原子化學(xué)環(huán)境思維的教學(xué)初探

劉帥 蔡小蔓

摘要：在有機(jī)物分子中，不同碳原子的化學(xué)環(huán)境是不同的。結(jié)合案例介紹了應(yīng)用原子化學(xué)環(huán)境思維的方法，分析有機(jī)物分子中某個(gè)特定原子的周?chē)雍驮訄F(tuán)，進(jìn)而有利于深入理解有機(jī)物分子的真實(shí)立體結(jié)構(gòu)以及化學(xué)性質(zhì)，有效建立其宏微關(guān)系。實(shí)踐表明，這種動(dòng)態(tài)的微觀思維方法有助于有機(jī)化學(xué)教學(xué)。

關(guān)鍵詞：原子化學(xué)環(huán)境；構(gòu)性思維；化學(xué)思維

文章編號(hào)：1005–6629（2016）8–0070–04 中圖分類(lèi)號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

著名心理學(xué)家華生曾說(shuō)，“給我?guī)讉€(gè)初生的嬰兒，我可以把他們培養(yǎng)成科學(xué)家、藝術(shù)家甚至是小偷、詐騙犯”。由此可見(jiàn)成長(zhǎng)環(huán)境足以改變一個(gè)人的生命狀態(tài)。有機(jī)物亦是如此，同樣是氫原子，因其所處化學(xué)環(huán)境不同而呈現(xiàn)不同的化學(xué)性質(zhì)。如烷基上的氫原子與碳原子電負(fù)性相當(dāng)，故而易發(fā)生自由基型取代反應(yīng)；芳基上的氫原子受屏蔽效應(yīng)明顯，故常需要在酸催化下發(fā)生親電型取代反應(yīng)；醇羥基上的氫原子受到氧原子的吸電子作用，故而容易異裂發(fā)生取代反應(yīng)，由此可見(jiàn)原子化學(xué)環(huán)境足以改變一種有機(jī)物的“生命狀態(tài)”。

1 原子化學(xué)環(huán)境思維

通過(guò)對(duì)幾種中學(xué)化學(xué)期刊的文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，關(guān)于原子化學(xué)環(huán)境的教學(xué)研究甚少。但縱觀大學(xué)有機(jī)化學(xué)教材，我們不難發(fā)現(xiàn)原子化學(xué)環(huán)境思維在有機(jī)化學(xué)學(xué)習(xí)中應(yīng)用廣泛[1]。人教版教材選修5第一章第四節(jié)以及近五年全國(guó)高考理綜（Ⅰ）卷中分別兩次提到了化學(xué)環(huán)境，近五年全國(guó)高中化學(xué)競(jìng)賽（初賽）中分別四次提到了化學(xué)環(huán)境。筆者在教學(xué)實(shí)踐中反復(fù)滲透原子化學(xué)環(huán)境思維，且深刻體會(huì)到構(gòu)建此學(xué)科思維有助于學(xué)生深入理解有機(jī)物結(jié)構(gòu)和性質(zhì)之間的關(guān)系，為學(xué)生自主學(xué)習(xí)有機(jī)化學(xué)提供了思維方法[2]。

2 有機(jī)物原子化學(xué)環(huán)境的理論研究

1HNMR（核磁共振氫譜）和13CNMR（核磁共振碳譜）理論研究，以乙烯和乙烷為例：

在相同頻率電磁輻射波的照射下，不同化學(xué)環(huán)境的質(zhì)子受的屏蔽效應(yīng)各不相同，因此它們發(fā)生核磁共振所需的外磁場(chǎng)也各不相同，即化學(xué)位移也各不相同。通過(guò)對(duì)乙烷和乙烯的核磁共振模擬實(shí)驗(yàn)（由CambridgeSoft公司開(kāi)發(fā)ChemDraw軟件完成），我們發(fā)現(xiàn)乙烯1HNMR中氫原子化學(xué)位移為5.25ppm，乙烷為0.86ppm，乙烯13CNMR中碳原子化學(xué)位移為122.5ppm，乙烷為6.6ppm，即這兩種物質(zhì)中氫原子的化學(xué)環(huán)境完全不同，碳原子的化學(xué)環(huán)境亦不同[3]。

3 原子化學(xué)環(huán)境思維的應(yīng)用案例

3.1 核磁共振氫的種類(lèi)判斷問(wèn)題

通過(guò)文獻(xiàn)研究，筆者發(fā)現(xiàn)大多數(shù)教師在講授核磁共振氫種類(lèi)的判斷中采用了等效氫法[4]和對(duì)稱(chēng)軸法[5]。這兩種解題方法確實(shí)有效，但會(huì)給學(xué)生增加記憶負(fù)擔(dān)且無(wú)法幫助學(xué)生構(gòu)建部分陌生有機(jī)物的真實(shí)立體結(jié)構(gòu)，不利于化學(xué)思維的培養(yǎng)[6]。基于此，筆者探索將原子化學(xué)環(huán)境思維應(yīng)用在氫的種類(lèi)判斷教學(xué)中并取得了良好的效果。

人教版選修5教材利用氫原子化學(xué)環(huán)境的不同來(lái)區(qū)分兩種同分異構(gòu)體乙醇和二甲醚[7]。課堂教學(xué)中教師引導(dǎo)學(xué)生首先觀察乙醇球棍模型甲基上的氫（見(jiàn)圖2），然后通過(guò)旋轉(zhuǎn)碳碳單鍵，引導(dǎo)學(xué)生觀察H1、H2和H3周?chē)雍驮訄F(tuán)，而后構(gòu)建其具有相同化學(xué)環(huán)境的結(jié)論。同理，通過(guò)旋轉(zhuǎn)共價(jià)鍵可以幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)H4和H5具有相同的化學(xué)環(huán)境，且H6具有獨(dú)特的化學(xué)環(huán)境。球棍模型中明顯不同的空間位置讓學(xué)生順利區(qū)分這三類(lèi)氫原子。同理亦可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)兩個(gè)碳氧單鍵發(fā)現(xiàn)二甲醚中（見(jiàn)圖3）六個(gè)氫原子具有相同的化學(xué)環(huán)境。

通過(guò)培養(yǎng)這種動(dòng)態(tài)的微觀思維進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，學(xué)生對(duì)有機(jī)物的真實(shí)立體結(jié)構(gòu)理解更加深刻[8]。對(duì)于常見(jiàn)核磁共振氫的種類(lèi)判斷問(wèn)題只需要觀察某個(gè)氫原子周?chē)踊蛑車(chē)訄F(tuán)的連接方式，即可以方便地判斷氫原子的種類(lèi)。

如甲苯（見(jiàn)圖4）H1和H5兩側(cè)分別連有甲基和氫原子，而且距離甲基都間隔了兩個(gè)碳原子，所以它們的化學(xué)環(huán)境相同。H2和H4兩側(cè)都連有氫原子，而且距離甲基都間隔了三個(gè)碳原子，所以它們具有相同的化學(xué)環(huán)境。H3和H4雖然兩側(cè)都連有氫原子，但是距離甲基間隔了不同數(shù)目的碳原子，所以它們具有不同的化學(xué)環(huán)境。

在教學(xué)實(shí)踐中，部分學(xué)生采用對(duì)稱(chēng)軸的方法，誤以為CH3COOCH3兩邊甲基上的氫具有相同的化學(xué)環(huán)境。但通過(guò)應(yīng)用原子化學(xué)環(huán)境思維教學(xué)后，學(xué)生能獨(dú)立分析該物質(zhì)的真實(shí)立體結(jié)構(gòu)并發(fā)現(xiàn)H4～H6（見(jiàn)圖5）旁邊連接的是碳氧雙鍵，H1～H3旁邊連接的是氧原子，化學(xué)環(huán)境明顯不同。

3.2 順?lè)串悩?gòu)問(wèn)題

教材上定義兩個(gè)相同的原子或原子團(tuán)排列在雙鍵的同一側(cè)稱(chēng)為順式結(jié)構(gòu)，反之為反式結(jié)構(gòu)[9]。在新授課中構(gòu)建順?lè)串悩?gòu)概念時(shí)，有些學(xué)生誤以為順-2-丁烯和反-2-丁烯是同種物質(zhì)。實(shí)際教學(xué)發(fā)現(xiàn)原子化學(xué)環(huán)境思維可以幫助學(xué)生順利區(qū)分這兩種物質(zhì)。教師可創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境，讓學(xué)生獨(dú)立拼接這兩種物質(zhì)的球棍模型，然后嘗試旋轉(zhuǎn)球棍模型中的化學(xué)鍵（見(jiàn)圖6和圖7）。在不破壞共價(jià)鍵的前提下，不論學(xué)生如何旋轉(zhuǎn)化學(xué)鍵，均不能使圖7中H7和H8位于雙鍵平面的同側(cè)，表明這兩種烯烴結(jié)構(gòu)完全不同，是兩種不同的有機(jī)物。

3.3 取代產(chǎn)物種類(lèi)數(shù)的判斷問(wèn)題

當(dāng)準(zhǔn)確判斷出某有機(jī)物中有多少種化學(xué)環(huán)境的氫之后，其取代產(chǎn)物的種類(lèi)數(shù)便容易確定了。如甲苯苯環(huán)上有三種化學(xué)環(huán)境的氫，所以其苯環(huán)上一取代產(chǎn)物就有三種；如對(duì)二甲苯苯環(huán)上只有一種化學(xué)環(huán)境的氫，所以其苯環(huán)上一取代產(chǎn)物就只有一種。如鄰甲基苯酚苯環(huán)上有四種化學(xué)環(huán)境的氫，所以其苯環(huán)上一取代產(chǎn)物就有四種（見(jiàn)圖8）。

3.4 加成產(chǎn)物種類(lèi)數(shù)判斷問(wèn)題

筆者在教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，部分學(xué)生容易忽略烯烴的不對(duì)稱(chēng)加成。通過(guò)培養(yǎng)原子化學(xué)環(huán)境思維，分析溴原子在1號(hào)位和2號(hào)位化學(xué)環(huán)境的不同，可以區(qū)分不對(duì)稱(chēng)單烯烴的兩種加成產(chǎn)物（見(jiàn)圖9），提高學(xué)生書(shū)寫(xiě)烯烴不對(duì)稱(chēng)加成產(chǎn)物的完整性。

3.5 高考有機(jī)信息反應(yīng)仿寫(xiě)類(lèi)問(wèn)題

全國(guó)高考理綜有機(jī)試題常以高中學(xué)生感到陌生的有機(jī)反應(yīng)為載體，考察其解決化學(xué)問(wèn)題的能力。應(yīng)對(duì)這類(lèi)有機(jī)信息試題，需要掌握分析有機(jī)物結(jié)構(gòu)的理論方法，找出具有相似化學(xué)環(huán)境的原子或原子團(tuán)，并最終發(fā)現(xiàn)原子間的偶聯(lián)方式。以2013年廣東卷第30題為例，題目信息給出物質(zhì)Ⅰ和Ⅱ反應(yīng)生成Ⅲ，要求寫(xiě)出物質(zhì)a和b反應(yīng)的產(chǎn)物c。

該信息反應(yīng)機(jī)理如下：（1）羰基和酯基都是吸電子基，其鄰位碳的電子云密度比較小，碳?xì)滏I容易異裂形成較穩(wěn)定的碳負(fù)離子；（2）醇羥基容易質(zhì)子化，使得碳氧鍵被高度極化，電子云偏向氧原子，碳原子帶部分正電荷；（3）碳負(fù)離子親核進(jìn)攻碳正離子，水分子離去，形成穩(wěn)定產(chǎn)物。

通過(guò)對(duì)比分析我們發(fā)現(xiàn)物質(zhì)Ⅰ和a圓圈中的氫原子具有相似的化學(xué)環(huán)境。因?yàn)閍中苯環(huán)和碳碳叁鍵形成離域大π鍵，溴原子電負(fù)性較強(qiáng)，同樣使得碳?xì)滏I容易異裂形成較穩(wěn)定的碳負(fù)離子。物質(zhì)Ⅱ和b方框中的羥基具有相似的化學(xué)環(huán)境，于是找出碳碳鍵的偶聯(lián)方式，最終順利寫(xiě)出產(chǎn)物c。

3.6 全國(guó)化學(xué)競(jìng)賽有機(jī)產(chǎn)物分析類(lèi)問(wèn)題

中國(guó)化學(xué)會(huì)第24屆全國(guó)高中學(xué)生化學(xué)競(jìng)賽（省級(jí)賽區(qū)）第9題中要求畫(huà)出下列兩個(gè)轉(zhuǎn)換中產(chǎn)物1、2和3的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式，并簡(jiǎn)述在相同條件下反應(yīng)，對(duì)羥基苯甲醛只得到一種產(chǎn)物，而間羥基苯甲醛卻得到兩種產(chǎn)物的原因。

對(duì)羥基苯甲醛和間羥基苯甲醛分別具有醛基和酚羥基，其中兩個(gè)醛基擁有不同的化學(xué)環(huán)境，兩個(gè)酚羥基也擁有不同的化學(xué)環(huán)境，所以它們?cè)谙嗤瑮l件下所發(fā)生的反應(yīng)也不同，需要分析各自官能團(tuán)的化學(xué)環(huán)境來(lái)解釋產(chǎn)物的不同。

酚在堿性溶液中會(huì)以酚鹽負(fù)離子的形式存在，與長(zhǎng)鏈正烷基溴發(fā)生取代反應(yīng)形成芳香醚類(lèi)化合物（如虛線圓圈所示）。由于羥基化學(xué)環(huán)境的差異性，使化合物1和2的產(chǎn)率不同[10]。連在苯環(huán)上的羥基或烷氧基對(duì)苯環(huán)的對(duì)位比對(duì)苯環(huán)的間位有更強(qiáng)的給電子共軛效應(yīng)和更弱的吸電子誘導(dǎo)效應(yīng)，致使處于間位的醛基比處于對(duì)位的醛基具有更強(qiáng)的親電性，所以在碳酸鉀的弱堿條件下，對(duì)羥基苯甲醛與丙酮不發(fā)生縮合反應(yīng)，而間羥基苯甲醛可與丙酮發(fā)生經(jīng)典的羥醛縮合反應(yīng)，生成產(chǎn)物3。

原子化學(xué)環(huán)境思維可以幫助學(xué)生建立有機(jī)化學(xué)的構(gòu)性思維，深入理解有機(jī)物的真實(shí)結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)[11]。課堂中長(zhǎng)期滲透化學(xué)環(huán)境思維后，學(xué)生不僅能正確分析復(fù)雜化合物中氫原子或某些原子團(tuán)的化學(xué)環(huán)境，還能從容面對(duì)信息題中各種復(fù)雜化合物的結(jié)構(gòu)分析，通過(guò)類(lèi)比關(guān)鍵原子或原子團(tuán)的化學(xué)環(huán)境，主動(dòng)對(duì)接已有化學(xué)知識(shí)，理解陌生信息。

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