關(guān)于有機化學(xué)教學(xué)中親電、親核反應(yīng)的幾點教學(xué)設(shè)計

成 昭 劉春葉 苗延青 張雪嬌 梁玲玲

(西安醫(yī)學(xué)院 藥學(xué)院，陜西 西安 710021)

有機化合物中，原子和原子團之間的相互作用通過誘導(dǎo)、共軛等電子效應(yīng)影響電子云分布與原子帶電情況，往往會進一步影響有機物的化學(xué)性質(zhì)，決定有機化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)方向、反應(yīng)機理、反應(yīng)平衡及反應(yīng)速率等[1]。受電子效應(yīng)對有機物中原子帶電情況的影響，有機化學(xué)反應(yīng)常見于親電與親核兩種類型。其中，親電反應(yīng)有烯烴、炔烴的親電加成，及芳香烴的親電取代；親核反應(yīng)包括醛、酮的親核加成，及鹵代烴、醇、醚、羧酸衍生物等多類物質(zhì)的親核取代。但由此而來的復(fù)合了反應(yīng)類型與電子效應(yīng)的反應(yīng)分類，使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，不僅需要在無機化學(xué)課程學(xué)習(xí)基礎(chǔ)上區(qū)分加成、取代等反應(yīng)類型，還要根據(jù)有機化學(xué)中的電子效應(yīng)分析親電、親核過程。

實際教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)大部分學(xué)生都對較為抽象的親電、親核反應(yīng)過程的學(xué)習(xí)與區(qū)分[2]感到困難。而電子效應(yīng)作為《有機化學(xué)》教材中的重難點貫穿全書，從烷烴章節(jié)學(xué)習(xí)碳自由基時開始涉及，再到烯烴及后續(xù)章節(jié)反應(yīng)機理討論時反復(fù)出現(xiàn)的正碳離子、各種加成及取代反應(yīng)發(fā)生位置、羧酸及取代羧酸酸性、羧酸及羧酸衍生物的活性等等。如何進行合理教學(xué)設(shè)計，將難點分解、便于學(xué)生理解、識記，使重點得到多次印證、強化學(xué)生印象，是有機化學(xué)授課教師群體長期思索的一個問題。

我校針對醫(yī)學(xué)專業(yè)學(xué)生的有機化學(xué)課程教學(xué)中，教學(xué)團隊進行了契合電子效應(yīng)的如下教學(xué)設(shè)計，以異性電荷相吸的原理闡述親電、親核過程，再結(jié)合各類有機化合物的特性反應(yīng)，應(yīng)用于實際教學(xué)過程，取得了較好成效。

1 基于異性電荷相吸原理的親電、親核過程

有機化學(xué)反應(yīng)是基于碳骨架的反應(yīng)過程，碳原子是有機化合物基本組成原子，碳碳鍵是有機化合物的骨架，有機化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)就是其他原子在一定反應(yīng)動力下接入碳骨架的過程。而常見的有機反應(yīng)動力之一本質(zhì)上就是異性電荷相吸。

對于有機反應(yīng)親電、親核過程的區(qū)分和界定是基于碳原子的，其他試劑進行親電、親核過程的對象均為碳原子。進一步細分來看：當反應(yīng)官能團中的目標碳原子受電子效應(yīng)影響帶部分正電荷時，帶有相反負電荷/多電子的待反應(yīng)試劑會因為異性電荷相吸引，具備了足夠反應(yīng)動力而連接帶正電荷的目標碳原子。為了描述這個反應(yīng)試劑主動靠近正電荷目標碳原子，接入碳骨架的過程，定義了親核過程，意指有機化學(xué)反應(yīng)的目標碳原子像原子核一樣帶正電，會吸引帶相反電荷的反應(yīng)試劑主動靠近，在碳骨架保持不動的前提下，親核過程的相對運動是帶負電荷反應(yīng)試劑主動靠近、進而反應(yīng)，反應(yīng)是帶負電荷反應(yīng)試劑親近像原子核一樣帶正電的碳的過程，稱為親核過程。

親電過程則相反，有機反應(yīng)的目標碳原子周圍電子云密集，負電荷電子云密集包裹著碳原子，從而使目標碳原子呈現(xiàn)負電荷密集狀態(tài)，吸引帶正電荷/缺電子的待反應(yīng)試劑。親電過程的相對運動是帶正電荷反應(yīng)試劑主動靠近目標碳原子、進而反應(yīng)，反應(yīng)的相對運動是帶正電荷反應(yīng)試劑親近電子云密集、被負電荷包裹的目標碳原子，稱為親電過程(圖1)。

圖1 親電/親核反應(yīng)過程

親電、親核反應(yīng)的動力是相反電荷的吸引，反應(yīng)是由欲與目標碳原子反應(yīng)的待反應(yīng)試劑完成的，所以將帶負電荷/多電子的試劑定義為親核試劑，帶正電荷/缺電子的試劑定義為親電試劑。

2 有機化合物結(jié)構(gòu)與其特征反應(yīng)

2.1 以官能團結(jié)構(gòu)界定特征反應(yīng)類型

在無機化學(xué)課程進行了反應(yīng)類型區(qū)分的基礎(chǔ)上，結(jié)合有機化合物官能團的結(jié)構(gòu)特點，進一步界定有機反應(yīng)類型。有機化合物中的不飽和類型官能團，如烯烴、炔烴的不飽和碳碳重鍵，醛、酮的不飽和羰基，會伴隨著不飽和基團的特性加成反應(yīng)；而官能團中較為活潑的氫或者極性較強的極性鍵，通常容易發(fā)生被替換、被取代的取代反應(yīng)(圖2)。

圖2 典型的親電/親核反應(yīng)類型

復(fù)合了反應(yīng)類型與電子效應(yīng)之后，常見的有機反應(yīng)就有了親電加成、親電取代、親核加成、親核取代等分類[3,4]。

2.2 以碳原子帶電情況闡述反應(yīng)機制

有機化學(xué)中電子效應(yīng)的學(xué)習(xí)，是為了區(qū)分回答作為有機化合物基本組成碳原子的具體帶電情況：什么時候碳原子帶正電？什么時候碳原子周圍電子云密集？有機化學(xué)教材中，電子效應(yīng)的分析是從C-H鍵開始的，認為H沒有電子效應(yīng)，C-H鍵中的C保持電中性。C如何帶電，帶正電還是負電，需要比較其他原子與H電負性的相對大小。電子效應(yīng)中討論的原子電負性概念[5,6]，與無機化學(xué)中元素的金屬性、非金屬性有直接聯(lián)系。因此，電負性相對大小的界定可引導(dǎo)學(xué)生從元素周期表出發(fā)，利用其熟悉的元素排布位置與周期性變化規(guī)律，完成C-O、C=O、C-X、C-N等極性鍵中碳原子帶電情況分析，因為上述極性鍵碳原子均帶正電荷，上述官能團的特性反應(yīng)一般情況下均為親核反應(yīng)。而化學(xué)鍵兩端組成原子完全一致的碳碳鍵，無論C-C、C=C或C≡C鍵，均為非極性鍵，兩端C均不帶電，但作為不飽和鍵的C=C及C≡C鍵，因π鍵成鍵特點及相應(yīng)的π鍵電子云分布特點，碳碳重鍵中的碳原子被負電荷電子云包裹，通常發(fā)生親電過程。而作為有機分子骨架的C-C單鍵為σ鍵，特點是穩(wěn)定、難以斷裂，所以烷烴的特征化學(xué)反應(yīng)較少。

3 結(jié)論

結(jié)合有機化合物中的碳原子帶電情況及官能團特征反應(yīng)類型，不僅得到了(1)烯烴、炔烴親電加成，(2)芳香烴親電取代，(3)醛、酮親核加成，(4)鹵代烴、醇、醚、羧酸衍生物等親核取代的合理界定，而且能夠在一定程度上理解相反電荷相吸引的反應(yīng)動力。契合電子效應(yīng)的上述幾點教學(xué)設(shè)計，將難點分解、便于學(xué)生理解識記。同時，使重點得到多次印證、強化學(xué)生印象，收到了一定的實際教學(xué)成效。學(xué)生接受一門新課程時，設(shè)計合理的教學(xué)切入點不僅能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，還能聯(lián)系已有知識、培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力，實現(xiàn)師生有效互動、有助于教學(xué)相長、形成良性循環(huán)。針對醫(yī)學(xué)專業(yè)學(xué)生的有機化學(xué)教學(xué)設(shè)計是實際教學(xué)經(jīng)驗積累，更是不斷探索借鑒先進經(jīng)驗、融合專業(yè)特點、不斷充實完善的過程，具體實施過程中還將繼續(xù)積累、繼續(xù)充實。