休克爾規(guī)則的教學(xué)分析

秦永華，趙新梅，張雅娟，張新波，嚴(yán)蘭蘭

(浙江醫(yī)藥高等?？茖W(xué)校 ， 浙江 寧波 315100)

休克爾規(guī)則的教學(xué)分析

秦永華，趙新梅，張雅娟，張新波，嚴(yán)蘭蘭*

(浙江醫(yī)藥高等專科學(xué)校 ， 浙江 寧波 315100)

休克爾規(guī)則是大學(xué)有機(jī)化學(xué)中判斷分子芳香性與否的重要經(jīng)驗規(guī)則。本文通過介紹休克爾規(guī)則中對共軛體系和π電子數(shù)的要求，分析了滿足規(guī)則的共軛體系類型及π電子數(shù)的計算方法，并在教學(xué)實踐活動中進(jìn)行了運(yùn)用，取得了很好的教學(xué)效果。

休克爾規(guī)則 ；教學(xué) ；分析； 有機(jī)化學(xué)

休克爾規(guī)則是有機(jī)化學(xué)中用于判斷非苯系化合物芳香性與否的重要經(jīng)驗規(guī)則。1932年德國化學(xué)家休克爾利用分子軌道法計算環(huán)的穩(wěn)定性，所得結(jié)論為：一個具有環(huán)狀閉合共平面的共軛體系的單環(huán)烯烴，若其π電子數(shù)滿足4n+2規(guī)律時(n取非負(fù)整數(shù))，分子才具有芳香性。這個規(guī)則被稱為休克爾規(guī)則[1]。休克爾規(guī)則不僅可用于判斷單環(huán)烯烴的芳香性，還可用于判斷多環(huán)烯烴、雜環(huán)的芳香性。

1 學(xué)生學(xué)習(xí)障礙分析

在實際教學(xué)過程中，學(xué)生往往對休克爾規(guī)則的具體應(yīng)用難以掌握和理解，主要存在兩個方面的原因。在教材方面，多數(shù)有機(jī)化學(xué)教材，如由王禮琛[2]、張斌[2]、高占先[3]等主編出版的教科書中，都對休克爾規(guī)則作了介紹，但內(nèi)容的詳細(xì)度不夠，僅對休克爾規(guī)則的概念作了說明，并輔以常見化合物的結(jié)構(gòu)作為支撐，沒有剖析休克爾規(guī)則中對共軛體系的要求及π電子如何計算的問題，缺乏實施步驟，給學(xué)生自學(xué)帶來很大的困擾。

在學(xué)生方面，我校高職藥學(xué)類專業(yè)的學(xué)生，由于本身化學(xué)基礎(chǔ)薄弱，學(xué)習(xí)興趣不濃，又缺乏積極性和主動性，在遇到難以理解的概念或定律時，往往無從下手，對知識內(nèi)容的學(xué)習(xí)囫圇吞棗，只重表面，抓不住重點。

基于學(xué)生對于休克爾規(guī)則的學(xué)習(xí)障礙，有必要在課堂教學(xué)中有針對性的進(jìn)行教學(xué)設(shè)計，以學(xué)生已有的理論基礎(chǔ)為依據(jù)，通過合理適當(dāng)?shù)姆椒ㄒ龑?dǎo)，使學(xué)生能真正的掌握休克爾規(guī)則的實質(zhì)與運(yùn)用，提高教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)效果。

2 休克爾規(guī)則的教學(xué)分析

在教學(xué)設(shè)計中，緊緊圍繞休克爾規(guī)則的“兩個中心思想”展開，即對環(huán)系共軛體系的要求和對π電子數(shù)的滿足。

2.1 環(huán)系共軛體系的要求

具有芳香性的非苯系化合物，要求具有“環(huán)狀閉合共平面”的共軛體系。可以說分子結(jié)構(gòu)的平面或近平面性是應(yīng)用休克爾規(guī)則的必要條件。在課本之前的學(xué)習(xí)內(nèi)容中，涉及到共軛體系類型的主要有四種，即：π-π共軛、p-π共軛、 -π超共軛和 -p超共軛。從共軛體系的形成過程來看，通常情況下π-π共軛和p-π共軛要求參與共軛的各單元共平面，以便各原子上未參與雜化的p軌道可以相互平行而重疊，如1,3-丁二烯分子中的π-π共軛，見圖1。

圖1 1,3-丁二烯分子的π-π共軛

-π超共軛和 -p超共軛，由于參與共軛的一方是與π鍵或p軌道相鄰的碳?xì)?鍵， 鍵所處方位無法與p軌道或形成π鍵的p軌道相平行(不能位于同一平面)，故重疊程度微弱，稱為超共軛，如丙烯中的 -π超共軛，見圖2。

圖2 丙烯分子的 -π超共軛

由此可見，適用于休克爾規(guī)則共軛體系要求的主要是π-π共軛與p-π共軛。

2.2 帶電體系π電子數(shù)的計算

學(xué)生往往對于共軛體系的判斷比較純熟，但在π電子的計算上存在較大的難度。需要指出的是，休克爾規(guī)則中π電子應(yīng)為環(huán)系中參與共軛的電子數(shù)，而不僅僅是形成普通π鍵的電子數(shù)。從π鍵的形成過程來看，共軛體系中形成π鍵的原子，各自提供1個p電子參與了共軛，如圖2丙烯分子中的π鍵。因此，體系中每個不飽和的原子所貢獻(xiàn)的π電子數(shù)為1。非苯系化合物有時為了滿足休克爾規(guī)則對于共軛體系的要求，需要在結(jié)構(gòu)中引入正電荷或負(fù)電荷，當(dāng)分子有電性時，帶電部分的π電子計算方法如下。

2.2.1 電荷位于飽和原子上

以環(huán)丙烯為例。環(huán)丙烯分子共平面的閉合共軛，不滿足休克爾規(guī)則對共軛體系的要求，但當(dāng)環(huán)丙烯中飽和碳原子顯正電或負(fù)電性時，由于形成了p-π共軛，則具有了一個閉合共平面的共軛體系。當(dāng)飽和碳原子顯正電性時，可以知道此時飽和碳由sp3雜化態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閟p2雜化，其參與p-π共軛的p軌道中沒有任何電子，故飽和碳原子顯正電性時，對π電子無貢獻(xiàn)，整個體系的π電子總數(shù)為2，滿足4n+2規(guī)則(n=0)，具有芳香性；當(dāng)飽和碳原子上顯負(fù)電性時，其雜化態(tài)也為sp2雜化，但參與共軛的p軌道中有2個電子，故可以知道，當(dāng)一個飽和碳原子顯負(fù)電性時，其對π電子的貢獻(xiàn)為2，整個體系中π電子數(shù)為4，不滿足4n+2規(guī)則，不具有芳香性。詳細(xì)圖解見圖3。

圖3 環(huán)丙烯正負(fù)離子結(jié)構(gòu)

2.2.2 電荷位于不飽和原子上

以環(huán)丁二烯為例。環(huán)丁二烯分子中存在π-π共軛體系，具有共平面閉合的共軛體系，但其π電子數(shù)為4，不符合4n+2規(guī)則，不具有芳香性。當(dāng)環(huán)上不飽和碳顯電性時，主要對π電子數(shù)有影響，并不會影響到共軛體系的總體構(gòu)成。當(dāng)環(huán)丁二烯分子帶兩個正電荷時，形成共軛的不飽和碳原子p軌道中的π電子相應(yīng)的減少了2個，而當(dāng)其帶兩個負(fù)電荷時，不飽和碳原子p軌道中的π電子則相應(yīng)的增加了2個，見圖4。

圖4 環(huán)丁二烯正負(fù)離子結(jié)構(gòu)

環(huán)丁二烯正離子(2+)中π電子數(shù)為2，符合休克爾規(guī)則，具有芳香性；環(huán)丁二烯負(fù)離子(2-)中π電子數(shù)為6，符合休克爾規(guī)則，也具有芳香性。由上所知，正電荷出現(xiàn)在不飽和原子上時，體系π電子會隨正電荷的增加相應(yīng)的減少；負(fù)電荷出現(xiàn)在不飽和原子上時，體系π電子會隨負(fù)電荷的增加相應(yīng)的增加。

2.3 雜環(huán)體系π電子數(shù)的計算

雜環(huán)中除了碳原子外，還存在非碳雜原子。對于π電子數(shù)，牢牢的把握住參與共軛體系這一重要特征來計算。如呋喃中，氧上孤電子對參與了閉合共軛體系，環(huán)系的π電子為6(4+2)，符合4n+2規(guī)則；吡啶中，雖然氮原子上有孤電子對，但參與共軛的是氮原子的成單電子，在計算π電子時，氮只提供了1個，而不是2個，吡啶分子也符合休克爾規(guī)則，具有芳香性，見圖5。

圖5 呋喃和吡啶的結(jié)構(gòu)

3 教學(xué)反思

芳香性是有機(jī)化學(xué)中的一個重要概念，而休克爾規(guī)則是判斷芳香性的重要手段，雖然學(xué)生反映休克爾規(guī)則在理解上有難度，但我們應(yīng)該看到，從本源上講解規(guī)則中π電子的計算是能否掌握好該規(guī)則的關(guān)鍵所在。在我校的教學(xué)實踐中，通過講解分析，學(xué)生多能接受該理論并很好的運(yùn)用，教學(xué)效果良好。休克爾規(guī)則不僅可用來判斷文中所述經(jīng)典的分子芳香性，也可用來判斷大環(huán)輪烯、稠環(huán)多烯、富瓦烯型分子等的芳香性，在教學(xué)過程中，可以將這些分子作為拓展，來進(jìn)一步加深學(xué)生對休克爾規(guī)則的理解與掌握。

[1] 王禮琛.有機(jī)化學(xué)[M].1版，南京：東南大學(xué)出版社，2004:138.

[2] 張 斌.藥用有機(jī)化學(xué)[M].2版，北京：中國醫(yī)藥科技出版社，2013:73.

[3] 高占先.有機(jī)化學(xué)[M].2版，北京：高等教育出版社，2009:200-202.

TeachingAnalysisofHuckelRules

QinYonghua，ZhaoXinmei，ZhangYajuan，ZhangXinbo，YanLanlan

(Zhejiang Pharmaceutical College, Ningbo ,Zhejiang Province 315100，China)

Huckel Rules is a important empirical rules to analysize the aromaticity in organic chemistry.The demands of conjugative systems and the number of π-electron are introduced in this paper to analysize their types and calculation methods which must conform to huckel rules.And good teaching effects are obtained when the analysis is applied in the teaching practice.

Huckel rules;teaching;analysis;organic chemistry

2017-09-21

寧波市服務(wù)型教育重點建設(shè)專業(yè)二級項目《藥用化學(xué)基礎(chǔ)》課程建設(shè)(Y039)部分研究成果;浙江醫(yī)藥高等?？茖W(xué)校第三批課堂創(chuàng)新改革項目(KTCX201603003)

通訊聯(lián)系人：嚴(yán)蘭蘭(1986—)，實驗師，研究方向為藥學(xué)。

G642.0

A

1008-021X(2017)22-0153-02

(本文文獻(xiàn)格式：秦永華，趙新梅，張雅娟，等.休克爾規(guī)則的教學(xué)分析[J].山東化工，2017，46(22)：153-154.)