王輝曾卓

(華南師范大學(xué)化學(xué)與環(huán)境學(xué)院，廣州510006)

立體化學(xué)教學(xué)中空間感觀能力的培養(yǎng)

王輝*曾卓

(華南師范大學(xué)化學(xué)與環(huán)境學(xué)院，廣州510006)

介紹了在有機物結(jié)構(gòu)、有機反應(yīng)機理和構(gòu)象快速轉(zhuǎn)換平衡的教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生構(gòu)建空間感觀的策略。教學(xué)實踐表明，這些策略的實施具有較好的效果。

立體化學(xué)；構(gòu)象；空間感觀

立體化學(xué)是基礎(chǔ)有機化學(xué)的重要內(nèi)容，貫穿整個有機化學(xué)知識體系，是本科生學(xué)習(xí)的難點和重點，同樣也是教師教學(xué)的難點。教學(xué)實踐表明，構(gòu)建空間思維感觀是突破學(xué)生立體化學(xué)學(xué)習(xí)障礙的關(guān)鍵因素。當(dāng)前在基礎(chǔ)有機化學(xué)教學(xué)中，立體化學(xué)教學(xué)研究的成果多是從平面的角度提供一些技巧性的方法幫助學(xué)生破解立體化學(xué)學(xué)習(xí)難點，并未直接從空間的角度去思考分子的形象[1,2]，無法培養(yǎng)學(xué)生對分子結(jié)構(gòu)的空間想象能力，影響學(xué)生對立體化學(xué)知識的記憶和理解，因此，對以培養(yǎng)學(xué)生空間感觀為目標(biāo)的立體化學(xué)教學(xué)方法策略的探索具有實踐意義和應(yīng)用價值。

什么是空間感觀能力？筆者認(rèn)為應(yīng)包含以下3個層次：第一層次是學(xué)習(xí)者面對一個有機分子表達(dá)式能夠識別是否可呈現(xiàn)為立體結(jié)構(gòu)；第二層次是要能夠判斷立體結(jié)構(gòu)的構(gòu)型，是幾何異構(gòu)還是對映異構(gòu)或者都不是，如為對映異構(gòu)，是否具有手性原子，其構(gòu)型又如何；第三層次也是最高層次，是要能不借助任何實物模型感悟出構(gòu)象分子中原子或基團的空間位置關(guān)系，也即在頭腦中構(gòu)建分子空間形象，同時能夠流利地使用各種結(jié)構(gòu)表示方式進(jìn)行書寫表達(dá)。為了訓(xùn)練學(xué)生達(dá)到較高層次的認(rèn)識水平，筆者在教學(xué)中實施了系列滲透空間感觀思維意識的策略。

1 有機結(jié)構(gòu)命名教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生的靜態(tài)空間感觀

有機結(jié)構(gòu)命名的教學(xué)，以介紹有機結(jié)構(gòu)的命名原則為主要任務(wù)，其中包含對立體構(gòu)型的辨識。由于學(xué)生對有機結(jié)構(gòu)的認(rèn)識是先平面、后立體，因此，“重規(guī)則輕構(gòu)型”成為命名教學(xué)中的普遍現(xiàn)象。教學(xué)實踐發(fā)現(xiàn)，在經(jīng)歷了雜化軌道理論、構(gòu)型、構(gòu)象及對映異構(gòu)等學(xué)習(xí)后，學(xué)生的空間構(gòu)型意識仍比較淡薄。如圖1a所示的以鍵線式表示的烯烴命名，絕大多數(shù)學(xué)生都不標(biāo)出雙鍵的構(gòu)型。即使是圖1b－1d這些以鋸架式、紐曼式或費歇爾投影式表示的手性分子，也有些學(xué)生遺漏R/S構(gòu)型標(biāo)記。對于圖1e之類的取代環(huán)烷烴，學(xué)生既不考慮幾何異構(gòu)的存在，也不考慮手性的存在，在命名時僅寫出缺乏立體構(gòu)型表征的化合物名稱。針對這種學(xué)習(xí)狀況，我們認(rèn)為教學(xué)中有必要從以下兩方面來培養(yǎng)學(xué)生對分子結(jié)構(gòu)的空間構(gòu)型意識。一是命名教學(xué)示范舉例多采用上述具有立體構(gòu)型的形式，并經(jīng)常提示學(xué)生是否為立體構(gòu)型，同時也提供名稱讓學(xué)生寫出立體結(jié)構(gòu)。這種由結(jié)構(gòu)到名稱，又由名稱到結(jié)構(gòu)的訓(xùn)練，對于學(xué)生形成空間感觀具有較好作用。二是在課后作業(yè)、期中和期末考試等不同教學(xué)環(huán)節(jié)中有意識地使用立體構(gòu)型的化合物作為命題素材，讓學(xué)生自覺對立體構(gòu)型產(chǎn)生習(xí)慣性認(rèn)知，形成對立體結(jié)構(gòu)的感知意識。最終對鍵線式表示的烯烴有順式和反式的構(gòu)型差異感，對費歇爾投影式表示的化合物有橫鍵向前、豎鍵向后的立體感，對手性化合物有實物與鏡像不能完全重疊的空間感。

圖1 各種方式表示的立體結(jié)構(gòu)

2 環(huán)己烷結(jié)構(gòu)教學(xué)構(gòu)建六元環(huán)構(gòu)象的空間感觀

環(huán)己烷構(gòu)象是環(huán)狀化合物立體結(jié)構(gòu)的典型代表，其涉及到后續(xù)環(huán)己烯、雜環(huán)化合物、糖類化合物結(jié)構(gòu)的教學(xué)，是立體化學(xué)的基礎(chǔ)性內(nèi)容，對其掌握的程度對后期環(huán)狀化合物結(jié)構(gòu)及其重排反應(yīng)的教學(xué)具有較大的影響[3]。

六元環(huán)構(gòu)象的空間感觀構(gòu)建主要體現(xiàn)在環(huán)己烷構(gòu)象的書寫上，多數(shù)初學(xué)者不能規(guī)范地畫出環(huán)己烷椅式構(gòu)象的碳架，特別是直立鍵和平伏鍵的位置關(guān)系，其根源是學(xué)生缺乏對環(huán)己烷構(gòu)象及sp3雜化軌道的空間感觀。因此環(huán)己烷構(gòu)象書寫的教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生空間感觀能力的一個重要契機。

環(huán)己烷構(gòu)象的書寫是學(xué)生學(xué)習(xí)有機化學(xué)的一個難點，教師如何突破這個難點，讓學(xué)生盡快掌握書寫的規(guī)律，是環(huán)己烷構(gòu)象書寫教學(xué)的關(guān)鍵，為此筆者總結(jié)了一套環(huán)己烷構(gòu)象書寫教學(xué)的方法。具體做法是：首先讓學(xué)生畫好椅式構(gòu)象的碳架(圖2a)，碳架的特點是每兩條對位碳碳鍵平行；然后再讓學(xué)生認(rèn)識碳架上的凹點和凸點；在熟悉碳架繪制的前提下，教師再強調(diào)環(huán)己烷碳架構(gòu)象中凹點碳的直立鍵垂直向下，凸點碳的直立鍵垂直向上，相鄰直立鍵一上一下的排列規(guī)律(圖2b)。書寫時先畫出6個碳上直立鍵，再畫出平伏鍵；而與直立鍵連在相同碳上的平伏鍵的方向一定是相反的，即直立鍵向下，平伏鍵則稍微向上，直立鍵向上，則平伏鍵稍微向下，按照這種步驟完成平伏鍵的繪制(圖2c)，同時強調(diào)平伏鍵的角度，既不能與同碳上的直立鍵垂直，更不能與其成180度，而是與環(huán)上鄰間位之間的碳碳鍵平行(圖2d)。按照此法書寫出來的環(huán)己烷構(gòu)象的每個碳都具有明顯的四面體空間構(gòu)型，這種書寫本身就是對環(huán)己烷構(gòu)象空間感的體會，而且可以消除初學(xué)者對環(huán)己烷構(gòu)象12個碳?xì)滏I的凌亂感。在此基礎(chǔ)上再針對不同取代位置的順式、反式環(huán)己烷衍生物的穩(wěn)定構(gòu)象式書寫進(jìn)行強化，反復(fù)給學(xué)生創(chuàng)造鞏固立體異構(gòu)空間感觀的機會，形成一種心理學(xué)上的思維定勢，學(xué)生在書寫中形成了構(gòu)建環(huán)己烷構(gòu)象的空間感觀，同時也避免了死記環(huán)己烷構(gòu)象中碳?xì)滏I取向的情況。

圖2 環(huán)己烷構(gòu)象的教學(xué)書寫步驟(a)環(huán)己烷椅式框架的書寫；(b)直立鍵的書寫位置和方式；(c)平伏鍵的書寫位置和方式；(d)完成后的構(gòu)象各鍵取向

3 有機反應(yīng)機理教學(xué)構(gòu)建立體化學(xué)反應(yīng)的動態(tài)空間感觀[3 ]

在對映異構(gòu)學(xué)習(xí)之前，有關(guān)反應(yīng)機理較少深入到立體化學(xué)的層次，教材也多是選用非立體反應(yīng)范例，學(xué)生對涉及有機立體反應(yīng)的機理缺少動態(tài)空間感觀。因此筆者在對映異構(gòu)教學(xué)后，將化合物立體構(gòu)型和構(gòu)象的基礎(chǔ)知識應(yīng)用于立體反應(yīng)的教學(xué)，以幫助學(xué)生構(gòu)建有機反應(yīng)機理的動態(tài)感觀。

3.1 溴與烯烴加成反應(yīng)的立體化學(xué)，構(gòu)建三元環(huán)狀溴鎓正離子產(chǎn)生的動態(tài)空間感觀

溴與烯烴的加成分兩步進(jìn)行，其空間機理過程是極化的溴分子首先從烯烴分子平面的上或者下端接近π鍵電子云形成三元環(huán)狀溴鎓離子，然后溴負(fù)離子再從溴鎓離子的背面分別進(jìn)攻雙鍵碳原子，形成產(chǎn)物。其中最易于疏忽的是第一步有上和下兩種接近π鍵電子云的方式，即從烯烴分子平面的上端向下接近π鍵電子云和從烯烴分子平面的下端向上接近π鍵電子云，生成的三角形溴鎓離子分別在烯烴分子平面的上面和下面(圖3)。溴單質(zhì)與反式烯烴加成，兩種中間體進(jìn)行第二步反應(yīng)所得產(chǎn)物是相同的(圖4)，但當(dāng)加成試劑的正負(fù)部分不同時，兩種中間體形成的產(chǎn)物也就不同(圖5)。學(xué)生往往會將后一種情況中負(fù)離子進(jìn)攻溴鎓離子的方式①、②作為兩個不同異構(gòu)體產(chǎn)生的原因，其實并非如此。該反應(yīng)機理立體化學(xué)過程的書寫不僅有利于幫助學(xué)生認(rèn)識兩種不同的溴鎓離子，而且有助于培養(yǎng)學(xué)生構(gòu)建由平面型分子轉(zhuǎn)變成四面體型分子的動態(tài)空間感觀，其中涉及到溴鎓離子的空間結(jié)構(gòu)、負(fù)離子進(jìn)攻中間體的空間位置以及原子和基團在構(gòu)象中的空間位置轉(zhuǎn)換關(guān)系等。

3.2 消除反應(yīng)立體化學(xué)，構(gòu)建反式共平面基團消除的立體化學(xué)動態(tài)空間感觀

對于E2歷程，被消除基團一般是處于反式共平面的位置，這在非構(gòu)象式表示的反應(yīng)式中是無法體現(xiàn)的，所以該類反應(yīng)的立體化學(xué)過程教學(xué)宜以鋸架式或紐曼式構(gòu)象展示，將消除原子或基團轉(zhuǎn)到最有利于消除的對位交叉式位置，當(dāng)兩個原子或基團消除時，連接消除基團的碳原子成鍵逐漸由四面體構(gòu)型分布向平面型構(gòu)型分布轉(zhuǎn)化，該過程有利于學(xué)生形成反式共平面消除的動態(tài)空間感觀(圖6)。

圖3 溴與反-2-丁烯雙鍵形成的兩種溴鎓離子的空間構(gòu)型

圖4 兩種反-2-丁烯溴鎓離子受到溴負(fù)離子進(jìn)攻形成內(nèi)消旋體產(chǎn)物的動態(tài)立體過程

圖5 兩種反-2-丁烯溴鎓離子受到氫氧根負(fù)離子進(jìn)攻形成外消旋體的動態(tài)立體過程

圖6 消除反應(yīng)反式共平面消除的立體化學(xué)(a)鋸架式構(gòu)象示意圖；(b)紐曼式構(gòu)象示意圖

特別是對于環(huán)狀化合物的消除，其空間感觀更為重要，只有在構(gòu)象式中才能真正理解消除反應(yīng)的立體化學(xué)要求。由于環(huán)的牽制與約束，環(huán)上的碳?xì)滏I并不像鏈烴中的碳?xì)滏I那樣，可以自由旋轉(zhuǎn)到反式共平面的位置，因此有些環(huán)狀化合物即使鄰位有氫，但不能處于反式共平面的構(gòu)象位置關(guān)系，也就不能發(fā)生消除反應(yīng)。如果不具有一定的空間感觀能力，這種結(jié)果比較難理解。

3.3 重排反應(yīng)立體化學(xué)，構(gòu)建反式共平面基團遷移的立體化學(xué)動態(tài)空間感觀

類似于消除反應(yīng)，在pinacol重排中，遷移的基團與離去的基團在空間上也是處于反式共平面位置關(guān)系，其中對遷移基團特別是環(huán)狀pinacol中的遷移基團的判斷，在教學(xué)中是一個難點，空間思維障礙的突破亦可通過鋸架式或紐曼式構(gòu)象演示此類機理的動態(tài)立體化學(xué)過程來完成。

如環(huán)狀鄰二醇直立鍵上的羥基與鄰位直立鍵上的甲基本身處于反式共平面關(guān)系，羥基質(zhì)子化后，鄰位直立鍵上的甲基從質(zhì)子化羥基的背面遷移到其所連接的碳上，以協(xié)同的方式發(fā)生重排反應(yīng)。這種離去基團和遷移基團處于相鄰直立鍵的分子，其空間構(gòu)型關(guān)系較為直觀，如圖7是以碳碳鍵為中心軸的紐曼式構(gòu)象的空間關(guān)系圖。

圖7 離去基團和遷移基團均處于直立鍵的pinacol紐曼式構(gòu)象

但若環(huán)狀鄰二醇的羥基均處于平伏鍵，則其發(fā)生重排反應(yīng)的遷移基團的直觀性就較差，一般初學(xué)者較難確定反式共平面的遷移基團，類似前述處理，寫出以碳碳鍵為中心軸的紐曼式構(gòu)象則一目了然，如圖8中遷移的基團是處于環(huán)上的CH2。

反應(yīng)機理教學(xué)表明，構(gòu)象式之間的轉(zhuǎn)化非常重要，可使模糊的空間構(gòu)型關(guān)系在紐曼式中變得清晰直觀，因此充分利用鋸架式和紐曼式教學(xué)是增強空間感觀認(rèn)識的有效方法。

圖8 離去基團和遷移基團均處于平伏鍵的pinacol紐曼式構(gòu)象

4 化學(xué)等價質(zhì)子教學(xué)構(gòu)建分子構(gòu)象的動態(tài)平衡空間感觀[4 ]

化學(xué)等價質(zhì)子和化學(xué)不等價質(zhì)子的識別，與化合物的空間構(gòu)型有著密切的關(guān)系，如＝CH2中的兩個質(zhì)子在不同的烯烴中其等價與否并不相同，判斷的依據(jù)即是每個質(zhì)子周圍的化學(xué)環(huán)境的異同，化學(xué)環(huán)境的異同則與分子的空間構(gòu)型有關(guān)，其直接涉及到圖譜峰的裂分情況。對于連接手性碳原子和非手性碳原子上的―CH2―中的兩個氫，其化學(xué)環(huán)境異同關(guān)系的辨別是教學(xué)中的難點，學(xué)生需要有較好的空間感觀能力才能較好理解，筆者利用紐曼式構(gòu)象直觀的特點進(jìn)行教學(xué)，取得了較好的教學(xué)效果。如CH3CH2CHClCH2CH2CH3中2號碳CH2中兩個氫的化學(xué)環(huán)境狀況，以紐曼式優(yōu)勢構(gòu)象表示(圖9)。

圖9 化學(xué)環(huán)境不同的質(zhì)子(Ha和Hb)

理論上，一個化合物的構(gòu)象有成千上萬個，且所有的構(gòu)象均處于一個快速轉(zhuǎn)化平衡之中，但是對一個室溫條件下的分子集合而言，大部分分子以優(yōu)勢構(gòu)象存在，因此我們可以采用優(yōu)勢構(gòu)象進(jìn)行原子或基團所處化學(xué)環(huán)境的分析并且獲得準(zhǔn)確的結(jié)果。如圖9所示，I式中Hb所處的化學(xué)環(huán)境即為Ⅱ式中Ha的化學(xué)環(huán)境，但I(xiàn)I式中Hb所處的化學(xué)環(huán)境與I式中Ha的化學(xué)環(huán)境卻不相同；類似，II式中Hb所處的化學(xué)環(huán)境與III式中Ha的化學(xué)環(huán)境相同，但I(xiàn)I式中Ha所處的化學(xué)環(huán)境與III式中Hb的化學(xué)環(huán)境又不相同。因此Ha和Hb無論處于構(gòu)象中的任何位置，均不可能有相同的化學(xué)環(huán)境，故Ha和Hb為化學(xué)不等價質(zhì)子，兩者在核磁共振氫譜中會發(fā)生共振峰的裂分。

正己烷中2號碳上兩個氫的化學(xué)環(huán)境狀況如圖10紐曼式優(yōu)勢構(gòu)象所示，IV式中Ha所處的化學(xué)環(huán)境即為V式中Hb的化學(xué)環(huán)境，而IV式中Hb的化學(xué)環(huán)境即為V中Ha所處的化學(xué)環(huán)境，VI式中Ha和Hb處于相同的化學(xué)環(huán)境，因化合物為各種構(gòu)象的平衡混合體且各構(gòu)象處于快速轉(zhuǎn)化的平衡之中，所以，Ha和Hb處于構(gòu)象式中任何相對位置，均有相同的化學(xué)環(huán)境，也即Ha和Hb為化學(xué)等價核，在核磁共振氫譜中相互之間不發(fā)生峰的裂分。

圖10 化學(xué)環(huán)境相同的質(zhì)子(Ha和Hb)

5 發(fā)揮板書和直觀教具在教學(xué)中的作用

立體化學(xué)感觀思維的培養(yǎng)是一項長期的過程，貫穿基礎(chǔ)有機化學(xué)教學(xué)的整個過程，學(xué)生空間感觀能力的形成需要經(jīng)過多種形式的訓(xùn)練，上述所提出的僅為我們在教學(xué)中實施的較快建立空間感觀的部分教學(xué)策略，除此之外，還應(yīng)結(jié)合以下策略的應(yīng)用。

5.1 教師適時采用構(gòu)型式、構(gòu)象式的板書教學(xué)

教師在示范有機結(jié)構(gòu)式和反應(yīng)機理時，宜適時采取板書講解的方式，延長學(xué)生空間思維的時間，避免ppt投影過目即逝的缺陷，實踐表明這種傳統(tǒng)的教學(xué)效果明顯強于多媒體課件的閃現(xiàn)。

5.2 利用分子構(gòu)象模型的直觀性構(gòu)建空間感觀

如果僅限于平面上的抽象講解，絕不足以讓學(xué)生在有限的時間內(nèi)構(gòu)建空間感觀，因此借助構(gòu)象模型展示具有突破思維障礙的直接效果。這種傳統(tǒng)教具的使用，雖然顯得有點陳舊，但效果卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)強于簡單的平面講述，是任何其他工具不可替代的。學(xué)生的障礙主要在于難以擺脫平面思維的慣性，不能將自己置身于分子結(jié)構(gòu)想象之中；如果有相關(guān)模型輔助，這種障礙的突破將變得快捷，空間的記憶也會比較深刻。教師必備的分子模型應(yīng)該有烷烴分子的球棍模型、環(huán)己烷的球棍模型和對映體的球棍模型，條件允許的話，可使用sp3、sp2、sp雜化軌道以及π鍵模型進(jìn)行教學(xué)。同樣，利用計算機軟件顯示具有較好感觀的立體分子也可達(dá)到相應(yīng)的效果，特別是對于較為復(fù)雜的分子結(jié)構(gòu)。

有的教師可能認(rèn)為，現(xiàn)在有關(guān)展示立體結(jié)構(gòu)的計算機軟件眾多，直接下載軟件在顯示屏上觀察立體分子結(jié)構(gòu)已非常方便，甚至可以任意移動或者轉(zhuǎn)動分子結(jié)構(gòu)，從不同角度去觀察分子的空間狀態(tài)，對于構(gòu)建有機立體結(jié)構(gòu)的空間感觀也非常有效，因此，不需要再從其他角度去培養(yǎng)空間感觀。確實，計算機顯示技術(shù)已經(jīng)為立體化學(xué)感觀教學(xué)提供了極大的方便，但是我們必須知道，學(xué)生要解決的許多立體化學(xué)問題不是在任何時候都可以利用計算機的，因此，建立一種脫離于計算機顯示的空間想象思維是非常必要的；在平面視圖中產(chǎn)生空間感觀是一種思維能力，而這種能力對學(xué)生來說是永久的，所以，不論計算機技術(shù)如何發(fā)達(dá)，這種空間感觀能力的培養(yǎng)總是有益的，它不僅僅在于解決有機立體結(jié)構(gòu)的空間構(gòu)型的認(rèn)識問題，最終是讓學(xué)習(xí)者產(chǎn)生一種脫離具體模型的空間思維能力，無疑有助于提高學(xué)習(xí)者的創(chuàng)新活力，這與人才培養(yǎng)的終極目標(biāo)是一致的。

上述的策略和方法盡管看起來很普通，但確實有效。通過近幾年的教學(xué)實踐發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)行有機化學(xué)下冊[3]內(nèi)容教學(xué)時，學(xué)生的立體化學(xué)空間感觀能力都有不同程度的提高，特別是在涉及一些較復(fù)雜的立體化學(xué)反應(yīng)機理時，學(xué)生看不懂和聽不懂的情況大為減少。同時學(xué)生還建立了構(gòu)象動態(tài)平衡的空間感觀，對構(gòu)象異構(gòu)體、化學(xué)不等性質(zhì)子以及葡萄糖構(gòu)象有了更深的理解。對于立體結(jié)構(gòu)命名，90%以上的學(xué)生都能關(guān)注到名稱中構(gòu)型的標(biāo)記。這說明在教學(xué)過程中重視空間感觀能力的培養(yǎng)是有作用的。

[1]鄭敏燕.大學(xué)化學(xué),2011,26(4),29.

[2]程紹玲,謝運甫,王華靜.化學(xué)教育,2016,37(4),22.

[3]李景寧.有機化學(xué).第5版.北京:高等教育出版社,2011.

[4]羅鈞,尚先梅,項光亞.化學(xué)教育,2012,33(5),71.

Cultivation of Space Sense Ability in Stereochemistry Teaching

WANG Hui*ZENG Zhuo
(School of Chemistry and Environment,South China Normal University,Guangzhou 510006,P.R.China)

In this paper,the strategy to cultivate students′space sense ability was introduced in teaching of structure,reaction mechanism and rapid conformational transition equilibrium.Teaching practice showed that the strategy performance had a good effect.

Stereochemistry;Conformation;Space sense

*通訊作者，Email:huiwang@scnu.edu.cn

華南師范大學(xué)2015年“質(zhì)量工程”建設(shè)項目

10.3866/PKU.DXHX201603017

www.dxhx.pku.edu.cn

G64；O621.14