劉玉婷,尹大偉,何珍紅

(陜西科技大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院 ,陜西省輕化工助劑重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710021)

有機(jī)合成化學(xué)是應(yīng)用化學(xué)和化學(xué)、化工等專(zhuān)業(yè)的核心課程，是在學(xué)生先修了有機(jī)化學(xué)、無(wú)機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)、化工原理等課程，目的是讓學(xué)生了解精細(xì)化學(xué)品的合成原理及工藝，分析精細(xì)化學(xué)品的合成方法并設(shè)計(jì)合成路線。作者在多年有機(jī)合成化學(xué)課程教學(xué)過(guò)程中，對(duì)于緒論部分內(nèi)容的設(shè)計(jì)與講授，通過(guò)摸索、實(shí)踐，再摸索、再實(shí)踐的過(guò)程，深刻認(rèn)識(shí)到好的緒論部分的講授，對(duì)于學(xué)生對(duì)課程的理解、學(xué)習(xí)的重要性。因此，在教學(xué)過(guò)程中，對(duì)課程緒論部分的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行精心設(shè)計(jì)，明確課程的主要內(nèi)容，對(duì)于激發(fā)學(xué)生對(duì)有機(jī)合成的興趣和掌握本門(mén)課程的學(xué)習(xí)方法，加深對(duì)這門(mén)課程的理解打下扎實(shí)基礎(chǔ)。

2 有機(jī)合成的定義

首先介紹有機(jī)合成的定義。在有機(jī)化學(xué)的學(xué)習(xí)中，學(xué)生掌握了有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)、物理化學(xué)性質(zhì)、對(duì)于化合物的合成部分只占有機(jī)化學(xué)內(nèi)容的一部分。但是，有機(jī)合成化學(xué)這門(mén)課，主要講授有機(jī)化合物的合成，那么有機(jī)合成到底是什么？是必須要首先給學(xué)生介紹的。根據(jù)本人的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，有機(jī)合成的定義可以從以下三個(gè)定義介紹，(1)R. B. Woodward 在1965年提出有機(jī)合成是在一個(gè)真實(shí)的世界旁邊創(chuàng)造一個(gè)新世界。由此奠定了有機(jī)合成概念的基礎(chǔ)。在這個(gè)定義介紹中，介紹R. B. Woodward的生平及其對(duì)有機(jī)合成的貢獻(xiàn)，并介紹他所合成的幾個(gè)具有代表性的結(jié)構(gòu)。(2)1991年，美國(guó)斯坦福大學(xué) Barry Martin Trost 提出原子經(jīng)濟(jì)學(xué)說(shuō)(atom economy)，即：反應(yīng)物的原子數(shù)目最大地進(jìn)入產(chǎn)物。對(duì)理想有機(jī)合成反應(yīng)轉(zhuǎn)化的效率做了規(guī)范。這個(gè)定義也是有機(jī)合成的有效性的衡量標(biāo)準(zhǔn)，一直以來(lái)是有機(jī)合成研究者追求的目標(biāo)。(3)美國(guó)斯坦福大學(xué)Wender教授在1996年提出了理想的合成的完整而系統(tǒng)的定義: 一種理想的(最終是有效的)合成是指把價(jià)廉、易得的起始原料通過(guò)簡(jiǎn)單的、安全的、環(huán)保的、高效的操作，快速而定量地合成為目標(biāo)化合物[1]。在教學(xué)中根據(jù)自己的教學(xué)及科研經(jīng)驗(yàn)，對(duì)第三種概念進(jìn)行詳細(xì)的分析。理想的即產(chǎn)率高，效率高，成本低。簡(jiǎn)單的即步驟簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)單。安全的即不產(chǎn)生安全隱患，對(duì)實(shí)驗(yàn)者身心無(wú)不良影響。環(huán)保是近年來(lái)所大力倡導(dǎo)的理念。有機(jī)合成中所采用的原料、試劑、反應(yīng)產(chǎn)生的中間體、產(chǎn)物、反應(yīng)方法、后處理方法等均應(yīng)對(duì)環(huán)境不造成危害。高效的即效率高，效果好，反應(yīng)中采用的所有資源均有其實(shí)際意義?？焖偌磿r(shí)間相對(duì)短。定量即按配平后反應(yīng)式定量投料，得到定量理論的產(chǎn)物。價(jià)廉是從反應(yīng)成本方面考慮，即所用的反應(yīng)物、試劑、設(shè)備等簡(jiǎn)單價(jià)廉，降低反應(yīng)。易得即經(jīng)過(guò)太煩瑣的過(guò)程就能得到或購(gòu)買(mǎi)到或制得，如本實(shí)驗(yàn)室、課題組或本地直接就能得到。目標(biāo)化合物包括天然的或設(shè)計(jì)合成的目標(biāo)化合物。天然目標(biāo)化合物即主要指一些天然化合物的模擬合成。近年來(lái)隨著制藥行業(yè)的發(fā)展及對(duì)天然產(chǎn)物領(lǐng)域的深入研究，對(duì)有生物活性的天然產(chǎn)物的模擬合成成為了有機(jī)合成研究的熱點(diǎn)之一。設(shè)計(jì)目標(biāo)分子，這是有機(jī)合成的主要研究方向，經(jīng)理論分析描述、設(shè)計(jì)合成特殊功能的分子。介紹完三個(gè)定義后，將三個(gè)定義進(jìn)行總結(jié)，通過(guò)有機(jī)合成定義的介紹，使學(xué)生基本可以了解有機(jī)合成化學(xué)這門(mén)課的重要性了，可以再結(jié)合幾種我們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｒ?jiàn)的、常用的化合物及其合成方法加強(qiáng)對(duì)有機(jī)合成定義的理解。

2 有機(jī)合成化學(xué)課程的主要內(nèi)容

有機(jī)合成化學(xué)課程的主要內(nèi)容，實(shí)際是進(jìn)行精細(xì)有機(jī)化學(xué)品合成。給學(xué)生介紹精細(xì)有機(jī)化學(xué)品的種類(lèi)[2]，包括：醫(yī)藥、農(nóng)藥、香精香料、涂料、膠黏劑、化妝品、洗滌劑、水處理劑、表面活性劑、塑料加工助劑、食品添加劑、油田用精細(xì)化學(xué)品、建筑用化學(xué)品、有機(jī)發(fā)光材料、其他。在介紹每一類(lèi)時(shí)，結(jié)合舉例加深學(xué)生的理解。對(duì)于精細(xì)化學(xué)品，它們的來(lái)源可以用有機(jī)合成的方法得到，所用到的反應(yīng)及反應(yīng)機(jī)理即這門(mén)課里要講的單元反應(yīng)及反應(yīng)機(jī)理。在講授單元反應(yīng)時(shí)，結(jié)合有機(jī)化學(xué)的基礎(chǔ)，給學(xué)生舉例加深學(xué)生的印象。

然后強(qiáng)調(diào)這門(mén)課的主要內(nèi)容與有機(jī)化學(xué)課程內(nèi)容的區(qū)別。有機(jī)化學(xué)主要講有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)、物理化學(xué)性質(zhì)、其合成及應(yīng)用；而有機(jī)合成化學(xué)主要學(xué)習(xí)單元反應(yīng)、反應(yīng)試劑、特點(diǎn)、機(jī)理及應(yīng)用。有的同學(xué)在看到這門(mén)課后，會(huì)有疑惑，以為是把有機(jī)化學(xué)重復(fù)一遍，因此，強(qiáng)調(diào)兩門(mén)課的區(qū)別很重要，可以解除學(xué)生的疑惑。當(dāng)然，在這里，給學(xué)生講授有機(jī)合成化學(xué)與有機(jī)化學(xué)的研究對(duì)象的不同，有機(jī)合成化學(xué)以有機(jī)物作為研究對(duì)象，主要講授有機(jī)合成單元反應(yīng)及其機(jī)理、反應(yīng)的主要影響因素：反應(yīng)物及試劑的結(jié)構(gòu)、反應(yīng)條件、反應(yīng)物與產(chǎn)物之間的關(guān)系、反應(yīng)的應(yīng)用范圍與限制等；通過(guò)對(duì)單元反應(yīng)的分析，從而探討有機(jī)合成單元反應(yīng)的一般規(guī)律、特殊性、各單元反應(yīng)之間的關(guān)系。

在了解了兩門(mén)課的區(qū)別以后，給學(xué)生解釋良好的有機(jī)合成反應(yīng)必須具備的特點(diǎn)：首先，反應(yīng)條件溫和；其次，操作簡(jiǎn)便；第三，反應(yīng)有較高的化學(xué)、位置和立體選擇性；第四，適應(yīng)性強(qiáng)、適用面廣，實(shí)用性好；第五，原材料價(jià)廉易得；第六，綠色環(huán)保。這幾點(diǎn)與上述理想的合成的概念是相呼應(yīng)的。其中反應(yīng)條件溫和是從安全方面出發(fā)，減少安全隱患，指在常壓、中性介質(zhì)中就可以完成反應(yīng)。講授化學(xué)反應(yīng)的選擇性，以有機(jī)化學(xué)中學(xué)過(guò)的反應(yīng)為例，講授化學(xué)選擇性與立體選擇性的特點(diǎn)和區(qū)別?；瘜W(xué)選擇性即是一種區(qū)別官能團(tuán)的反應(yīng)選擇性(以醇和羰基化合物為例)。位置選擇性是指反應(yīng)中試劑定向進(jìn)攻作用物的某一位置得到指定結(jié)構(gòu)的產(chǎn)物(以羰基化合物的親核加成反應(yīng)為例)。立體選擇性是試劑進(jìn)攻的方向，指在特定條件下，產(chǎn)物為唯一或某種占優(yōu)勢(shì)的立體異構(gòu)體(以烯烴與溴的親電加成為例)。在這部分內(nèi)容里講授時(shí)，從原料及試劑的選擇原則、合成方法的選擇、路線的設(shè)計(jì)、適用性及對(duì)環(huán)境的影響，即從源頭來(lái)分析良好的有機(jī)合成反應(yīng)的特點(diǎn)，將綠色有機(jī)合成的理念融入其中。

有機(jī)合成所用的原料是有機(jī)單元反應(yīng)的主體，因此，給學(xué)生介紹有機(jī)合成所需原料是非常重要的一項(xiàng)內(nèi)容。有機(jī)合成反應(yīng)所用原料即化工原料和中間體，包括有機(jī)和無(wú)機(jī)化合物。有機(jī)反應(yīng)中參與反應(yīng)的物質(zhì)統(tǒng)稱(chēng)為反應(yīng)物。通常將反應(yīng)物又分為底物和試劑，具體規(guī)定：(1)反應(yīng)物既有有機(jī)物又有無(wú)機(jī)物時(shí)，那么有機(jī)物就是底物而無(wú)機(jī)物是試劑(以烯烴與硫酸的反應(yīng)、芳烴的硝化反應(yīng)等為例)；(2)反應(yīng)物均為有機(jī)物時(shí)，那么能提供產(chǎn)生新鍵碳原子的化合物是底物，而另一個(gè)就是試劑(以有機(jī)過(guò)氧化物氧化烯烴與α-氫的氧化反應(yīng)為例)；(3)反應(yīng)物均為有機(jī)物且有新碳-碳鍵生成時(shí)，則可以任意指定底物或試劑。這種情況下，一般將化學(xué)活性大或分子量小的有機(jī)物作為試劑，即有機(jī)單元反應(yīng)的試劑。按試劑的作用將有機(jī)單元反應(yīng)分為鹵化反應(yīng)、烴化反應(yīng)、?；磻?yīng)、氧化反應(yīng)、還原反應(yīng)等；而按試劑參與的反應(yīng)機(jī)理，可將有機(jī)反應(yīng)分為：親電、親核和游離基反應(yīng)等；講授這些內(nèi)容，結(jié)合舉例，介紹底物和試劑，并明確指出是什么類(lèi)型的試劑，對(duì)后續(xù)講授單元反應(yīng)及反應(yīng)機(jī)理打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

化合物合成路線可能會(huì)有幾種，那么先擇合適的合成路線就是有機(jī)合成種比較重要的環(huán)節(jié)，接下來(lái)舉例說(shuō)明有機(jī)合成路線的選擇依據(jù)。舉例2-氯-4-硝基-苯胺的合成及苯酚的合成。 2-氯-4-硝基-苯胺的合成路線見(jiàn)圖1。

圖1 2-氯-4-硝基-苯胺的合成路線

按照?qǐng)D1列出的合成路線，首先，引導(dǎo)學(xué)生分析兩種路線的合理性、步驟，并引導(dǎo)學(xué)生計(jì)算步驟不同，會(huì)引起最終產(chǎn)物的總產(chǎn)率的不同，得出路線越短越有優(yōu)勢(shì)。苯酚的合成見(jiàn)圖2[3]。

圖2 苯酚的合成路線

根據(jù)圖2的內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生分析每一種路線的合理性，步驟的多少，同時(shí)，分析各種路線的適用范圍。把實(shí)驗(yàn)室、工業(yè)上適合的路線區(qū)分開(kāi)來(lái)，讓學(xué)生有實(shí)驗(yàn)室條件與工業(yè)條件要求不同的理念。

2 有機(jī)合成化學(xué)課程的重要性

在了解了有機(jī)合成的定義；有機(jī)合成化學(xué)的研究?jī)?nèi)容、特點(diǎn)、有機(jī)合成所用原料及路線的選擇依據(jù)后，給學(xué)生接著介紹這門(mén)課的重要性，先從這門(mén)課所能引起的結(jié)果上分析三點(diǎn)。(1)建立有效的生產(chǎn)方法，為改善人民的物質(zhì)文化生活提供具有各種性能的分子。(2)合成具有多種性能的分子，以驗(yàn)證和發(fā)現(xiàn)新的概念。(3)為自然資源被充分挖掘，發(fā)揮作用提供理論依據(jù)及技術(shù)指導(dǎo)。然后，給學(xué)生舉常用的抗菌、抗癌等藥物的例子并進(jìn)行分析和解釋?zhuān)梢砸腙P(guān)于天然產(chǎn)物方面的提取及模擬合成等相關(guān)實(shí)例，比如屠呦呦等有突出貢獻(xiàn)的科學(xué)家的研究成果，用我們國(guó)家的實(shí)例及科學(xué)家，讓學(xué)生理解這門(mén)課的內(nèi)容的重要性和與我們生活的關(guān)系，激勵(lì)學(xué)生，提高學(xué)生的自信心。

3 有機(jī)合成化學(xué)課程的學(xué)習(xí)要求和方法

有機(jī)合成化學(xué)課程是在學(xué)習(xí)了四大化學(xué)等基礎(chǔ)課程的前提下，要求學(xué)生掌握有機(jī)合成反應(yīng)的基本知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技能，為學(xué)生后續(xù)相關(guān)專(zhuān)業(yè)課程的學(xué)習(xí)打下一定的基礎(chǔ)。為此，根據(jù)作者的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，給學(xué)生從理論學(xué)習(xí)到實(shí)驗(yàn)操作提出要求：記憶、理解、分析、總結(jié)、試驗(yàn)。在這部分內(nèi)容里，強(qiáng)調(diào)在學(xué)習(xí)好理論課內(nèi)容的同時(shí)，理論與實(shí)踐的結(jié)合及實(shí)驗(yàn)的重要性，也是給學(xué)生舉一些常見(jiàn)的例子[4]。

4 結(jié)束語(yǔ)

在有機(jī)合成化學(xué)課程的緒論部分進(jìn)行內(nèi)容的設(shè)計(jì)，通過(guò)緒論部分的學(xué)習(xí)，使學(xué)生有期待盡快深入學(xué)習(xí)后續(xù)內(nèi)容的熱情，有利于學(xué)生了解課程的研究?jī)?nèi)容、重要性、學(xué)習(xí)方法等，具有十分重要的意義，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及積極性有重要作用。