鍋”法反應(yīng)合成得到紅色產(chǎn)物，進(jìn)一步說明圖3和圖4中用到二氯甲烷的作用主要是溶解中間產(chǎn)物以及分離目標(biāo)產(chǎn)物與雜質(zhì)。

4 以乙醇作為介質(zhì)的“一鍋”法合成[Ni(Me3en)(acac)]BPh4

既然用水代替圖4中的二氯甲烷的“一鍋”法反應(yīng)也能順利得到目標(biāo)產(chǎn)物，并能將產(chǎn)物與雜質(zhì)有效分離。想必用乙醇代替圖4中的二氯甲烷也能實現(xiàn)“一鍋”法反應(yīng)合成目標(biāo)產(chǎn)物，其具體實驗過程及實驗現(xiàn)象如圖6所示。

圖6 以乙醇作為介質(zhì)的“一鍋”法合成[Ni(Me3en)(acac)]BPh4實驗過程及實驗現(xiàn)象

從圖6可以看出，以乙醇作為介質(zhì)，所有反應(yīng)物都放入“一鍋”中反應(yīng)也能順利得到紅色產(chǎn)物，產(chǎn)率也較高，但產(chǎn)物的晶體細(xì)小、色澤也較差，這可能與結(jié)晶溶劑及過程有關(guān)[5]。有關(guān)合成反應(yīng)見方程式(10)和(11)。

比較圖6與圖5所示的以乙醇和水作為介質(zhì)的“一鍋”法反應(yīng)合成過程，由于產(chǎn)物(微溶于乙醇)及雜質(zhì)如NaNO3以及未反應(yīng)完全的Na2CO3都難溶于乙醇，需要用水溶去雜質(zhì)而達(dá)到分離目的，合成過程除用乙醇外也不用其他有機溶劑，基本實現(xiàn)綠色化合成；從圖6可以看出，第一次抽濾所得濾液為綠色(與目標(biāo)產(chǎn)物微溶于乙醇所得溶液的顏色一致，如圖6中比色管中溶液顏色)，將濾液蒸干得到紅色固體，說明目標(biāo)產(chǎn)物微溶于乙醇并發(fā)生顏色變化[2]。

以水和以乙醇作為介質(zhì)的“一鍋”法反應(yīng)合成都能成功得到紅色產(chǎn)物，進(jìn)一步說明了目標(biāo)產(chǎn)物的形成主要是由沒有配位能力且空間位阻很大的BPh-4控制導(dǎo)向的，與上述所選用的溶劑沒有關(guān)系。既然如此，能否用固相法合成配合物[Ni(Me3en)(acac)]BPh4？來看圖7所示的具體實驗過程。

5 固相法合成[Ni(Me3en)(acac)]BPh4

在反應(yīng)物量比都不變的條件下，將所有反應(yīng)物都一起加入研缽中，稍加研磨體系就由藍(lán)綠色變?yōu)榧t色。具體實驗過程及實驗現(xiàn)象如圖7所示,有關(guān)合成反應(yīng)見方程式(12)和(13)。

從圖7可以看出，將所有反應(yīng)物按照所給量比關(guān)系在室溫下混合，稍加研磨體系就由藍(lán)綠色變?yōu)榧t色，說明由BPh-4誘導(dǎo)的平面正方形結(jié)構(gòu)的配合物合成反應(yīng)是非?？焖俚?。固相法合成過程及其后處理操作簡單、方便，實驗過程安全、綠色、環(huán)保，且實驗成本低。但研磨破壞了產(chǎn)物的晶態(tài)，所以表觀上看，產(chǎn)物的晶態(tài)和顏色都不好。如果僅需要研究產(chǎn)物的溶劑/熱致變色性質(zhì)時，可以通過這種捷徑來合成目標(biāo)產(chǎn)物，也借機讓學(xué)生了解和學(xué)習(xí)固相合成法[6]。

6 不同合成過程所得產(chǎn)物在二氯甲烷、乙腈中的顏色及其紫外-可見吸收光譜

為了初步證明優(yōu)化合成過程前后所得產(chǎn)物的一致性，分別以二氯甲烷和乙腈為溶劑，配制濃度分別為1 mg·mL-1和15 mg·mL-1的不同合成過程所得產(chǎn)物溶液各10 mL，其溶液顏色以及分別以二氯甲烷和乙腈溶劑作為參比的UV-Vis吸收光譜如圖8所示。

圖8 不同合成過程所得產(chǎn)物在二氯甲烷、乙腈中的顏色及其UV-Vis吸收光譜

從圖8可以看出，不同合成過程所得產(chǎn)物在二氯甲烷和乙腈中的顏色及其最大吸收波長基本一致，這也初步證明了各產(chǎn)物的組成與結(jié)構(gòu)基本一致，說明不管是哪種形式的“一鍋”或固相反應(yīng)，同時滿足形成配位數(shù)為6和配位數(shù)為4的配合物的條件時，最終都選擇性地定向形成配位數(shù)為4的平面正方形結(jié)構(gòu)的配合物，進(jìn)一步說明是控制定向形成配位數(shù)為4的平面正方形結(jié)構(gòu)的配合物[Ni(Me3en)(acac)]BPh4的絕對因素。

7 結(jié)語

通過實驗證實，以水或乙醇為介質(zhì)或通過固相法合成都能得到目標(biāo)產(chǎn)物，說明給定的體系盡管同時滿足形成配位數(shù)為6和配位數(shù)為4的配合物的形成條件，但由于具有極大的空間位阻和極弱的配位能力BPh-4的存在，促使反應(yīng)選擇性地定向生成配位數(shù)為4 的平面正方形結(jié)構(gòu)的[Ni(Me3en)(acac)]BPh4配合物。以水為介質(zhì)或固相法合成目標(biāo)產(chǎn)物，其合成過程簡單，不用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀；全程也不用其他有機溶劑，從源頭上控制了有機溶劑的使用，符合綠色、環(huán)保實驗要求，使該實驗項目更具普適性和推廣性。

當(dāng)然，作為教學(xué)實驗項目，并不是實驗過程越簡單就越好，因為實驗過程既要承載對學(xué)生“三基”(基礎(chǔ)理論知識、基本思想方法、基本實驗技能)和“雙意識”(安全意思、環(huán)保意識)的教育和培養(yǎng)，更要承載對學(xué)生思維和研究能力的培養(yǎng)，要在實驗教學(xué)過程中不斷拋給學(xué)生需要思考和解決的問題。對于涉及安全、環(huán)保問題的實驗項目，有必要課后引導(dǎo)學(xué)生去分析和探討改進(jìn)或優(yōu)化實驗條件或?qū)嶒炦^程的思路和方法，并指導(dǎo)學(xué)生付諸于實踐，讓學(xué)生通過實驗過程和結(jié)果分析、比較和判斷改進(jìn)或優(yōu)化思路和方法的科學(xué)性和可行性，培養(yǎng)學(xué)生的分析、認(rèn)識和判斷的能力以及洞察力和創(chuàng)新能力。

另外，基于配合物[Ni(Me3en)(acac)]BPh4其溶劑/熱致變色效應(yīng)，將它與具有層狀結(jié)構(gòu)的SAP(saponite，皂石)或高分子聚合物Nafion (一種全氟磺酸聚合物)等材料混合，并經(jīng)適當(dāng)處理，可以制得有機溶劑識別材料(固體顆粒物或薄膜)。對于這樣有潛在用途的化合物，要產(chǎn)生良好的社會效益和經(jīng)濟效益，就要讓學(xué)生知道其合成過程應(yīng)是安全、環(huán)保、低廉、高效、快捷的。

總的來說，只有對整個實驗原理、實驗條件理解到位，才能對原合成過程提出問題，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)思考合成過程優(yōu)化的思路，即從哪幾方面思考優(yōu)化，選擇或優(yōu)化合成條件的依據(jù)是什么等；合成產(chǎn)品，還需要引導(dǎo)學(xué)生從哪些方面判斷其經(jīng)濟效益和社會效益。針對原合成實驗條件或過程中存在的不足進(jìn)行優(yōu)化或改進(jìn)的過程，其實就是一個發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、分析問題和解決問題的過程，對培養(yǎng)學(xué)生的問題意識和好奇心具有重要作用。

鑒于本文篇幅所限，有關(guān)配合物[Ni(Me3en)(acac)]BPh4的合成過程的進(jìn)一步優(yōu)化條件、結(jié)果比較以及改進(jìn)后的實驗項目及其教學(xué)意義見后續(xù)報道。