從學(xué)科發(fā)展史設(shè)計(jì)周環(huán)反應(yīng)的課堂教學(xué)

馬忠華，項(xiàng)勇剛，曹秀芳，馬濟(jì)美

華中農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院，武漢 430070

有機(jī)化學(xué)基于電子分布和空間結(jié)構(gòu)認(rèn)知化合物，探究反應(yīng)機(jī)理，進(jìn)而闡述不同類別反應(yīng)的特征和應(yīng)用。電子的重新分布導(dǎo)致共價(jià)鍵可能發(fā)生異裂或均裂，對(duì)應(yīng)則發(fā)生電荷反應(yīng)或自由基的變化。周環(huán)反應(yīng)的電子變化規(guī)律有所不同，它的基本理論認(rèn)為，反應(yīng)通過環(huán)狀過渡態(tài)協(xié)同進(jìn)行，一步同時(shí)完成多個(gè)鍵的斷裂與生成，不能局限于從電子分布對(duì)價(jià)鍵變化進(jìn)行描述，需要考慮軌道空間結(jié)構(gòu)和能級(jí)，這無疑會(huì)加大教與學(xué)的難度。教學(xué)中一般注重于闡述周環(huán)反應(yīng)的理論邏輯，內(nèi)容容易顯得“骨感”。初學(xué)者難以將理論與實(shí)踐關(guān)聯(lián)起來，往往產(chǎn)生“能干什么”的困惑，這不利于學(xué)習(xí)接受新的理論。本文探究在教學(xué)中，如何幫助學(xué)生理解周環(huán)反應(yīng)在有機(jī)反應(yīng)中的地位，對(duì)周環(huán)反應(yīng)發(fā)展歷史中的典型案例進(jìn)行重構(gòu)，結(jié)合基本知識(shí)點(diǎn)與歷史背景，提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生辯證地認(rèn)識(shí)理論和實(shí)踐在化學(xué)學(xué)科發(fā)展中相互促進(jìn)、不可或缺的作用。

1 周環(huán)反應(yīng)對(duì)認(rèn)知學(xué)科發(fā)展的意義

有機(jī)化學(xué)是在研究生命活動(dòng)現(xiàn)象、變化規(guī)律和物質(zhì)性質(zhì)的實(shí)踐中最早形成的學(xué)科分支之一，側(cè)重于指向?qū)嵺`性的問題，為研究生命運(yùn)動(dòng)的規(guī)律提供必備的基礎(chǔ)知識(shí)與實(shí)踐條件[1]，早期的化學(xué)學(xué)科極度注重“經(jīng)驗(yàn)性”知識(shí)。

周環(huán)反應(yīng)理論，最具代表性的是在20世紀(jì)50–60年代形成的福井謙一(K. Fukui)的前線軌道理論和霍夫曼(R. Hoffmann)的軌道對(duì)稱守恒原理。量子力學(xué)理論被引入化學(xué)，解釋和指導(dǎo)研究復(fù)雜的化學(xué)變化，促使化學(xué)學(xué)科向“非經(jīng)驗(yàn)性”轉(zhuǎn)變，是現(xiàn)代有機(jī)化學(xué)發(fā)展史上的一個(gè)里程碑[2,3]。這兩個(gè)理論深受早期的有機(jī)電子學(xué)說(價(jià)鍵理論和分子軌道理論)的影響。尤其價(jià)鍵理論，在我們現(xiàn)在有機(jī)化學(xué)課程的各章節(jié)內(nèi)容中，仍然被廣泛用于對(duì)官能團(tuán)性質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)的探究。前線軌道理論和軌道對(duì)稱守恒原理，使化學(xué)工作者無需經(jīng)過復(fù)雜的理論計(jì)算，即能解釋主體選擇性等奇妙現(xiàn)象，預(yù)測(cè)復(fù)雜多環(huán)骨架的生物活性分子的合成機(jī)理。

因此，不同于按照官能團(tuán)劃分的其他章節(jié)，周環(huán)反應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容，呈現(xiàn)的是新的理論體系。這個(gè)體系是在有機(jī)電子學(xué)說基礎(chǔ)上的發(fā)展和創(chuàng)新，更接近于反應(yīng)的本質(zhì)，從這一點(diǎn)來說，周環(huán)反應(yīng)內(nèi)容傳遞給學(xué)生的信息是學(xué)科發(fā)展的軌跡和新的高度。

2 周環(huán)反應(yīng)的基本教學(xué)內(nèi)容和難點(diǎn)

2.1 基本教學(xué)內(nèi)容

周環(huán)反應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容主要涉及電環(huán)化、環(huán)加成和σ-遷移三類反應(yīng)的選擇規(guī)則，如表1所示。前面章節(jié)中介紹過的雙烯合成反應(yīng)屬于典型的一類環(huán)加成，這對(duì)學(xué)生本章節(jié)認(rèn)知周環(huán)反應(yīng)有利。本校基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)教學(xué)側(cè)重于環(huán)加成與電環(huán)化反應(yīng)，對(duì)σ-遷移反應(yīng)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

2.2 教學(xué)難點(diǎn)

前線軌道理論和軌道對(duì)稱守恒原理(表1)突破了有機(jī)電子學(xué)說中電子密度的局限，把分子軌道理論推到一個(gè)新的高度。如何簡(jiǎn)要、準(zhǔn)確、生動(dòng)闡述軌道對(duì)稱守恒要點(diǎn)，是教學(xué)最大的難點(diǎn)。

表1 周環(huán)反應(yīng)的選擇規(guī)則

周環(huán)反應(yīng)理論具有強(qiáng)大的預(yù)測(cè)能力，前線軌道理論和軌道對(duì)稱守恒原理使復(fù)雜生物分子的“非經(jīng)驗(yàn)化”化學(xué)合成成為可能。如何將復(fù)雜實(shí)例簡(jiǎn)化，幫助學(xué)生抓住周環(huán)反應(yīng)選擇性規(guī)律的要點(diǎn)，認(rèn)知其對(duì)于科學(xué)研究的現(xiàn)實(shí)意義，也是教學(xué)中要解決的難題。

3 教學(xué)處理與設(shè)計(jì)

我們主要通過化學(xué)史挖掘，將科學(xué)家的開創(chuàng)性研究進(jìn)行改編，使其適用于課堂教學(xué)，結(jié)合“故事”，使“骨感”的理論與實(shí)踐緊密結(jié)合，豐富課堂形式，同時(shí)對(duì)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)意識(shí)的熏陶和培養(yǎng)。

3.1 結(jié)合發(fā)展史引入新理論

我們首先對(duì)福井謙一提出前線軌道理論的史實(shí)進(jìn)行教學(xué)還原。文獻(xiàn)報(bào)道[3,4]，福井謙一善于在紛繁復(fù)雜的化學(xué)變化中，對(duì)反應(yīng)內(nèi)在的奧秘進(jìn)行邏輯推理，不推崇經(jīng)驗(yàn)性的性質(zhì)總結(jié)。這種思想，與當(dāng)時(shí)化學(xué)發(fā)展的趨勢(shì)相契合。福井謙一敏銳地捕捉到萘的芳香取代反應(yīng)中的矛盾點(diǎn)：帶有相反電荷的兩種試劑，分別與萘發(fā)生取代反應(yīng)時(shí)，在環(huán)上取代的位置相同(圖1)。這單純從電子效應(yīng)是無法解釋的，因?yàn)檩恋牟煌恢秒娮用芏让黠@存在差異。硝基的親電取代發(fā)生在1-和5-位的話，氨基的親核取代理應(yīng)發(fā)生在2-位。福井謙一以此為突破點(diǎn)，提出模型，發(fā)展出前線軌道理論，先后在1952和1954年[5,6]，預(yù)測(cè)了萘的硝化反應(yīng)和氨基化反應(yīng)的產(chǎn)物選擇性，都主要發(fā)生在1,5-位，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致[7]。

圖1 福井謙一對(duì)萘的硝化與氨化的理論預(yù)測(cè)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

我們以此為背景進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，讓學(xué)生意識(shí)到，本章節(jié)的內(nèi)容將不同于價(jià)鍵理論，新理論將探究電荷效應(yīng)之外的其他因素。我們結(jié)合教材和文獻(xiàn)內(nèi)容[8]，給出簡(jiǎn)練的結(jié)果展示(圖1)。其中，硝化反應(yīng)是已學(xué)知識(shí)點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生向新內(nèi)容過渡。氨基化反應(yīng)一般不會(huì)出現(xiàn)在教材中，我們通過三個(gè)問題引導(dǎo)學(xué)生切入：① 萘上各個(gè)位置的電子云分布與苯是否一樣，完全平均化？② 考慮電荷效應(yīng)，NH2?負(fù)離子與NO2+正離子在萘環(huán)上的取代位置會(huì)不會(huì)一樣？③ 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明氨化和硝化在同樣的位置發(fā)生，該修改實(shí)驗(yàn)結(jié)論還是理論要點(diǎn)？問題①在于溫故，問題②在于溫故后的“經(jīng)驗(yàn)”推理，問題③促進(jìn)學(xué)生“思新”。教學(xué)中點(diǎn)出經(jīng)驗(yàn)推理與福井謙一理論預(yù)測(cè)結(jié)果的不同，將枯燥的理論以案例的形式初步展現(xiàn)，激發(fā)學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)的興趣，但并不進(jìn)一步展開理論要點(diǎn)。

3.2 理論難點(diǎn)的教學(xué)處理

3.2.1 電環(huán)化

采用原子軌道同相/異相重疊的方法，對(duì)電環(huán)化反應(yīng)新形成的σ軌道進(jìn)行示意，是教材及教學(xué)普遍認(rèn)可的做法。前線軌道的對(duì)稱守恒示意圖如表1所示，表中也給出“4n熱順光對(duì)，4n + 2熱對(duì)光順”的選擇定律。應(yīng)用理論快速、準(zhǔn)確對(duì)產(chǎn)物分子的立體選擇性進(jìn)行預(yù)測(cè)，對(duì)“旋轉(zhuǎn)”時(shí)成環(huán)碳原子上的基團(tuán)“走位”進(jìn)行判斷，是學(xué)生頗為頭疼的問題。

我們對(duì)選律進(jìn)行數(shù)字簡(jiǎn)化處理，利用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)符號(hào)“+/?”，對(duì)體系進(jìn)行標(biāo)識(shí)。這里以關(guān)環(huán)的過程為例，基本做法如下：

① 線性共軛體系的雙鍵數(shù)為偶數(shù)，用“+”表示；反之，雙鍵數(shù)為奇數(shù)，用“?”表示。周環(huán)反應(yīng)分為4n體系和4n + 2體系兩類(n是線性共軛體系的碳原子數(shù))，對(duì)應(yīng)的雙鍵數(shù)分別為偶數(shù)2n和奇數(shù)2n + 1。

② 觀察線性共軛體系的一頭一尾兩端兩個(gè)雙鍵碳上的基團(tuán)位置，兩個(gè)基團(tuán)處于相同位置時(shí)，用“+”標(biāo)識(shí)；相反，兩個(gè)基團(tuán)處于相對(duì)(背)位置時(shí)，用“?”標(biāo)識(shí)(圖2)。相對(duì)(背)指兩個(gè)基團(tuán)分別位于各自的雙鍵延長(zhǎng)線的左、右兩側(cè)(或上、下兩側(cè))，相同則指兩個(gè)基團(tuán)均位于延長(zhǎng)線的左邊或者右邊(或上、下方)。圖2中，以氫為例進(jìn)行了標(biāo)識(shí)，也可以對(duì)―CH3進(jìn)行標(biāo)識(shí)。

圖2 線性共軛體系末端雙鍵上官能團(tuán)的簡(jiǎn)化標(biāo)識(shí)示意

③ 加熱條件用“+”表示(基態(tài))，光照條件用“?”表示(激發(fā)態(tài))。

④ 綜合考慮上述①–③標(biāo)識(shí)的三個(gè)正負(fù)號(hào)，利用數(shù)學(xué)中簡(jiǎn)單的“負(fù)負(fù)得正”的符號(hào)運(yùn)算的規(guī)律，最后為“+”，表示兩個(gè)考察的基團(tuán)在產(chǎn)物中處于環(huán)同側(cè)(順式)，為“?”則表示它們處于環(huán)的異側(cè)(反式)。

上面四條簡(jiǎn)化的做法，學(xué)生可以利用最直觀的判斷，快速預(yù)測(cè)產(chǎn)物立體選擇性。這對(duì)于復(fù)雜分子的反應(yīng)，更能體現(xiàn)出應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。圖3所示是Havinga等1961年在研究維生素D時(shí)，預(yù)鈣化甾醇的關(guān)環(huán)產(chǎn)物的立體選擇性判斷[9]。預(yù)鈣化甾醇中，環(huán)化體系雙鍵數(shù)3，兩個(gè)末端雙鍵的兩個(gè)基團(tuán)分別在延長(zhǎng)線的左右兩側(cè)，條件為加熱，所以符號(hào)依次為“? ? +”，最終的符號(hào)運(yùn)算結(jié)果為“+”，表示產(chǎn)物中，―CH3和―H這兩個(gè)考察對(duì)象，處在新形成的環(huán)的同側(cè)，同時(shí)向內(nèi)(異焦鈣化甾醇)或者向外(焦鈣化甾醇)。

圖3 運(yùn)用簡(jiǎn)化標(biāo)識(shí)的方法快速判斷復(fù)雜分子的環(huán)化反應(yīng)立體選擇性

3.2.2 環(huán)加成與σ-遷移

環(huán)加成與σ-遷移的反應(yīng)選律列于表1，標(biāo)識(shí)的基本原則與電環(huán)化相同，具體如下：

環(huán)加成計(jì)算的雙鍵數(shù)包括兩個(gè)反應(yīng)分子的雙鍵數(shù)的總和，雙鍵總數(shù)為奇數(shù)用“?”標(biāo)識(shí)，總數(shù)為偶數(shù)用“+”標(biāo)識(shí)；同樣地，“+”和“?”分別對(duì)應(yīng)加熱和光照。不同的是，環(huán)加成涉及兩個(gè)反應(yīng)分子的前線軌道，這與電環(huán)化只涉及單分子前線軌道有所不同，這一個(gè)不同之處，固定用“?”標(biāo)識(shí)。最后同樣進(jìn)行符號(hào)運(yùn)算，結(jié)果“+”表示同面-同面加成允許，結(jié)果“?”表示同面-同面加成禁阻，據(jù)此快速判定產(chǎn)物立體選擇性。例如，經(jīng)典的雙烯合成反應(yīng)，底物雙鍵數(shù)分別為2和1，標(biāo)識(shí)為“?”，加熱情況下(標(biāo)識(shí)為“+”)，符號(hào)運(yùn)算為“+ ? ?”，結(jié)果為“+”，表示加熱時(shí)，雙烯合成是允許的(同面-同面加成允許)。

σ-遷移也是計(jì)算雙鍵總數(shù)后，分別用“+”和“?”標(biāo)識(shí)偶數(shù)和奇數(shù)情況。σ-遷移可以看作近似于自由基軌道變化的協(xié)同反應(yīng)，將自由基看作0.5個(gè)π鍵。例如，[1,3]-遷移為(1 + 3)/2 = 2個(gè)雙鍵，用“+”標(biāo)識(shí)；[1,5]-和[3,3]-遷移為3個(gè)雙鍵，用“?”標(biāo)識(shí)。與環(huán)加成類似，反應(yīng)涉及兩個(gè)“分子”的前線軌道，用“?”標(biāo)識(shí)。這樣，加熱條件下的[1,3]-遷移，用符號(hào)標(biāo)識(shí)為“+ + ?”，運(yùn)算結(jié)果為“?”，意味著[1,3]-遷移在加熱條件下，同面遷移禁阻。光照條件下的[1,3]-遷移則標(biāo)識(shí)為“+ ? ?”，運(yùn)算結(jié)果“+”，意味著同面遷移允許。同樣的方法可以快速判斷[1,5]-和[3,3]-遷移的結(jié)果。

這種快速的簡(jiǎn)化處理的方法，對(duì)于應(yīng)用周環(huán)反應(yīng)的規(guī)則能提供方便，但教學(xué)中仍然需要根據(jù)實(shí)際情況，要求學(xué)生從前線軌道和分子軌道理論來進(jìn)行理解，從而準(zhǔn)確判斷產(chǎn)物的立體選擇性。

3.3 教學(xué)重點(diǎn)深化與拓展

周環(huán)反應(yīng)的高立體選擇性是一個(gè)非常重要的特征，尤其是在具有多環(huán)骨架的生物活性分子的合成中，科學(xué)家經(jīng)常推測(cè)通過周環(huán)反應(yīng)途徑，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的重要中間體或化合物的合成。

3.3.1 從Dewar苯實(shí)例強(qiáng)化軌道對(duì)稱性對(duì)立體選擇性的控制認(rèn)識(shí)

在教學(xué)過程中，我們先從簡(jiǎn)單的雙環(huán)[2.2.0]己-2,5-二烯(Dewar苯)與苯相互轉(zhuǎn)化的過程出發(fā)，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)軌道對(duì)稱性的理解。文獻(xiàn)數(shù)據(jù)重構(gòu)如圖4所示[10–12]。

圖4 杜瓦苯及衍生物與苯骨架之間的轉(zhuǎn)化

教學(xué)中設(shè)計(jì)四個(gè)問題，逐步引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行辯證思考：

(1) 反應(yīng)式Eq. 1 (圖4)被報(bào)道于1962年[13]，是由光照引發(fā)電環(huán)化反應(yīng)，苯環(huán)骨架轉(zhuǎn)變?yōu)閺埩Ω蟮碾p環(huán)二烯結(jié)構(gòu)(Dewar苯衍生物)。那么，究竟是叔丁基形成的空間張力導(dǎo)致苯環(huán)骨架的變化，還是光激發(fā)分子軌道變化導(dǎo)致電環(huán)化反應(yīng)發(fā)生？能排除空間張力的影響嗎？

這個(gè)問題基于反應(yīng)物中含有三個(gè)大體積的叔丁基，兩個(gè)處在鄰位，這很容易聯(lián)想到三個(gè)大基團(tuán)的空間張力，可能造成苯環(huán)骨架扭曲，導(dǎo)致芳香性減弱。這樣，讓學(xué)生意識(shí)到，新的反應(yīng)類型和理論，并不是與基本的化學(xué)變化規(guī)律不相關(guān)，仍然需要綜合考慮電荷效應(yīng)、空間效應(yīng)等影響到能量變化的因素。這是在知識(shí)層面引導(dǎo)學(xué)生新故結(jié)合，緩解新理論對(duì)學(xué)生心理的沖擊。

(2) 在問題(1)的基礎(chǔ)上，繼續(xù)設(shè)置第二個(gè)問題，“怎么證明光激發(fā)分子軌道變化是主要因素，引起電環(huán)化？”這個(gè)問題并不要求學(xué)生給出答案，旨在引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃伎迹囵B(yǎng)學(xué)生的科研意識(shí)和思考習(xí)慣。

(3) 反應(yīng)式Eq. 2 (圖4)初始報(bào)道于1963年，1971年有進(jìn)一步的研究結(jié)果發(fā)表[13]，是作者在Eq. 1基礎(chǔ)上的進(jìn)一步工作，制備出簡(jiǎn)單的Dewar苯，排除了大基團(tuán)的空間張力效應(yīng)，也是對(duì)問題(2)的解答。這是一個(gè)4n體系的光照電環(huán)化，產(chǎn)物中兩個(gè)氫原子處于順式，而且形成兩個(gè)含雙鍵的四元環(huán)。這個(gè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性明顯不如苯。結(jié)合熱力學(xué)的量化數(shù)據(jù)，從Dewar苯轉(zhuǎn)化為苯放熱約297 kJ?mol?1[12]，這相當(dāng)于C―Br鍵或Cl―H鍵的離解能，Dewar苯應(yīng)該很容易轉(zhuǎn)化為苯。但是實(shí)際上，這個(gè)轉(zhuǎn)化在常溫下進(jìn)行得極慢，兩天時(shí)間僅有50%轉(zhuǎn)化。那么，阻礙Dewar苯轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的芳香苯的原因是什么？進(jìn)而突出電環(huán)化選律的關(guān)鍵作用。

(4) 第4個(gè)問題是進(jìn)一步的拓展，在教學(xué)中根據(jù)實(shí)際情況選用。反應(yīng)式Eq. 2中，Dewar苯轉(zhuǎn)化為Z,Z,E-環(huán)己三烯是滿足電環(huán)化選律的，但是反應(yīng)并不能發(fā)生，表明軌道對(duì)稱守恒的電環(huán)化過程不是影響反應(yīng)進(jìn)程的唯一因素。那么，周環(huán)反應(yīng)的發(fā)生，除了滿足反應(yīng)選律，還需要具備哪些條件呢？這可以引導(dǎo)學(xué)生辯證分析影響化學(xué)反應(yīng)的因素。

3.3.2 從多環(huán)骨架的構(gòu)建深化知識(shí)應(yīng)用

教學(xué)中選用二苯乙烯這個(gè)代表性的實(shí)例[13]，將對(duì)苯乙烯結(jié)構(gòu)類比于己三烯衍生物，從簡(jiǎn)單的鏈?zhǔn)降孜镞^度到復(fù)雜的多環(huán)結(jié)構(gòu)，深化學(xué)生對(duì)周環(huán)反應(yīng)構(gòu)建多環(huán)骨架的認(rèn)識(shí)(圖5)。

制備馬兜鈴酸[14]等多環(huán)碳?xì)浠衔锸且粋€(gè)具體的例子，可以豐富學(xué)生對(duì)電環(huán)化反應(yīng)構(gòu)建多環(huán)骨架的認(rèn)識(shí)(圖5)。圖3所示維生素D的研究，是通過己三烯電環(huán)化獲得多環(huán)骨架的另一個(gè)實(shí)例。

圖5 電環(huán)化反應(yīng)從二苯乙烯衍生物構(gòu)建多環(huán)骨架

環(huán)加成構(gòu)建多環(huán)骨架的應(yīng)用更為普遍，其中最有影響力的應(yīng)該是現(xiàn)代有機(jī)合成之父Woodward合成維生素B12 (Vitamin B12，VB12)的工作[15]。其中構(gòu)建B環(huán)前體(B’環(huán))的過程使用SnCl4催化，后來被證明是一個(gè)周環(huán)反應(yīng)，是一個(gè)典型的4 + 2過程。教學(xué)過程中對(duì)同面-同面的加成過程進(jìn)行示意，如圖6所示。

圖6 環(huán)加成制備VB12的B環(huán)前體及立體選擇性示意

環(huán)加成構(gòu)成六元環(huán)，同時(shí)構(gòu)成張力較大的三、四元或者七元環(huán)，在周環(huán)反應(yīng)中也非常普遍。對(duì)張力環(huán)的有效構(gòu)建，通過軌道對(duì)稱守恒進(jìn)行解釋，對(duì)于學(xué)生理解立體選擇性很有幫助。圖4所示杜瓦苯骨架轉(zhuǎn)化，也是一個(gè)得到張力環(huán)的實(shí)例。另一個(gè)簡(jiǎn)單的例子如圖7所示[16]，是通過鏈狀前體分子內(nèi)的4 + 2環(huán)化，得到含有七元環(huán)的雙環(huán)中間體，熱后轉(zhuǎn)化為倍半萜烯雪松烯。雙環(huán)中間體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是在制備七元環(huán)的同時(shí)精準(zhǔn)控制環(huán)的立體化學(xué)結(jié)構(gòu)，環(huán)加成表現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，使反應(yīng)能一步完成。

圖7 4 + 2環(huán)加成構(gòu)成含張力環(huán)中間體(雪松烯的合成)

實(shí)際上，環(huán)加成構(gòu)建多環(huán)骨架以合成天然產(chǎn)物分子的實(shí)例不勝枚舉，合成嗎啡的C環(huán)，甾族化合物D環(huán)前體(D’環(huán))等，都是很好的實(shí)例，簡(jiǎn)化的過程如圖8所示，可以在教學(xué)過程中，根據(jù)實(shí)際情況選擇使用。

圖8 環(huán)加成制備多環(huán)骨架的實(shí)例(嗎啡和類固醇)

在對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的活性生物分子的舉例過程中，向?qū)W生傳遞兩個(gè)基本的信息：在化學(xué)方面，周環(huán)反應(yīng)構(gòu)建多環(huán)骨架是天然產(chǎn)物分子的全合成中重要的手段；在生物體內(nèi)，這些復(fù)雜分子的產(chǎn)生是酶催化的生物反應(yīng)，周環(huán)反應(yīng)常被用于推測(cè)生物作用的機(jī)制。

4 思政元素的融合

作為一門自然學(xué)科，化學(xué)對(duì)求真、創(chuàng)新、協(xié)作的科學(xué)精神的培養(yǎng)是不可或缺的。周環(huán)反應(yīng)的章節(jié)內(nèi)容蘊(yùn)含有豐富的思政元素[17]，我們主要從以下幾個(gè)方面，將思政內(nèi)容動(dòng)態(tài)融合于全章節(jié)。

(1) 科學(xué)的質(zhì)疑與求真精神。福井謙一敏銳捕捉萘的芳香取代反應(yīng)中的矛盾點(diǎn)，發(fā)展前線軌道理論，以及杜瓦苯與Z,Z,E-環(huán)己三烯轉(zhuǎn)化的研究與發(fā)現(xiàn)，都是科學(xué)質(zhì)疑精神的充分體現(xiàn)。杜瓦苯被鮑林假設(shè)為平面結(jié)構(gòu)，并認(rèn)定為苯的共振極限式。在這個(gè)權(quán)威理論的背景下，杜瓦苯及衍生物的成功制備，是不迷信權(quán)威、從實(shí)踐出真知的科學(xué)質(zhì)疑精神的充分體現(xiàn)。

(2) 科學(xué)理論的重大進(jìn)展促進(jìn)學(xué)科發(fā)展。福井謙一的理論在早期并不受重視，但在Woodward應(yīng)用他的理論，指導(dǎo)完成VB12的全合成之后，理論極大地推動(dòng)了有機(jī)合成的發(fā)展，尤其在復(fù)雜結(jié)構(gòu)天然產(chǎn)物分子的全合成方面，這對(duì)于探索生命活動(dòng)的奧秘，具有現(xiàn)實(shí)意義?；瘜W(xué)理論不僅僅是解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果和事實(shí)，更能促進(jìn)學(xué)科長(zhǎng)足發(fā)展，進(jìn)而促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和文明的發(fā)展進(jìn)步。因此，在學(xué)習(xí)有機(jī)化學(xué)的過程中，化學(xué)機(jī)理的學(xué)習(xí)是很有必要、很有意義的。

(3) 科學(xué)的協(xié)作與創(chuàng)新精神。Woodward組織了世界范圍內(nèi)一百多個(gè)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)，分段進(jìn)行VB12的重要片段的合成工作，歷經(jīng)11年，最后完成全合成，得到這個(gè)含有9個(gè)手性中心的復(fù)雜分子，創(chuàng)造了“誘導(dǎo)不對(duì)稱”等合成策略。這個(gè)工作，是有機(jī)合成的案例寶庫，充分體現(xiàn)了科學(xué)的協(xié)作創(chuàng)新精神。

5 結(jié)語

結(jié)合化學(xué)發(fā)展史中的經(jīng)典實(shí)例，梳理周環(huán)反應(yīng)理論與實(shí)踐的發(fā)展脈絡(luò)，引導(dǎo)學(xué)生展開對(duì)周環(huán)反應(yīng)實(shí)踐應(yīng)用的思考、對(duì)學(xué)習(xí)反應(yīng)機(jī)理必要性的思考、對(duì)化學(xué)“經(jīng)驗(yàn)性”和“理論性”的深層思考，有利于學(xué)生科學(xué)思維與創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)和發(fā)展，以及培養(yǎng)學(xué)生用理論指導(dǎo)實(shí)踐的創(chuàng)新意識(shí)。

同時(shí)，將復(fù)雜的多環(huán)化合物的合成案例適當(dāng)簡(jiǎn)化，使之適合于教學(xué)，促進(jìn)學(xué)生在理解基本案例的基礎(chǔ)上，對(duì)更多復(fù)雜分子合成過程中的原理應(yīng)用展開討論，對(duì)教學(xué)設(shè)計(jì)來說，也是具有挑戰(zhàn)性的。通過章節(jié)學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐出真知的科學(xué)的實(shí)踐觀，理論指導(dǎo)實(shí)踐、學(xué)科交叉融合的科學(xué)的發(fā)展觀，從知識(shí)傳授、能力培養(yǎng)、價(jià)值引領(lǐng)三方面全面促進(jìn)學(xué)生思維發(fā)展[18]。