雙分子親核取代反應(yīng)（SN2）教學(xué)初探

王志國(guó)

摘 要：本文探討動(dòng)畫(huà)法，邏輯推理法對(duì)雙分子親核取代反應(yīng)的教學(xué)。認(rèn)為掌握親核取代反應(yīng)的機(jī)理是掌握親核取代反應(yīng)的重中之重，動(dòng)畫(huà)會(huì)直觀的讓學(xué)生感知親核取代反應(yīng)的過(guò)程。通過(guò)立體結(jié)構(gòu)教學(xué)對(duì)SN2的過(guò)渡態(tài)，瓦爾登翻轉(zhuǎn)，以及產(chǎn)物的構(gòu)象問(wèn)題會(huì)有更深刻的認(rèn)識(shí)。

關(guān)鍵詞：雙分子；親核取代反應(yīng)；教學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)：J0文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：2095-9214（2016）05-0089-01

鹵代烴在有機(jī)化學(xué)中占據(jù)著舉足輕重的地位，首先是因?yàn)辂u代烴與生產(chǎn)生活實(shí)際密切聯(lián)系；其次，鹵代烴由于其多變而成為有機(jī)化合物合成的重要的中間體，因此對(duì)鹵代烴的學(xué)習(xí)在有機(jī)化學(xué)中占據(jù)著獨(dú)特的地位，但是，大部分學(xué)生對(duì)化學(xué)的學(xué)習(xí)，只停留在對(duì)反應(yīng)方程式的學(xué)習(xí)，而方程式表示的是參加反應(yīng)的是什么物質(zhì)，生成的是什么物質(zhì)，但不表示中間過(guò)程。由于不表示中間過(guò)程，對(duì)很多問(wèn)題是沒(méi)有辦法理解，例如，化學(xué)反應(yīng)的速度問(wèn)題；濃度，壓強(qiáng)，催化劑對(duì)化學(xué)反應(yīng)速度的影響。要理解這些原因，學(xué)習(xí)機(jī)理才能完成，鹵代烴里最重要的機(jī)理是親核取代反應(yīng)機(jī)理，為此，我們首先探究親核雙分子取代反應(yīng)機(jī)理歷程教學(xué)。

一、親核取代反應(yīng)的本質(zhì)

鹵代烴是由鹵素原子和烴基構(gòu)成的，鹵素原子直接和碳原子相聯(lián)。但鹵素原子的電負(fù)性大于碳原子的電負(fù)性，因此在鹵代烴中，碳原子帶部分的正電荷，鹵素原子帶部分的負(fù)電荷。這種結(jié)構(gòu)決定了鹵代烴中的碳原子很容易受到負(fù)性集團(tuán)的進(jìn)攻，從而發(fā)生親核取代反應(yīng)。親核取代反應(yīng)里首先要明白為什么離去集團(tuán)是鹵素子，而不是氫原子。通過(guò)鍵能分析可知，碳?xì)滏I的鍵能遠(yuǎn)遠(yuǎn)的大于碳鹵鍵的鍵能，從而可知離去集團(tuán)是鹵素原子。其次，弄清楚的是誰(shuí)是進(jìn)攻集團(tuán)。因?yàn)辂u代烴分子中，碳原子帶正電，親核物質(zhì)一定是帶負(fù)電的，這就決定親核集團(tuán)不是陰離子，就是含有電子對(duì)的物質(zhì)。 有機(jī)化學(xué)中含有電子對(duì)的元素一般是氧元素，氮元素，碳元素，和硫元素。取代反應(yīng)是取而代之的反應(yīng)，所以只要理解進(jìn)攻成鍵，離去集團(tuán)，那么生成物就變成了一個(gè)公式，可簡(jiǎn)便推出鹵代烴發(fā)生反應(yīng)而產(chǎn)生的各種物質(zhì)。

二、雙分子親核取代反應(yīng)機(jī)理

學(xué)習(xí)親核取代反應(yīng)時(shí)，了解到溴甲烷在乙醇的水溶液中和堿反應(yīng)，其反應(yīng)速度會(huì)隨著堿濃度的增加而增加；但2-甲基-2溴丙烷在乙醇的水溶液中與堿反應(yīng)，其反應(yīng)速度不受堿濃度的影響，這是為什么呢？要弄清這個(gè)實(shí)驗(yàn)事實(shí)，必須學(xué)習(xí)鹵代烴的反應(yīng)機(jī)理。鹵代烴的反應(yīng)機(jī)理分為，雙分子親核取代反應(yīng)機(jī)理與單分子親核取代反應(yīng)機(jī)理。雙分子親核取代反應(yīng)機(jī)理也叫SN2反應(yīng)機(jī)理，S代表取代，N代表親核，2代表雙分子。雙分子包含兩層含義：（1）參加反應(yīng)的兩個(gè)分子參與能量最高過(guò)渡態(tài)的形成；（2）化學(xué)反應(yīng)的速度是有兩個(gè)反應(yīng)物的濃度決定。

雙分子親核取代反應(yīng)的過(guò)程是親核試劑從背面進(jìn)攻中心碳原子，形成微弱的鍵，離去集團(tuán)與碳原子之間的鍵逐漸減弱，此時(shí)，離去集團(tuán)和碳原子之間的共價(jià)鍵沒(méi)有完全斷裂，而進(jìn)攻集團(tuán)和碳原子之間的鍵沒(méi)有完全形成，它們形成過(guò)渡態(tài)。那么什么是過(guò)渡態(tài)呢，過(guò)渡態(tài)是新鍵沒(méi)有完全形成，舊鍵還沒(méi)有完全斷裂，五個(gè)原子同時(shí)聯(lián)接到碳原子上，進(jìn)攻集團(tuán)的原子，碳原子，離去集團(tuán)處于同一條直線上；碳原子原來(lái)相聯(lián)的集團(tuán)和碳原子處于共一個(gè)平面上，直線和平面是相互垂直，此時(shí)能量是最高。

另外要理解形成過(guò)渡態(tài)的過(guò)程，首先要理解新鍵形成的過(guò)程是舊鍵斷裂的過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中存在協(xié)同效應(yīng)，也可以簡(jiǎn)單的理解為形成和斷裂的等時(shí)性。此過(guò)程對(duì)于空間概念較弱的學(xué)生很難理解，因此在此課程的教學(xué)中利用動(dòng)畫(huà)或者道具來(lái)教學(xué)，效果更好。在形成過(guò)渡態(tài)以后，進(jìn)攻集團(tuán)繼續(xù)進(jìn)攻，離去集團(tuán)繼續(xù)離去，新鍵完全形成，舊鍵完全斷裂，與碳原子相聯(lián)的三個(gè)原子向背面翻轉(zhuǎn)，從而形成新化合物。同樣，還需清楚翻轉(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)是瓦爾登發(fā)現(xiàn)的，也叫瓦爾登翻轉(zhuǎn)，它很像大風(fēng)中把傘吹翻一樣，因此也叫傘型翻轉(zhuǎn)，要是學(xué)生不能理解，在此教學(xué)時(shí)，可以用文學(xué)手法，例如：戴望舒在《雨巷》中曾經(jīng)寫(xiě)道：撐著油紙傘獨(dú)自彷徨在悠長(zhǎng)悠長(zhǎng)而有寂寥的雨巷，我希望逢一個(gè)丁香一樣結(jié)著愁怨的姑娘，可以通過(guò)這句話引申，說(shuō)戴望舒沒(méi)有逢著丁香一樣結(jié)著愁怨的姑娘，而是逢著了烈烈西風(fēng)把他的油紙傘吹了一個(gè)瓦爾登翻轉(zhuǎn)，通過(guò)這種幽默式教學(xué)，學(xué)生對(duì)瓦爾登翻轉(zhuǎn)的理解會(huì)更加的深刻。

三、以立體結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)進(jìn)行影響SN2因素的教學(xué)

在有機(jī)化學(xué)教學(xué)中，影響因素是比較難以掌握的一個(gè)內(nèi)容，很多學(xué)生只能通過(guò)死記硬背來(lái)完成對(duì)這部分知識(shí)的掌握，但用立體結(jié)構(gòu)加上空間想象對(duì)這部分內(nèi)容教學(xué)就變得特別簡(jiǎn)單。通俗的理解SN2歷程，第一個(gè)字是“鉆”，就是親核試劑要從碳原子相聯(lián)的三個(gè)原子形成的空間里鉆進(jìn)去，接近碳原子，第二個(gè)字就是“成”，就是親核試劑與碳原子成鍵，第三個(gè)字是“斷”，也就是舊鍵斷裂，第四個(gè)字就是“翻”，意思是與碳原子相聯(lián)的三個(gè)原子向背面翻轉(zhuǎn)。通過(guò)這樣通俗的理解我們可以看出，鉆而形成過(guò)渡態(tài)是SN2歷程中最重要的一步，那么能不能形成過(guò)渡態(tài)，就與鉆有很大關(guān)系的，能不能鉆進(jìn)去，這與親核試劑的鉆的能力以及碳原子提供的空間有很大的關(guān)系。而鉆的能力本身與親核試劑的大小和親核試劑所帶電荷有密切的聯(lián)系。帶的電荷越多，體積越小，鉆的能力就越強(qiáng)，親和性就越強(qiáng)。因此，親核取代反應(yīng)中，醇與鹵代烴的反應(yīng)速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)的慢于烷氧基負(fù)離子與鹵代烴的反應(yīng)速度，是因?yàn)橥檠趸?fù)離子帶電荷多。

同時(shí)也可以理解，大體積的堿一般不作為親核試劑，這是因?yàn)樗@的能力太弱，或者說(shuō)其親和性太弱；另外，過(guò)渡態(tài)的形成與否還與鹵代烴提供的空間有關(guān)，如果鹵代烴與其相聯(lián)的三個(gè)原子，構(gòu)成的空間非常緊密，親核試劑無(wú)法接近碳原子，那么雙分子親核取代反應(yīng)是難以發(fā)生，或者不能發(fā)生。要是鹵代烴與其相聯(lián)的三個(gè)原子構(gòu)成的空間非常松散，親核試劑是很容易接近碳原子的，雙分子親核取代反應(yīng)很容易發(fā)生，通過(guò)空間結(jié)構(gòu)的教學(xué)，親核取代反應(yīng)的影響因素是很容易理解的，因此，通過(guò)立體結(jié)構(gòu)進(jìn)行影響親核取代反應(yīng)影響因素的教學(xué)是比較有效的一種方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]文婕英.關(guān)于鹵代烴取代反應(yīng)歷程的判斷[J].甘肅教育，2007.