前言：寻找写作灵感？中文期刊网用心挑选的生物专业亲核取代反应的实验课程设计，希望能为您的阅读和创作带来灵感，欢迎大家阅读并分享。
[摘要]以“亲核取代反应在大豆蛋白复合水凝胶制备中的应用”为例，将有机化学中“亲核取代反应”应用到实际材料的制备过程，同时联系生物、食品、环境以及材料等学院学生的专业背景，采用天然生物高分子大豆分离蛋白为原料来进行实验课程设计。实验强化了“绿色化学”概念，一方面促进了理论与实践间的联系，另一方面实现了有机化学与生物科学领域理论与实践上的双向交叉融合。实验旨在鼓励学生打破单一学科理论学习的固式思维，在实验过程中体会“学做相结合，学科两交融”的重要意义，同时锻炼学生的实验操作技能和基本的科研思维，提高学生的实践能力。
[关键词]有机化学实验；亲核取代；交叉融合教学；大豆蛋白；课程设计
《有机化学》是一门理论性强，实践度高的基础学科，随着科技的发展，目前已经渗透到生命、材料、环境、能源、信息等多学科领域[1]，因此在本科阶段的学习中，不仅化学专业的学生需要熟练掌握、深入理解有机化学课本中的物质性质及反应原理，生物、食品、环境、材料等相关学科也应该熟练掌握这些内容。2019年8月8日，教育部、财政部、国家发改委三部委联合印发《关于高等学校加快“双一流”建设的指导意见》，意见更是强调促进学科交叉融合，加强急需学科专业人才培养。强调构建协调可持续发展的学科体系，打破传统学科之间的壁垒，以“双一流”建设学科为核心，以优势特色学科为主体，以相关学科为支撑，整合相关传统学科资源，促进基础学科、应用学科交叉融合，在前沿学科和交叉学科领域培植新的学科生长点。有机化学是生命科学的基础，有机化合物是构成生物体的主要物质，生物体中各种有机化合物的结构、性质以及它们在生物体内的的合成、分解、转化、代谢无不以有机化学为基础。但在有机化学与生物等相关学科领域融合教学过程中，主要存在以下问题：首先是教学模式单一，在传统的教学模式中，教师一般以课堂讲授为主，但是，有机化学知识点多、前后联系紧密，课堂节奏较快，大部分学生在课堂上显得力不从心，逐渐弱化自主参与学习的程度；其次是授课内容倾向于有机化合物的结构、命名、物化性质等，与实践层面的结合相对较少[2-4]。最后是与专业结合度不够，一方面，除了化学本专业的学生，生物、食品、环境以及材料的学生潜意识地认为有机化学是边缘专业，从而对这门学科的学习产生懈怠。另外一方面，教师在教学过程中没有针对性地联系学生专业背景讲解知识点，难以体会有机化学在本专业的应用，所以这就引起学生对本门课程的不重视，没兴趣，导致教师的教学质量难以提升因此，针对这些这些问题，本文提出了有机化学与生物相关专业交叉融合的实验课程设计，探索“理论+实验+学科”三位一体的教学模式。作为天然生物分子与有机合成的交叉领域—生物材料，因其具有生物安全、高效、廉价、易降解等优点，已成为近年来的研究热点。其中，天然蛋白质就是其中的一员，大豆分离蛋白(SPI)是大豆的重要组分，含有多种活性侧链基团如氨基(-NH2)、羧基(-COOH)、羟基(-OH)和巯基(-SH)，不仅来源丰富、价格低廉、营养价值高，而且具有可降解、生物相容、热稳定、无污染、绿色环保等优良性能，因而具有很好的应用与发展前景。因此，选择大豆分离蛋白作为实验的主要原料，通过实验课程设计，充分发挥了有机与生物相关专业的学科特点，将有机化学实验“亲核取代”融入到蛋白质材料的制备中去，并将研究重点放在两者交叉领域，既有针对性地提升生物、食品、环境以及材料等专业学生对有机化学的学习兴趣，又可以通过实践大大提升每位同学的参与度，进一步加深学生对该反应机理的理解。
1实验设计
大豆分离蛋白富含胺基，实验设计以大豆分离蛋白中的胺基为亲核基团，硅烷偶联剂中环氧基团为底物，通过胺基与环氧基团的亲核取代反应实现蛋白与硅烷偶联剂的交联[5]，进而形成水凝胶—一种软物质材料。通过实验引导学生思考以下几个问题：
(1)实验开始之前，充分利用当前阶段所掌握的定量分析方法如滴定法、紫外分光光度法、气质连用法等来确定硅烷偶联剂的加入范围；
(2)实验过程中，注意总结有可能导致实验不成功的因素，待验结束后进行分享；
(3)样品制备完成之后，对其进行冷冻干燥后进行红外测试，根据所得谱图推断生成的特殊官能团和特殊氢原子的存在；
(4)指导学生开展水凝胶的体外降解实验，间隔一定时间后详细记录水凝胶失重数据和具体时间，根据降解结果，及时为学生在研究过程中树立“绿色合成”观念；根据测定结果，启发学生结合有机化学知识与生物专业知识背景，反推向推导实验过程中有可能影响材料形貌和性能的潜在因素如蛋白质分子的结构与官能团数目、反应温度、反应时间、反应的pH环境、整个实验的工艺流程等。实验结束后鼓励学生根据以上分析过程提出各自的改进方案。学生在探索条件的同时，体会实验方案中各个变量对结果的影响，培养学生严谨细致、求真务实的科研素质和逆向推导的科研思维。促进学生对亲核取代反应的进一步理解，引导学生体会有机反应机理对于开发新产品的重要意义，进一步地，对于推动社会进步，改变人类生活有着巨大的影响，提升学生对该学科的求知欲和好奇心。
2实验原理
大豆分离蛋白中含有多种氨基酸，其中谷氨酰胺、天冬酰胺、赖氨酸、精氨酸含有胺基，该实验就是利用该官能团进行反应，由于胺基上的氮原子具有孤对电子，在弱碱性条件下，可以作为亲核基团进攻硅烷偶联剂KH560中环氧基团上位阻较小的碳原子，发生开环反应，形成新的化学键—碳氮键，从而实现蛋白与硅烷偶联剂的交联。
3实验内容
3.1大豆蛋白复合水凝胶的制备
称取1.20gSPI粉末于10mL2%(w/v)SDS(十二烷基磺酸钠)溶液中，在50℃下搅拌至完全溶解，在85℃下保温1h，在此过程中蛋白质结构充分舒展，氨基酸侧链基团暴露，利于反应的进行。该溶液浓度为12%(w/v)，将其冷却至室温备用。接着，用10wt%NaOH溶液把SPI溶液的pH调节至10.0左右，加入0.24mLKH560搅拌至完全均匀。最后，把混合液放置在50℃水浴中孵育1h即可得到KH560交联的SPI-KH560淡黄色透明水凝胶。将制得的SPI-KH560水凝胶放进截留分子量为3000Da的透析袋中，以去离子水为溶剂对其进行透析，除去未反应的偶联剂和杂质。再将透析过后的的凝胶转移至真空冷冻干燥箱进行冻干，12小时以后将得到的干凝胶放入4℃的冰箱中封存，以备后续使用。
3.2硅烷偶联剂KH560加入比例的探索
根据反应原理，为学生提供KH560加入量的范围(分别占到该体系体积的0%、10%、20%和30%)，按照给出的参考量范围，学生分别向体系加入KH560进行梯度探索。根据制得的样品的成胶情况，确定偶联剂可加入的最佳比例。实验过程中，将学生分为四组，每组进行其中一种配方实验。实验结束后，学生之间通过共享实验数据和小组讨论，最终得出合理的结论。
3.3傅利叶变换红外分光光度计(FT-IR)表征
将SPI-KH560样品干燥处理，用研钵磨成粉末状后，压入模具。通过FT-IR测定样品在4000~400cm-1扫描波数范围内的红外吸收光谱。SPI-KH560凝胶、KH560和经过相同工艺变性处理的SPI的FT-IR光谱如图1所示。在SPI-KH560凝胶、变性SPI的谱图中，1655cm-1(酰胺Ⅰ带)、1543cm-1(酰胺Ⅱ带)、1240cm-1(酰胺Ⅲ带)处出现的吸收峰分别与C=O的伸缩振动、N-H的弯曲振动、C-N伸缩振动对应，均为蛋白质的特征吸收峰。在变性SPI的谱图中，位于波长3292cm-1和3430cm-1的两个弱强度峰归因于O-H和伯胺上N-H的伸缩振动；而在SPI-KH560凝胶谱图中，位于3285cm-1处的单峰是由于O-H和仲胺上N-H的伸缩振动引起的，从而可以推断出SPI上的伯氨基团与环氧基团发生反应转化成了仲胺。在KH560的谱图中，1085cm-1处较强的吸收峰是由于Si-O的伸缩振动引起的，该峰在凝胶谱图中转变成了1109cm-1处较宽的吸收峰，这归因于Si-O-Si键的生成，说明水解的KH560发生了自聚反应；在910cm-1、821cm-1、781cm-1处的吸收峰是KH560环氧基团的三个特征峰，但SPI-KH560凝胶谱图中并没有出现，表明SPI与KH560发生了交联反应。
4体外降解实验
将0.5mL含有不同浓度KH560的水凝胶(SPI-10%KH560、SPI-20%KH560、SPI-30%KH560)制备完成后，分别装入25mL0.25%(m/v)无菌碱性蛋白酶溶液的样品瓶中，样品瓶在使用前进行高压蒸汽(121℃，30min)灭菌。然后，将含有降解体系的样品瓶置于摇床(25℃，100rpm)中进行震荡，使得凝胶与酶降解液充分接触，之后定期取出水凝胶，测定其重量和体积变化。实验结果表明，纯大豆分离蛋白在蛋白酶的催化下快速降解，2小时后大豆分离蛋白粒径减小约三分之一[6]；蛋白质经过交联剂形成水凝胶后，降解速率明显降低，交联密度较大的凝胶甚至两周后才能观察到较为明显的变化[7]。这也说明，大豆蛋白确实与KH560发生了交联反应，使得降解时间延长，且交联密度越大，经历的降解时间越长。
5实验结论
(1)从红外谱图中，学生通过环氧基团特征吸收峰(910cm-1、821cm-1、781cm-1处)的消失、伯胺(3292cm-1和3430cm-1的两个弱强度峰)转化为仲胺(3285cm-1处的单峰)引起的吸收峰的位置变化以及Si-O-Si键的特征吸收峰(1109cm-1处较宽的吸收峰)的出现来确定了亲核取代反应的发生；(2)当KH560含量从0%逐渐增加到30%时，大豆蛋白水凝胶的机械强度也随之增强，这是因为KH560中含有的羟基与环氧基团也能发生亲核取代反应，进一步加大了凝胶内部的交联密度；(3)降解实验结果表明，随着KH560含量的增加，相同时间内水凝胶失重逐渐减小，也就是说KH560含量的增加减慢了水凝胶的快速降解，这同样是因为KH560含量的的提升使水凝胶的结构变得更紧密，因此在相同浓度的碱性蛋白酶溶液的作用下，偶联剂含量高的水凝胶降解所需时间较长。
6总结
《有机化学》具有理论性、抽象性的特点，针对有机化学融合生物相关专业教学过程中出现的具体问题，选择有机化学中最具代表性的反应机理—亲核取代机理，创新性地设计了综合实验—亲核取代反应在大豆蛋白复合水凝胶的制备中的应用。在整个实验过程中，水凝胶材料的制备过程锻炼了学生的实验操作能力，同时深化了学生对亲核取代反应的理解与记忆，更激发了他们对有机生物学科交叉的浓厚兴趣；通过红外谱图，对制得的样品进行表征则是对学生仪器操作和谱图解析能力的提升；体外降解实验中，学生通过观察水凝胶降解的过程，体会可降解的绿色合成路线对当今时代可持续发展的重要意义。总的来讲，该实验将有机化学与生物学科紧密有效地结合起来，实现了理论实际相结合，有机生物共融合的课堂效果，同时在实验方案拟定、科研思维、仪器操作、谱图解析、“绿色化学”观念等方面对学生的综合能力有一个质的提升。让学生切身体验科研过程和科研产品对推动社会进步具有深远的意义。因此，在“有机化学+其他学科领域”的授课模式中，师生各自将“教”与“学”的一部分重心从单一学科的理论学习转移到基于多学科交叉的实践中去，这样的实施方式，有利于教师提高教学其质量，更拓宽了非本专业学生的知识面和理解力，从而使有机化学更高效地为专业课的学习提供有力支撑。
作者：徐守萍 王江江 黄钟全 单位：华南理工大学 化学与化工学院
