滲透化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的烯烴親電加成教學(xué)設(shè)計

倪煜嵐 程芳芳 禹小琴 撒安娜 李冰

摘 ?要 在高中有機(jī)化學(xué)教學(xué)過程中滲透化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，同時利用Chem 3D軟件繪制物質(zhì)的結(jié)構(gòu)圖，讓學(xué)生能夠在分子水平上認(rèn)識物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，對學(xué)生的宏觀辨識與微觀探析、證據(jù)推理與模型認(rèn)知的化學(xué)核心素養(yǎng)的培養(yǎng)具有重要意義。

關(guān)鍵詞 高中化學(xué);核心素養(yǎng);有機(jī)化學(xué);親電加成;Chem 3D

中圖分類號：G642 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2019）21-0062-03

1 前言

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》要求，高中化學(xué)課程教學(xué)要以培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)為主旨，充分發(fā)揮化學(xué)學(xué)科的育人功能[1]。有機(jī)化學(xué)在日常生活中覆蓋的領(lǐng)域很廣泛，人們的衣食住行處處離不開有機(jī)化學(xué)。同時，有機(jī)物具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、反應(yīng)類型多樣、反應(yīng)條件多變等特點，使其成為高中化學(xué)教學(xué)的重難點。通過在有機(jī)化學(xué)教學(xué)中引入化學(xué)反應(yīng)機(jī)理及物質(zhì)的結(jié)構(gòu)圖，能夠讓學(xué)生從三維視角認(rèn)識物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，從更貼近反應(yīng)本質(zhì)的角度來學(xué)習(xí)、理解和歸納有機(jī)化學(xué)反應(yīng)，建構(gòu)出有機(jī)化學(xué)反應(yīng)的認(rèn)知模型，進(jìn)而理解所學(xué)習(xí)的內(nèi)容，從更深層次揭示反應(yīng)的本質(zhì)和規(guī)律[2-4]，而不是簡單地按照課本上脂肪烴、芳香烴、鹵代烴等的順序機(jī)械地學(xué)習(xí)有機(jī)化學(xué)，或通過死記硬背的方式記憶反應(yīng)方程式和反應(yīng)條件。下面以烯烴的加成為例，探討在有機(jī)化學(xué)教學(xué)中滲透化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的教學(xué)。

2 烯烴加成反應(yīng)在教材中的表述

人教版高中《化學(xué)》（選修5）中介紹烯烴的化學(xué)性質(zhì)較活潑，其主要的化學(xué)性質(zhì)由其官能團(tuán)碳碳雙鍵決定，易發(fā)生加成反應(yīng)、氧化反應(yīng)和加聚反應(yīng)，以乙烯為例，給出圖1所示反應(yīng)方程式。

學(xué)生學(xué)習(xí)烯烴的性質(zhì)本質(zhì)上是對碳碳雙鍵的性質(zhì)的學(xué)習(xí)，而教材中以乙烯為例的學(xué)習(xí)會讓學(xué)生產(chǎn)生烯烴的加成反應(yīng)僅僅就是雙鍵打開的反應(yīng)的刻板印象，不能很好地理解烯烴加成反應(yīng)的實質(zhì)。因此，利用丙烯與溴化氫的不對稱加成反應(yīng)，融入其親電加成的反應(yīng)機(jī)理，能夠讓學(xué)生更加理解加成反應(yīng)的實質(zhì)。

3 “烯烴不對稱加成”的教學(xué)設(shè)計

教學(xué)內(nèi)容 ?以人教版高中《化學(xué)》（選修5）中第2章第1節(jié)“烷烴和烯烴”第一課時中“烯烴的化學(xué)性質(zhì)”為教學(xué)內(nèi)容，以“丙烯”為例，學(xué)習(xí)烯烴的親電加成反應(yīng)。

教學(xué)目標(biāo)

核心知識：掌握烯烴的重要化學(xué)性質(zhì);認(rèn)識烯烴的空間結(jié)構(gòu)，了解烯烴親電加成反應(yīng)的概念及反應(yīng)機(jī)理。

核心能力：通過學(xué)習(xí)丙烯的不對稱加成反應(yīng)的反應(yīng)機(jī)理，理解烯烴加成反應(yīng)的實質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生分析、推理、解決問題的能力，提高學(xué)生宏觀辨識與微觀探析、證據(jù)推理與模型認(rèn)知的化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)。

核心品質(zhì)：通過丙烯的不對稱加成反應(yīng)的機(jī)理認(rèn)識烯烴加成反應(yīng)的實質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生從個別到一般的認(rèn)識規(guī)律，讓學(xué)生能夠通過認(rèn)知模型解釋化學(xué)現(xiàn)象，解釋現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律。

教學(xué)過程

教學(xué)板塊1：舊知回顧→激活思維。教師在已經(jīng)教學(xué)了乙烯結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，讓學(xué)生回顧乙烯的結(jié)構(gòu)，學(xué)生回答“平面結(jié)構(gòu)”。教師讓學(xué)生回顧乙烯與Br2、HBr以及丙烯與Br2的反應(yīng)方程式，學(xué)生通過回顧之前的知識寫出方程式：

CH2=CH2+Br2 == CH2Br-CH2Br

CH2=CH2+HBr == CH3-CHBr

CH3CH=CH2+Br2 == CH3CHBr-CH2Br

設(shè)計意圖：讓學(xué)生回顧之前所學(xué)習(xí)的內(nèi)容，激活學(xué)生已有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，為今天的新授課程做鋪墊。

教學(xué)板塊2：新知引入→建構(gòu)認(rèn)知新模塊→認(rèn)知深化。教師提問：丙烯的結(jié)構(gòu)是什么樣的？學(xué)生畫出圖2所示丙烯的結(jié)構(gòu)。

教師向?qū)W生展示利用Chem 3D繪制的丙烯的三維模型圖，如圖3所示。通過三維模型圖讓學(xué)生更清晰地認(rèn)識丙烯的分子結(jié)構(gòu)[5]。學(xué)生觀察丙烯的三維結(jié)構(gòu)，教師結(jié)合乙烯與溴化氫的加成反應(yīng)，讓學(xué)生根據(jù)自己的理解寫出丙烯與HBr反應(yīng)的方程式。學(xué)生根據(jù)自己的理解寫出兩種結(jié)果：

CH3CH=CH2+HBr == CH3CHBrCH3

CH3CH=CH2+HBr == CH3CH2CH2Br

設(shè)計意圖：讓學(xué)生從分子角度認(rèn)識丙烯的結(jié)構(gòu)，同時對丙烯的加成產(chǎn)生認(rèn)知沖突。

教師為學(xué)生提出丙烯與溴化氫加成一般遵循馬氏規(guī)則的概念，即氫加到含氫較多的碳原子上。提問學(xué)生：丙烯與溴化氫加成的產(chǎn)物應(yīng)該是什么呢？學(xué)生回答：CH3CHBrCH3。

設(shè)計意圖：先為學(xué)生建構(gòu)一個新的認(rèn)知模塊——馬氏規(guī)則，再對新認(rèn)知進(jìn)行深化。

教學(xué)模塊3：引入機(jī)理→深入思考。教師提問學(xué)生：為什么氫要加在含氫較多的碳原子上呢？讓學(xué)生小組討論。學(xué)生思考、討論：可能是由于官能團(tuán)碳碳雙鍵的影響。教師提出確實是由于碳碳雙鍵的影響，通過前面的學(xué)習(xí)得知乙烯中的碳碳雙鍵是一個富電子的官能團(tuán)，在反應(yīng)中它會影響溴化氫的電子環(huán)境，進(jìn)攻溴化氫中的氫原子，此時就會有兩種產(chǎn)生C+中間體的趨勢，如圖4所示。

Br-與這兩種C+反應(yīng)，就會得到前面提到的那兩種產(chǎn)物。

設(shè)計意圖：為學(xué)生建構(gòu)新的認(rèn)知模塊奠定基礎(chǔ)，引導(dǎo)學(xué)生深入思考丙烯不對稱加成的反應(yīng)實質(zhì)。

教學(xué)模塊4：深入講解→得出機(jī)理。教師提問：根據(jù)馬氏規(guī)則，我們已經(jīng)知道Br-是與第一種C+反應(yīng)的，這是為什么呢？學(xué)生思考問題并回答：可能是由于甲基的影響。教師繼續(xù)提問：那甲基是怎樣影響的呢？前面已經(jīng)學(xué)過甲烷是sp3雜化，雙鍵碳是sp2雜化，碳碳三鍵是sp雜化，那這三類雜化有什么異同？學(xué)生回答：相同點是都是s與p的雜化，不同點是它們占有的s與p軌道的比例不同。

教師提出，p軌道含量高，意味著電子云更大更松散，則電子云密度上，sp3>sp2>sp，所以在丙烯中甲基的電子云會擠壓碳碳雙鍵的電子云，使電子在雙鍵碳上的分布不均勻，電子偏向端碳。那么在這個反應(yīng)中，H+與端碳得到二級C+，它與Br-結(jié)合后，最終得到馬氏加成的產(chǎn)物如圖5所示。這個反應(yīng)屬于親電加成反應(yīng)，即親電試劑（帶正電的基團(tuán)）進(jìn)攻不飽和鍵引起的加成反應(yīng)。反應(yīng)中，不飽和鍵（雙鍵或三鍵）打開，并與另一個底物形成兩個新的σ鍵。

學(xué)生認(rèn)真聽講，教師提問：能不能從其他角度來解釋這個反應(yīng)的機(jī)理？學(xué)生思考并回答：從C+穩(wěn)定性的角度來解釋。教師讓學(xué)生觀察表1和表2，提問學(xué)生發(fā)現(xiàn)了什么規(guī)律。學(xué)生觀察得出：解離能CH3·>1°>2°，自由基的電離能CH3·>1°>2°>3°，電離能和解離能越大，意味著越難電離，生成的物質(zhì)也就越不穩(wěn)定，也就是說對于C+的穩(wěn)定性，3°C+>2°C+>1°C+>+CH3。

教師提問：在丙烯與溴化氫的加成反應(yīng)中，如何用C+穩(wěn)定性來解釋這個反應(yīng)？學(xué)生回答：在這個反應(yīng)中可能得到兩種C+中間體，一種是1°C+，另一種是2°C+，由于2°C+的穩(wěn)定強(qiáng)于1°C+，最終的反應(yīng)產(chǎn)物為CH3CHBrCH3。

設(shè)計意圖：利用電子效應(yīng)以及C+穩(wěn)定性的原理來解釋馬氏規(guī)則，同時引出親電加成的概念，讓學(xué)生從本質(zhì)上理解烯烴的親電加成反應(yīng)，學(xué)會從多角度思考問題，并逐步形成親電加成的認(rèn)知模型，能運(yùn)用親電加成反應(yīng)的機(jī)理解釋反應(yīng)現(xiàn)象，舉一反三，觸類旁通。

教學(xué)模塊5：延伸思考→健全認(rèn)知模塊。教師提問：請同學(xué)們思考一下圖6這個反應(yīng)，產(chǎn)物是不是CF3CHBrCH3？

學(xué)生觀察、思考并回答：不是。教師講解：“為什么會造成這個結(jié)果呢？這要從氟的電負(fù)性的角度來思考。氟是元素周期表中電負(fù)性最大的一個元素，因此造成三氟甲基的強(qiáng)吸電子效應(yīng)。它對于碳碳雙鍵的電子云有怎樣的影響呢？”學(xué)生思考并回答：三氟甲基會使雙鍵碳上的電子云向三氟甲基一側(cè)偏移。教師講解：“當(dāng)電子對偏移之后，H+就會與中間的碳結(jié)合，得到一級C+，溴進(jìn)攻端碳最終得到CF3CH2CH2Br，如圖7所示。很明顯，這違背了馬氏規(guī)則，但是這個反應(yīng)本質(zhì)上還是親電試劑進(jìn)攻不飽和鍵的反應(yīng)，也就是親電加成反應(yīng)。”

設(shè)計意圖：讓學(xué)生通過例題了解馬氏規(guī)則并不一定適合所有烯烴的加成反應(yīng)，要學(xué)會具體問題具體分析，能夠運(yùn)用親電加成反應(yīng)的認(rèn)知模塊揭示反應(yīng)的本質(zhì);同時，從本題中意識到有機(jī)化學(xué)的反應(yīng)方程式并不能死記硬背，它需要通過理解，了解反應(yīng)的實質(zhì)，并在處理問題時合理變通。

教學(xué)模塊6：真題試煉→鞏固認(rèn)知模塊。教師請幾位學(xué)生寫出以下物質(zhì)與HI反應(yīng)的主要產(chǎn)物：

①CH3CH2CH=CH2 ?②（CH3）2C=CHCH3 ?③CH3CH=CHCH2Cl

④（CH3）3NCH=CH2 ?⑤CH3OCH=CH2 ⑥CF3CH=CHCl

學(xué)生寫出反應(yīng)產(chǎn)物，教師講解：①和②遵循馬氏規(guī)則;③通過三氟丙烯的例子可以推斷出碘進(jìn)攻離氯較遠(yuǎn)的碳;④中的N會吸引雙鍵上的電子，使電子對偏移到與氮相連的碳上，碘進(jìn)攻端碳;⑤中的甲氧基中的氧上面有一對孤對電子，與雙鍵作用，使電子偏移到端碳上，碘進(jìn)攻與甲氧基相連的碳;⑥中一端連著三氟甲基，一端連著氯，很明顯，三氟甲基的拉電子能力更強(qiáng)，電子對會偏移三氟甲基一側(cè)，碘進(jìn)攻與氯相連的碳。

設(shè)計意圖：這幾道題目中學(xué)生容易出錯的是④⑤⑥三題，教師通過講解，讓學(xué)生更加深刻地理解親電加成的反應(yīng)機(jī)理，鞏固認(rèn)知模塊。

4 結(jié)語

高考綜合改革后著重考查學(xué)生獨(dú)立思考和運(yùn)用所學(xué)知識分析問題、解決問題的能力，力求能夠最大限度地開發(fā)學(xué)生在某一方面的潛能。過去的人才培養(yǎng)方式已經(jīng)不適合改革后的人才選拔方式，教師在課堂教學(xué)中要更具專業(yè)化，能夠?qū)χR點進(jìn)行深入講解和合理拓展，從而激發(fā)學(xué)生的興趣，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，適應(yīng)學(xué)生的發(fā)展要求。

有機(jī)化學(xué)對于學(xué)生能力的提高、學(xué)科素養(yǎng)的提高有著十分重要的作用。在“烯烴加成反應(yīng)”教學(xué)中，利用Chem 3D作圖軟件繪制分子結(jié)構(gòu)，并滲透親電加成反應(yīng)的反應(yīng)機(jī)理，可以讓學(xué)生深入思考烯烴加成反應(yīng)的本質(zhì)。在這個過程中讓學(xué)體會有機(jī)化學(xué)反應(yīng)的獨(dú)特性，感受有機(jī)化學(xué)的魅力，并且能運(yùn)用烯烴親電加成反應(yīng)機(jī)理的認(rèn)知模塊揭示現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律，舉一反三、觸類旁通，使有機(jī)化學(xué)的學(xué)習(xí)化繁為簡。同時讓教師的課堂教學(xué)由原來的“教師教、學(xué)生學(xué)”變成學(xué)生和教師共同研究推導(dǎo)一個反應(yīng)的機(jī)理，使課堂教學(xué)更有活力，學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情不斷提高。

參考文獻(xiàn)

[1]中華人民共和國教育部.普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018：2-11.

[2]尚國香，張欣.高中化學(xué)新課程與大學(xué)化學(xué)教學(xué)銜接研究：有機(jī)化學(xué)性質(zhì)主題[J].大學(xué)化學(xué)，2016，31（2）：15-19.

[3]史瑞欣，孫才英，于朝生，等.淺析高中有機(jī)化學(xué)在大學(xué)有機(jī)化學(xué)教學(xué)中的作用[J].黑龍江教育：理論與實踐，2017（3）：57-58.

[4]王志會.簡述基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)教學(xué)中反應(yīng)機(jī)理推導(dǎo)的重要性[J].教育教學(xué)論壇，2018（13）：217-218.

[5]孫強(qiáng)燕，張聰杰.有機(jī)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理可視化教學(xué)案例介紹[J].化學(xué)教學(xué)，2017（3）：45-48.