如何实现从高校基础化学课程到本科科研创新的跨越式发展——从学生角度分享高校科研创新成长经历

徐一泽，张壬嘉，李若璞，周坚，徐大振

南开大学化学学院，天津 300071

当前，为响应国务院办公厅2015年印发的《关于深化高等学校创新创业教育改革的实施意见》(简称“《意见》”)，全面部署深化高校创新创业教育改革工作，各高校陆续开展“本科生创新科研计划”项目。该《意见》明确指出深化高校创新创业教育改革是国家实施创新驱动发展战略、促进经济提质增效升级的迫切需要，是推进高等教育综合改革、促进高校毕业生更高质量创业就业的重要举措。在此背景下，南开大学每年面向在读本科生开展创新创业项目立项工作。为鼓励在校大学生积极参与科研创新，学校团委每年都会组织“校长杯”等各类创新创业比赛，提高同学们的参与热情。由我(本文第一作者)作为负责人组建的三人学生创新团队于2021年申请到南开大学“国家级大学生创新创业训练计划”(简称“国创”)项目。截至2021年底，该项目被推荐为教育部重点资助项目，同年相关创新成果参加“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛获全国一等奖。本文将重点介绍我们成功申请教育部重点“国创”项目的准备过程，以及期间参加“挑战杯”竞赛的经历，希望通过经验分享为即将开始科研创新训练的本科同学提供参考。

在南开大学就读的第一学期，学院开设的“当代化学前沿2-1”课程，来自不同研究方向的老师向新生介绍了各自研究前沿内容，这使我明白了化学专业所学内容的重要性和实用性，并对化学科学有了更深层次的了解。在这一学期，学院还举办了“我爱实验室”主题活动，将学生带入科研实验室中参观学习，从纯粹的理论学习到开始接触科研实践工作。通过与多个课题组负责导师的进一步沟通，我了解到当前化学前沿的研究热点。

第二个学期，学院开设了“当代化学前沿2-2”课程，邀请不同研究领域的教师为我们讲解他们研究的课题，通过将我们所学的基础知识与生活中的“高科技”产品相联系，使我们更加热爱自己所学的专业，并进一步激发了我们学习化学的好奇心。

在接下来的暑期科研训练中，我选择了自己喜欢的有机合成方法学研究方向进行科研训练。在此过程中，我深刻认识到课本知识与实际应用之间的差别。因为，有机实验课程中以经典实验为主，目的是理解概念、学习基础操作；
而科研工作中开展的实验则侧重于探索创新，以尝试性实验为主，大多没有可供参考的案例。除此以外，在课题组的培训中还注重文献的查找和阅读，而不再像课堂学习，直接翻阅课本就能获得答案。在每次实验开展前，我们要做大量的期刊查阅和调研工作，最终经过导师同意确定自己的实验内容，开展创新实验。

在实验过程中，我们还需要熟练掌握各种仪器的使用。学院开设的“仪器分析实验”课程，所学内容只是入门级别，以了解为主，并不能满足科研实验的需要。另外，由于大部分仪器价格昂贵且资源有限，在课程学习中多人一组同时学习使用同一台仪器，不能达到自主使用仪器的熟练程度。而在课外科研训练中我们会有更多的机会去接触这些大型仪器，如高效液相色谱、400 M核磁共振仪等，并实现完全独立操作，弥补了教学中的不足。

在暑期科研训练结束后，我在第三个学期正式加入了课题组的研究工作。在导师的指导下，我和两位组员参与了多个实践案例，全方位践行“本科生科研创新成长计划”。

2.1 第一部分：工作的开展

我参与的本科生科研创新成长计划可分为以下过程：确定指导教师、了解研究背景、设计反应体系、筛选和优化反应条件、拓展底物、探讨反应机理等。

2.1.1 确定指导教师

在开展此计划前，首先要根据自己的研究兴趣选择相关课题组。在进入课题组前，我了解到徐大振老师课题组的研究方向是廉价金属铁盐促进的绿色、高效交叉偶联反应，我对这个课题非常感兴趣，并且徐老师指导本科生的经验丰富，曾多次指导本科生获得国家、省部和学校级别各项创新比赛大奖。一个好的平台能让个人能力得到最大限度的发挥，并且会有更多的机会与国内一流高校学生进行学习交流，因此我选择进入该课题组。

2.1.2 文献调研与研究目标的确立

了解研究背景即通过查阅文献、师生交流等方式，对科研方向已取得的成果进行利弊分析，了解前沿进展和未来发展方向，评估自己创新项目的可行性和重要性。

结合“当代化学前沿2-2”课程内容，我了解到过渡金属催化的交叉偶联反应是公认最有效构建化学键的方法之一。2010年诺贝尔化学奖颁给了相关研究领域的三位化学家，这充分说明了过渡金属催化交叉偶联反应的重要性。但是传统的交叉偶联反应仍存在一些问题需要攻克[1]，其中最主要的两点是：(1)底物需要预官能团化。交叉偶联反应是通过两个C―X键和C―Y键的断裂进而形成新的化学键，同时产生等当量的副产品X―Y，降低原子经济性的同时还产生巨大的环保压力；
(2)反应条件仍需改进。由于目前绝大多数反应还需要Pd、Rh等贵过渡金属催化，生产成本较高，它们大多用于具有较高附加值的产品生产。针对以上因素，最近化学家们又发展出一系列新型的不同C―H键间直接去氢偶联方法[2]，极大地提高了反应的原子利用率，也从源头上缓解了环境问题，成为目前构建C―C键的理想方案。

另一方面，含有季碳中心的化合物广泛存在于天然产物和合成药物分子中[3]。季碳中心对这些化合物的生理活性作用和药物的代谢稳定性具有重要影响，尤其是3位含有季碳中心的吲哚-2-酮衍生物常常具有多种生物活性，图1中列举了5个含有此类结构的代表性化合物。但是，由于季碳原子中4个碳取代基之间存在较大的空间位阻，通过交叉偶联方法构建季碳中心仍然是有机合成中的一大挑战。

图1 3位有季碳中心的吲哚-2-酮衍生物

根据以上知识储备和对反应背景的了解，我们团队决定向这一“挑战”发起进攻，尝试通过去氢交叉偶联方式实现对3位含有季碳中心吲哚-2-酮衍生物的合成。至此，我们的科研创新工作正式展开。

2.1.3 设计反应体系

在科研培训阶段，我们已经了解到铁盐催化氧化反应体系的核心原理，即铁盐与酰胺化合物能够形成不稳定的配体，可在一定条件下活化酰胺α-H并产生相应的自由基，进而引发相关反应[4]。因此，我们设想利用廉价、易得的吲哚-2-酮作为酰胺底物，通过铁盐催化去氢偶联的方式，实现对其3位的双芳基化衍生修饰，合成含有类似结构的化合物(图2)。

图2 吲哚-2-酮的双芳基化反应

2.1.4 对该反应体系的系统性研究

在确定反应体系后，我们依次对反应条件、底物适用性和反应机理进行了研究。首先是反应条件的优化，表1中，我们只选取部分具有代表性的结果进行展示。该反应以吲哚-2-酮(1a)和吲哚(2a)作为模板底物，对不同催化剂和反应条件进行筛选、优化。我们发现在FeCl2·4H2O催化下、乙醇溶液中反应时，该反应效果最佳。即使将催化剂的用量降低到5 mol% (摩尔分数)时，也能以93%的收率得到目标产物(3a)。

表1 条件筛选、优化实验[a] [5]

随后，我们基于表1中得到的最优反应条件对不同底物的适用性进行了拓展实验，共合成了34个化合物(图3)，实现了在温和、绿色反应条件下，通过去氢交叉偶联的方式对含有季碳中心吲哚-2-酮衍生物的制备，并将结果发表在国际著名的化学期刊Green Chemistry上[5]。

图3 底物拓展实验[5]

为了深入研究该双芳基化反应过程，我们设计了多组研究实验，如自由基捕获实验、氧化剂替换实验，以及对反应中间体的捕捉等。经过与导师的多次沟通、研讨后，我们提出了一种可能的自由基反应过程(图4)：首先，底物吲哚-2-酮在铁盐(III)和空气的作用下产生自由基中间体(4)，然后与分子氧偶联、脱除氢氧根得到阳离子(7)，它在吲哚的亲核进攻下并脱去一分子水得到(8)，再氧化脱氢生成中间体(9)。最后，中间体(9)与另一吲哚分子继续反应得到目标产物(3a)。在转化过程中，铁盐还有另一个重要用途，就是在亲核步骤中起到活化吲哚的作用。

图4 可能的反应机理

2.1.5 合成方法的应用

通过大学前期的学习和生活，我已明白作为当代大学生学习新知识、勇攀科学高峰的最终目的是要做到科研报国。在和导师交流的过程中，他也经常教导我们做科研要做到“知中国、服务中国”，要做对国家和人民有用的科研。此项创新工作基于方法学展开，其最终目的则是能够利用更加先进的方法实现对重要化工产品的制备。因此，我们选择海洋天然产物C (3a)和医用杀精化合物E (3l)进行克级放大实验，产率分别达到了80%和81%，说明该方法有放大用于生产的潜力(图5)。

图5 克级放大实验

2.2 第二部分：创新项目的申报

基于前期科研训练基础，我与另外两位同学共同申报了2021年“国家级大学生创新创业训练计划”项目。在申报过程中，我们团队顺利完成了项目开展前的立项背景调研、项目申报、答辩和实验设计等各项工作。

2.2.1 文献调研

由于我们对廉价金属铁盐催化的交叉偶联反应有了一定了解，下一步我们将扩大其在有机合成中应用范围。我们团队通过查阅文献了解到硫醚及其衍生物常常表现出多种生物活性，它们广泛存在于医药和农药中；
同时，芳基硫化物是C―C偶联反应中的常用原料，也是亚砜类化合物、芳烃类化合物和硫醇类化合物的通用前体。另外，酚类化合物在有机合成中的地位也十分重要，具有多种用途[6]。硫醚苯酚就是集二者于一身的一类具有较高生物活性的功能化合物[7]，图6中给出了此类两个代表性化合物的结构[8]。

图6 代表性的硫醚苯酚类化合物

通过文献查阅，我们总结了硫醚苯酚的合成方法：目前主要是通过碘催化苯酚或环己酮与高价态的亚磺酸钠反应而得到相应产物[9,10]。而这些合成方法都具有一定的局限性，如反应时间长、反应条件相对苛刻等，并且只能得到单硫化产物(图7a)。因此，我们尝试廉价金属铁盐催化环己酮与硫酚间通过“偶联-芳构化”的反应过程，实现对硫醚苯酚类化合物的绿色、高效制备，并选择性地生成双取代产物(图7b)。

图7 硫醚苯酚类化合物的合成

2.2.2 项目申报、答辩

由于前期我们对该项目做了充分的调研和准备工作，这使得之后的立项和答辩阶段进展十分顺利。我们针对评委提出的问题，如：研究背景、研究目标、所合成化合物的理化性质及表征方法等，都给出了满意的答案，成功申请到“国创”项目的经费支持。在项目答辩阶段，研究团队也了解到校内其他同学的研究内容及进展状况，这也极大地拓展了团队成员的视野，对不同研究方向有了进一步了解。由于前期准备充分，我们的项目还被天津市推荐为教育部重点资助项目，团队成员都受到了极大的鼓舞，同时也感受到肩上的重担，我们一定要出色完成该创新项目。

2.2.3 项目的开展和实施

有了最初科研培训的经历，我们对实验中所遇到的不同困难有了更多的解决方案，目前实验已顺利开展。从确定反应体系、条件筛选及现在刚刚开始的底物拓展，我们认真参与每一个过程，记录所有实验数据，培养自己的实验思维和模式。

研究过程存在很多不可预知因素，因2022年新冠疫情在天津多次出现，我们的创新工作进展也受到了较大影响。疫情让我深刻认识到疫苗、特效药等医疗药物的重要价值，更让研究团队深刻体会到科研工作的重要性。

2.3 第三部分：参加创新竞赛

基于进入实验室初期的创新成果，我有幸参加了2021年“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛。与之前的创新工作不同，“挑战杯”赛事更注重团队协作，因此团队成员间的分工合作显得十分重要。我们团队的参赛主题是“廉价金属铁盐催化氧化体系”，旨在通过化工行业实现“源头减排”，响应国家“2030碳达峰、2060碳中和”的号召。这要求我们必须结合国内政策和实际化工行业的弊病进行背景分析，进而将我们的创新内容融入其中，实现“产、学、研”的链式结合。从校赛到市赛，我们历经了多场培训和答辩，使自身综合能力得到显著提升。最终，我们拿到了国赛的入场券。

2.3.1 前期材料准备

在前期材料准备中，团队必须严格按照“挑战杯”官网发布的文件，准备线上材料和纸质材料。线上申报材料主要包括申报书填写、论文整理和支持材料的准备。内容看似不多，但却十分繁琐，需要团队成员共同合作，在网页开放时间内用科学、严谨的表述填写申报内容。

首先，团队必须正确解读填报要求。比如参赛通道的选择(即参赛作品类别)，参赛作品会在对应时间段进行网筛审核，每个赛道的参赛作品会有相应领域的专家进行审核，如果赛道选择错误，再好的参赛项目也只能止步于此。

其次，申报内容的表述必须科学严谨、有理有据。比如在填写申报书具体模块时，要注意重点突出、答对所问，也要在字数限制内表述完全。总体内容应体现“发现问题、解决问题、实际效果分析”的过程，适当用真实数据作为支撑，避免大段语句赘述、含糊其辞。

需要注意的是，支持材料并不是由大量的实验数据堆叠而成，而是需要整体脉络，如论文材料部分、专利材料部分、数据材料部分。也可以在其中加入已有的宣传报道等，用来丰富支持材料。

在团队成员分工完成上述材料后，应先将材料整合完毕，团队内部完成审核，再提交给指导教师，审查材料内容，对其中表述不当、缺乏科学性的内容进行修改调整，最终提交申报材料。

2.3.2 赛前培训指导

“挑战杯”作为全国高校的重要比赛，对参赛团队的综合素质要求极高。从校赛开始，团队就有了明确分工。每个成员各司其职，不仅能最大程度发挥出自身实力，还能培养团队默契协作精神。

在校赛准备期间，我们团队的工作以模拟答辩为主，各个参赛队伍之间相互鼓励、相互竞争，大家都在为进入市赛而不断努力。我们邀请参与校赛的其他队伍成员作为评委，参与模拟答辩并从学生角度进行提问，对其中讲解不到位、讲解过于繁琐的内容标记修改，同时对我们的回答措辞提出改善建议。在每轮模拟答辩之后，我们都会综合其他队伍给出的相关建议不断完善答辩现场。而我作为团队的主讲，在答辩过程中承担着重要的责任，言行举止都有着严格的要求，每次完善稿件后必须第一时间做出调整，不能因为状态不佳、言辞不当造成答辩失误。在一次次模拟答辩的压力锻炼下，我的心理抗压能力不断增强，综合素质得到提高。这也让我的答辩状态更加稳定、回答提问井然有序。最终，我们的项目因为成果丰富、答辩内容重点突出，在激烈的答辩之后脱颖而出，进入市赛阶段。

根据市赛要求以及校赛时评委给出的建议，我们对项目进行了调整。首先对答辩稿中缺乏科学性表述的语句进行修改，将PPT中忽略的重要细节进行补充，重新演练答辩。在完成上述工作后，我们还邀请了专业教师对我们的项目进行模拟答辩，首先将参赛项目展示给各位老师，让他们对该项目有整体的把控，并收集修改意见进行相应修改。在此基础上，和指导教师不断探讨，结合项目进行补充完善，避免遗漏重要内容。最终，我们成功冲出了市赛的重围进入国赛。

在国赛前期，我们就市赛现场评委的提问和建议对项目进行再次修改，从支持材料中找出对应语句，修改措辞使其更科学、更严谨。与此同时，从校赛到国赛期间，我们团队又有新的成果发表，还要将这一部分内容加入到申报材料中，并相应修改答辩内容。在修订参赛材料的同时，我们团队每周向导师至少做两次模拟答辩汇报，从答辩内容专业性、现场规范性两方面不断完善，提升团队综合素质。

2021年全国挑战杯总决赛因疫情延期至2022年，团队在本届比赛中获得了“全国一等奖”的好成绩。我们也深刻认识到，比获奖更加重要的是团队在备赛期间的团结合作，是每个队员个人综合能力的有效发挥、提升。

在一年多的科研创新工作中，我们团队每个人都取得了进步和收获，我以第一作者身份在Green Chemistry期刊发表论文一篇，每位成员各申请发明专利一项[11]，并且该“国创”项目已经被推荐到教育部第十五届“双创”年会，这是对我们努力工作的肯定和鼓舞；
此外，我和李若璞同学分别获得了北京大学和清华大学攻读博士生资格。在参与科研创新工作的过程中，无论是我们成功申报教育部“国创”重点项目，还是参与“挑战杯”比赛，都离不开团队成员的共同努力和课题组导师的辛勤指导。我将自己的一些经验进行总结分享，希望对即将参与科研创新的同学有所帮助，做到在有限的大学时间里最大程度提升自身综合能力。

在开展科研创新工作之前，需要有扎实的基础知识。首先，专业课程是必须要专心学习的，专业课所教授的不仅是课本知识，更是设计实验、开展实验的理论基础，无论是哪个方向的科研创新，都需要对应领域内的基础知识做铺垫。此外，在学好专业课的基础上尽可能多地去了解不同的二级学科和相关课题组，为大二进入课题组选择自己喜欢的方向做好准备。

在实验课程中培养良好的实验习惯，学习各种实验仪器的规范操作。在大学一年级时，首先接触的是必修的基础实验，要做到在实验课前仔细阅读实验步骤，认真思考每一个实验步骤的意义，而不是在实验开始后机械操作，缺乏思考过程。同时，各种实验仪器的使用也需要有规范性，尤其是贵重的实验仪器，必须规范操作。只有养成良好的实验习惯，通过正确的实验方法才能得到科学的实验结果。

在科研创新工作中要“树立自信、端正态度”，这也是我们的导师徐大振老师一直教诲我们本科生做科研创新的基本要求。“树立自信”即相信自己，作为初入实验室参与科研工作的本科生，一切都是“从零开始”，在面对困难和挫折时很容易产生消极的想法，这时树立自信就显得十分重要。真实的实验数据是所有科研工作的基石，只要所有操作是按照标准完成的，那么数据就是可靠的，具有重要的参考价值。“端正态度”是指本科生参与科研创新工作的本质是以学习本领、提升能力为目的，在这个过程中会因为努力工作和辛勤付出而取得一定的成果和荣誉，但是我们不能好高骛远，为了追求成果而盲目参与科研创新工作。只有“树立自信、端正态度”才能走得更远，收获更多。

在科研创新工作中一定要多了解、多思考、多沟通，注重师生密切配合。创新工作是推陈出新，这要求我们对已有的工作做出总结和思考，发现问题然后再提出自己的创新方法。在这个过程中，通过查阅文献等方式多了解已有的工作是基础，要做到全面了解所选课题的研究背景，不去做重复的工作；
遇到问题勤思考培养解决实际问题的能力，提高综合能力使自己快速成长；
整个项目过程要注重“团队协作”，包括与队友的协作、与导师的有效沟通，我们必须发挥团队协作精神，才能做到高效工作、避免失误，最终解决问题，实现“1 + 1 ＞ 2”。

本文主要介绍了我参与本科生科研创新工作的经历，从前期基础课程与科研工作的接轨，到后来实施的本科生科研创新成长计划，并详细介绍了该成长计划中我们科研工作的开展、创新项目的申报和参加创新竞赛的经历。在此分享给同样在科研创新工作中拼搏奋斗的同学，也为即将参与本科科研创新的同学提供参考，祝愿大家在科研创新工作中快速成长、收获满满、不负韶光！