基于酸堿作用的離子型有機反應的系統認知與教學發展

顧黎萍 樂傳俊 楊海森

(化工與材料學院 常州工學院,江蘇 常州 213022)

有機化學是化學化工各專業人才培養不可或缺的一門重要課程，是化工材料、生物醫藥、生命科學等學科的基礎，有著極其廣泛的應用。然而，有機化學知識內容龐雜、系統性強，而且隨著新技術和新方法不斷應用，使得有機化學新反應不斷被開發、新物質與日俱增，其數量已遠遠超過了無機化合物[1-2]。這給有機化學教學增添了更多困難：其一，有機化學有著自身的知識體系，區別著無機化學，學習者在沒有足夠的學習習得基礎下，很難適應有機化學的學習；其二，有機化學的教學課時往往是有限的，明顯不能匹配有機化學的知識量；其三，如何高效實施有機化學的開放式、創新教學。雖然采用了先進的教學手段或方法和分類教學等[3-7]改革措施，但是從實施效果來看仍然沒有明顯地改變有機化學是高校名列前茅的學生掛科課程之一。可想而知，其對眾多以有機化學為基礎的專業課學習是有著潛在影響的。因此，有機化學的教學研究和改革新探索是非常必要的。

有機化學以結構為基礎認知分子，而建立的反應機理有助于理解化學反應過程并建立其分子轉化的內在聯系。有機反應是分子的性質體現，是有機化學教學的重點，也是應用的基礎，這是當前國內外有機化學教材以官能團為主線編排章節內容以學習有機物結構和性質的邏輯依據[8]，然而數量巨大的有機物及其多種性質往往掩蓋了這種邏輯，使得很多學生在學習過程中偏離這種邏輯認知，從而割裂了有機化學知識的系統性，導致了教得越多學得越困難。實際上，反應性質也是認識有機化學的把手，體現著有機物的結構基礎，也能銜接學生學習無機化學所形成的習得，但現有的從官能團的角度認識有機反應就顯得有些零散。一般教材中提到把有機反應分為自由基反應、離子型反應和協同反應三大類型，其中離子型反應體現了有機官能團的基本性質，而且離子型反應占到教材中有機化學反應的90%左右，然而教學沒有對此給以足夠的重視。因此，重新認知離子型反應對有機化學有效教學會有重要意義。

1 酸堿作用與離子型有機化學反應

我國化學教育開始于無機化學，此符合化學科學的發展規律，無機化學學科創建早且發展比較成熟。而有機化學是近現代才迅速發展起來的，加上其與無機化學的分課程教學，導致了對有機化學和無機化學不同的認識，譬如無機化學強調反應方程式的平衡而有機反應強調的是反應的轉化率和選擇性等。這樣就一定程度上割裂了無機化學與有機化學的內在聯系，使得學生在無機化學學習中形成的習得不能順暢地遷移到有機化學的學習中，從而加大了有機化學的教學難度。實際上，無機化學和有機化學內在本質基本是一致的，即從分子的層次研究物質，探究化學鍵的斷裂和形成的科學。因此，對它們的思維認識模式應該是相通的。故可以以無機化學為基礎構建有機化學知識體系，實現創新教學，解決有機化學教學中存在的難題。

酸堿理論是無機化學的重要內容，酸堿反應是基本的化學反應，與此對應的有機離子型反應是有機化學的反應類型之一。從表1中總結的內容來看，它們可以有統一的反應模式：帶正電荷的底物S+和帶負電荷的試劑R-反應生成產物S-R，這是符合自然界正負電荷相互吸引基本規律的。只不過在無機化學和有機化學中底物和試劑分別稱為酸與堿以及親電試劑與親核試劑，有觀點[9]認為酸是親電試劑，堿是親核試劑，然而這兩對概念因闡述問題的角度不同而有著區別，但均離不開電子的給予和接受。酸堿反應傾向于離子鍵，而親電和親核作用指向共價鍵，可是也有認為離子鍵是共價鍵的一個特例[10]。這些不妨礙我們應用酸堿理論來理解離子型有機反應，比如酸堿平衡理論理解強酸和強堿是易反應的(方程式1)、弱酸和強堿可以反應(方程式2)而弱酸和弱堿則基本不反應(方程式3)；而對于離子型有機反應也可以同樣的判斷。首先要找到有機物中類似的酸堿位，即親電試劑的親電位和親核試劑的親核位，然后根據親電位和親核位的強弱來判斷反應進行的程度，最后就可以依此拆鍵、組鍵完成反應了。

表1 酸堿反應和有機離子型反應的統一模式

2 典型離子型有機反應的酸堿作用過程

下面就從酸堿作用視角再認知現有教材中常見官能團的離子型反應，包括烯、炔烴類化合物、芳香類化合物、鹵代烴、醇和醚類化合物、羰基類化合物、有機胺化合物和異裂的C-H鍵等。另外，在離子型有機反應分析中通常需要利用電負性和電子效應等概念原理以及由此引起的有機分子中原子或基團帶有形式電荷δ的表達。

2.1 烯、炔烴類化合物

烯烴、炔烴是含π鍵的一類官能團化合物。因π鍵成鍵特點使其具有帶形式的負電荷而成為親核試劑，分子結構表達如下：

其可以和諸如HX, X2, H2O/H+, H2SO4, HXO(X為鹵素原子)等親電試劑作用，也就是含π鍵的官能團可以作為堿與各類酸發生反應。

典型的是雙鍵的親電加成反應(方程式8)。雙鍵作為親核試劑的堿與親電試劑的酸E+反應生產了帶有正電荷的酸中間體，其與堿Nu-作用完成整個反應過程，即兩步酸堿作用的親電加成過程。

(8)

方程式9是丙烯在酸催化下聚合的例子。質子酸和雙鍵堿作用生成仲正碳離子中間體，其作為酸進一步與另一個作為堿的丙烯反應生成了丙烯二聚物。如果繼續聚合則生成了聚合丙烯高分子。因此，這類高分子制備可以看成是多次的酸堿反應過程。

雙鍵親電加成的酸堿作用更便于反應的分析。比如方程式10中的底物有兩個堿性位，它們均能和反應條件中的質子酸作用，但反應分析結果來看，作為堿位的羥基和端位雙鍵碳與質子酸作用后均生產了伯碳正離子中間體，其在反應體系中不如來源于端位雙鍵另一個碳的仲碳正離子穩定，即體系中的生成量少。因此，反應朝著生成仲碳正離子中間體為主，其作為酸與羥基堿反應再脫掉作為催化劑的質子酸而生成了α-甲基四氫呋喃。

(9)

(10)

炔烴具有兩個π鍵，與烯烴π鍵一樣作為親核試劑即堿性位，但其親核性要弱于烯烴；然而端炔氫則具有了弱酸性，在強堿作用下炔碳(sp雜化)可形成強的親核試劑即強堿，它能與酸性位的試劑如環氧乙烷發生反應(方程式11)，該類反應可以構建有機物的碳碳(雜)鍵骨架。

(11)

2.2 芳香類化合物

芳香類化合物是含有離域π電子體系而穩定的結構分子。它與烯、炔烴的π鍵類似，帶有形式負電荷而成為親核試劑，也是該類化合物的官能團。代表性的是芳香苯環類化合物，分子結構表達如下：

同樣，其可以和諸如X2,HNO3/H2SO4,SO3,RX,RCOX,烯烴/H+等親電試劑作用，也就是作為官能團的離域π體系可以作為堿與各類酸發生反應。

典型的是雙鍵的親電取代反應(方程式12)。作為親核試劑的苯環堿與親電試劑的酸E+反應生成了作為酸的正電荷中間體，接著其去掉質子H+(被E+取代)完成了反應過程，即親電取代的酸堿作用過程。

(12)

方程式13是苯的氯甲基化反應的例子。反應經過了三次酸堿作用過程，首先是甲醛的羰基氧作為堿與質子酸作用生成羥甲基正碳離子，其作為酸與苯的堿作用再去質子得到苯甲醇，苯甲醇作為堿再次與酸性ZnCl2反應得到產物芐氯。這個反應是比較典型的三組分催化反應，反應產物不僅引入了新官能團，而且增加了一個骨架碳原子。

(13)

再如苯的定位效應是重要的教學內容，酸堿作用也能分析其反應過程。方程式14描述了甲苯的磺化過程，甲基的供電性質使苯環的鄰對位更具有親核性即堿位，同時考慮到磺酸基團大體積的空間效應，親電取代反應以對位反應為主。SO3中的硫原子是缺電子而顯示帶部分正電荷的親電試劑即酸位，其與甲苯對位作用再結合質子而生成了對甲基苯磺酸。

(14)

2.3 鹵代烴、醇和醚類化合物

鹵代烴、醇和醚類化合物分別可以看成是烷烴骨架碳相連的氫原子被電負性大的鹵原子、羥基和烷氧基等原子或原子團取代而得到的分子。這些化合物中不同電負性的原子相連而在其之間形成了鍵，通常共價鍵連接的兩原子構成了此類化合物的官能團。它們的分子結構表達如下：

(R′=H(醇)， alkyl(醚)，etc.)

可以看出，官能團中的碳原子帶部分正電荷而顯示出親電試劑的酸位，容易與諸如X-, CN-, R1R2NH, R1R2HC-和RO-等親核試劑的堿位作用而發生化學反應。

典型的親核取代反應如方程式15和16所示。帶有部分正電荷的碳原子作為酸與親核試劑Nu-的堿位作用，在相對易離去基團X-和-OR等有利條件協助下完成親核取代過程。

(15)

(16)

方程式17是甲基苯基醚被碘化氫親核取代而分解的例子。甲基苯基醚中帶有孤對電子的氧作為堿與質子酸作用形成帶正電荷的酸性中間體，底物中帶部分正電荷的碳酸位與親核試劑I-的堿位作用，同時苯酚作為離去基團離去而完成反應過程。

(17)

另外，由于誘導效應使得這類化合物的β碳上連接的氫帶有了部分的正電荷而略顯酸性，它能與強堿性的試劑作用而發生消除反應。方程式18就是β-H在強堿EtO-作用下遵循“反式共平面”消除規則而獲得順式烯烴的產物。這種消除過程不僅僅限于鹵代烴和醇，一些磺酸酯類和銨鹽類等化合物也可以發生類似的過程。

(18)

2.4 羰基類化合物

羰基類化合物是含碳氧雙鍵的一類官能團分子。其與碳碳雙鍵的成鍵相似，但該分子中的氧原子電負性比碳原子大而使π鍵中易流動p電子傾向于氧原子，因此產生了碳氧雙鍵的極性即氧原子上帶部分負電荷(堿位)而顯親核性、羰基碳帶有部分正電荷(酸位)而親電性。羰基化合物的官能團結構表達如下：

羰基官能團中氧顯堿性易與質子酸和Lewis酸如ZnCl2、AlCl3等作用；而羰基碳的酸位親電性與OH-、CN-、RO-、RS-、H-、R-和R1R2NH等親核試劑作用，也就是羰基中既有酸位也有堿位，分別可以和堿、酸作用而發生化學反應。

羰基的典型反應是親核加成(方程式19)。羰基碳的酸位與試劑的親核基團Nu-堿位作用而使羰基雙鍵打開，同時負電荷轉移到氧原子上而使其堿性更強，它與親電基團E+酸位作用而完成親核加成過程，即兩次酸堿作用過程。

(19)

方程式20是羰基親核加成的例子。底物中的羰基鄰位是手性碳，格氏試劑中的甲基負離子作為親核試劑(堿位)從空間位阻小方向(Newman投影式中羰基左側)進攻羰基碳即酸位而打開羰基雙鍵，再經過酸性水洗而得到手性產物。這個反應經過了三個酸堿作用過程，同時反應受到底物的空間限制而實現了立體選擇性，此為Cram規則。

(20)

羧酸衍生物的羰基由于受到連接基團L的電子效應影響，其往往發生加成-消除反應(方程式21)。首先帶部分正電荷的羰基碳酸位與親核試劑Nu-堿位反應而使雙鍵打開，此時羰基碳的雜化形式由sp2轉化為sp3, 形成的氧負離子作為親核試劑進攻原羰基碳繼而促使基團L離去即消除，從而完成加成-消除過程。各羧酸衍生物之間的相互轉化往往就是通過該過程來完成的。

(21)

2.5 有機胺化合物

有機胺化合物是有機物中含有氮原子的一類物質總稱，因氮上通常帶有孤對電子而為這類化合物的官能團，俗稱為有機胺堿，也為親核試劑，其分子結構表達如下：

其可以和各類酸、鹵代烴和羰基化合物等的親電試劑即酸位發生反應。

有機胺的一個典型反應是伯胺在亞硝酸作用下生成重氮鹽(方程式22)。該反應經過了兩次酸堿作用和重排過程而得重氮鹽中間體，其通過放氮氣而形成活性的碳正離子，碳正離子的反應尤其是重排反應可以獲得常規轉化方法不易獲得的產物。涉及含氮化合物轉化重排的還有Lossen重排反應、Hofmann重排反應、Curtius重排反應和Schmidt重排反應等。

(22)

反應歷程如下：

方程式23是通過重氮鹽實施的碳正離子重排獲得了擴環產品。環己酮和氰酸的親核加成，再經氫化還原到伯胺，通過類頻哪醇重排獲得環庚酮。這個反應過程也是比較綠色的工藝。

(23)

2.6 C-H鍵的異裂

有機化合物主要是由碳氫兩原子構成的，其中的C-H鍵參與反應的類型很多，這里主要探討酸堿作用形式的Csp3-H的異裂反應。Csp3-H的異裂反應通常需要鄰近基團的電子效應協助完成，教材中的經典是通過吸電子基團(EWG)使鄰位的C-H活化，其活化的分子結構表達如下：

可以看出，鄰近碳帶有部分負電荷，其潛在可以作為親核試劑(堿)而與親電試劑(酸)發生化學反應。

方程式24是硝基甲烷和溴乙烷發生親核取代反應的例子。通過硝基的吸電子效應使甲基C-H活化，氫帶有部分正電荷顯酸性在乙基氧負離子強堿作用下生產硝基甲烷負離子中間體，該中間體作為親核試劑與溴乙烷親核取代反應生成硝基丙烷。

(24)

方程式25是2,4,6-三硝基甲苯和乙醛發生親核加成反應的例子。通過硝基的吸電子效應和苯環的共軛效應使芐甲基C-H活化，氫帶有部分正電荷顯酸性，其在乙基氧負離子強堿作用下生產負離子中間體，該中間體作為親核試劑與乙醛親核加成反應并脫水生成產物。

(25)

其反應歷程如下：

方程式26是經典的Michael加成反應。丙二酸二乙酯中亞甲基在乙氧基負離子強堿作用下生產碳負離子即堿位，其與共軛環己烯酮的帶部分正電荷的β位碳即酸位發生反應而使底物和試劑通過碳-碳新鍵連接起來。以上這些通過碳負離子發生的化學反應過程統稱為縮合反應，還包括Aldol反應、Cazzarrio反應、Mannich反應、Robinson反應、Perkin反應、Knoevenagel反應、Reformatsky反應、Darzen反應、Claisen反應、Dieckmann反應和Wittig反應等。

(26)

3 離子型有機反應新視角下的有機化學教學

首先，關于酸堿作用原理對離子型有機反應的認知是隨著教學的不斷實踐而逐漸深化的。我們開始在有機化學教學中也遇到了課時緊、教學效果不理想等情況，于是我們嘗試把搞科研的思路搬到有機化學教學研究中來，查閱文獻后學習并實踐各方先進教學理念和手段，但小范圍實踐效果還是不能令人滿意，分析原因是有機化學知識內容多和大多數學生學習難以上手，最終還是回歸研究教材后才有了收獲。事實上，有機化學知識雖然自成體系，表達方式往往也有別于無機化學，但它們的思想精髓或知識邏輯是一致的，結構和性質的關系是它們的主線，然而這個主線在官能團為章節內容編排下顯得有機化學知識冗長。用酸堿理論從新的角度認知有機離子型反應則會發現此能概括所有官能團的基本化學性質，這也是有機化學的主要內容。因此，我們在有機化學課程教學中重新編排了現有的教材內容，從酸堿作用方面把握其內在聯系則能方便地處理有機化學內容多、課時少的問題。課時少的講授有機化學知識內容新體系精髓并舉典型例子說明，重在酸堿作用理解各類離子型反應方法；課時多的則在上述基礎上多注重知識的來龍去脈，結合前沿、學科交叉，聯系實際教學。實踐表明，此舉大大提高了教學效率。

其次，基于有機離子型反應的新認知，有機化學的新教學模式也運用而生。對于有機離子型反應的認識有了新視角后，教學模式的跟進也隨之實施。一是教學內容體系的重編。我們是這樣安排的：基于結構與性質主線，把重要的概念、原理梳理成系統成為一講；接著按反應類型把有機物歸納分成幾講，烷烴等自由基反應為一講，官能團按不同類型分成離子型反應若干講；周環反應為一講；其他多官能團為一講。其他內容如有機物命名和物理性質等則轉為課外自學為主。二是教學重點的轉移。整體上轉移到基于化學反應的學習方法和能力培養。能力的培養往往依托于教學內容，過多的講授知識不利于能力的形成。教學中引導無機化學學習習得轉移至有機化學，以點帶面教學。對于離子型有機反應，拿出一個官能團進行全面深入教學，使學生完全理解和掌握用酸堿作用原理認知該官能團的各種反應，并教會方法而能靈活應用，后面的官能團教學則在上述基礎上以培養能力為主。這有助于學習者的快速上手和自學能力的形成，同時也有利于其獨立思考和應用能力的提升，培養了學生的思維深度。此教學模式的實施顯然區別于現有教材和教學研究對有機化學內容的認知[11]。

最后，酸堿作用原理詮釋有機離子型反應對有機化學教學具有改革意義，對化學教育有一定的啟示作用。新視角的有機離子型反應內容的全面認識，促使了有機化學知識體系的重構，引發了教學模式改變，是從教學內容而非教學手段上解決有機知識內容多、課時少的問題，同時也提供了一個教學方法。對化學專業、學科的課程體系建設具有一定的啟示作用，挖掘課程間、課程內知識體系的內在聯系是關鍵。鑒于此，不管是新工科背景下的學科建設還是專業認證，不是課程的取舍問題，而是課程內容重構的內涵建設和提高問題[12]。

4 結語

有機化學知識發展積累迅速，現有的認識使教學內容顯得龐雜，邏輯主線體現的也不很明顯，也使得教學課時顯得捉襟見肘。雖然結合現代先進教學技術在方法和手段上采取了很多措施，但仍沒有根本改變其教學困境。從反應類型的角度重新梳理和認識有機化學知識體系，尤其是占有機知識絕對大比例的離子型有機反應，此既可銜接課程間的知識聯系，又能強化有機知識的內在系統性。實踐證明，酸堿作用原理認識有機離子型反應，不但能統一認知，而且能從反應機理本質上理解反應過程，更重要的是在學生有機思維方法的建立和多種能力的培養上是有積極意義的。