藥學有機化學混合式教學中p-π共軛的教學設計

馮麗娟，王文君，祁寶輝，向燦輝

遵義醫科大學珠海校區生物工程系，廣東 珠海 519041

隨著信息技術的飛快發展，信息化學習模式越來越受到重視，也越來越普遍，加上新型冠狀病毒疫情的影響，在線課程[1,2]、微課[3-5]、MOOC[6,7]在全球廣泛使用；翻轉課堂[8,9]、混合式學習[10,11]、移動學習[12,13]等教學模式也成為教育者們研究的熱點。其中，混合式教學[14]經過20余年的發展，由“在線教學與面授教學的混合”演變為“基于移動通信設備、網絡學習環境與課堂討論相結合的教學情境”。混合式教學不僅繼承了傳統面對面教學的優點，還發展和利用了信息技術的優勢，將移動終端、互聯網等信息技術有機地整合到學習活動和課程中，應用移動終端、互聯網平臺發布資料、統計、交互，是一種應用了新的教和學方式的方法。

有機化學中p-π共軛效應[15]的理解和應用對于有機物化學性質的學習是非常重要的，是重點也是難點。在以往的講授式教學中，由于p-π共軛效應涉及微觀的原子軌道、共價鍵及電子，學生大多對其理解有困難，較多學生不能靈活應用。為了突出學生為中心、產出為導向，實現“先學后教、以學定教”，讓學生能透徹理解p-π共軛體系的形成，理解p-π共軛效應，并能靈活運用，我們對p-π共軛效應進行了混合式教學設計。

1 設置學習目標

從知識目標和思政目標兩個方面設置p-π共軛的學習目標[16]。

1.1 知識目標

掌握p-π共軛體系的形成條件，理解p-π共軛效應的涵義，會應用p-π共軛理解有機化合物的化學性質。

1.2 思政目標

團隊精神。

2 設計網絡學習內容

2.1 p-π共軛體系的形成條件

p-π共軛體系形成的條件一是有機化合物中必須有π鍵和p軌道；二是p軌道與π鍵直接相連，且與形成π鍵的p軌道平行。

從“p-π共軛體系”這個名稱可以看出，要形成“p-π共軛體系”，必須有π鍵和p軌道，其中π鍵是不能單獨存在的，必須與σ鍵共存，因此有不飽和鍵就必有π鍵，由此可見π鍵能比較直觀地找到；而p軌道從價鍵無法直觀地看出，必須在了解原子結構的基礎上去判斷，有機化合物中比較常見的具有p軌道的原子是鹵素原子、O原子、N原子，此外碳正離子、碳自由基和碳負離子具有未參與雜化p軌道。

有機化合物具有π鍵和p軌道，是否就一定能形成共軛體系呢？不一定，如果p軌道和π鍵間隔有其他原子或兩者之間間隔兩根或兩根以上的單鍵，就不能形成p-π共軛體系。“p-π共軛體系”中的短橫線“-”可以看作一根單鍵，即表示有p軌道的原子或離子必須與π鍵通過一根單鍵直接相連，這種情況下原子或離子的p軌道與形成π鍵的p軌道通常是平行的，就能從側面重疊，進而形成p-π共軛體系。

2.2 p-π共軛效應的涵義

有機物中形成p-π共軛后，體系的能量降低、鍵長平均化，電子云密度平均化[17]，會出現交替極化，如圖1所示。

圖1 有機化合物交替極化示例

體系的能量降低，說明形成p-π共軛后，體系穩定性升高，據此可比較有機物穩定性大小。

形成p-π共軛后，體系的電子云密度會出現交替極化，也就是電子云密度高和低交替出現，這樣電子云密度高的點就容易受到親電試劑(自身電子云密度低或帶正電荷)的進攻，即會與親電試劑發生反應；電子云密度低的點就容易受到親核試劑(自身電子云密度高或帶負電荷)的進攻，即會與親核試劑結合，據此可根據正負相結合進而判斷反應性。

判斷共軛效應是吸電子還是供電子，先看每個參與共軛的軌道上的電子數目，如果參與共軛軌道上的電子數目多于其他每個參與共軛的軌道上的，就是供電子的共軛效應(+C)；如果參與共軛軌道上的電子數目少于其他每個軌道上的，就是吸電子的共軛效應(?C)。

例如圖2所示，氯乙烯中Cl參與共軛的p軌道上是2個電子，多于乙烯基每個C參與共軛的p軌道上的電子，所以要給出電子，為+C。

圖2 氯乙烯p軌道示意圖

圖3中苯酚苯環上連羥基，羥基氧參與共軛的p軌道上是2個電子，多于苯環上每個碳參與共軛的p軌道上的電子，所以要給出電子，為+C。

圖3 苯酚p軌道示意圖

共軛體系中，p軌道上電子數目多的元素電子云密度相對高一些，即帶部分負電荷(δ?)，與之相鄰的元素電子云密度相對低一些，即帶部分正電荷(δ+)。

圖4烯丙基碳正離子中C正離子參與共軛的p軌道上沒有電子，少于乙烯基每個C參與共軛的p軌道上的電子，所以要吸電子，為?C。

圖4 烯丙基碳正離子p軌道示意圖

共軛體系中，p軌道上電子數目少的元素電子云密度相對低一些，即帶部分正電荷(δ+)，與之相鄰的元素電子云密度相對高一些，即帶部分負電荷(δ?)。

2.3 p-π共軛效應的應用

有機物中形成p-π共軛體系后必然產生p-π共軛效應，會對有機物的化學性質產生一定影響，這也就是通常所說的結構決定性質。

2.3.1 溴乙烯與溴化氫的反應

此反應為親電加成反應，加成規律符合馬氏規則，所以應用馬氏規則可寫出產物。對于加成取向的解釋如下：溴乙烯中溴與乙烯基形成了p-π共軛體系，溴電子云密度高，交替極化，遠離溴的雙鍵碳(H多的雙鍵碳)電子云密度高，所以親電試劑H+進攻H多的雙鍵碳，π鍵斷裂，發生加成反應。

2.3.2 共軛加成反應

此反應也為親電加成反應，分兩步進行，反應的取向由第一步中間產物的穩定性決定。第一步，H+進攻電子云密度高的雙鍵碳時，可能生成下式所示的a、b兩種碳正離子中間體，碳正離子a為烯丙基型的碳正離子，帶正電荷的碳原子的空p軌道與π鍵形成p-π共軛體系，使體系的正電荷得以分散，較碳正離子b的穩定性高，所以第一步主要生成穩定性相對高一些的碳正離子a。

第二步，碳正離子a由于交替極化，形成兩個電子云密度低的中心，Br?離子分別進攻這兩個電子云密度低的碳，得到兩個加成產物。

2.3.3 氯乙烯和氯苯與堿性水溶液共熱不能發生親核取代反應

通常，鹵代烷烴與堿性水溶液共熱會發生親核取代反應，即鹵素被羥基取代，生成相應的醇。但由于氯乙烯和氯苯中均存在p-π共軛體系，體系的能量降低、鍵長平均化，C―Cl鍵鍵長縮短，鍵能增大，C―Cl鍵不容易斷裂，所以不發生反應。

2.3.4 烯丙基氯和芐氯與硝酸銀的醇溶液在室溫下即可發生親核取代反應這兩個反應屬于鹵代烴的親核取代反應，C―Cl鍵具有極性，斷裂后生成碳正離子中間體，烯丙基氯C―Cl鍵斷裂后生成烯丙基碳正離子，芐基氯C―Cl鍵斷裂后生成芐基碳正離子，這兩種碳正離子中均存在p-π共軛體系，體系的能量降低，因此碳正離子的穩定性相對較高，容易生成，所以在室溫下就可發生反應。

2.3.5 苯酚具有弱酸性

圖5 酚氧負離子p軌道示意圖

2.3.6 苯酚與溴水在室溫下即可發生親電取代反應生成2,4,6-三溴苯酚

這一反應為苯環上的親電取代反應。由于苯酚形成了p-π共軛體系(見圖3)，O具有供電子的共軛效應(+C)，雖然O還具有吸電子的誘導效應(?I)，但O供電子的共軛效應強于其吸電子的誘導效應(+C ＞ ?I)，因此總的電子效應是供電子的，苯環上的電子云密度增大，苯環上發生親電取代反應的活性增大，在室溫下與溴水反應，立即有三個溴取代三個氫，生成2,4,6-三溴苯酚。

3 編制學習效果檢測題

編制判斷題、選擇題通過學習通平臺發布，考查學生學習p-π共軛相關知識的效果。例如題目3.1 (1)、(2)和3.2 (1)、(2)主要考查學生對p-π共軛體系形成條件的理解；題目3.1 (3)、(4)主要考查對?C、+C的判斷；題目3.1 (5)、(6)、(7)是對p-π共軛體系穩定性或反應性的判斷；題目3.1 (8)用p-π共軛體系穩定性來解釋有機物的化學性質。這些題目都是圍繞p-π共軛相關知識來出的，只要有學生做錯的題目都隨機選取1個學生詢問做錯的原因，了解學生對該題目知識點的理解情況。錯誤率在10%及以上的題目都將改變考查形式再次以練習的形式發放，通過反復練習來加強、加深學生的理解，提高學生靈活應用知識點的能力。如果涉及還沒有學習到的基礎知識，將以資料的方式告知學生，讓學生先通過閱讀、理解資料，然后再應用資料來答題。

3.1 判斷題

(1)p-π共軛體系就是p軌道與π鍵的p軌道平行，從側面重疊構成的。

(3) 溴乙烯存在p-π共軛，溴對體系而言是吸電子的共軛效應(?C)。

(4) 苯酚分子中由于存在吸電子的p-π共軛效應，所以苯環上的電子云密度降低。

(8) 苯酚具有弱酸性是因為O與苯環形成了p-π共軛體系，氧氫鍵的極性增大，容易斷裂，給出H+而呈弱酸性。(資料：酚中O為sp2雜化，有一條沒有雜化的p軌道，此沒有雜化的p軌道上有兩個電子，即有一對孤對電子。)

3.2 選擇題

(1) 下列哪些分子中不存在p-π共軛體系：

(2) 下列哪些分子中不存在p-π共軛體系：

4 課堂討論

課堂上由一個學生代表總結關于學習p-π共軛的收獲，教師點評，在點評時提出p-π共軛的思政教學目標：團隊精神。p-π共軛體系的形成，可以看作是組成了一個團隊，至少是3個p軌道兩兩從側面重疊，就將3個原子或離子組成了一個團隊，這個團隊共享電子云，體現在電子云密度平均化；團隊成員距離拉近，體現在鍵長縮短，所以這個體系是一個穩定團結的整體，因此p-π共軛體系就是一個穩定性高的團體，進而引申出每個人都應該有團隊精神，再稍作擴展。

然后由6-8個小組學生代表(每10人一組)提出已總結好的問題，問題以PPT的形式展現，討論3-5分鐘后，采用自由舉手發言或學習通發布搶答，由其他同學回答，并且給回答問題的同學加分計入形成性評價。自由舉手發言的同學下課后在教師處登記，由教師手動在學習通上加分；學習通上搶答的學生按先后順次回答問題，除了學習通自動計分外，回答正確的同學再額外加5分，這樣激勵學生積極參與。隨后由教師總結，并講解練習題錯誤率在30%及以上的題目。

最后根據學生的學習情況提出兩個以后才會學到的問題讓學生開展討論。第一個問題是：為什么甲酸(HCOOH)的酸性強于碳酸？相關資料：碳氧雙鍵中的π鍵與羥基氧的p軌道形成了p-π共軛體系。第二個問題是：為什么甲酰胺(CH3CONH2)呈中性而不是堿性？(相關資料：碳氧雙鍵中的π鍵與氮的p軌道形成了p-π共軛體系。)

5 學習和教學反饋

在學習通“統計”中及時跟蹤學生的學習、練習情況，并通過QQ群和學習通進行督學，發布學習進展，提醒學生及時完成學習任務，營造你追我趕、團結互助的學習氛圍。

發放問卷進行調查，主要調查學生對所提供資料的看法，對練習題的題量、難度的感受，對這種混合式教學方法的意見或建議，然后根據學生的反饋進行調整，真正實現以學生為中心的教學。

6 結語

雖然目前已有較多學校的有機化學教學采用混合式[18-21]，但對于p-π共軛這一知識模塊的混合式教學并未見報道。我校有機化學課程組已經進行了以學生為中心的藥學有機化學模塊化混合式教學實踐，總結經驗之后設計此混合式p-π共軛教學方案。p-π共軛在《有機化學》[22]第四章“炔烴和二烯烴”中就出現了，基本貫穿在后繼章節中，如果在初學時抓住其本質，把部分后繼課程中涉及的p-π共軛知識提前以應用的方式讓學生先學、先用，連續化、系統化地讓學生學習，既有利于學生的理解、應用，又有利于培養學生分析問題、解決問題的能力，還能推動、調動學生積極、主動的學習熱情。