淺談有機化學在材料合成教學中的有效融合

陳琳 王琳（合肥師范學院 材料科學與工程學院，安徽 合肥230601）

0 引言

《材料的合成與制備》是高等學校材料科學與工程及相關專業的必修課程，是從分子層面研究材料的合成原理、從宏觀層面探尋材料的制備工藝及設計新材料并投入應用的一門學科[1]。在課程體系中，《材料的合成與制備》與有機化學知識點之間的聯系非常密切，以功能高分子材料合成章節為例，其教學內容主要為聚合反應機理、動力學及各種不同功能的聚合物設計與合成[2]。其中，各種聚合反應的機理一直是功能高分子材料制備的教學重點和難點。

與小分子相比，高分子材料有著不同的分子結構和物化性質,但是二者的聚合反應機理具有高度相似性[3]。所以將有機化學知識點有效融入高分子材料合成的教學過程中，進行啟發與回顧式教學，不僅可以讓學生溫故知新，更能使學生在理解和掌握高分子材料合成知識時更加得心應手。本文根據作者近年來的教學經驗與心得,以功能高分子材料的合成為例，對有機化學知識點對材料合成教學的輔助作用總結了一些實例和自身的體會。

1 有機化學知識點在聚合反應機理講授中的滲透

在聚合反應機理這一部分教學內容中，針對不同烯類單體、如何選擇聚合機理是學習自由基聚合反應的基礎。烯類單體結構中取代基的電子效應是影響其機理選擇的重要因素[4]。基團的電子效應分為共軛效應和誘導效應兩種。通常情況下，帶有吸電子基團的取代乙烯（如硝基乙烯），其聚合機理一般為陰離子聚合的方式；相反，帶有給電子基團的取代乙烯（如甲氧基乙烯基醚），反應一般按陽離子聚合機理進行；而鹵素取代的乙烯，由于鹵原子屬于弱吸電子基團，因此一鹵代烯類單體（如氯乙烯）一般按自由基聚合機理進行；而含有共軛體系的烯類單體，其反應按照自由基聚合、陽離子聚合及陰離子聚合三種機理均可進行比如苯乙烯分子[5]。

由于取代基電子效應的概念略微抽象，教學時首先帶學生回憶電子效應的相關知識點，發現不少同學對此有所遺忘。作者從引導學生回憶幾種芳香族化合物的親電取代反應活性進行啟發，例如硝基苯、氯苯、苯、甲苯、苯甲醚，發現學生能夠正確得出它們的親電取代反應活性次序，即硝基苯<氯苯<苯<甲苯<苯甲醚。在此基礎上通過類比分析，討論取代基電子效應對乙烯類單體雙鍵和π 鍵電子云密度的影響。發現由于吸電子基團的存在，雙鍵電子云密度降低，且基團的吸電子能力越強，電子云密度降低越多，進而陰離子更加容易進攻雙鍵，因此該類單體易發生陰離子聚合；反之，烯類單體中有給電子基團，且基團的給電子能力越強，雙鍵的電子云密度增加越多，越有利于陽離子進攻，則更容易發生陽離子聚合。而鹵代烯烴，由于鹵素原子吸電子能力比較弱，因此主要發生自由基聚合反應；像苯乙烯和1,3-丁二烯，這類分子的結構中存在共軛大π鍵，由于π 電子流動性大，容易被誘導極化，因此陽離子、陰離子及自由基聚合三種機理均有可能發生[6]。教學過程中，將有機化學知識和聚合機理結合起來，能使同學們理解更容易，記憶更深刻。

2 有機合成在聚合反應中的應用

功能高分子材料的單體大部分都是有機物，單體合成過程中官能團的引入、不飽和鍵的構建等均為有機合成的重要組成部分。比如有機玻璃的單體，甲基丙烯酸甲酯的合成方法主要有丙酮氰醇法、叔丁醇氧化法、甲基丙烯腈法和乙烯羰基化法等[7]。

以上合成方法都是通過有機單元反應引入可發生聚合反應的官能團或不飽和鍵來實現的，類似的單體還有丙烯腈和己二胺等。在此部分內容的教學過程中，可通過回顧相應有機合成反應讓同學們系統掌握相同官能團的不同構建方法，進一步牢固掌握聚合反應單體的合成方法。不僅單體合成離不開有機單元反應，聚合物的合成也是單體重復發生若干次有機單元反應的結果。

縮聚反應會伴隨發生消除、環化、化學降解、鏈交換等副反應。這些副反應的發生可能導致聚合體系中基團數比的變化，進而影響聚合反應的正常進行及聚合物分子量的變化。在進行縮聚及逐步聚合教學內容時，先通過引導學生回想羧基脫羧、羥基酸的消除及脫水環化反應等內容，再鞏固講解何種結構的羧酸容易脫羧，何種結構的羥基酸容易發生消除及脫水環化反應。而講解聚合物化學降解反應的內容時，可讓學生把有機小分子酯和酰胺的水解/醇解反應與聚酯和聚酰胺的降解反應進行比較，會發現聚合物的降解反應本質，與小分子的水解/醇解等有機化學中涉及到的反應相同。從這些例子都可以看出學生對有機化學知識的掌握在聚合反應的教學中至關重要，而在聚合反應講授過程中將有機化學知識點巧妙融合后，不僅有助于學生由淺入深的學習新知識，還可以將新舊知識點進行高度關聯，進而提高學生的學習效率。

3 聚合物的改性與有機反應的融合

聚合物的改性是提高功能高分子材料性能的重要方法。通過高分子化合物的改性或者在高分子結構上引入功能基團，不僅能夠豐富聚合物的種類，同時能夠擴大高分子材料的應用領域[8]。常見的改性有化學改性、共聚等方法，高分子改性這部分內容更是和有機化學知識密切相關，并且有許多新的知識點貫穿其中，能夠體現有機化學知識對高分子合成領域的應用和拓展。

自由基共聚合的主要教學內容是，通過使用兩種或兩種以上的單體共聚的方法，獲得新的聚合物品種，改進聚合物的力學性能、染色、塑性、彈性及溶解等性能，從而滿足生產生活的多種需求。值得注意的是，有些單體難以發生均聚，比如有較大位阻及結構對稱的馬來酸酐，通過選擇合適的共聚單體可以實現馬來酸酐與其他單體（如苯乙烯）共聚。這不僅能夠得到性能改善的共聚物，同時擴大了合成聚合物的原料范圍。比如用作工程塑料的苯乙烯-順丁烯二酸酐無規共聚物，懸浮聚合體系中用作分散劑的苯乙烯-順丁烯二酸酐交替共聚物，都是通過單體共聚的方法得到的。

在聚合物的化學反應這部分教學內容中，主要講述聚合物也能發生類似小分子有機化合物的許多反應，比如氫化、氧化、鹵化、酯化、水解、加成等。例如聚乙烯醇的合成，乙烯醇單體易發生烯醇式重排生成乙醛，故聚乙烯醇不能直接由乙烯醇單體聚合獲得，一般通過先合成聚醋酸乙烯酯，再將其水解或醇解獲得聚乙烯醇。所得聚乙烯醇經紡絲、拉伸，即可得到部分結晶的纖維，其非晶區親水性強，能溶脹，須在酸催化條件下將其側基的羥基縮醛化，降低其親水性，以用作維尼綸織品。

這部分內容涉及的有機反應較多，可啟發學生思考：如何以乙炔為原料合成聚醋酸乙烯酯；用作維尼綸纖維的聚醋酸乙烯酯要滿足什么條件，通過什么反應來實現?其目的是什么?再比如纖維素的化學改性，纖維素為多糖，纖維素用堿溶脹后再用二硫化碳處理獲得粘膠纖維，通過纖維素的酯化獲得硝化纖維素等，都涉及諸多有機反應。

通過這些有機反應和聚合物改性密切相關的實例，能夠讓學生將有機小分子的結構、基團的電子效應及位阻效應與聚合物合成與改性相互關聯，對新知識有更加深入的認識與理解。聚合物的性能與小分子單體的結構和分子特性密切相關。共聚過程中，可根據單體的結構特性控制共聚物的組成與結構，從而設計合成具有新功能的高分子材料。這些都有助于讓學生體會到聚合物與小分子單體之間的關聯，有助于激發學生對材料合成領域的濃厚學習興趣，提高學生在不同學科之間融會貫通的能力。

4 結語

對原理的理解是學生掌握并運用知識的基礎。雖然材料的合成，尤其是功能高分子材料，涉及的許多反應具有聚合物的特性,但其反應機理依然還是以有機小分子的反應為基礎。因此，有機化學基本理論在材料合成的教學中具有很大的應用價值，它貫穿于材料合成學習的各個層面，教師在教學過程中可在有機化學和材料合成之間搭起一座承上啟下的橋梁，在此基礎上進一步加以闡述及拓展。這樣不僅可以加強學生對之前所學知識點的應用，也能給之后的學習帶來事半功倍之效，因此在材料合成的教學中高效融合有機化學知識非常必要。