把握有機(jī)化學(xué)的三條主線

賈 貞，辛炳煒

(德州學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，山東 德州 253023)

作為化學(xué)相關(guān)專業(yè)的主干基礎(chǔ)課程，有機(jī)化學(xué)的教學(xué)與學(xué)習(xí)一直受到老師和同學(xué)們的重視[1]。然而，有機(jī)化合物種類繁多，有機(jī)反應(yīng)類型復(fù)雜多樣，有機(jī)反應(yīng)機(jī)理抽象晦澀，這給學(xué)習(xí)者造成很大困難，很多學(xué)生感到有機(jī)化學(xué)知識(shí)點(diǎn)繁多，在腦中好像是一盤(pán)散沙，無(wú)很好的規(guī)律可循，抓不到理解、記憶的要點(diǎn)，機(jī)械記憶量過(guò)大。在有機(jī)化學(xué)教學(xué)過(guò)程中，如何將有機(jī)化學(xué)的知識(shí)點(diǎn)互相銜接，如何培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)有機(jī)化學(xué)的思維方式，一直是有機(jī)化學(xué)教學(xué)改革的核心問(wèn)題[2-5]。在多年有機(jī)化學(xué)授課基礎(chǔ)上，總結(jié)出有機(jī)化學(xué)教學(xué)及學(xué)習(xí)的三條主線，即有機(jī)官能團(tuán)決定化合物性質(zhì)，電子效應(yīng)影響化合物性質(zhì)和有機(jī)化學(xué)反應(yīng)遵循穩(wěn)定性原理。授課時(shí)，緊緊把握這三條主線，可以使學(xué)生掌握有機(jī)化學(xué)知識(shí)點(diǎn)的內(nèi)在聯(lián)系，形成一條完整的知識(shí)體系，有助于對(duì)知識(shí)的理解及記憶，達(dá)到有機(jī)化學(xué)學(xué)習(xí)事半功倍的效果。

1 第一條主線―官能團(tuán)結(jié)構(gòu)決定化合物性質(zhì)

傳統(tǒng)的有機(jī)化學(xué)知識(shí)體系一直按照官能團(tuán)分類，盡管在教學(xué)改革過(guò)程中，教學(xué)體系幾經(jīng)討論和修改，但是大的框架沒(méi)變，仍延續(xù)了官能團(tuán)分類體系，這有利于學(xué)生對(duì)官能團(tuán)性質(zhì)的掌握和理解[6-9]。因此，在授課過(guò)程中，應(yīng)該重視官能團(tuán)結(jié)構(gòu)、成鍵情況的分析和講解。從官能團(tuán)的結(jié)構(gòu)、電子云密度以及化學(xué)鍵的強(qiáng)弱等角度進(jìn)行詳細(xì)講解，啟發(fā)學(xué)生自己推導(dǎo)出官能團(tuán)的性質(zhì)。例如“鹵代烴的性質(zhì)”這一部分的教學(xué)，根據(jù)官能團(tuán)的成鍵特點(diǎn)，碳鹵鍵(C-X)電子云發(fā)生偏移，發(fā)生了異性電荷的分散，烴基部分帶部分正電荷，鹵基部分帶部分負(fù)電荷，可以引導(dǎo)學(xué)生得出結(jié)論：碳鹵鍵容易受到親核試劑的進(jìn)攻，發(fā)生親核取代反應(yīng)；同時(shí)由于氫鹵酸為酸性物質(zhì)，因此在堿的作用下容易發(fā)生消除反應(yīng)。

式1 鹵代烴的化學(xué)性質(zhì)

這樣可以利用“啟發(fā)式”教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)思考式學(xué)習(xí)，鍛煉了學(xué)生分析問(wèn)題和歸納問(wèn)題的能力，加深了學(xué)習(xí)的深度，使學(xué)生記憶牢固。雖然有機(jī)化學(xué)知識(shí)點(diǎn)龐雜，有機(jī)化學(xué)反應(yīng)千變?nèi)f化，但有機(jī)反應(yīng)基本上可以根據(jù)官能團(tuán)的結(jié)構(gòu)分析出來(lái)，提高了有機(jī)化學(xué)的教學(xué)質(zhì)量。

2 第二條主線―電子效應(yīng)影響物質(zhì)性質(zhì)

電子效應(yīng)包括誘導(dǎo)效應(yīng)、共扼效應(yīng)、場(chǎng)效應(yīng)和極化效應(yīng)等，是在大量實(shí)驗(yàn)事實(shí)的基礎(chǔ)上，總結(jié)出來(lái)用于解釋化學(xué)現(xiàn)象的一種理論。誘導(dǎo)效應(yīng)是基于定域鍵基礎(chǔ)上的短程電子效應(yīng)；共軛效應(yīng)是基于離域鍵基礎(chǔ)上的遠(yuǎn)程的電子效應(yīng)。在有機(jī)化合物中，往往同時(shí)存在以上兩種電子效應(yīng)[10-11]。

盡管有機(jī)化合物的性質(zhì)主要取決于所含的官能團(tuán)，但化合物中取代基的電子效應(yīng)會(huì)影響到官能團(tuán)，使其化學(xué)性質(zhì)發(fā)生很大變化。目前，電子效應(yīng)已普遍用于解釋有機(jī)分子的性質(zhì)及其反應(yīng)性能，如有機(jī)化合物的物理性質(zhì)、酸堿性、反應(yīng)活性、有機(jī)反應(yīng)的類型、速度、平衡、位置及產(chǎn)物等。盡管電子效應(yīng)貫穿整個(gè)有機(jī)化學(xué)，然而一般教材對(duì)此介紹比較粗略、零碎，知識(shí)的系統(tǒng)性與互補(bǔ)性不強(qiáng)，這無(wú)疑給學(xué)生理解及學(xué)習(xí)帶來(lái)了一定的難度。在教師授課中，把握住電子效應(yīng)影響物質(zhì)性質(zhì)這條主線，引導(dǎo)、啟發(fā)學(xué)生按照電子效應(yīng)分析、理順有機(jī)反應(yīng)，強(qiáng)化有機(jī)化學(xué)的知識(shí)脈絡(luò)，使知識(shí)系統(tǒng)化，有利于學(xué)生的理解與記憶。

在以上理解基礎(chǔ)上，在教學(xué)方法上采取了一系列改進(jìn)。首先，增加了兩次“電子效應(yīng)”專題講座。第一次是在烯烴的親電加成反應(yīng)講授之后，利用一個(gè)課時(shí)的時(shí)間總結(jié)電子效應(yīng)，具體包含三個(gè)方面的內(nèi)容：電子效應(yīng)的分類、定義；活性中間體(例如碳自由基和碳正離子)的穩(wěn)定性；烷烴鹵代反應(yīng)和Markovnikov規(guī)則的解釋。通過(guò)對(duì)電子效應(yīng)，對(duì)以上內(nèi)容系統(tǒng)歸納，使學(xué)生對(duì)電子效應(yīng)有一個(gè)初步的認(rèn)識(shí)，同時(shí)充分理解掌握Markovnikov規(guī)則，這樣對(duì)烯烴親電加成反應(yīng)的反應(yīng)活性、加成反應(yīng)的選擇性等有了深入理解。第二次安排在芳香烴親電取代反應(yīng)中，結(jié)合芳香烴親電取代反應(yīng)的教學(xué)重點(diǎn)―取代基的定位效應(yīng)，對(duì)電子效應(yīng)進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)深化，在更高層次上向?qū)W生介紹具體取代基的電子效應(yīng)，如CH3-、CH3O-、-OH、-NO2等。經(jīng)過(guò)兩次不同層次的講解，使學(xué)生對(duì)電子效應(yīng)有了充分掌握，同時(shí)認(rèn)識(shí)到有機(jī)化學(xué)知識(shí)的連貫性。其次，適時(shí)布置課后作業(yè)以鞏固這部分內(nèi)容。第一，結(jié)合烯烴的親電加成反應(yīng)，布置習(xí)題，如CH2=CH-OCH3、CH2=CH-CH3、CH2=CH-Cl、CH2=CH-NO2、CH2=CH-CF3等化合物加成的活性以及加成方向。第二，讓學(xué)生以“綜述性論文”的形式自己總結(jié) “有機(jī)化學(xué)中的電子效應(yīng)”和“電子效應(yīng)與Markovnikov規(guī)則”，要求學(xué)生能夠在已有知識(shí)的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)總結(jié)電子效應(yīng)對(duì)各官能團(tuán)典型反應(yīng)的影響。事實(shí)證明效果良好，大多數(shù)學(xué)生非常積極地完成該項(xiàng)作業(yè)，同時(shí)借此機(jī)會(huì)訓(xùn)練了科技論文的撰寫(xiě)能力。

在學(xué)生理解、掌握電子效應(yīng)的基礎(chǔ)上，后續(xù)的章節(jié)學(xué)習(xí)中，如共軛體系的穩(wěn)定性、碳正離子的重排、鹵代烴SN1反應(yīng)活性以及有機(jī)化合物的酸堿性等內(nèi)容，運(yùn)用“啟發(fā)式”教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生抓住“電子效應(yīng)影響物質(zhì)性質(zhì)”這條主線，啟發(fā)學(xué)生自己分析問(wèn)題，得出結(jié)論，可收到良好的教學(xué)效果，既鍛煉了學(xué)生的邏輯推理能力，又培養(yǎng)了學(xué)生學(xué)習(xí)有機(jī)化學(xué)的思維方式，進(jìn)一步地，還節(jié)約了寶貴的課堂時(shí)間。

3 第三條主線―有機(jī)化學(xué)反應(yīng)遵循穩(wěn)定性原理

基本上，有機(jī)化學(xué)的每一種反應(yīng)都遵循“穩(wěn)定性原理”，即越穩(wěn)定的體系越容易生成，該規(guī)律貫穿于整個(gè)基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)，與電子效應(yīng)和空間效應(yīng)密切相關(guān)[12]。掌握這一規(guī)律，可使學(xué)生方便記憶，掌握知識(shí)點(diǎn)的內(nèi)在聯(lián)系。穩(wěn)定性原理主要包括三層次的內(nèi)容。第一，中間體的穩(wěn)定性：中間體主要有自由基、碳正離子等。例如烷烴的鹵代反應(yīng)、烯烴親電加成反應(yīng)中的過(guò)氧化效應(yīng)以及烯烴α-H的取代反應(yīng)，均為自由基反應(yīng)歷程，上述反應(yīng)的活性位點(diǎn)和化學(xué)反應(yīng)的方向均取決于自由基的穩(wěn)定性。碳正離子是有機(jī)化學(xué)反應(yīng)中一個(gè)非常重要的中間體，其穩(wěn)定性不但影響有機(jī)反應(yīng)的速度還影響反應(yīng)的活性位點(diǎn)。例如烯烴的親電加成反應(yīng)，芳香烴的親電取代反應(yīng)，鹵代烴的取代、消除反應(yīng)等，反應(yīng)歷程中均涉及到碳正離子中間體，因穩(wěn)定性原理的存在，上述反應(yīng)會(huì)伴隨著重排反應(yīng)的發(fā)生。第二，最終產(chǎn)物為穩(wěn)定性產(chǎn)物：如鹵代烴的消除反應(yīng)，一般情況下都遵循Saytzeff規(guī)律；再如在動(dòng)力學(xué)控制和熱力學(xué)控制的反應(yīng)中，溫度的升高和反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，會(huì)使反應(yīng)產(chǎn)物得到熱力學(xué)產(chǎn)物，如磺化反應(yīng)等。但有例外，如季銨堿加熱分解，遵循Hoffmann規(guī)則，即得到穩(wěn)定性較小的Hofmann烯烴。第三，穩(wěn)定性原理還表現(xiàn)在化合物的穩(wěn)定構(gòu)型、構(gòu)象上：如烷烴、烯烴、環(huán)己烷等化合物在自然情況下的存在狀態(tài)，均按照穩(wěn)定構(gòu)型或構(gòu)象存在。長(zhǎng)期的教學(xué)實(shí)踐中，運(yùn)用“穩(wěn)定性原理”作為一條主線，可以使教學(xué)內(nèi)容條理性增強(qiáng)，教授學(xué)生判斷有機(jī)反應(yīng)體系以及反應(yīng)產(chǎn)物的穩(wěn)定性，可以使學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中有章可尋，簡(jiǎn)化了學(xué)習(xí)過(guò)程，同時(shí)提高了學(xué)習(xí)效率。另外，在醇、酚、醚章節(jié)之后，布置論文“有機(jī)化學(xué)中的穩(wěn)定性原理”這一綜述性作業(yè)，進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用“穩(wěn)定性原理”來(lái)理解，記憶相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)。

以上三條主線互相關(guān)聯(lián)，相輔相成，從不同的角度對(duì)有機(jī)化學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了系統(tǒng)化。在教學(xué)過(guò)程中，把握好這三條主線，適當(dāng)調(diào)節(jié)教學(xué)內(nèi)容，即加強(qiáng)有機(jī)化學(xué)主線的講授，定期對(duì)主線總結(jié)，可形成完整的知識(shí)鏈，從而把相對(duì)獨(dú)立的章節(jié)串聯(lián)起來(lái)；引導(dǎo)學(xué)生自己總結(jié)部分化合物的物理、化學(xué)性質(zhì)，力求培養(yǎng)學(xué)生的總結(jié)能力和邏輯思維能力。不但要“授之于魚(yú)”，“授之于漁”，更要“授之于道”， 加強(qiáng)“漁”和“道”的教學(xué)，適當(dāng)?shù)濒~(yú)”的教學(xué)，將“漁”和“道”寓于“魚(yú)”中，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的鞏固和理解，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和創(chuàng)新性以及總結(jié)歸納的能力，以提高教學(xué)質(zhì)量。