運(yùn)用幾何知識幫助理解有機(jī)化學(xué)中的異構(gòu)現(xiàn)象*

方燁汶，金小平，田宗明

(1 寧波工程學(xué)院化學(xué)工程學(xué)院，浙江　寧波　315016； 2 浙江醫(yī)藥高等專科學(xué)校生物與制藥學(xué)院，浙江　寧波　315100)

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運(yùn)用幾何知識幫助理解有機(jī)化學(xué)中的異構(gòu)現(xiàn)象*

方燁汶1，金小平2，田宗明2

(1 寧波工程學(xué)院化學(xué)工程學(xué)院，浙江寧波315016； 2 浙江醫(yī)藥高等?？茖W(xué)校生物與制藥學(xué)院，浙江寧波315100)

有機(jī)化學(xué)中存在很多異構(gòu)現(xiàn)象，學(xué)生在學(xué)習(xí)和理解異構(gòu)現(xiàn)象的過程中往往遇到一定困難，概念之間模糊不清。為了使學(xué)生更好的理解和掌握有機(jī)化學(xué)異構(gòu)現(xiàn)象方面的知識，我們對課堂內(nèi)容進(jìn)行了有效設(shè)計(jì)，利用簡單的幾何知識和設(shè)計(jì)合適的分子結(jié)構(gòu)，循序漸進(jìn)，化難為間，同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生發(fā)揮空間想象力，多方面幫助學(xué)生理解構(gòu)象和順反異構(gòu)體的概念并取得了較好的教學(xué)效果。

有機(jī)化學(xué)教學(xué)；幾何知識；構(gòu)象；順反異構(gòu)

有機(jī)化學(xué)是一門非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，滲透到很多專業(yè)學(xué)習(xí)中,教學(xué)內(nèi)容多、繁瑣、抽象，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中具有一定的難度[1-3]。特別是有機(jī)化學(xué)中存在很多的異構(gòu)現(xiàn)象，如何讓學(xué)生理解異構(gòu)現(xiàn)象的產(chǎn)生，掌握各種異構(gòu)現(xiàn)象，是有機(jī)化學(xué)教學(xué)中的一個(gè)難題[4]。特別是對剛剛開始學(xué)習(xí)有機(jī)化學(xué)的同學(xué)來說，一開始在烷烴和烯烴這幾個(gè)章節(jié)中，就涉及到構(gòu)象和順反異構(gòu)體的學(xué)習(xí)，對這些概念的理解往往遇到了很大的困難[5-6]。很多情況下老師不厭其煩地講了很多，學(xué)生理解的似懂非懂，概念模糊不清，如何讓學(xué)生在有限的教學(xué)課堂上理解異構(gòu)現(xiàn)象，化難為簡，理順概念之間的關(guān)系，是我們有機(jī)化學(xué)教師一直在思考的問題。在我們的實(shí)踐過程中，在異構(gòu)體知識這塊內(nèi)容上，我們認(rèn)為利用幾何知識，發(fā)揮學(xué)生的立體想象能力非常重要，因?yàn)橛袡C(jī)分子本身就是一個(gè)立體結(jié)構(gòu)，幾何知識能夠較好地幫助學(xué)生去深刻理解異構(gòu)現(xiàn)象。

在本文中我們設(shè)計(jì)了教學(xué)案例：如果使用幾何知識幫助理解構(gòu)象、順反異構(gòu)體的概念。課堂教學(xué)實(shí)踐證明，通過這樣的課堂設(shè)計(jì)，學(xué)生能夠較好的接受和理解烷烴當(dāng)中的構(gòu)象概念和烯烴當(dāng)中涉及的順反異構(gòu)體的概念。

1　基本概念

在講解構(gòu)象和順反異構(gòu)體的概念之前，有必要先把一些基本概念講解清楚，如甲烷、乙烷和乙烯分子的空間結(jié)構(gòu)、雜化軌道理論、C-Cσ鍵和C-Cπ鍵的特點(diǎn)等。

1.1甲烷和乙烷分子的結(jié)構(gòu)

在解釋甲烷的分子結(jié)構(gòu)時(shí)，有必要使用雜化軌道理論解釋C-H的形成以及正四面體結(jié)構(gòu)的形成原因,所有的鍵都為C-Hσ鍵；而乙烷的分子結(jié)構(gòu)中，除了C-H鍵之外，還有C-Cσ鍵，有C-Cσ鍵的特點(diǎn)是電子云沿軸對稱，能夠自由旋轉(zhuǎn)。

1.2乙烯分子的結(jié)構(gòu)

但解釋乙烯分子的結(jié)構(gòu)時(shí)，從雜化軌道出發(fā)，得出C=C鍵是由一根C-Cσ鍵和一根C-Cπ鍵組成，C-Cσ鍵的特點(diǎn)電子云沿軸對稱，能夠自由旋轉(zhuǎn)，但是碳碳π鍵的電子云不是沿碳碳鍵對稱分布的，因此不能夠自由旋轉(zhuǎn)，因?yàn)橐坏┬D(zhuǎn)以后，π建的電子云分布就改變了，這就意味著鍵本身發(fā)生了改變，碳碳雙鍵將不再是碳碳雙鍵，本質(zhì)上發(fā)生了變化，因此C=C鍵不能夠自由旋轉(zhuǎn)。

2　異構(gòu)現(xiàn)象

2.1構(gòu)象

在乙烷分子結(jié)構(gòu)中，因?yàn)镃-Cσ鍵的電子云分布沿C-C鍵軸對稱，因而能夠自由旋轉(zhuǎn)，自由旋轉(zhuǎn)的過程中電子云的分布情況沒有發(fā)生改變，C-C鍵本質(zhì)上不發(fā)生任何改變，乙烷分子仍然是乙烷分子，但是在旋轉(zhuǎn)的過程中，氫原子與氫原子之間的相互距離、相對位置發(fā)生了一定的改變，引出構(gòu)象的概念。分子結(jié)構(gòu)中原子在空間上排列的不同，產(chǎn)生了不同的構(gòu)象。因此構(gòu)象的產(chǎn)生原因的C-C單鍵的自由旋轉(zhuǎn)。

2.2順反異構(gòu)體

接下來，我們引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)順反異構(gòu)體的概念，學(xué)習(xí)它們產(chǎn)生的原因。首先我們在黑板上書寫兩個(gè)結(jié)構(gòu)簡式，見圖1。

圖1判斷(1)和(2)是否為同一個(gè)分子

一般學(xué)生在高中時(shí)就學(xué)過基本的同分異構(gòu)體的概念，即使沒有學(xué)過，我們在烷烴這個(gè)章節(jié)中也會再次學(xué)習(xí)同分異構(gòu)體-具有相同的分子式，但是結(jié)構(gòu)不同。讓學(xué)生用已有的同分異構(gòu)體的概念判斷(1)和(2)是否為同一個(gè)分子，學(xué)生通過觀察，顯然結(jié)構(gòu)簡式一模一樣，學(xué)生能夠明確回答說這是同一個(gè)分子。

其次在上面兩個(gè)結(jié)構(gòu)簡式旁再書寫兩個(gè)分子結(jié)構(gòu)(3)和(4)讓學(xué)生繼續(xù)判斷(圖2)，是否為同一個(gè)分子？這時(shí)學(xué)生有點(diǎn)疑惑，教師進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生思考，你們能夠通過何種幾何變化能夠使得這兩個(gè)分子重疊？學(xué)生經(jīng)過思考后，得出當(dāng)雙鍵左邊半個(gè)分子不動(dòng)，雙鍵右邊半個(gè)分子隨碳碳雙鍵旋轉(zhuǎn)180°，那么這兩個(gè)分子就能進(jìn)行重疊。問題是碳碳雙鍵能夠自由旋轉(zhuǎn)嗎？我們以前所學(xué)習(xí)的知識告訴我們碳碳雙鍵是不能自由旋轉(zhuǎn)的，因此這兩個(gè)分子無法進(jìn)行重疊，得出結(jié)論，這是兩個(gè)不同的分子，屬于兩個(gè)不同的化合物。這種因?yàn)榇嬖谙拗菩D(zhuǎn)因素(碳碳雙鍵或者碳環(huán))而不能自由旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的異構(gòu)現(xiàn)象—順反異構(gòu)體。導(dǎo)出順反異構(gòu)體的概念，并引出順式結(jié)構(gòu)和反式結(jié)構(gòu)的定義：相同原子或基團(tuán)處于碳碳雙鍵的同側(cè)為順式結(jié)構(gòu)，相同原子或基團(tuán)處于碳碳雙鍵的異側(cè)為反式結(jié)構(gòu)。

圖2　判斷(3)和(4)是否為同一個(gè)分子

在理解了順反異構(gòu)體的概念之外，我們繼續(xù)把上面分子結(jié)構(gòu)式中的其中一個(gè)H原子改成CH3，讓學(xué)生繼續(xù)判斷(5)和(6)是否為同一個(gè)分子？并提問這兩個(gè)分子能夠通過何種幾何變化，進(jìn)行重疊呢？

圖3　判斷(5)和(6)是否為同一個(gè)分子

課堂實(shí)踐證明，學(xué)生很容易通過思考回答，整個(gè)分子翻轉(zhuǎn)180°，分子能夠重疊，為同一個(gè)分子。為什么這個(gè)分子通過翻轉(zhuǎn)以后又能重疊了呢？因?yàn)橥粋€(gè)不飽和碳原子上連接兩個(gè)相同的基團(tuán)-CH3。我們得出順反異構(gòu)體產(chǎn)生的兩個(gè)條件：① 具有限制碳碳鍵旋轉(zhuǎn)的因素；② 同一個(gè)不飽和碳原子上連接兩個(gè)不同的原子或者官能團(tuán)。

學(xué)生在理解順反異構(gòu)體的概念和產(chǎn)生條件后，老師繼續(xù)在黑白上續(xù)寫兩個(gè)分子結(jié)構(gòu)式(7)和(8)，讓學(xué)生思考判斷，這兩個(gè)分子是同一個(gè)分子嗎？

圖4　判斷(7)和(8)是否為同一個(gè)分子

通過以上的知識點(diǎn)的學(xué)習(xí)，學(xué)生知道這是不同的分子，因?yàn)樘继茧p鍵不能自由旋轉(zhuǎn)，因此它們不能重疊，它們不能重疊的原因與前面學(xué)習(xí)的順反異構(gòu)體的原因是相同的，但是他們能夠命名為順反異構(gòu)體嗎？顯然不行，因?yàn)轫樂串悩?gòu)體的命名的前提條件是兩個(gè)不飽和的碳原子具有相同的原子或官能團(tuán)。因此雖然以上兩個(gè)分子同樣具有異構(gòu)現(xiàn)象，但是不能用順式或者反式來命名。因?yàn)樗鼈儧]有相同的原子或基團(tuán)，因此不能命名為順式結(jié)構(gòu)或者反式結(jié)構(gòu)得出順反命名法的局限性。引出Z、E命名法，同時(shí)并解釋Z、E字母的來源來自于德語，并提出次序規(guī)則，這樣從讓學(xué)生從根本上理解構(gòu)象產(chǎn)生的原因、順反異構(gòu)產(chǎn)生的原因、命名規(guī)則、命名局限性等，學(xué)生理解知識的來龍去脈，更好的掌握有機(jī)化學(xué)中這些基本概念之間的相互聯(lián)系。

3　結(jié)　語

通過這樣的課堂設(shè)計(jì)，在理解簡單分子的結(jié)構(gòu)和一些基本概念的基礎(chǔ)上，使用8個(gè)簡單的分子，利用簡單的幾何知識，充分發(fā)揮學(xué)生的想象力，能夠讓剛接觸有機(jī)化學(xué)的學(xué)生從根本上理解有機(jī)化學(xué)中的構(gòu)象、順反異構(gòu)體等概念，實(shí)踐證明教學(xué)效果較好，采用這種方式學(xué)生容易接受和理解。

[1]黃冠,郭勇安,周紅,等.有機(jī)化學(xué)教學(xué)與實(shí)踐改革的思考[J].化工高等教育,2007(5):14-17.

[2]余善輝.有機(jī)化學(xué)的啟發(fā)式教學(xué)法[J].化工高等教育,2008(3):83-86.

[3]胡榮華,隋巖,方小牛,等.探究教學(xué)在大學(xué)有機(jī)化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用[J].化學(xué)教育,2011(9):39-41.

[4]袁霖,張敏,袁先友,等.制藥工程專業(yè)有機(jī)化學(xué)教學(xué)改革探索[J].廣州化工,2011,39(6):163-166.

[5]方方,吳培云,朱業(yè)寶,等.藥用有機(jī)化學(xué)本科教學(xué)實(shí)踐與教學(xué)體會[J].廣州化工,2010,38(4):230-232.

[6]郝文博,景德生,車文實(shí).制藥專業(yè)有機(jī)化學(xué)教學(xué)的研究與實(shí)踐[J].大學(xué)化學(xué),2012,7(6):21-33.

Understanding the Isomer Phenomenon in Organic Chemistry Using Geometry Knowledge*

FANG Ye-wen,JIN Xiao-ping,TIAN Zong-ming

(1 School of Chemical Engineering,Ningbo University of Technology,Zhejiang Ningbo 315016; 2 Department of Biology and Pharmaceutical Sciences,Zhejiang Pharmaceutical College， Zhejiang Ningbo 315100,China)

In organic chemistry,there are many isomer phenomenons,and many times students are confused about them.In order to better understanding for students,the class was designed elaborately using geometry knowledge to help students to understand the concepts of isomers,like conformational isomer,cis-trans isomer.It proved that it was a good teaching way for our students.

teaching of organic chemistry;geometry;conformational isomer;cis-trans isomer

基于“卓越計(jì)劃”的有機(jī)化學(xué)核心課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)建設(shè)(2013年寧波工程學(xué)院“卓越計(jì)劃”教改項(xiàng)目)。

方燁汶(1979-)，男，副研究員，主要從事有機(jī)化學(xué)教學(xué)和有機(jī)催化反應(yīng)研究。

G642.1

A

1001-9677(2016)04-0157-02