以結(jié)構(gòu)為主線結(jié)合對比法進(jìn)行雜環(huán)化合物教學(xué)*

王蘭英 王云俠 李劍利

(西北大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院 陜西西安710069)

雜環(huán)化合物是數(shù)目最龐大的一類有機(jī)化合物。許多藥物屬于雜環(huán)化合物，對生命體系起著非常重要的作用。雜環(huán)化合物也是專業(yè)基礎(chǔ)課程有機(jī)化學(xué)中的一部分重要內(nèi)容。但一方面由于有機(jī)化合物中的雜環(huán)化合物種類繁多，數(shù)目龐大，內(nèi)容龐雜，學(xué)生一看到雜環(huán)就很抵觸;另一方面，目前在“少而精，博而通”的教學(xué)理念引導(dǎo)下［1］，雜環(huán)化合物內(nèi)容要在3～4學(xué)時(shí)內(nèi)講授完。再加上介紹雜環(huán)化合物章節(jié)的時(shí)候已經(jīng)接近期末考試，此時(shí)學(xué)生急于復(fù)習(xí)考試，焦躁不安，聽課效果很差。在這樣的背景下，如何在短時(shí)間內(nèi)教給學(xué)生學(xué)習(xí)方法，使抽象枯燥，難于理解、記憶和接受的內(nèi)容變得生動有趣且易于接受和掌握，并讓學(xué)生掌握雜環(huán)化合物的相關(guān)知識，提高課堂教學(xué)效果，是承擔(dān)有機(jī)化學(xué)課程教學(xué)的教師值得思考和研究的課題。下面在筆者多年教學(xué)實(shí)踐的基礎(chǔ)上，談?wù)劶訌?qiáng)和提高雜環(huán)化合物教學(xué)的一些理念和做法。

1 以結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)的理念分析雜環(huán)化合物的通性

雜環(huán)化合物可分為有芳香性的和沒有芳香性的。有芳香性的雜環(huán)化合物，即芳香雜環(huán)化合物，是雜環(huán)化合物章節(jié)主要討論的內(nèi)容。芳香雜環(huán)化合物種類繁多，數(shù)目龐大，可根據(jù)環(huán)大小、雜原子的多少、單環(huán)和稠環(huán)等來分類［2-5］。針對數(shù)目龐大的芳香雜環(huán)化合物，理出一條思路并找出一種方法進(jìn)行行之有效的教學(xué)，是雜環(huán)化合物教學(xué)的關(guān)鍵。多年的科學(xué)研究和教學(xué)研究使我們清楚地知道，進(jìn)行化學(xué)科學(xué)研究的一個(gè)基本理念或核心思想是“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)是結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)形式”。因此，我們在授課時(shí)從結(jié)構(gòu)入手，分析雜環(huán)及其衍生物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并由此推測其基本性質(zhì)和反應(yīng)。這樣就把種類繁多的雜環(huán)化合物的性質(zhì)與反應(yīng)有機(jī)地聯(lián)系起來，從總體上把握住雜環(huán)化合物的本質(zhì)，舉例說明如下。

1.1 五元雜環(huán)吡咯、呋喃和噻吩的結(jié)構(gòu)以及性質(zhì)和反應(yīng)

首先畫出吡咯、呋喃和噻吩的結(jié)構(gòu)(圖1)。學(xué)生可以從圖中看出環(huán)上的原子均為sp2雜化，沒有雜化的p軌道側(cè)面重疊、交蓋形成了閉環(huán)共軛體系，屬平面結(jié)構(gòu);再向?qū)W生強(qiáng)調(diào)環(huán)上雜原子N，O和S的p軌道上各有一對電子參與環(huán)的共軛，π電子數(shù)為6，符合4n+2規(guī)則，具有芳香性，與比較熟悉的典型的芳香族化合物苯類似。由此可推測五元雜環(huán)化合物吡咯、呋喃和噻吩的主要反應(yīng)是親電取代反應(yīng)。

再將苯與五元雜環(huán)化合物吡咯、呋喃和噻吩的結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較，苯屬6個(gè)原子6個(gè)電子的π體系，而吡咯、呋喃和噻吩屬于5個(gè)原子6個(gè)π電子的π體系，即五元雜環(huán)吡咯、呋喃和噻吩π電子云密度較苯大，所以五元雜環(huán)吡咯、呋喃和噻吩的親電取代活性大于苯。

圖1 吡咯、呋喃和噻吩的結(jié)構(gòu)

接著我們和學(xué)生一起對吡咯、呋喃和噻吩中雜原子的電負(fù)性大小、半徑大小進(jìn)行分析:雜原子的吸電子誘導(dǎo)大小順序?yàn)?O＞N＞S;給電子共軛為:N＞O＞S;綜合結(jié)果:N貢獻(xiàn)電子最多，O其次，S最少。因此，五元雜環(huán)化合物吡咯、呋喃和噻吩的電子云密度及親電取代活性大小為:吡咯＞呋喃＞噻吩。

此外，由于吡咯環(huán)中N的沒有雜化的p軌道上有一對電子參與了環(huán)的共軛，使N周圍電子云密度降低，N—H的σ電子偏向N，所以吡咯環(huán)中N上的H有弱酸性，因此，吡咯能與強(qiáng)堿(如NaNH2，KNH2，RMgX)或堿金屬(如Na、K)作用。

1.2 五元雜環(huán)咪唑、噁唑和噻唑的結(jié)構(gòu)以及性質(zhì)和反應(yīng)

咪唑、噁唑和噻唑?qū)嶋H上就是吡咯、呋喃和噻吩的3號CH分別換成N后得到的(圖2)。3個(gè)唑類化合物也有芳香性，能發(fā)生親電取代反應(yīng)，只是由于N的電負(fù)性比C大，造成這3個(gè)唑類化合物咪唑、噁唑和噻唑的π電子云密度分別小于五元雜環(huán)吡咯、呋喃和噻吩，那么相應(yīng)的親電取代反應(yīng)活性也小。此外，學(xué)生還可從結(jié)構(gòu)上看出，3個(gè)唑類化合物的3號N的sp2雜化軌道上有一對電子沒有參與環(huán)的共軛，既可提供接受質(zhì)子的位置，也可提供接受帶正電的碳實(shí)體的位置，所以咪唑、噁唑和噻唑既具有堿性，又具有親核性。此外，咪唑1號N的給電子共軛和3號N的吸電子誘導(dǎo)使得咪唑的酸性大于吡咯，因此，咪唑既具有酸性，也具有堿性;也因此咪唑分子間能形成氫鍵。

圖2 咪唑、噁唑和噻唑的結(jié)構(gòu)

1.3 六元雜環(huán)吡啶的結(jié)構(gòu)以及性質(zhì)和反應(yīng)

吡啶的結(jié)構(gòu)見圖3，它與苯相似，具有芳香性，可以發(fā)生親電取代反應(yīng);但由于N的吸電子作用，使其π電子云密度小于苯，其親電取代反應(yīng)活性也小于苯，類似于硝基苯，所以吡啶只能在3位和5位發(fā)生鹵代、硝化和磺化，不易發(fā)生傅氏烷基化和傅氏?；磻?yīng)。再由于N的吸電子共軛作用，使吡啶環(huán)2，4，6位的碳帶部分正電荷，若吡啶環(huán)2，4，6位上有鹵素，則鹵素容易被親核試劑取代，甚至吡啶環(huán)2位的負(fù)氫也可被強(qiáng)親核試劑取代(Chichibabin反應(yīng))。若吡啶環(huán)2，4，6位上有烷基，則烷基的α-H具有活性，其活性與甲基酮的α-H相同，能在酸或堿催化下發(fā)生親核反應(yīng)(如與醛、酮發(fā)生親核加成，與鹵代烷發(fā)生親核取代，與羧酸酯發(fā)生親核加成-消除反應(yīng)等)。從吡啶的結(jié)構(gòu)中還可看出，吡啶N的sp2雜化軌道上有一對電子沒有參與環(huán)的共軛，因此，既可與質(zhì)子結(jié)合而顯堿性，又可與帶正電的碳實(shí)體結(jié)合而具有親核性。

圖3 吡啶的結(jié)構(gòu)

1.4 雜環(huán)親電取代反應(yīng)中間體的結(jié)構(gòu)以及親電取代反應(yīng)位置選擇性［4-5］

用與推測取代苯發(fā)生親電取代反應(yīng)的區(qū)域選擇性的相同方法，根據(jù)雜環(huán)親電取代反應(yīng)所得中間體結(jié)構(gòu)，可以推出親電取代反應(yīng)主要發(fā)生在雜環(huán)上的位置(位置選擇性)。例如:對于五元單雜環(huán)吡咯、呋喃和噻吩(圖4)，環(huán)中有兩種碳，當(dāng)親電試劑進(jìn)攻2位時(shí)，得到的中間體是由3個(gè)極限式結(jié)構(gòu)共振雜化成的;而進(jìn)攻3位得到的中間體則是由兩個(gè)極限式結(jié)構(gòu)共振雜化成的。參與共振雜化的極限式結(jié)構(gòu)越多，電子或電荷離域范圍越廣，雜化體中間體正離子越穩(wěn)定。穩(wěn)定的中間體正離子的過渡態(tài)勢能低，活化能小，反應(yīng)速率快，因此五元單雜環(huán)親電取代反應(yīng)容易在2位發(fā)生。

圖4 五元單雜環(huán)化合物的親電取代反應(yīng)及其中間體結(jié)構(gòu)

圖5 苯并五元雜環(huán)化合物的親電取代反應(yīng)及其中間體結(jié)構(gòu)

對于苯并五元雜環(huán)苯并呋喃、苯并噻吩和吲哚(圖5)，親電試劑進(jìn)攻電子云密度較大的五元雜環(huán)。當(dāng)進(jìn)攻2位時(shí)，得到帶有完整苯環(huán)的穩(wěn)定極限式結(jié)構(gòu)只有一個(gè);而進(jìn)攻3位時(shí)，得到帶有完整苯環(huán)的穩(wěn)定極限式結(jié)構(gòu)有兩個(gè)。參與共振雜化的穩(wěn)定的極限式結(jié)構(gòu)越多，中間體正離子越穩(wěn)定;但中間體正離子穩(wěn)定性還與正電荷所在原子的電負(fù)性大小有關(guān)。氧原子電負(fù)性大，氧原子帶正電荷很不穩(wěn)定，氧原子相鄰碳原子上帶正電荷也不太穩(wěn)定;氮原子電負(fù)性小，8電子的帶正電荷的氮相對于8電子的帶正電荷的氧來說是比較穩(wěn)定的;而帶正電荷的硫原子的穩(wěn)定性介于帶正電荷的氧和帶正電荷的氮之間。因此，苯并呋喃在2位上發(fā)生反應(yīng);吲哚在3位上發(fā)生反應(yīng);苯并噻吩可以在2位和3位上發(fā)生反應(yīng)，而主要是在3位上發(fā)生反應(yīng)。

對于喹啉(圖6)，親電試劑進(jìn)攻電子云密度較大的苯環(huán)。當(dāng)親電試劑進(jìn)攻5位或8位時(shí)，得到的中間體中有兩個(gè)能保留吡啶環(huán)穩(wěn)定的極限式結(jié)構(gòu);而進(jìn)攻6位或7位時(shí)，中間體中只有一個(gè)能保留吡啶環(huán)穩(wěn)定的極限式結(jié)構(gòu)參與共振。前者的中間體正離子穩(wěn)定，過渡態(tài)勢能低，所以喹啉的親電取代反應(yīng)發(fā)生在5位和8位。

圖6 喹啉的親電取代反應(yīng)及其中間體結(jié)構(gòu)

同樣，我們根據(jù)反應(yīng)得到的中間體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性可以推出:吡啶的親電取代反應(yīng)發(fā)生在3位和5位，親核取代發(fā)生在2位、4位和6位;喹啉的親核取代反應(yīng)發(fā)生在電子云密度較小的吡啶環(huán)上，而且在2位和4位發(fā)生。

通過以上分析，學(xué)生可以根據(jù)雜環(huán)化合物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對雜環(huán)化合物的性質(zhì)、反應(yīng)活性和反應(yīng)的位置選擇性有較系統(tǒng)的了解，為后面的深入學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。

2 以對比法幫助學(xué)生理解雜環(huán)化合物的反應(yīng)

對比法是將兩個(gè)或兩個(gè)以上的事物進(jìn)行比較，找出其相同點(diǎn)和不同點(diǎn)，通過比較、鑒別，把不同的事物從內(nèi)部有機(jī)地聯(lián)系起來。在教學(xué)中運(yùn)用對比法可以使學(xué)生在面對新知識的學(xué)習(xí)時(shí)，能有效擺脫陌生感，迅速找到輕松入門的途徑，使抽象枯燥的難于理解、記憶和接受的內(nèi)容變得生動有趣，一目了然且易于接受和掌握，提高學(xué)習(xí)效率;還可以加深學(xué)生對知識的理解，使概念明晰化，理論廣延化，點(diǎn)狀知識連續(xù)化，平面知識立體化。

在雜環(huán)化合物教學(xué)中，我們以結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，采用對比法組織教學(xué)，以電子結(jié)構(gòu)理論分析、引導(dǎo)學(xué)生通過熟悉的化合物結(jié)構(gòu)來推測雜環(huán)化合物具有的化學(xué)反應(yīng)性。現(xiàn)舉例說明如下:

(1)與苯對比，分析五元雜環(huán)、六元雜環(huán)以及稠雜環(huán)的反應(yīng)性。

通過分析雜環(huán)化合物與苯在結(jié)構(gòu)上的差異，可知:①雜環(huán)化合物親電取代活性順序?yàn)?五元雜環(huán)吡咯、呋喃和噻吩＞苯＞吡啶，從而推出五元雜環(huán)吡咯、呋喃和噻吩能在較溫和的條件下發(fā)生親電取代反應(yīng)，而六元雜環(huán)吡啶需在較強(qiáng)烈的條件下才能發(fā)生親電取代反應(yīng)。如噻吩在室溫下即能與硫酸發(fā)生磺化反應(yīng)，但在相同條件下苯卻很難發(fā)生反應(yīng);吡咯在低溫下，用比較溫和的非質(zhì)子硝化試劑(如硝酸乙酰酯)可以進(jìn)行硝化，苯需要用混酸(如濃硝酸加濃硫酸)在50℃才能反應(yīng)，而吡啶用混酸在300℃反應(yīng)1天才能得到極少的3-硝化吡啶。相反，吡啶不容易發(fā)生親電取代反應(yīng)，但容易發(fā)生親核取代反應(yīng)。如吡啶與氨基鈉反應(yīng)生成2-氨基吡啶(即發(fā)生了2位負(fù)氫被氨基取代的親核取代反應(yīng))。②苯環(huán)上電子云分布均勻，其一元取代產(chǎn)物只有一種。而雜環(huán)類化合物由于環(huán)中含有雜原子，導(dǎo)致其上的電子云分布不均勻，故反應(yīng)產(chǎn)物不只一種。如苯硝化其一元取代產(chǎn)物只有硝基苯，而吡咯硝化除了得到主要產(chǎn)物2-硝基吡咯外，還得到少量的3-硝基吡咯。

通過比較五元雜環(huán)(吡咯、呋喃和噻吩)、六元雜環(huán)(吡啶)和苯的結(jié)構(gòu)，學(xué)生可進(jìn)一步推測稠雜環(huán)化合物的反應(yīng)性。當(dāng)五元雜環(huán)與苯環(huán)稠合形成雜環(huán)化合物時(shí)，由于五元雜環(huán)的電子云密度大于苯環(huán)，所以其親電取代反應(yīng)發(fā)生在五元雜環(huán)上;當(dāng)六元雜環(huán)與苯環(huán)稠合形成雜環(huán)化合物時(shí)，六元雜環(huán)的電子云密度低于苯環(huán)，其親電取代反應(yīng)發(fā)生在苯環(huán)上，而其親核取代反應(yīng)發(fā)生在雜環(huán)上。如吲哚硝化發(fā)生在吡咯環(huán)上，得到3-硝基吲哚;喹啉硝化發(fā)生在苯環(huán)上，得到5-硝基喹啉和8-硝基喹啉;喹啉與氨基鈉在液氨中反應(yīng)，得到2-氨基喹啉和4-氨基喹啉。

(2)對不同雜環(huán)化合物進(jìn)行對比，分析各個(gè)雜環(huán)化合物的反應(yīng)性。

比較各雜環(huán)化合物結(jié)構(gòu)上的差異，以找出各雜環(huán)化合物的反應(yīng)特點(diǎn)。例如五元雜環(huán)吡咯、呋喃和噻吩，由于所含雜原子不同，使其電子云密度大小不同，根據(jù)1.1節(jié)分析，其親電取代活性大小順序?yàn)?吡咯＞呋喃＞噻吩;它們與三氟乙酐反應(yīng)的相對反應(yīng)速率是:吡咯5.5×107，呋喃1.4×102，噻吩1。又如:五元雜環(huán)吡咯、呋喃和噻吩的芳香性(穩(wěn)定性)不同，由離域能大小(吡咯87.8kJ/mol，噻吩121.3kJ/mol，呋喃66.9kJ/mol)可知，吡咯和噻吩的芳香性較強(qiáng)，而呋喃的芳香性較弱，具有一定的共軛二烯的性質(zhì)，與親雙烯體可發(fā)生典型的共軛二烯反應(yīng)——Diels-Alder反應(yīng)，吡咯、噻吩則不容易發(fā)生此反應(yīng)。再如:吡咯與吡啶分子中都含有一個(gè)雜原子N，且都是sp2雜化，吡咯中氮原子上的一對電子處于沒有雜化的p軌道上，參與了環(huán)的共軛，故不能與質(zhì)子或帶正電荷的實(shí)體碳結(jié)合，沒有明顯的堿性、親核性;而吡啶氮原子上的一對電子處于sp2雜化軌道上，沒有參與環(huán)的共軛，可與質(zhì)子及帶正電荷的實(shí)體碳結(jié)合，顯示堿性和親核性。

總之，可以在雜環(huán)化合物的教學(xué)中，以結(jié)構(gòu)為主線，結(jié)合對比教學(xué)法進(jìn)行講授，使學(xué)生在有限的時(shí)間里掌握學(xué)習(xí)雜環(huán)化合物的方法，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識分析問題和解決問題的能力。

［1］黑恩成.化工高等教育，2010(2):1

［2］李艷梅，趙圣印，王蘭英.有機(jī)化學(xué).北京:科學(xué)出版社，2011

［3］胡宏紋.有機(jī)化學(xué).第3版.北京:高等教育出版社，2006

［4］邢其毅，徐瑞秋，周政，等.有機(jī)化學(xué).第2版.北京:高等教育出版社，2000

［5］VollhardtKPC，SchoreNE.有機(jī)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