電性分析在培養學生有機化學思維能力教學中的應用

肖竹平，馮秋菊

吉首大學國家級化學實驗教學示范中心，湖南 吉首 416000

有機化學是化學相關專業必修的一門化學基礎課程，在有機化學的教學實踐中，發現有相當一部分學生在學習單元知識時并不感覺困難、困惑，一旦不同單元的問題出現在一起時，往往就感覺力不從心、無從下手，也就是對相關知識的記憶不持久，不能迅速檢索出或者選擇相關的知識來解決當前問題，知識點之間的干擾比較嚴重，臨場反應差，運用知識的能力明顯不足。造成這種情形的原因除與初高中階段形成的低容量、慢節奏的學習方式有關外，也與學生不注重知識的歸納總結、比較分析有關，導致了知識間的干擾和負遷移。歸根到底還是與學生沒有形成有機化學思維有關，不能用有機化學的思維方式來解決問題，這是學生學習有機化學的一個難點，迫切需要有機化學教師結合學生實際情況，進行教學方法的改革與探索[1-3]，以培養學生的有機化學思維能力。所謂有機化學思維實際上就是結構決定物質性質的化學思維在有機化學中的運用。有機化合物結構中最核心的單元就是官能團[4,5]，官能團所處的環境(電子效應和空間效應)對官能團的活性有重要影響[6-8]，因此對于一個化合物的性質來說，官能團決定有無，而電子效應和空間效應決定水平，這是有機化學思維的基石。培養學生的有機化學思維就是要引導學生通過有機化合物結構中的官能團、電子效應和空間效應來思考有機化學問題。如何快捷地培養化學專業學生的有機化學思維能力，是減輕學生學習負擔、提高學習效率，實現有機化學知識的融會貫通、靈活運用的前提，也是有機化學教師多年來思考和交流的共同課題，有機化學教育工作者已在教學實踐中進行了多方嘗試[9-13]。譬如張淑蓉等[14]采用“結構引導教學法”，通過分析羰基的結構特征、電荷分布、電子效應等幫助學生理解掌握醛酮的理化性質；朱偉明等[15]采用比較、啟發教學法，通過分析烯烴、炔烴、醛酮、羧酸衍生物官能團的結構特征和電子效應等幫助學生辨析、理解這些物質的加成、取代等反應；崔玉明[16]采用啟發式、探究式教學法，從有機化合物的結構出發，引導學生通過比較分析中間體(過渡態)的穩定性，自主預測反應可能的產物和相對量。這些工作表明，培養學生的有機化學思維對掌握和運用有機反應具有重要的意義。

有機反應是學生學習有機化學的難點之一，困難不在于對單個反應的認識和理解，而在于眾多反應之間的互相干擾。很多學生的感受是有機反應多、散，記不住、記不牢、干擾嚴重、運用困難。有這些感受的學生是沒有找到看似無關的反應之間的共同點，因而不能將相關的知識進行整合和系統化，同時也在于教師在教學時沒有采用適當的方式方法將這些隱藏的共同點外在化，使學生在眾多反應構筑的迷宮中迷失了方向，只見樹木，無法看到森林。

如何幫助學生在認識和理解了反應及其反應機理之后，牢記這些反應，是有機化學教學的一大難點。在多年的有機化學教學實踐中，筆者發現，在教學中引入電性分析，教會學生通過電性分析來發現眾多有機反應的共性，來記憶和系統化有機反應，從而順利實現知識的遷移和延伸，使學生掌握通過物質結構來理解和運用有機反應的有機化學思維，增強臨場反應能力，顯著提高了教學效果，激發了學生對有機化學的興趣。筆者從以下幾個方面來闡述電性分析在培養學生有機化學思維教學實踐中的運用。

有機化學反應大致可以分為三類：離子型反應、自由基型反應和協同反應，電性分析適合于所有離子型反應的教學。在掌握了反應機理之后，運用電性分析的方法，對反應進行共性提取、歸納、總結，從而培養學生通過分析反應物結構來掌握有機反應的思維能力，對有機化學知識的掌握更牢固持久。

1 電性分析在烯烴與各種試劑的親電加成、親核加成教學中的運用

在認識和理解反應機理的基礎上，對烯烴和親電試劑(親核試劑)的反應進行歸納總結時，引導學生分析親電試劑(親核試劑)和烯烴的極性，如圖1所示：親電試劑R’O-H中O-H的O原子電負性大于H原子，所以O上帶δ-，H上帶δ+，而對于烯烴，在有推電子基R的情況下，雙鍵的電子云會推向右側，使右側C原子電子云密度上升，因此可視為帶上部分負電荷(δ-)，左側C原子則可視為帶上部分正電荷(δ+)。有一點需要教師在上課時特別提示：共軛體系或孤立雙鍵是被Π或π鍵的電子云包圍的，總體顯“負電性”的，電性分析中的δ+和δ-只是表明該原子上的電子云密度的相對高低(即電子云分布的不均勻性)，在這點上與單鍵的電性分析有所不同。根據電荷相互作用的原理可知，在發生親電反應時，親電試劑帶δ+的原子會優先與共軛體系或孤立雙鍵帶δ-的原子結合，而在發生親核反應時，情況則相反。因此學生很容易想到親電試劑的R’O基團與烯烴帶δ+的C原子結合，而H則與帶δ-的C原子結合，得圖1所示結構的產物，即符合馬氏規則的產物，類似的與H2O、H2SO4、HCl、HBr反應的產物按電性分析的方法也可以輕易寫出(表1)。

圖1 烯烴與醇發生親電加成反應時反應物的電性分析和產物形成規律

表1 烯烴與各種親電試劑的電性分析及反應產物

在此基礎上，采用探究式教學，教師不提及反馬規則，而是讓學生運用電性分析的方法來分析烯烴與BH3的反應(電負性數據自行查閱)，并及時引導學生與前面的反應比較，學生會自行發現反馬氏規則，并且也能自行通過電性分析，成功寫出烯烴與HClO反應的產物(表1)，而這個反應是既不能通過馬氏規則也不能通過反馬氏規則來預測產物結構的，這使學生獲得高度的成就感。這是典型的知識遷移運用的例子，而知識遷移不會總是正確，因此教師此時需要提醒學生，要自問為什么可以這樣？并強調，要真正掌握一個有機反應，必須掌握它的機理，從而引導學生去認識、探索反應的機理。這里體現了一個由表及里(從反應到機理)、由里及表(電性分析總結規律)、再由表及里(知識遷移再探索本質)的認識事物的基本過程。因此教師在運用電性分析進行教學時需要遵循這一過程，否則就容易導致知識的負遷移現象的出現。由表及里可以讓學生認識事物的本質、由里及表可以讓學生更自如地運用知識、再由表及里可以讓學生學會謹慎地對待知識遷移。

很顯然，運用電性分析的方法，把原本分屬于三個體系的反應(符合馬氏規則的反應、反馬氏規則的反應、馬氏規則不適用的反應)統一起來了，彼此不再產生干擾。教學的難點突破了，學生的成就感增強了，學習的興趣提高了。

在課堂上，教師還可以進一步與探究式的教學方法相結合，拋出學生完全陌生的反應：假如雙鍵上為吸電子基(如CO2Me、CN等)時，反應的產物又如何呢？讓學生自行通過電性分析，預測產物的結構(圖2)。

圖2 烯烴與醇發生親核加成反應時反應物的電性分析和產物形成規律

在這種情形下，由于吸電子基的作用，左側C帶δ-，右側C原子帶δ+，因此H與帶δ-的左側C原子結合，而R’O基團(δ-)則與雙鍵右側C原子(δ+)結合，產物如圖2所示，這與親電加成的情況恰好相反，學生無法運用馬氏規則來預測產物結構。雖然馬氏規則使用的前提是親電加成，但有相當一部分學生會忽略這樣的一個前提進行使用，因慣性思維而導致出錯，而電性分析不會造成這樣的后果。學生通過知識遷移，自行探索出烯烴親核加成反應的規律，培養了有機化學思維能力，提高了臨場應變能力，獲得了極大的成就感，大大提高了學生學習有機化學的興趣。正如前面所提及的，教師的教學工作至此并未完成，必須進一步引導學生探索反應機理，完成第二個“由表及里”的工作：反應本質上是1,4-加成，形式上是3,4-加成(即C＝C雙鍵的加成)；堿性條件下是負離子(如R’O-)先進攻雙鍵右側帶δ+的C原子引發加成反應，而在酸性條件下是H+與吸電子基上帶孤對電子O、N等結合，然后通過共振，導致右側C原子轉化為C+，繼而反應得到產物。

顯然，學生如按常規的方法記憶上述幾類反應，短時間內記憶是清晰的，但經過一段時間之后，它們就會發生混淆，導致出錯，使學生的學習興趣下降。而基于電性分析的教學方法，可以使學生快速掌握許多有機反應，并使有機反應系統化，實現上述幾類反應的統一：烯烴的δ+端C原子與另一反應物的δ-端原子結合，而烯烴的δ-端C原子則與反應物的δ+端原子結合。顯然電性分析法能幫助學生記憶和預測反應產物，化難為易，因而迅速培養了學生的有機化學思維能力，這樣學生不再需要記住這些具體的反應，只需即時對反應物進行電性分析，即使忘記了相關規則(如馬氏規則)，也能準確預測反應產物的結構。這本質上就是授人以漁而不是授人以魚，從而大大提高了課堂教學效果，對減輕學習負擔、提高知識運用的靈活性、激發學習興趣具有重要作用。但也要注意通過加強機理學習來克服其不注重反應過程、立體化學等不足。

2 醛酮與各種試劑的親核加成

對于醛酮的加成反應，采用電性分析的教學方法，可以收到同樣的效果，反應物的電性分析和反應產物的結構如表2所示。為了使學生的知識更系統，減輕學生的記憶壓力，提高學生對知識靈活運用的能力，教師可以進一步引導學生將醛酮羰基的加成反應與烯烴的加成反應進行比較，通過電性分析，將醛酮的加成反應納入到同一個反應模型中(圖3A)。經過這樣的比較，學生的大腦內存得到了釋放，實現了知識的融會貫通。

表2 醛酮與各種親核試劑的電性分析及反應產物

至于和NaHSO3反應，最終產物是(1)而不是(2)；和NH3反應的最終產物是Schiff堿(3)而不是(4)。可以在課堂上進行提問和解釋，前者跟磺酸的酸性比醇的酸性強，發生了分子內的質子交換反應有關；后者跟(4)不穩定，容易分子內脫水得到穩定性更高的產物(3)有關(圖3B)。在此基礎上進一步引導學生總結出產物的最終形式由結構的穩定性來決定的結論。這進一步培養了學生通過結構分析來思考有機化學問題的有機化學思維能力。

圖3 (A) 烯、醛酮親電/親核加成反應的統一模型和電性分析；(B) 醛酮和NaHSO3、NH3反應可能的產物結構

3 各種親核取代反應

反應底物和親核試劑的電性分析如圖4A所示，底物的中心C帶δ+，離去基團X帶δ-，學生通過電性分析很容易得出親核試劑帶δ-的基團(進攻基團)進攻底物的中心C，導致X離去，通過比較反應物和產物的構造式，學生自然得出結論親核試劑的進攻基團取代了底物中的離去基團的位置(圖4A)。引導學生經過簡單的延伸與擴展，能輕易總結出表3所示的反應。在教學中，需要特別提醒學生注意叔鹵代烴、仲鹵代烴、親核試劑的堿性和親核性、反應的機理類型等，它們會影響取代與消除反應的競爭。經過以電性分析為基礎的有機化學思維的訓練，對于陌生的親核取代反應，學生也能順利預測反應的產物(圖4B)。

表3 鹵代烴與各種親核試劑的電性分析及反應產物

圖4 (A) 鹵代烴與水發生親核取代反應時反應物的電性分析和產物形成規律；(B) 電性分析在陌生的親核取代反應中的應用

4 芳環上的親電/親核取代反應

教師引導學生依據烯烴電性分析的經驗對苯環進行電性分析，當苯環上為給電子基R時，會把電子云往鄰位C原子推，所以鄰位C帶δ-，苯環是共軛體系，電荷分布呈現極性交錯現象，故兩個間位C帶δ+，對位C帶δ-，親電試劑以R’-X為例的電性分析結果是X帶δ-、而R’帶δ+(表4)。注意提醒學生苯環上的δ+和δ-是相對的，苯環總體而言是高電子云密度的，負電性的(與前面提到的烯烴的情況類似)，所以帶δ+的R’不是不能進攻苯環上帶δ+的C，只是進攻難度更高一些。與探究式教學方法相結合，帶給電子基的單取代苯環進行親電取代時，學生在電性分析的基礎上，很容易推斷出，親電試劑帶δ+的R’主要進入苯環的鄰位或對位，因此產物以鄰對位為主。對于苯環上為吸電子基EWG(electron-withdrawing group)的情況，可以讓學生自行進行電性分析，不需要教師的干預，學生就能得出與給電子基R的情況截然不同的結論，即鄰對位的C帶δ+，而兩個間位C則帶δ-，因此學生會推斷出如下結論：帶吸電子基的單取代苯環進行親電取代時，親電試劑帶δ+的R’主要進入苯環的間位，得間位為主的產物(表4)。繼而可以讓學生將這種分析應用于更多的反應(包括親電取代反應和親核取代反應，表4)，在此基礎上，學生就能自主探索出芳環親電取代時基團的定位規則。教師在教學中需要特別指出，簡單的電性分析(δ+、δ-)不能解釋鹵素的定位效應，因此為了加深學生的理解和提高學生的理論水平，教師還應該從反應中間體、過渡態能量的角度，從中間體共振結構的穩定性角度等方面分析、總結基團的定位效應。

表4 苯、五元/六元雜環芳烴與各種親電/親核試劑的電性分析及反應產物

(續表4)

對于呋喃、吡咯、噻吩、吡啶等芳雜環上的親電取代反應，學生對取代基進入的位置的出錯率比較高。教師可以引導學生進行推理，對呋喃、吡咯、噻吩等五元芳雜環的5中心6電子進行分析(圖5)，形成這個時，O、N、S分別提供2個電子(5)，而環上的C原子都只提供1個電子，雖然O、N、S的電負性大，有吸電子的誘導效應，但相對而言O、N、S多給出了一個電子，因此總的效應是給電子的，O、N、S因此帶δ+，所以其α位帶δ-、β位則帶δ+，即(6)，故優先在α位發生親電取代反應。以此理解為基礎，為便于學生記憶，可以把O、N、S上有一對電子的p軌道看成一個假想的給電子基R’，然后依據苯環上電性分析的經驗，得出電性分析的結果(7)，自然知道取代基進入的位置。由此可見，學生在遇到問題若能即時進行恰當的電性分析，能免去許多記憶之苦。

圖5 五元雜芳環、六元雜芳環電性分析情況

教師還可進一步引導學生對吡啶環進行電性分析，與五元芳雜環不同的是，吡啶環是6中心6電子，環上的N與C一樣都只提供1個電子，但N的電負性比C大，所以具有吸電子作用，使N帶δ-，所以N鄰位的C帶δ+，間位的C帶δ-，即(8)，故優先在N的間位發生親電取代反應。類似的，基于上述理解，為便于學生記憶，可以把N上只有1個電子的p軌道看成一個假想的吸電子基EWG，然后按照苯環上電性分析相同的方法，得出電性分析的結果(9)。至此，在電性分析的基礎上，將苯環、五元雜芳環、六元雜芳環的親電、親核取代的定位規則進行了統一，無需再去記憶哪些是鄰對位定位基、哪些是間位定位基、五元雜芳環的定位規則、六元雜芳環的定位規則，大大減輕了學生的記憶負擔，提高了學生臨場分析、解決問題的能力，使學生學習更輕松，知識的運用更靈活。

5 結語

在多年有機化學教學實踐中，筆者嘗試了在認識和理解反應機理的基礎上，恰當運用知識遷移，引導學生對反應物結構進行電性分析，主動探索，培養學生的有機化學思維，突破了教學中的難點，減輕了學生對有機化學反應的記憶負擔，使學生對知識的掌握更加持久牢固，取得了良好的教學效果。進行電性分析所基于的知識基礎而簡單：電負性、誘導和共軛效應、電荷相互作用的原理。基于電性分析的教學方法，能引導學生將表面不相關甚至相對的一些反應整合于一體，如實現烯烴的親電/親核加成、醛酮的親核加成等反應的統一，各種親核取代反應的統一，苯環上親電/親核取代反應、五元芳雜環的親電取代反應、六元芳雜環的親電/親核取代反應的統一，等等。使學生能夠將零散的知識、規則聯網統一，促進知識的融合與靈活運用，化難為易；使學生的思路更加清晰，成就感增強，學習興趣提高。雖然優點很顯著，但電性分析也存在不足，主要體現在不能涵蓋立體化學、碳正離子重排等和機理相關的內容，所以一定要加強與機理的教學及學習的結合，并且在涉及上述內容時需要教師多加強調，以更好地發揮這一教學方法的積極作用。