抓住基礎(chǔ)、授人以漁
——以有機化學(xué)課程的“緒論”內(nèi)容選取為例

張丹維

(復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系 上海 200433)

有機化學(xué)課程是大學(xué)化學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)及相關(guān)學(xué)科本科生的一門重要基礎(chǔ)課。由于課程內(nèi)容涉及有機化學(xué)的基本規(guī)律、有機官能團的性質(zhì)、有機化學(xué)的典型反應(yīng)、有機化合物結(jié)構(gòu)的基本譜學(xué)特征和表征方法，內(nèi)容多、涉及面廣、難度較大；另外，對一些專業(yè)學(xué)生來說，有機化學(xué)課程的學(xué)習時間跨越2個學(xué)期，常常會學(xué)到后面忘記前面。學(xué)生在學(xué)習這門課程時往往會有無從下手之感。

自1816年法國科學(xué)家Michel Chevreul用動物脂肪制造肥皂，1828年Friedrich W?hler在實驗室合成出尿素以來的近200年時間里，科學(xué)家對有機化合物從結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、反應(yīng)、機理等方面不斷探索和努力，使我們對有機化學(xué)的認識越來越豐富和深刻。一方面，這為有機化學(xué)教學(xué)提供了豐富的實例；另一方面，也可能使教學(xué)雙方都眼花繚亂。但無論如何，“背”從來不是學(xué)好有機化學(xué)課程的法寶，教師在課堂上正確引導(dǎo)學(xué)生，培養(yǎng)學(xué)生的良好學(xué)習習慣才是至關(guān)重要的。

在大學(xué)本科階段，有機化學(xué)教學(xué)的關(guān)鍵任務(wù)是抓住基礎(chǔ)，授人以漁。這要求教師必須在課前多下工夫，仔細分析揣摩，抓住課程的基礎(chǔ)內(nèi)容，包括有機化學(xué)的基本原理和基本規(guī)律，掌握化合物結(jié)構(gòu)與性質(zhì)之間的內(nèi)在聯(lián)系，然后反映到教學(xué)中；在課堂教學(xué)時，要特別注意不僅要使學(xué)生“知其然”，還要讓他們“知其所以然”，逐步啟發(fā)思考，授人以漁。目標是使學(xué)生不僅能夠掌握基礎(chǔ)反應(yīng)、正確書寫反應(yīng)機理、設(shè)計簡單的合成路線，更應(yīng)逐漸掌握推理分析的方法并進而具備創(chuàng)新能力。本文主要以幾本美國高校有機化學(xué)教材的起始章節(jié)選材為例，闡述通過合理選取教學(xué)內(nèi)容實現(xiàn)抓住基礎(chǔ)和授人以漁。

有機化學(xué)教材的主要內(nèi)容大體分為基礎(chǔ)知識(包括有機化合物的命名等)、以有機官能團引導(dǎo)的經(jīng)典有機化學(xué)反應(yīng)、有機化合物結(jié)構(gòu)表征的基本方法及與生物和生命活動相關(guān)的大分子化合物介紹。以有機官能團引導(dǎo)的經(jīng)典有機化學(xué)反應(yīng)是有機化學(xué)學(xué)習的重點內(nèi)容，因此，除了有中國文字特點的有機化合物命名原則以外，以有機官能團為主線，有機化學(xué)教材在內(nèi)容的安排和順序上大同小異。Vollhardt & Schore 《有機化學(xué)：結(jié)構(gòu)與功能》[1](以下簡稱Vollhardt 《有機化學(xué)》)、Solomons & Fryhle 《有機化學(xué)》(以下簡稱Solomons 《有機化學(xué)》)[2]和McMurry 《有機化學(xué)》[3]等教材也是如此。而能夠突出體現(xiàn)“抓住基礎(chǔ)”這一要求的恰恰是容易被忽視或簡化的“緒論”章節(jié)的內(nèi)容安排。

通常，我們在教學(xué)中安排“緒論”章節(jié)來學(xué)習有機化學(xué)的預(yù)備知識，作為隨后按官能團分類學(xué)習有機化合物性質(zhì)的基礎(chǔ)。上面提及的幾本國外有機化學(xué)教材都沒有“緒論”章節(jié)，但這些作為預(yù)備知識的內(nèi)容被安排在最先介紹。我們首先看一下它們的起始章節(jié)的內(nèi)容安排(表1)。

由表1可見，除了Solomons 《有機化學(xué)》結(jié)合對有機官能團的介紹，加入了紅外光譜的學(xué)習以外，幾本教材的共同特點是用兩個章節(jié)分別強調(diào)了以原子軌道、分子軌道和軌道雜化理論為基礎(chǔ)的有機化合物中化學(xué)鍵形成的本質(zhì)和有機化合物結(jié)構(gòu)的本質(zhì)，以及以酸和堿為根本的有機化合物反應(yīng)的本質(zhì)。這些內(nèi)容被毫無例外地突出出來，放在顯著位置進行強調(diào)并不是偶然的，學(xué)好了這部分內(nèi)容就有了分析問題的基本能力。可以這樣說，價鍵理論、軌道雜化理論以及酸和堿的概念是學(xué)習有機化學(xué)的基礎(chǔ)內(nèi)容，這些內(nèi)容是“緒論”部分的授課重點。

表1 幾本國外有機化學(xué)教材的起始章節(jié)內(nèi)容安排

不僅如此，這些內(nèi)容還是非常豐富的，不能簡而化之。一般安排2學(xué)時的“緒論”學(xué)習顯然無法滿足這一要求。但由于總學(xué)時的限制，必須首先在內(nèi)容的選擇上下功夫，在此前提下適當延長學(xué)時數(shù)。

從前面的分析可以看出，有機化合物的成鍵形式是學(xué)習有機化合物結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)和重點，這一點也是有機化合物非常有特色和規(guī)律的一面。對有機化合物結(jié)構(gòu)的逐漸認識，也是有機化學(xué)發(fā)展過程中的重要階段，包含了一些重要的化學(xué)思想。例如：對有機化合物的中心原子碳原子的成鍵形式的認識就是一個逐漸深入并上升到理論的過程。最初對組成有機化合物的原子成鍵的認識是：這些原子都能夠形成固定數(shù)目的化學(xué)鍵，如碳原子是四價的。隨后發(fā)現(xiàn)，兩個碳原子之間可以成鍵，還可以形成多重鍵，這是有機化合物存在許許多多同分異構(gòu)體的根本原因。進一步地，碳原子的四面體結(jié)構(gòu)被發(fā)現(xiàn)，有機化合物展現(xiàn)出立體的圖景，原子之間除了連接的次序和方式，還存在空間排布的關(guān)系，這些關(guān)系一起構(gòu)成有機化合物的完整結(jié)構(gòu)。這些工作主要集中在19世紀50年代末到70年代初的10多年中，要比W?hler著名的尿素合成實驗晚30年。W?hler的工作標志著生命力學(xué)說(Vitalism)的徹底失敗，而對有機化合物結(jié)構(gòu)的逐漸認識才使得有機化學(xué)真正形成了自己的體系。所以說有機化合物的結(jié)構(gòu)理論是學(xué)習有機化學(xué)的基礎(chǔ)。在幾本教材中都細致地介紹了有機化學(xué)結(jié)構(gòu)理論的發(fā)展過程，包括Lewis結(jié)構(gòu)式、共振論、量子力學(xué)、原子軌道、分子軌道、軌道雜化理論等。在教學(xué)中，共振論可以結(jié)合共軛烯烴、芳香化合物的知識來學(xué)習，所以可以不在“緒論”中介紹。而結(jié)構(gòu)的書寫以及對軌道雜化理論的理解是“緒論”中的重點學(xué)習內(nèi)容。這其中也包含著啟發(fā)教學(xué)的很好范例。一個常用的例子是，對于分子式為CHClBrI的有機化合物氯溴碘甲烷，根據(jù)碳為四價，鹵素原子及氫原子為一價可以畫出它的結(jié)構(gòu)(圖1)。如果把這個分子放在平面上，可以畫出3種異構(gòu)體，而實際上這個分子只有2種立體異構(gòu)體。這個問題很值得思考，可以在課堂上讓學(xué)生分析出現(xiàn)這種情況的原因。

圖1 氯溴碘甲烷的平面結(jié)構(gòu)和四面體模型

從這一實例出發(fā)，可以使學(xué)生比較形象地去分析問題，自己發(fā)現(xiàn)“真相”。這時候再闡述“碳原子是四面體結(jié)構(gòu)的”，以加深學(xué)生的印象。同時，可借助Chem3D的模型，用這個簡單的結(jié)構(gòu)引入對映體的概念，為進一步學(xué)習立體化學(xué)打下基礎(chǔ)。由此進一步提出新的問題：為什么碳原子外層的4個不同原子軌道中的電子和4個氫原子分別形成4根相同的共價鍵組成甲烷分子？這就很自然地引出了軌道雜化理論。同時，從滿足電子排斥最小化這一點上引出價層電子對互斥理論，這不僅解釋了為什么在有機化合物中碳原子呈現(xiàn)出四面體結(jié)構(gòu)，而且可以說明決定結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的電子和空間的因素。這一點對于今后分析有機反應(yīng)發(fā)生的動力，分析反應(yīng)產(chǎn)物的穩(wěn)定性等都打下了基礎(chǔ)。

從結(jié)構(gòu)出發(fā)，過渡到有機化合物的性質(zhì)即有機反應(yīng)的基本知識學(xué)習，這是“緒論”的第2項重要任務(wù)。兩部分內(nèi)容相關(guān)聯(lián)的橋梁是酸堿理論。這3本教材的共同之處是，都分別用一個章節(jié)來主要介紹酸和堿。酸和堿有Br?nsted的定義，也有Lewis的定義。就有機化學(xué)反應(yīng)而言，我們在基礎(chǔ)有機化學(xué)中學(xué)習的大部分反應(yīng)是離子型反應(yīng)，都涉及到一對電子的轉(zhuǎn)移。因此，從大的概念上都可以看作是Lewis酸和Lewis堿的反應(yīng)。盡早從有機化合物結(jié)構(gòu)的角度學(xué)習Lewis酸和Lewis堿的概念，可使學(xué)生在以后的學(xué)習中能夠抓住有機反應(yīng)的本質(zhì)，更容易理解和正確書寫反應(yīng)機理。

以上論述說明，授課時不要急于給出結(jié)果，要逐漸進行引導(dǎo)，加強分析，最終就能夠?qū)崿F(xiàn)“授人以漁”。上述幾本教材在這方面都很有特色。再舉一例，如Solomons 《有機化學(xué)》在介紹雙分子親核取代反應(yīng)(SN2反應(yīng))時，引用了氯甲烷在60℃和NaOH水溶液中反應(yīng)生成甲醇的動力學(xué)實驗數(shù)據(jù)(表2)[2]。

表2 氯甲烷在NaOH水溶液中(60℃)發(fā)生親核取代反應(yīng)的動力學(xué)實驗數(shù)據(jù)*

*表中的濃度為初始濃度；速率為初始速率。

通過分析表2的實驗數(shù)據(jù)，學(xué)生容易得出如下的結(jié)論，對于這一反應(yīng)，速率r=k[CH3Cl] [OH-]，即反應(yīng)速率(決速步)與反應(yīng)物(底物)及試劑都有關(guān)系，該反應(yīng)是一個雙分子(bimolecular)反應(yīng)，而且反應(yīng)速率分別與反應(yīng)物和試劑的濃度的一次方成正比，因此這個反應(yīng)是二級反應(yīng)(second-order reaction)。

通過實驗數(shù)據(jù)來描述一個反應(yīng)對于學(xué)生理解反應(yīng)的本質(zhì)應(yīng)該說是很直觀的，可以培養(yǎng)學(xué)生透過實驗數(shù)據(jù)來洞悉問題實質(zhì)的能力，并養(yǎng)成主動思考的習慣。在授課時，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生重視進行數(shù)據(jù)分析的過程而不是數(shù)據(jù)本身。在上面的例子中，學(xué)生還學(xué)會了如何通過設(shè)計不同濃度底物的反應(yīng)動力學(xué)數(shù)據(jù)測試來確定該反應(yīng)是一級反應(yīng)還是二級反應(yīng)。也即讓學(xué)生掌握一種研究方法，為學(xué)生的能力培養(yǎng)打一點基礎(chǔ)。

類似的例子在這幾本教材中相當多，教師在授課時如能很好地運用這些例子，將是“授人以漁”的好途徑。我們還可以利用文獻調(diào)研，發(fā)現(xiàn)更多適合于本科教學(xué)的好例子，通過安排好授課內(nèi)容及授課重點，幫助學(xué)生改變“背”有機化學(xué)的學(xué)習方法。學(xué)習有機化學(xué)知識如織網(wǎng)捕魚，教會學(xué)生主動織網(wǎng)才能使他們捕到大魚。

[1] Vollhardt K P C,Schore N E.有機化學(xué):結(jié)構(gòu)與功能.第4版.戴立信,席振峰,王梅祥,等譯,北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2006

[2] Solomons T W G,Fryhle C B.有機化學(xué).第8版英文影印版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003

[3] McMurry J.有機化學(xué).第6版國際學(xué)生版.Singapore: Thomson Learning,Inc,2004