核心素養視域下“正負電荷相互吸引”的有機化學教學應用

北京 徐曉斌

基于化學鍵視角預測和解釋有機化合物的性質，對于學生建立“組成、結構決定性質”的核心觀念、發展高級思維具有重要意義。無論是在《普通高中化學課程標準(2017年版2020年修訂)》(以下簡稱《課程標準》)，還是在人教版新教材《有機化學基礎》(以下簡稱新教材)中都對化學鍵視角進行了強化。但是，僅僅基于這些認識角度，學生雖然能準確預測或解釋斷鍵部位，但是分析新化學鍵形成時仍然會面臨困惑。例如，新教材83頁“資料卡片”介紹了羥醛縮合反應。

學生基于化學鍵視角，能夠預測可能的斷鍵位置分別為圖1中①處的碳氧雙鍵、圖1中②處的醛基鄰位碳原子(α-C)上的氫原子(α-H)之間的化學鍵。緊接著，在分析產物時，學生可能得到如圖2a和b所示的兩種不同的結果。

圖1 羥醛縮合反應中反應物可能的斷鍵

圖2 羥醛縮合反應中可能的成鍵方式

其實，這一問題本質是在追問有機物在成鍵時應遵循什么樣的原則，這是基于化學鍵視角認識有機物不可缺少的環節，然而，這一問題卻沒有引起教師的關注，很多教師在教學中沒有介紹，致使學生認知造成障礙。

1.引入成鍵規律，建構認知模型

1.1 明晰有機物成鍵規律

有機物在成鍵時要遵循“正親負、負親正”的基本規律。以鹵代烴(RCH2Br)的取代反應為例，由于溴原子和碳原子的電負性差異，形成一個極性較強的共價鍵：Cδ+—Brδ-，碳原子(Cδ+)與帶負電荷的—OH結合形成醇。類似地，分析如圖3所示的乙醇的取代反應，可以發現，總是δ+和δ-的原子連接形成新的化學鍵，這就是有機化學中的“正負電荷相互吸引”。

圖3 乙醇的取代反應中的“正負電荷相互吸引”

1.2 有機物成鍵規律是有機化學反應本質的外顯

有機化學中的“正負電荷相互吸引”不是巧合，而是由反應機理決定的。按照反應時化學鍵斷裂和生成的方式，有機反應分為以下3大類。

(1)離子型反應。仍以鹵代烴(RCH2Br)的取代反應為例，如圖4所示，OH-對原子核有顯著親和力，與鹵代烴中帶部分正電的原子(Cδ+)相互吸引、接近，經歷過渡態然后再成鍵，同時生成Br-。像OH-這種供給電子的試劑(δ-)進攻有機物中的正碳中心(Cδ+)而發生的反應稱為親核反應。相反地，由缺少電子的試劑(δ+)進攻有機物中的負碳中心(Cδ-)而發生的反應稱為親電反應。親電反應和親核反應在反應過程中伴隨著化學鍵的異裂，統稱為離子型反應。

圖4 鹵代烴的取代反應機理

(2)自由基反應。常常對應著化學鍵的均裂，成鍵的一對電子平均分給兩個原子或原子團，生成自由基。典型的反應如甲烷和氯氣的取代反應，是由Cl·進攻CH4實現鏈增長。

(3)協同反應。

因為高中所學的絕大多數反應屬于離子型反應，如碳碳雙鍵、碳碳三鍵的加成，苯環的取代，鹵代烴的水解和消去，醇的取代和消去，酯化和酯的水解等，所以“正負電荷相互吸引”這一規律具有極強的普適性。

1.3 建構有機化合物的認知模型

基于有機反應的成鍵規律，通過文獻梳理、結合教學實踐，構建了如圖5所示的基于化學鍵視角認識有機化合物的認知模型。在分析結構時，首先關注有機物的不飽和度和化學鍵的極性(需要考慮成鍵原子的電負性差值、鄰近基團對化學鍵的影響)，從而分析斷鍵部位，根據“正負電荷相互吸引”的原則，推測或解釋新鍵形成的原理。

圖5 有機化合物的認知模型

1.4 應用有機化合物的認知模型解釋問題

圖6 羥醛縮合反應的斷成鍵分析

2.應用模型，突破有機合成難點

有機化合物的認知模型不僅能用于解釋教材中出現的反應，更有價值的是，可以應用于分析難度較大的陌生反應。對學生而言，學業水平考試的難點之一是分析碳鏈的增長。造成這一困難的原因在于課內較少介紹碳鏈增長的反應，學生只是通過試題提供的新信息才對其有所了解。這種碎片化的學習方式容易使知識體系缺乏系統性。《課程標準》要求“認識有機合成的關鍵是碳骨架的構建和官能團的轉化”，凸顯了有機合成在有機化學學習中的關鍵地位。因此，利用有機化合物的認知模型，理解概括出有機合成、尤其是碳鏈增長反應的規律和本質，有助于學生突破認知障礙。

2.1 應用模型探尋碳鏈增長的規律和實質

(R1、R2代表烴基，下同)

2.2 應用碳鏈增長的規律突破難點

基于碳鏈增長反應規律和有機化合物的認知模型，可以解決陌生復雜的問題。

2017年北京卷的25題部分合成路線如圖8，本題已知E為乙酸乙酯，需推斷F的結構。由于這個反應新穎，給考生造成困擾，甚至出現部分考生已經推導出F的結構但是不敢確信這種成鍵方式是否合理的情況。

圖8

應用有機物的認知模型進行分析。如圖9所示，因為產物中有乙醇，所以確定A中的斷鍵位置，分子A中羰基碳為正碳中心；而B分子中有3種氫，考生困惑的是哪個碳氫鍵斷裂。考慮鄰近基團對化學鍵極性的影響，可以發現，因為酯基的存在，α-C和α-H之間的共價鍵極性較強，易于斷裂，斷裂后形成負碳中心；正碳中心可以和負碳中心連接成鍵，實現碳鏈的增長。

圖9 乙酸乙酯的縮合反應

事實上，可以將該反應推廣到一般，兩分子酯可以發生縮合反應。

圖10

圖11 E→F的成鍵分析

推廣至一般，如下圖所示，A分子中的α-C分別與羰基和酯基相連，α-C兩側均為吸電子基團，使得α-C和α-H 原子之間的共價鍵極性較強，更容易發生斷裂，α-C成為負碳中心。在鹵代烴B中，α-C是正碳中心，和A的負碳中心連接成鍵，同時生成HBr。

除了碳鏈增長反應，有機化合物的認知模型還可以用于設計有機合成路線、預測未知反應等。

總而言之，構建認識有機物的認知模型，有助于學生深刻地體會“結構決定性質”這一有機化學學科核心思想、發展證據推理與模型認知的化學學科核心素養。第一，基于學習進階理論，學生認識有機反應的思維層級應該從單點結構水平的物質視角，發展至多元和關聯結構水平的官能團視角，最終發展至抽象結構水平的化學鍵視角。從化學鍵視角去分析有機物結構，既要通過分析化學鍵的極性和飽和程度確定斷鍵部位，還要根據“正負電荷相互吸引”分析新化學物質的形成。依據這一認知模型，學生能在化學鍵的認識層級分析有機化合物的結構以預測和解釋有機化合物的性質，通過分析有機化合物性質有效推理和論證有機化合物的結構，發展宏觀辨識、微觀探析的化學學科核心素養。第二，構建模型、應用模型的過程是思維發展的過程。通過分析、推理、抽象、概括，逐步深化認知，自我構建有機化合物認知范式，并進一步運用模型預測和解釋有機化合物的化學性質，能在陌生情境的解決問題過程中檢驗學習成果，將認識方法內化為學生的元認知，不斷加深對有機反應的本質特征認識，促進證據推理與模型認知化學學科核心素養的發展。