核心素養(yǎng)視域下“正負電荷相互吸引”的有機化學(xué)教學(xué)應(yīng)用

北京 徐曉斌

基于化學(xué)鍵視角預(yù)測和解釋有機化合物的性質(zhì)，對于學(xué)生建立“組成、結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”的核心觀念、發(fā)展高級思維具有重要意義。無論是在《普通高中化學(xué)課程標準(2017年版2020年修訂)》(以下簡稱《課程標準》)，還是在人教版新教材《有機化學(xué)基礎(chǔ)》(以下簡稱新教材)中都對化學(xué)鍵視角進行了強化。但是，僅僅基于這些認識角度，學(xué)生雖然能準確預(yù)測或解釋斷鍵部位，但是分析新化學(xué)鍵形成時仍然會面臨困惑。例如，新教材83頁“資料卡片”介紹了羥醛縮合反應(yīng)。

學(xué)生基于化學(xué)鍵視角，能夠預(yù)測可能的斷鍵位置分別為圖1中①處的碳氧雙鍵、圖1中②處的醛基鄰位碳原子(α-C)上的氫原子(α-H)之間的化學(xué)鍵。緊接著，在分析產(chǎn)物時，學(xué)生可能得到如圖2a和b所示的兩種不同的結(jié)果。

圖1 羥醛縮合反應(yīng)中反應(yīng)物可能的斷鍵

圖2 羥醛縮合反應(yīng)中可能的成鍵方式

其實，這一問題本質(zhì)是在追問有機物在成鍵時應(yīng)遵循什么樣的原則，這是基于化學(xué)鍵視角認識有機物不可缺少的環(huán)節(jié)，然而，這一問題卻沒有引起教師的關(guān)注，很多教師在教學(xué)中沒有介紹，致使學(xué)生認知造成障礙。

1.引入成鍵規(guī)律，建構(gòu)認知模型

1.1 明晰有機物成鍵規(guī)律

有機物在成鍵時要遵循“正親負、負親正”的基本規(guī)律。以鹵代烴(RCH2Br)的取代反應(yīng)為例，由于溴原子和碳原子的電負性差異，形成一個極性較強的共價鍵：Cδ+—Brδ-，碳原子(Cδ+)與帶負電荷的—OH結(jié)合形成醇。類似地，分析如圖3所示的乙醇的取代反應(yīng)，可以發(fā)現(xiàn)，總是δ+和δ-的原子連接形成新的化學(xué)鍵，這就是有機化學(xué)中的“正負電荷相互吸引”。

圖3 乙醇的取代反應(yīng)中的“正負電荷相互吸引”

1.2 有機物成鍵規(guī)律是有機化學(xué)反應(yīng)本質(zhì)的外顯

有機化學(xué)中的“正負電荷相互吸引”不是巧合，而是由反應(yīng)機理決定的。按照反應(yīng)時化學(xué)鍵斷裂和生成的方式，有機反應(yīng)分為以下3大類。

(1)離子型反應(yīng)。仍以鹵代烴(RCH2Br)的取代反應(yīng)為例，如圖4所示，OH-對原子核有顯著親和力，與鹵代烴中帶部分正電的原子(Cδ+)相互吸引、接近，經(jīng)歷過渡態(tài)然后再成鍵，同時生成Br-。像OH-這種供給電子的試劑(δ-)進攻有機物中的正碳中心(Cδ+)而發(fā)生的反應(yīng)稱為親核反應(yīng)。相反地，由缺少電子的試劑(δ+)進攻有機物中的負碳中心(Cδ-)而發(fā)生的反應(yīng)稱為親電反應(yīng)。親電反應(yīng)和親核反應(yīng)在反應(yīng)過程中伴隨著化學(xué)鍵的異裂，統(tǒng)稱為離子型反應(yīng)。

圖4 鹵代烴的取代反應(yīng)機理

(2)自由基反應(yīng)。常常對應(yīng)著化學(xué)鍵的均裂，成鍵的一對電子平均分給兩個原子或原子團，生成自由基。典型的反應(yīng)如甲烷和氯氣的取代反應(yīng)，是由Cl·進攻CH4實現(xiàn)鏈增長。

(3)協(xié)同反應(yīng)。

因為高中所學(xué)的絕大多數(shù)反應(yīng)屬于離子型反應(yīng)，如碳碳雙鍵、碳碳三鍵的加成，苯環(huán)的取代，鹵代烴的水解和消去，醇的取代和消去，酯化和酯的水解等，所以“正負電荷相互吸引”這一規(guī)律具有極強的普適性。

1.3 建構(gòu)有機化合物的認知模型

基于有機反應(yīng)的成鍵規(guī)律，通過文獻梳理、結(jié)合教學(xué)實踐，構(gòu)建了如圖5所示的基于化學(xué)鍵視角認識有機化合物的認知模型。在分析結(jié)構(gòu)時，首先關(guān)注有機物的不飽和度和化學(xué)鍵的極性(需要考慮成鍵原子的電負性差值、鄰近基團對化學(xué)鍵的影響)，從而分析斷鍵部位，根據(jù)“正負電荷相互吸引”的原則，推測或解釋新鍵形成的原理。

圖5 有機化合物的認知模型

1.4 應(yīng)用有機化合物的認知模型解釋問題

圖6 羥醛縮合反應(yīng)的斷成鍵分析

2.應(yīng)用模型，突破有機合成難點

有機化合物的認知模型不僅能用于解釋教材中出現(xiàn)的反應(yīng)，更有價值的是，可以應(yīng)用于分析難度較大的陌生反應(yīng)。對學(xué)生而言，學(xué)業(yè)水平考試的難點之一是分析碳鏈的增長。造成這一困難的原因在于課內(nèi)較少介紹碳鏈增長的反應(yīng)，學(xué)生只是通過試題提供的新信息才對其有所了解。這種碎片化的學(xué)習(xí)方式容易使知識體系缺乏系統(tǒng)性?！墩n程標準》要求“認識有機合成的關(guān)鍵是碳骨架的構(gòu)建和官能團的轉(zhuǎn)化”，凸顯了有機合成在有機化學(xué)學(xué)習(xí)中的關(guān)鍵地位。因此，利用有機化合物的認知模型，理解概括出有機合成、尤其是碳鏈增長反應(yīng)的規(guī)律和本質(zhì)，有助于學(xué)生突破認知障礙。

2.1 應(yīng)用模型探尋碳鏈增長的規(guī)律和實質(zhì)

(R1、R2代表烴基，下同)

2.2 應(yīng)用碳鏈增長的規(guī)律突破難點

基于碳鏈增長反應(yīng)規(guī)律和有機化合物的認知模型，可以解決陌生復(fù)雜的問題。

2017年北京卷的25題部分合成路線如圖8，本題已知E為乙酸乙酯，需推斷F的結(jié)構(gòu)。由于這個反應(yīng)新穎，給考生造成困擾，甚至出現(xiàn)部分考生已經(jīng)推導(dǎo)出F的結(jié)構(gòu)但是不敢確信這種成鍵方式是否合理的情況。

圖8

應(yīng)用有機物的認知模型進行分析。如圖9所示，因為產(chǎn)物中有乙醇，所以確定A中的斷鍵位置，分子A中羰基碳為正碳中心；而B分子中有3種氫，考生困惑的是哪個碳氫鍵斷裂?？紤]鄰近基團對化學(xué)鍵極性的影響，可以發(fā)現(xiàn)，因為酯基的存在，α-C和α-H之間的共價鍵極性較強，易于斷裂，斷裂后形成負碳中心；正碳中心可以和負碳中心連接成鍵，實現(xiàn)碳鏈的增長。

圖9 乙酸乙酯的縮合反應(yīng)

事實上，可以將該反應(yīng)推廣到一般，兩分子酯可以發(fā)生縮合反應(yīng)。

圖10

圖11 E→F的成鍵分析

推廣至一般，如下圖所示，A分子中的α-C分別與羰基和酯基相連，α-C兩側(cè)均為吸電子基團，使得α-C和α-H 原子之間的共價鍵極性較強，更容易發(fā)生斷裂，α-C成為負碳中心。在鹵代烴B中，α-C是正碳中心，和A的負碳中心連接成鍵，同時生成HBr。

除了碳鏈增長反應(yīng)，有機化合物的認知模型還可以用于設(shè)計有機合成路線、預(yù)測未知反應(yīng)等。

總而言之，構(gòu)建認識有機物的認知模型，有助于學(xué)生深刻地體會“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”這一有機化學(xué)學(xué)科核心思想、發(fā)展證據(jù)推理與模型認知的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。第一，基于學(xué)習(xí)進階理論，學(xué)生認識有機反應(yīng)的思維層級應(yīng)該從單點結(jié)構(gòu)水平的物質(zhì)視角，發(fā)展至多元和關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)水平的官能團視角，最終發(fā)展至抽象結(jié)構(gòu)水平的化學(xué)鍵視角。從化學(xué)鍵視角去分析有機物結(jié)構(gòu)，既要通過分析化學(xué)鍵的極性和飽和程度確定斷鍵部位，還要根據(jù)“正負電荷相互吸引”分析新化學(xué)物質(zhì)的形成。依據(jù)這一認知模型，學(xué)生能在化學(xué)鍵的認識層級分析有機化合物的結(jié)構(gòu)以預(yù)測和解釋有機化合物的性質(zhì)，通過分析有機化合物性質(zhì)有效推理和論證有機化合物的結(jié)構(gòu)，發(fā)展宏觀辨識、微觀探析的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。第二，構(gòu)建模型、應(yīng)用模型的過程是思維發(fā)展的過程。通過分析、推理、抽象、概括，逐步深化認知，自我構(gòu)建有機化合物認知范式，并進一步運用模型預(yù)測和解釋有機化合物的化學(xué)性質(zhì)，能在陌生情境的解決問題過程中檢驗學(xué)習(xí)成果，將認識方法內(nèi)化為學(xué)生的元認知，不斷加深對有機反應(yīng)的本質(zhì)特征認識，促進證據(jù)推理與模型認知化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展。