原子化學(xué)環(huán)境思維的教學(xué)初探

劉帥 蔡小蔓

摘要：在有機物分子中，不同碳原子的化學(xué)環(huán)境是不同的。結(jié)合案例介紹了應(yīng)用原子化學(xué)環(huán)境思維的方法，分析有機物分子中某個特定原子的周圍原子和原子團，進而有利于深入理解有機物分子的真實立體結(jié)構(gòu)以及化學(xué)性質(zhì)，有效建立其宏微關(guān)系。實踐表明，這種動態(tài)的微觀思維方法有助于有機化學(xué)教學(xué)。

關(guān)鍵詞：原子化學(xué)環(huán)境；構(gòu)性思維；化學(xué)思維

文章編號：1005–6629（2016）8–0070–04 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

著名心理學(xué)家華生曾說，“給我?guī)讉€初生的嬰兒，我可以把他們培養(yǎng)成科學(xué)家、藝術(shù)家甚至是小偷、詐騙犯”。由此可見成長環(huán)境足以改變一個人的生命狀態(tài)。有機物亦是如此，同樣是氫原子，因其所處化學(xué)環(huán)境不同而呈現(xiàn)不同的化學(xué)性質(zhì)。如烷基上的氫原子與碳原子電負性相當(dāng)，故而易發(fā)生自由基型取代反應(yīng)；芳基上的氫原子受屏蔽效應(yīng)明顯，故常需要在酸催化下發(fā)生親電型取代反應(yīng)；醇羥基上的氫原子受到氧原子的吸電子作用，故而容易異裂發(fā)生取代反應(yīng)，由此可見原子化學(xué)環(huán)境足以改變一種有機物的“生命狀態(tài)”。

1 原子化學(xué)環(huán)境思維

通過對幾種中學(xué)化學(xué)期刊的文獻調(diào)研發(fā)現(xiàn)，關(guān)于原子化學(xué)環(huán)境的教學(xué)研究甚少。但縱觀大學(xué)有機化學(xué)教材，我們不難發(fā)現(xiàn)原子化學(xué)環(huán)境思維在有機化學(xué)學(xué)習(xí)中應(yīng)用廣泛[1]。人教版教材選修5第一章第四節(jié)以及近五年全國高考理綜（Ⅰ）卷中分別兩次提到了化學(xué)環(huán)境，近五年全國高中化學(xué)競賽（初賽）中分別四次提到了化學(xué)環(huán)境。筆者在教學(xué)實踐中反復(fù)滲透原子化學(xué)環(huán)境思維，且深刻體會到構(gòu)建此學(xué)科思維有助于學(xué)生深入理解有機物結(jié)構(gòu)和性質(zhì)之間的關(guān)系，為學(xué)生自主學(xué)習(xí)有機化學(xué)提供了思維方法[2]。

2 有機物原子化學(xué)環(huán)境的理論研究

1HNMR（核磁共振氫譜）和13CNMR（核磁共振碳譜）理論研究，以乙烯和乙烷為例：

在相同頻率電磁輻射波的照射下，不同化學(xué)環(huán)境的質(zhì)子受的屏蔽效應(yīng)各不相同，因此它們發(fā)生核磁共振所需的外磁場也各不相同，即化學(xué)位移也各不相同。通過對乙烷和乙烯的核磁共振模擬實驗（由CambridgeSoft公司開發(fā)ChemDraw軟件完成），我們發(fā)現(xiàn)乙烯1HNMR中氫原子化學(xué)位移為5.25ppm，乙烷為0.86ppm，乙烯13CNMR中碳原子化學(xué)位移為122.5ppm，乙烷為6.6ppm，即這兩種物質(zhì)中氫原子的化學(xué)環(huán)境完全不同，碳原子的化學(xué)環(huán)境亦不同[3]。

3 原子化學(xué)環(huán)境思維的應(yīng)用案例

3.1 核磁共振氫的種類判斷問題

通過文獻研究，筆者發(fā)現(xiàn)大多數(shù)教師在講授核磁共振氫種類的判斷中采用了等效氫法[4]和對稱軸法[5]。這兩種解題方法確實有效，但會給學(xué)生增加記憶負擔(dān)且無法幫助學(xué)生構(gòu)建部分陌生有機物的真實立體結(jié)構(gòu)，不利于化學(xué)思維的培養(yǎng)[6]?；诖耍P者探索將原子化學(xué)環(huán)境思維應(yīng)用在氫的種類判斷教學(xué)中并取得了良好的效果。

人教版選修5教材利用氫原子化學(xué)環(huán)境的不同來區(qū)分兩種同分異構(gòu)體乙醇和二甲醚[7]。課堂教學(xué)中教師引導(dǎo)學(xué)生首先觀察乙醇球棍模型甲基上的氫（見圖2），然后通過旋轉(zhuǎn)碳碳單鍵，引導(dǎo)學(xué)生觀察H1、H2和H3周圍原子和原子團，而后構(gòu)建其具有相同化學(xué)環(huán)境的結(jié)論。同理，通過旋轉(zhuǎn)共價鍵可以幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)H4和H5具有相同的化學(xué)環(huán)境，且H6具有獨特的化學(xué)環(huán)境。球棍模型中明顯不同的空間位置讓學(xué)生順利區(qū)分這三類氫原子。同理亦可以通過旋轉(zhuǎn)兩個碳氧單鍵發(fā)現(xiàn)二甲醚中（見圖3）六個氫原子具有相同的化學(xué)環(huán)境。

通過培養(yǎng)這種動態(tài)的微觀思維進行結(jié)構(gòu)分析，學(xué)生對有機物的真實立體結(jié)構(gòu)理解更加深刻[8]。對于常見核磁共振氫的種類判斷問題只需要觀察某個氫原子周圍原子或周圍原子團的連接方式，即可以方便地判斷氫原子的種類。

如甲苯（見圖4）H1和H5兩側(cè)分別連有甲基和氫原子，而且距離甲基都間隔了兩個碳原子，所以它們的化學(xué)環(huán)境相同。H2和H4兩側(cè)都連有氫原子，而且距離甲基都間隔了三個碳原子，所以它們具有相同的化學(xué)環(huán)境。H3和H4雖然兩側(cè)都連有氫原子，但是距離甲基間隔了不同數(shù)目的碳原子，所以它們具有不同的化學(xué)環(huán)境。

在教學(xué)實踐中，部分學(xué)生采用對稱軸的方法，誤以為CH3COOCH3兩邊甲基上的氫具有相同的化學(xué)環(huán)境。但通過應(yīng)用原子化學(xué)環(huán)境思維教學(xué)后，學(xué)生能獨立分析該物質(zhì)的真實立體結(jié)構(gòu)并發(fā)現(xiàn)H4～H6（見圖5）旁邊連接的是碳氧雙鍵，H1～H3旁邊連接的是氧原子，化學(xué)環(huán)境明顯不同。

3.2 順反異構(gòu)問題

教材上定義兩個相同的原子或原子團排列在雙鍵的同一側(cè)稱為順式結(jié)構(gòu)，反之為反式結(jié)構(gòu)[9]。在新授課中構(gòu)建順反異構(gòu)概念時，有些學(xué)生誤以為順-2-丁烯和反-2-丁烯是同種物質(zhì)。實際教學(xué)發(fā)現(xiàn)原子化學(xué)環(huán)境思維可以幫助學(xué)生順利區(qū)分這兩種物質(zhì)。教師可創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境，讓學(xué)生獨立拼接這兩種物質(zhì)的球棍模型，然后嘗試旋轉(zhuǎn)球棍模型中的化學(xué)鍵（見圖6和圖7）。在不破壞共價鍵的前提下，不論學(xué)生如何旋轉(zhuǎn)化學(xué)鍵，均不能使圖7中H7和H8位于雙鍵平面的同側(cè)，表明這兩種烯烴結(jié)構(gòu)完全不同，是兩種不同的有機物。

3.3 取代產(chǎn)物種類數(shù)的判斷問題

當(dāng)準確判斷出某有機物中有多少種化學(xué)環(huán)境的氫之后，其取代產(chǎn)物的種類數(shù)便容易確定了。如甲苯苯環(huán)上有三種化學(xué)環(huán)境的氫，所以其苯環(huán)上一取代產(chǎn)物就有三種；如對二甲苯苯環(huán)上只有一種化學(xué)環(huán)境的氫，所以其苯環(huán)上一取代產(chǎn)物就只有一種。如鄰甲基苯酚苯環(huán)上有四種化學(xué)環(huán)境的氫，所以其苯環(huán)上一取代產(chǎn)物就有四種（見圖8）。

3.4 加成產(chǎn)物種類數(shù)判斷問題

筆者在教學(xué)實踐中發(fā)現(xiàn)，部分學(xué)生容易忽略烯烴的不對稱加成。通過培養(yǎng)原子化學(xué)環(huán)境思維，分析溴原子在1號位和2號位化學(xué)環(huán)境的不同，可以區(qū)分不對稱單烯烴的兩種加成產(chǎn)物（見圖9），提高學(xué)生書寫烯烴不對稱加成產(chǎn)物的完整性。

3.5 高考有機信息反應(yīng)仿寫類問題

全國高考理綜有機試題常以高中學(xué)生感到陌生的有機反應(yīng)為載體，考察其解決化學(xué)問題的能力。應(yīng)對這類有機信息試題，需要掌握分析有機物結(jié)構(gòu)的理論方法，找出具有相似化學(xué)環(huán)境的原子或原子團，并最終發(fā)現(xiàn)原子間的偶聯(lián)方式。以2013年廣東卷第30題為例，題目信息給出物質(zhì)Ⅰ和Ⅱ反應(yīng)生成Ⅲ，要求寫出物質(zhì)a和b反應(yīng)的產(chǎn)物c。

該信息反應(yīng)機理如下：（1）羰基和酯基都是吸電子基，其鄰位碳的電子云密度比較小，碳氫鍵容易異裂形成較穩(wěn)定的碳負離子；（2）醇羥基容易質(zhì)子化，使得碳氧鍵被高度極化，電子云偏向氧原子，碳原子帶部分正電荷；（3）碳負離子親核進攻碳正離子，水分子離去，形成穩(wěn)定產(chǎn)物。

通過對比分析我們發(fā)現(xiàn)物質(zhì)Ⅰ和a圓圈中的氫原子具有相似的化學(xué)環(huán)境。因為a中苯環(huán)和碳碳叁鍵形成離域大π鍵，溴原子電負性較強，同樣使得碳氫鍵容易異裂形成較穩(wěn)定的碳負離子。物質(zhì)Ⅱ和b方框中的羥基具有相似的化學(xué)環(huán)境，于是找出碳碳鍵的偶聯(lián)方式，最終順利寫出產(chǎn)物c。

3.6 全國化學(xué)競賽有機產(chǎn)物分析類問題

中國化學(xué)會第24屆全國高中學(xué)生化學(xué)競賽（省級賽區(qū)）第9題中要求畫出下列兩個轉(zhuǎn)換中產(chǎn)物1、2和3的結(jié)構(gòu)簡式，并簡述在相同條件下反應(yīng)，對羥基苯甲醛只得到一種產(chǎn)物，而間羥基苯甲醛卻得到兩種產(chǎn)物的原因。

對羥基苯甲醛和間羥基苯甲醛分別具有醛基和酚羥基，其中兩個醛基擁有不同的化學(xué)環(huán)境，兩個酚羥基也擁有不同的化學(xué)環(huán)境，所以它們在相同條件下所發(fā)生的反應(yīng)也不同，需要分析各自官能團的化學(xué)環(huán)境來解釋產(chǎn)物的不同。

酚在堿性溶液中會以酚鹽負離子的形式存在，與長鏈正烷基溴發(fā)生取代反應(yīng)形成芳香醚類化合物（如虛線圓圈所示）。由于羥基化學(xué)環(huán)境的差異性，使化合物1和2的產(chǎn)率不同[10]。連在苯環(huán)上的羥基或烷氧基對苯環(huán)的對位比對苯環(huán)的間位有更強的給電子共軛效應(yīng)和更弱的吸電子誘導(dǎo)效應(yīng)，致使處于間位的醛基比處于對位的醛基具有更強的親電性，所以在碳酸鉀的弱堿條件下，對羥基苯甲醛與丙酮不發(fā)生縮合反應(yīng)，而間羥基苯甲醛可與丙酮發(fā)生經(jīng)典的羥醛縮合反應(yīng)，生成產(chǎn)物3。

原子化學(xué)環(huán)境思維可以幫助學(xué)生建立有機化學(xué)的構(gòu)性思維，深入理解有機物的真實結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)[11]。課堂中長期滲透化學(xué)環(huán)境思維后，學(xué)生不僅能正確分析復(fù)雜化合物中氫原子或某些原子團的化學(xué)環(huán)境，還能從容面對信息題中各種復(fù)雜化合物的結(jié)構(gòu)分析，通過類比關(guān)鍵原子或原子團的化學(xué)環(huán)境，主動對接已有化學(xué)知識，理解陌生信息。

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