成 昭 劉春葉 苗延青 張雪嬌 梁玲玲

(西安醫(yī)學(xué)院 藥學(xué)院，陜西 西安 710021)

有機(jī)化合物中，原子和原子團(tuán)之間的相互作用通過誘導(dǎo)、共軛等電子效應(yīng)影響電子云分布與原子帶電情況，往往會(huì)進(jìn)一步影響有機(jī)物的化學(xué)性質(zhì)，決定有機(jī)化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)方向、反應(yīng)機(jī)理、反應(yīng)平衡及反應(yīng)速率等[1]。受電子效應(yīng)對(duì)有機(jī)物中原子帶電情況的影響，有機(jī)化學(xué)反應(yīng)常見于親電與親核兩種類型。其中，親電反應(yīng)有烯烴、炔烴的親電加成，及芳香烴的親電取代；親核反應(yīng)包括醛、酮的親核加成，及鹵代烴、醇、醚、羧酸衍生物等多類物質(zhì)的親核取代。但由此而來的復(fù)合了反應(yīng)類型與電子效應(yīng)的反應(yīng)分類，使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，不僅需要在無機(jī)化學(xué)課程學(xué)習(xí)基礎(chǔ)上區(qū)分加成、取代等反應(yīng)類型，還要根據(jù)有機(jī)化學(xué)中的電子效應(yīng)分析親電、親核過程。

實(shí)際教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)大部分學(xué)生都對(duì)較為抽象的親電、親核反應(yīng)過程的學(xué)習(xí)與區(qū)分[2]感到困難。而電子效應(yīng)作為《有機(jī)化學(xué)》教材中的重難點(diǎn)貫穿全書，從烷烴章節(jié)學(xué)習(xí)碳自由基時(shí)開始涉及，再到烯烴及后續(xù)章節(jié)反應(yīng)機(jī)理討論時(shí)反復(fù)出現(xiàn)的正碳離子、各種加成及取代反應(yīng)發(fā)生位置、羧酸及取代羧酸酸性、羧酸及羧酸衍生物的活性等等。如何進(jìn)行合理教學(xué)設(shè)計(jì)，將難點(diǎn)分解、便于學(xué)生理解、識(shí)記，使重點(diǎn)得到多次印證、強(qiáng)化學(xué)生印象，是有機(jī)化學(xué)授課教師群體長(zhǎng)期思索的一個(gè)問題。

我校針對(duì)醫(yī)學(xué)專業(yè)學(xué)生的有機(jī)化學(xué)課程教學(xué)中，教學(xué)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了契合電子效應(yīng)的如下教學(xué)設(shè)計(jì)，以異性電荷相吸的原理闡述親電、親核過程，再結(jié)合各類有機(jī)化合物的特性反應(yīng)，應(yīng)用于實(shí)際教學(xué)過程，取得了較好成效。

1 基于異性電荷相吸原理的親電、親核過程

有機(jī)化學(xué)反應(yīng)是基于碳骨架的反應(yīng)過程，碳原子是有機(jī)化合物基本組成原子，碳碳鍵是有機(jī)化合物的骨架，有機(jī)化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)就是其他原子在一定反應(yīng)動(dòng)力下接入碳骨架的過程。而常見的有機(jī)反應(yīng)動(dòng)力之一本質(zhì)上就是異性電荷相吸。

對(duì)于有機(jī)反應(yīng)親電、親核過程的區(qū)分和界定是基于碳原子的，其他試劑進(jìn)行親電、親核過程的對(duì)象均為碳原子。進(jìn)一步細(xì)分來看：當(dāng)反應(yīng)官能團(tuán)中的目標(biāo)碳原子受電子效應(yīng)影響帶部分正電荷時(shí)，帶有相反負(fù)電荷/多電子的待反應(yīng)試劑會(huì)因?yàn)楫愋噪姾上辔?，具備了足夠反?yīng)動(dòng)力而連接帶正電荷的目標(biāo)碳原子。為了描述這個(gè)反應(yīng)試劑主動(dòng)靠近正電荷目標(biāo)碳原子，接入碳骨架的過程，定義了親核過程，意指有機(jī)化學(xué)反應(yīng)的目標(biāo)碳原子像原子核一樣帶正電，會(huì)吸引帶相反電荷的反應(yīng)試劑主動(dòng)靠近，在碳骨架保持不動(dòng)的前提下，親核過程的相對(duì)運(yùn)動(dòng)是帶負(fù)電荷反應(yīng)試劑主動(dòng)靠近、進(jìn)而反應(yīng)，反應(yīng)是帶負(fù)電荷反應(yīng)試劑親近像原子核一樣帶正電的碳的過程，稱為親核過程。

親電過程則相反，有機(jī)反應(yīng)的目標(biāo)碳原子周圍電子云密集，負(fù)電荷電子云密集包裹著碳原子，從而使目標(biāo)碳原子呈現(xiàn)負(fù)電荷密集狀態(tài)，吸引帶正電荷/缺電子的待反應(yīng)試劑。親電過程的相對(duì)運(yùn)動(dòng)是帶正電荷反應(yīng)試劑主動(dòng)靠近目標(biāo)碳原子、進(jìn)而反應(yīng)，反應(yīng)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)是帶正電荷反應(yīng)試劑親近電子云密集、被負(fù)電荷包裹的目標(biāo)碳原子，稱為親電過程(圖1)。

圖1 親電/親核反應(yīng)過程

親電、親核反應(yīng)的動(dòng)力是相反電荷的吸引，反應(yīng)是由欲與目標(biāo)碳原子反應(yīng)的待反應(yīng)試劑完成的，所以將帶負(fù)電荷/多電子的試劑定義為親核試劑，帶正電荷/缺電子的試劑定義為親電試劑。

2 有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)與其特征反應(yīng)

2.1 以官能團(tuán)結(jié)構(gòu)界定特征反應(yīng)類型

在無機(jī)化學(xué)課程進(jìn)行了反應(yīng)類型區(qū)分的基礎(chǔ)上，結(jié)合有機(jī)化合物官能團(tuán)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，進(jìn)一步界定有機(jī)反應(yīng)類型。有機(jī)化合物中的不飽和類型官能團(tuán)，如烯烴、炔烴的不飽和碳碳重鍵，醛、酮的不飽和羰基，會(huì)伴隨著不飽和基團(tuán)的特性加成反應(yīng)；而官能團(tuán)中較為活潑的氫或者極性較強(qiáng)的極性鍵，通常容易發(fā)生被替換、被取代的取代反應(yīng)(圖2)。

圖2 典型的親電/親核反應(yīng)類型

復(fù)合了反應(yīng)類型與電子效應(yīng)之后，常見的有機(jī)反應(yīng)就有了親電加成、親電取代、親核加成、親核取代等分類[3,4]。

2.2 以碳原子帶電情況闡述反應(yīng)機(jī)制

有機(jī)化學(xué)中電子效應(yīng)的學(xué)習(xí)，是為了區(qū)分回答作為有機(jī)化合物基本組成碳原子的具體帶電情況：什么時(shí)候碳原子帶正電？什么時(shí)候碳原子周圍電子云密集？有機(jī)化學(xué)教材中，電子效應(yīng)的分析是從C-H鍵開始的，認(rèn)為H沒有電子效應(yīng)，C-H鍵中的C保持電中性。C如何帶電，帶正電還是負(fù)電，需要比較其他原子與H電負(fù)性的相對(duì)大小。電子效應(yīng)中討論的原子電負(fù)性概念[5,6]，與無機(jī)化學(xué)中元素的金屬性、非金屬性有直接聯(lián)系。因此，電負(fù)性相對(duì)大小的界定可引導(dǎo)學(xué)生從元素周期表出發(fā)，利用其熟悉的元素排布位置與周期性變化規(guī)律，完成C-O、C=O、C-X、C-N等極性鍵中碳原子帶電情況分析，因?yàn)樯鲜鰳O性鍵碳原子均帶正電荷，上述官能團(tuán)的特性反應(yīng)一般情況下均為親核反應(yīng)。而化學(xué)鍵兩端組成原子完全一致的碳碳鍵，無論C-C、C=C或C≡C鍵，均為非極性鍵，兩端C均不帶電，但作為不飽和鍵的C=C及C≡C鍵，因π鍵成鍵特點(diǎn)及相應(yīng)的π鍵電子云分布特點(diǎn)，碳碳重鍵中的碳原子被負(fù)電荷電子云包裹，通常發(fā)生親電過程。而作為有機(jī)分子骨架的C-C單鍵為σ鍵，特點(diǎn)是穩(wěn)定、難以斷裂，所以烷烴的特征化學(xué)反應(yīng)較少。

3 結(jié)論

結(jié)合有機(jī)化合物中的碳原子帶電情況及官能團(tuán)特征反應(yīng)類型，不僅得到了(1)烯烴、炔烴親電加成，(2)芳香烴親電取代，(3)醛、酮親核加成，(4)鹵代烴、醇、醚、羧酸衍生物等親核取代的合理界定，而且能夠在一定程度上理解相反電荷相吸引的反應(yīng)動(dòng)力。契合電子效應(yīng)的上述幾點(diǎn)教學(xué)設(shè)計(jì)，將難點(diǎn)分解、便于學(xué)生理解識(shí)記。同時(shí)，使重點(diǎn)得到多次印證、強(qiáng)化學(xué)生印象，收到了一定的實(shí)際教學(xué)成效。學(xué)生接受一門新課程時(shí)，設(shè)計(jì)合理的教學(xué)切入點(diǎn)不僅能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，還能聯(lián)系已有知識(shí)、培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力，實(shí)現(xiàn)師生有效互動(dòng)、有助于教學(xué)相長(zhǎng)、形成良性循環(huán)。針對(duì)醫(yī)學(xué)專業(yè)學(xué)生的有機(jī)化學(xué)教學(xué)設(shè)計(jì)是實(shí)際教學(xué)經(jīng)驗(yàn)積累，更是不斷探索借鑒先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)、融合專業(yè)特點(diǎn)、不斷充實(shí)完善的過程，具體實(shí)施過程中還將繼續(xù)積累、繼續(xù)充實(shí)。