大学化学, 2019, 34(9): 37-43 doi: 10.3866/PKU.DXHX201903023

教学研究与改革

有机天然产物化学实验的教学改革与实践

李厚金,, 邱立勤, 曾锋, 曹日晖, 刘高峰, 赖瑢, 朱可佳, 郑赛利, 陈六平

Teaching Reforms and Practices of Organic Natural Products Chemistry Experiments

LI Houjin,, QIU Liqin, ZENG Feng, CAO Rihui, LIU Gaofeng, LAI Rong, ZHU Kejia, ZHENG Saili, CHEN Liuping

通讯作者: 李厚金, Email: ceslhj@mail.sysu.edu.cn

收稿日期: 2019-03-21   接受日期: 2019-04-26  

基金资助: 广东省高等教育教学改革项目;中山大学教学改革研究项目

Received: 2019-03-21   Accepted: 2019-04-26  

Fund supported: 广东省高等教育教学改革项目;中山大学教学改革研究项目

摘要

天然产物化学实验是有机化学实验课程教学内容的重要组成部分,旨在训练学生掌握天然产物有效成分提取、分离和鉴定的基本操作技能,以及熟悉天然产物化学的研究方法。本文分析了当前天然产物化学实验教学中存在的普遍性问题。近年来,我们有针对性地从教学内容、教学条件、教学方法等方面进行了系统改革,教学实践表明,学生的学习兴趣和效率、分析和解决问题能力、科学研究能力和素养得到了提高,同时提升了有机化学实验的教学质量和教师的教学水平。

关键词: 有机化学实验 ; 天然产物化学 ; 教学改革 ; 教学质量

Abstract

Natural product chemistry experiments, which train the students to master the basic skills for extraction, separation and identification of the active components of natural products, and acquaint with the research methods of natural product chemistry, are an important part of organic chemistry laboratory. This paper analyzes the common problems related to the current natural products chemistry laboratories in domestic universities. In recent years, we carried out the reforms of the teaching contents, teaching conditions, and teaching methods. The teaching practices show that the students' learning interest and efficiency, the abilities to analyze and solve problems, and the scientific research abilities have been trained and strengthened. The teachers' experimental teaching level and teaching quality have been greatly improved.

Keywords: Organic chemistry laboratory ; Natural products chemistry ; Teaching reform ; Teaching quality

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李厚金, 邱立勤, 曾锋, 曹日晖, 刘高峰, 赖瑢, 朱可佳, 郑赛利, 陈六平. 有机天然产物化学实验的教学改革与实践. 大学化学[J], 2019, 34(9): 37-43 doi:10.3866/PKU.DXHX201903023

LI Houjin. Teaching Reforms and Practices of Organic Natural Products Chemistry Experiments. University Chemistry[J], 2019, 34(9): 37-43 doi:10.3866/PKU.DXHX201903023

天然产物化学是以各类生物为研究对象,以有机化学为基础,以化学和物理方法为手段,研究生物次级代谢产物的提取、分离、结构、功能、生物合成、化学合成和用途的一门学科。天然产物化学的研究对整个有机化学的发展起着重要的推动作用,并有助于从分子水平认识并揭示生命的奥秘,同时也为生物化学、药物化学和有机合成提供日益深化的研究内容。它的成果可广泛应用于医药、食品、轻工、化工等领域[1]。天然产物化学实验是有机化学实验课程教学内容的重要组成部分,它训练学生掌握天然产物有效成分提取、分离和鉴定的基本操作技能,以及初步熟悉天然产物化学的研究方法。近年来,天然产物化学的研究理论和研究技术取得突飞猛进的发展进步。为了适应当前学科发展和人才培养的要求,培养学生成为具有扎实理论基础和实验技能的人才,我们对天然产物化学实验的教学内容、教学方法和教学手段进行了改革和实践,取得了很好的成效。

1 天然产物化学的重要性

1806年,23岁的德国药剂师Sertürner从罂粟中首次分离得到吗啡,标志着现代天然药物化学开始形成[2]。从有机化合物发现开始,天然产物研究一直是一个非常活跃且取得丰硕成果的研究领域。天然产物研究推动了有机化学学科的不断发展,开展天然产物提取、分离、结构测定、性能尤其是生物活性研究,所发现的独特新颖的天然产物化学结构丰富了有机化学内容,为有机合成化学家提供了新的充满挑战的合成目标化合物,在天然产物的研究中还创建了许多重要的化学理论,奠定了有机化学的发展基础。

历届诺贝尔化学奖、生理与医学奖获得者的相关成就在科学发展史上具有重大的里程碑意义。自1901年诺贝尔奖设立至2018年,诺贝尔化学奖除1916、1917、1919、1924、1933、1940–1942这8年没有颁发以外,总共进行了110次颁奖,共有181人获奖。生理与医学奖自1901年至2018年颁奖109次,其中1915–1918、1921、1925、1940–1942年未颁奖,共有216人获奖。在已颁授的诺贝尔奖项目中,与天然产物研究有关的比较多(表1表2)。早在1902年,德国化学家Hermann Emil Fischer就因其在天然产物糖类领域研究的成就而获此殊荣。至今,糖类、脂环族化合物、植物色素、胆汁酸、甾类、血红素、叶绿素、类胡萝卜素、维生素(A、B2、C、D、K)、性激素、萜烯、生物碱、核苷酸、青霉素、链霉素、阿维菌素、青蒿素等的研究均获得了诺贝尔奖[3, 4]

表1   与天然产物研究相关的诺贝尔化学奖

年份获奖者国籍获奖原因
1902赫尔曼∙费歇尔德国在糖类和嘌呤合成中的工作
1910奥托∙瓦拉赫德国在脂环族化合物领域的开创性工作促进了有机化学和化学工业的研究与发展
1915里夏德∙维尔施泰特德国对植物色素的研究,特别是对叶绿素的研究
1927海因里希∙奥托∙威兰德国对胆汁酸及相关物质结构的研究
1928阿道夫∙温道斯德国对甾类的结构以及它们和维生素之间的关系的研究
1929阿瑟∙哈登英国对糖类的发酵以及发酵酶的研究
汉斯∙冯∙奥伊勒-切尔平德国
1930汉斯∙费歇尔德国对血红素和叶绿素的组成的研究,特别是对血红素的合成的研究
1937沃尔特∙霍沃思英国对碳水化合物和维生素C的研究
保罗∙卡勒瑞士对类胡萝卜素、黄素、维生素A和维生素B2的研究
1938里夏德∙库恩德国对类胡萝卜素和维生素的研究
1939阿道夫∙布特南特德国对性激素的研究
拉沃斯拉夫∙鲁日奇卡瑞士对聚亚甲基和高级萜烯的研究
1945阿尔图里∙伊尔马里∙维尔塔宁芬兰对农业和营养化学的研究发明,特别是提出了饲料储藏方法
1947罗伯特∙鲁宾逊英国对具有重要生物学意义的植物产物,特别是生物碱的研究
1950奥托∙迪尔斯西德发现并发展了双烯合成法
库尔特∙阿尔德西德
1952阿彻∙约翰∙波特∙马丁英国发明了分配色谱法
理查德∙劳伦斯∙米林顿∙辛格英国
1957亚历山大∙托德英国在核苷酸和核苷酸辅酶研究方面的工作
1970卢伊斯∙弗德里科∙莱洛伊尔阿根廷发现了糖核苷酸及其在碳水化合物的生物合成中所起的作用

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表2   与天然产物研究相关的诺贝尔生理或医学奖

年份获奖者国籍获奖原因
1937圣捷尔吉∙阿尔伯特匈牙利与生物燃烧过程有关的发现,特别是关于维生素C和延胡索酸的催化作用
1943亨利克∙达姆丹麦从动物肝和麻子油中发现维生素K
爱德华∙阿德尔伯特∙多伊西美国发现维生素K的化学性质
1945亚历山大∙弗莱明英国发现青霉素及其对各种传染病的疗效
恩斯特∙伯利斯∙柴恩英国
霍华德∙弗洛里澳大利亚
1952赛尔曼∙瓦克斯曼美国发现链霉素,第一个有效对抗结核病的抗生素
1953汉斯∙阿道夫∙克雷布斯英国发现柠檬酸循环
弗里茨∙阿尔贝特∙李普曼美国发现辅酶A及其对中间代谢的重要性
1964康拉德∙布洛赫美国发现胆固醇和脂肪酸的代谢机理和调控作用
费奥多尔∙吕嫩德国
1982苏恩∙伯格斯特龙瑞典发现前列腺素及其相关的生物活性物质
本格特∙萨米尔松瑞典
约翰∙范恩英国
1985麦可∙布朗美国在胆固醇代谢的调控方面的发现
约瑟夫∙里欧纳德∙戈尔茨坦美国
2015威廉∙坎贝尔爱尔兰发现治疗丝虫寄生虫新疗法(发现了一种名为阿维菌素的新药,其衍生物从根本上降低了河盲症和血丝虫病的发病率)
大村智日本
屠呦呦中国发现治疗疟疾的新疗法(发现了如何将青蒿素从青蒿中更高效率地提取出来,这种药品可以有效降低疟疾患者的死亡率)

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天然产物的应用已经渗透到各个行业,尤为重要的是,在当今仍是新药研发的最佳来源。在全球80%的人口中,日常用药中天然药物占据主导地位。发达国家超过50%的临床使用药品来源于天然药物,世界上25种最畅销药品中有12种是由天然产物衍生而成[5, 6]

2 天然产物化学实验的现状

天然产物化学实验是有机化学实验课程中必不可少的重要教学内容,它不仅可以检验、巩固学生有机化学理论知识,还能训练学生的基本操作技能,使其掌握天然产物有效成分的提取、分离和鉴定的基本过程,提高其分析问题和解决问题的能力,使其养成严谨的科学态度和良好的科研作风,具备从事天然产物化学科研和生产的基本能力。

在我国,开展天然产物研究有丰富的资源优势。当前,我国高校开设的天然产物化学实验教学项目也比较多(表3),其实验内容基本上仍是按照“提取–分离–鉴定–结构–性质”这一主线来设置。

表3   国内高校有机化学实验教材中主要的天然产物化学实验项目

实验项目主要操作训练内容目标化合物
从茶叶中提取咖啡因[7]索氏提取(固液连续萃取)、蒸馏、升华生物碱咖啡因
槐花米中芦丁的提取[7]回流提取、碱溶酸沉法、红外光谱分析芦丁(黄酮类化合物)
从红辣椒中分离红色素[7]回流提取、蒸馏浓缩、柱层析、薄层层析、红外光谱和紫外光谱辣椒红素
绿色植物(树叶、菠菜)色素的提取及色谱分离[7, 8]柱色谱、薄层色谱胡萝卜素、叶黄素、叶绿素
β-胡萝卜素和番茄红素的提取与分离[9]回流提取、柱层析、薄层层析β-胡萝卜素和番茄红素
从橙皮中提取柠檬烯[10]水蒸气蒸馏单萜柠檬烯、挥发性精油
从黑胡椒中提取胡椒碱[11]索氏提取、蒸馏浓缩、碱沉胡椒碱
银杏叶中黄酮类有效成分的提取[12]索氏提取、萃取黄酮类化合物
肉桂醛的提取[13]固液萃取法、水蒸气蒸馏法、醛的化学性质实验香精油(反-3-苯基丙烯醛)
从黄连中提取黄连素[14]回流提取、蒸馏除溶剂、盐酸沉淀、抽滤、洗涤黄连素(小檗碱)
烟草中烟碱的提取[15]回流提取、水蒸气蒸馏、烟碱(尼古丁)
虎杖中大黄素的提取与分离[16]乙醇回流提取、利用pH梯度法分离不同酸性成分、薄层分析蒽醌类成分
从八角茴香中提取八角茴香油[17]水蒸气蒸馏、萃取、蒸馏香精油、对丙烯基苯甲醚
丁香油的提取与鉴定[18]水蒸气蒸馏提取、萃取、薄层分析丁香酚
桉叶油的提取[19]水蒸气蒸馏香精油、1, 8-桉叶素
青蒿素系列实验[19]溶剂浸泡、减压蒸馏、结晶、柱层析、薄层层析、熔点测定倍半萜内酯的过氧化物
从毛发中提取胱氨酸[20]回流,酸水解,碱沉淀,减压过滤胱氨酸

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然而,我国高校开设的天然产物化学实验,也存在一些普遍性问题。

(1)实验内容、实验方法和实验技术相对陈旧,更新速度太慢。

近几十年来,中国天然产物化学研究发展较快,我国目前的研究水平已与欧美、日本等发达国家大致处于同一层次。天然产物研究日新月异,提取、分离、结构鉴定技术发展很快。然而,在各传统的实验项目中,其操作训练都很少用到现代仪器设备,明显落后于实际科研水平。多年来,天然产物实验教学基本保持“以不变应万变”的状态。曾经有人抨击现在大学教育很多时候是在“用过去的知识,培养现在的人,去干未来的事”,该评论不一定完全正确,因为过去的知识不全是过时无用的。但如果我们培养的学生,在就业时,能真切感受到在学校所学的知识和技能已经过时了,那我们就得好好思考,有必要对教学内容、教学手段进行改革更新。天然产物化学实验教学也必须和学科的发展进步紧密结合,实现同频共振。

(2)有的实验步骤繁多、操作复杂、持续时间长,而有的实验又过于简单。

实验教学不可能面面俱到、千篇一律,各校应根据学校的实际办学条件,选择实验教学内容及采用有效的实验教学手段显得更加关键。近几年来,我们走访调研了近十所国内高校,有的学校开设的天然产物化学实验过于复杂,为了使教学顺利开展,教师必须提前准备好许多实验环节,实验步骤也相当详细。学生在实验课堂只需按部就班地操作,对实验中出现的问题、实验结果的准确性和可靠性缺乏深入探讨,导致学生动手能力和科学探究能力得不到提高。

我们也了解到有些地方高校由于课时较少,在天然产物化学实验教学内容的设置方面过于简单。比如,有的学校组织的一次课的实验任务是:硅胶薄层板的制备,即往硅胶中加入一定比例的羧甲基纤维素钠水溶液,均匀涂布在干净载玻片上,自然阴干后在适宜温度烘干备用,再找2个已知天然化合物进行薄层色谱分析。过于简单的实验内容会使学生的学习积极性受挫。

(3)实验背景知识提供太少,学生只能被动接受知识,难以满足学生求知的渴望和深度学习的迫切需求,难以激发学生的学习兴趣,无法调动学生的积极性和主动性,不利于培养学生的创新思维能力。

3 天然产物化学实验的教学改革与实践

我院有机化学实验教学中安排了“辣椒红素的提取、纯化与鉴定”“槐花米中芦丁的提取与鉴定”2个实验。为了更好地提高学生的学习兴趣并能快速掌握天然产物的研究方法与技术,我们对这2个天然产物化学实验教学进行了改革探索,取得了一些有益的经验,在此与同行分享。

(1)课外“增负”,让学生主动学习,提高自学能力,拓宽知识面,提升实验兴趣。

这2个实验共安排了16个学时,实验课时仍是有限,为了在有限的时间里尽可能地让学生学到更多的知识和技能,必然要在课外对学生“增负”。为此,我们编写了综述性讲义“天然产物的提取与分离技术进展”“辣椒及其产品的研究与开发”分发给学生阅读;还要求学生在中国知网(CNKI)——中国学术期刊网络出版总库、CA SciFinder Web (化学文摘数据库)、Web of Science数据库中以关键词查阅“辣椒”(Capsicum annuum L.)、“辣椒红素”(Capsanthin)、“辣椒素”(Capsaicin)、“芦丁”(Rutin)、“槲皮素”(Quercetin)等的研究进展。同时,我们制作了薄层色谱、柱色谱、实验仪器的使用以及实验过程的小视频,要求学生在课前观看、预习。这些课外作业,使学生由“被动”学习变为“主动”学习,提高了自学能力,拓宽了知识面,对实验项目的理解更加透彻,提升了实验兴趣。

(2)完善实验条件、优化实验内容,让学生学习最先进的实验技术。

与有机制备实验相比,天然产物化学实验的持续时间较长,步骤繁多且综合性较强。让学生在规定时间内去解决多个问题,完成整个天然产物实验,是富有挑战性的。为了让学生在有限的时间里尽快掌握天然产物化学提取、分离、纯化等各项先进的实验技术,近年来,我们加大投入,进一步完善了实验条件,购置了Dionex ASE-350快速溶剂萃取仪、英国Genevac Mivac真空离心浓缩仪、旋转蒸发仪、高速离心机、红外光谱仪、超高效液相色谱-质谱联用仪,这些先进的天然产物实验仪器都已应用在这2个实验项目中(图1图2)。

图1

图1   辣椒红素的提取、纯化与鉴定的实验过程与结果


图2

图2   槐花米中芦丁的提取与鉴定实验用到的仪器与液质联用实验结果


相应地,对实验内容也进行了优化,比如,在辣椒红素的提取、纯化与鉴定实验中,除了教授学生规范地提取与纯化实验操作外,还提供石油醚、正己烷、乙酸乙酯、二氯甲烷、丙酮、甲醇等多种溶剂,让学生自己摸索最佳的薄层色谱展开剂以及确定最佳的柱色谱洗脱方案,有利于培养学生的科学探索能力。

在槐花米中芦丁的提取与鉴定实验中,碱溶酸沉法是一个传统方法,提取物由于含糖较高,沉淀过滤用普通滤纸减压抽滤极易堵塞,非常耗时,效率很低。芦丁用稀硫酸加热水解得到槲皮素,原料和水解产物用薄层分析,展开剂为乙酸乙酯-丁酮-冰醋酸-水(体积比为5 : 3 : 1 : 1),效果虽然很直观,但学生很难将实验现象与化合物的结构变化联系起来。因此,我们对实验内容进行了改革创新,在该常规实验正常开展的同时,开展另外一条实验路线:选用碱水为提取溶剂,用快速溶剂萃取仪提取芦丁,酸沉后高速离心,倾去上层水溶液,残余固体用真空离心浓缩仪干燥,芦丁及水解产物槲皮素用超高效液相色谱-质谱联用仪分析,从液相图中不仅可以看出样品纯度,而且结合质谱检测数据还可以确定两者的结构差异。本路线主要是仪器操作,效率很高,易于达到事半功倍的效果。经过两条实验路线的比较,学生体验了不同实验方法和技术的结果差异,所学的技术在今后的科研实验中也可以用得上。学生练就娴熟的实验操作技能,具备了良好的科研素质,综合能力得到提高。

(3)践行环保理念,开展绿色化学实验教学。

一般人都认为,天然产物实验很耗溶剂,也正是这种观念的存在,导致了很多学生在实验过程中大手大脚,浪费非常严重。为了培养学生的环保理念,树立绿色化学的实验意识,在辣椒红素的提取、纯化与鉴定实验中,我们限定每个学生取干燥的红辣椒5 g,溶剂使用量上限为石油醚250 mL、乙酸乙酯80 mL,硅胶薄板10块。这个要求既防止了大量使用有机溶剂对环境的污染,又能督促学生充分做好预习,在实验之前一定要对整个过程了解得非常清晰,避免在实验中盲目乱试,促使学生树立“耗材控制、有效使用、绿色环保”的意识,培养了学生实验分析和实验设计的能力。

(4)大力推行课程思政,深度挖掘天然产物研究中蕴含的育人元素、润物无声,践行“立德树人”。

课程思政指以构建全员、全程、全课程育人格局的形式将各类课程与思想政治理论课同向同行,形成协同效应,把“立德树人”作为教育根本任务的一种综合教育理念。天然产物研究成果有很多获得了诺贝尔奖,研究人员在获奖的背后有许多感人的故事,激励了一代又一代的年青科学家。比如,我国的屠呦呦研究员,曾经的“三无”科学家,多年从事中药和中西药结合研究,受中国典籍《肘后备急方》启发,创造性地研制出抗疟新药——青蒿素和双氢青蒿素,获得对疟原虫100%的抑制率,挽救了全球特别是发展中国家数百万人的生命。以屠呦呦研究员为代表的一代代中医学者,辛勤耕耘,屡建功勋,为发展中医药事业、造福人类健康做出重要贡献,他们不仅是中医药界的骄傲,而且是整个科技界的骄傲。实验原料辣椒和槐花,作为中国的传统重要食材,国内对它们的科学研究和产品开发均非常系统。我们在实验课前的讲解部分,会花10余分钟做一个天然产物研究概况的介绍,这是很好的“课程思政”的切入点,挖掘课程的育人元素、润物无声,通过凝炼和推广本土化的成果,激发了学生的爱国热情、民族自豪感,积极推进全员、全程、全方位育人的落实。

4 结语

对传统的天然产物化学实验教学项目在教学内容、教学手段、教学方法等方面进行了改革探索,通过教学实践,取得了较好的效果。它能充分调动学生学习与钻研的积极性和主动性,提高学习效率,达到事半功倍的效果;提高了学生的动手能力和综合实验技能,比较系统地掌握天然产物中各种化学成分提取、分离、检识的方法,分析和解决问题的能力得到锻炼、提升,科学研究能力和素养得到了提高;同时提升了有机化学实验的教学质量和教师的教学水平。

参考文献

Nakanishi, K. Natural Products Chemistry-Past and Future. In Natural Products of Woody Plants; Rowe, J. W. (ed.); Springer-Verlag: Berlin Heidelberg, 1989; pp 13-25.

[本文引用: 1]

Hosztafi S. Pharmazie 1997, 52 (7), 546.

[本文引用: 1]

付炎; 王于方; 李力更; 张嫚丽; 史清文. 中草药, 2016, 47 (21), 3749.

[本文引用: 1]

诺贝尔奖官网.[2019-03-19]. http://www.nobelprize.org.

[本文引用: 1]

Newman D. J. ; Cragg G. M. J. Nat. Prod. 2016, 79 (3), 629.

DOI:10.1021/acs.jnatprod.5b01055      [本文引用: 1]

Bernardini S. ; Tiezzi A. ; Masci V. L. ; Ovidi E. Nat. Prod. Res. 2018, 32 (16), 1926.

DOI:10.1080/14786419.2017.1356838      [本文引用: 1]

李厚金; 石建新; 邹小勇. 基础化学实验, 第2版 北京: 科学出版社, 2015.

[本文引用: 4]

廖蓉苏; 丁来欣. 有机化学实验, 第2版 北京: 中国林业出版社, 2009.

[本文引用: 1]

唐玉海; 刘芸. 有机化学实验, 第1版 西安: 西安交通大学出版社, 2002.

[本文引用: 1]

章鹏飞; 强根荣; 赵华绒; 夏敏. 有机化学实验, 第1版 杭州: 浙江大学出版社, 2013.

[本文引用: 1]

崔玉. 有机化学实验, 第1版 北京: 科学出版社, 2009.

[本文引用: 1]

赵斌. 有机化学实验, 第2版 青岛: 中国海洋大学出版社, 2013.

[本文引用: 1]

吴美芳; 李琳. 有机化学实验, 第1版 北京: 科学出版社, 2013.

[本文引用: 1]

丁长江. 有机化学实验, 第1版 北京: 科学出版社, 2011.

[本文引用: 1]

魏青. 基础化学实验Ⅱ,有机化学实验, 第1版 北京: 科学出版社, 2011.

[本文引用: 1]

廖蓉苏; 丁来欣. 有机化学实验, 第2版 北京: 中国林业出版社, 2009.

[本文引用: 1]

林友文. 有机化学实验指导, 第1版 厦门: 厦门大学出版社, 2013.

[本文引用: 1]

马柏林; 周文明. 有机化学实验, 第1版 咸阳: 西北农林科技大学出版社, 2003.

[本文引用: 1]

李映苓; 郭蕴平; 黄燕. 有机化学实验, 第1版 昆明: 云南大学出版社, 2008.

[本文引用: 2]

汪志勇; 查正根; 郑小琦. 实用有机化学实验高级教程, 第1版 北京: 高等教育出版社, 2016.

[本文引用: 1]

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