簡述基礎有機化學教學中反應機理推導的重要性

王志會

摘要：有機反應機理推導可以幫助學生從更貼近反應本質的角度來理解和歸納有機化學的反應內容，也可以激發學生對有機化學乃至自然科學學習的熱情。教師在此過程中從有機化學知識的傾訴者轉變成了相關知識的交流者。

關鍵詞：有機化學；教學效果；有機反應機理

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）13-0217-02

有機化學是化學類專業本科生的一門重要課程，是高分子化學、生物化學等課程的學習基礎，因此，有機化學的學習質量關系到化學類大學生的整個大學學習的順利進行。所以，如何把有機化學這門課講好，是相關授課教師需要潛下心來認真思考的問題。筆者結合近五年為大學二年級應用化學專業本科生講授有機化學的反饋信息，發現有機化學學習存在以下三個難點：（1）有機反應的類型繁多。比如說，烯烴既可以發生雙鍵上的加成反應，又可以發生雙鍵α位的取代反應，還可以發生烯烴之間的聚合反應，烯烴質子化后還可以發生傅—克反應，烯烴和含有烯丙基氫的化合物還可以發生ene反應；倘若是共軛雙烯，親電加成反應會有熱力學選擇和動力學選擇產物的選擇性判斷問題，還會發生D—A環加成反應。如果處在多官能團的復雜體系中，烯烴的反應將會變得更加難以捉摸。（2）有機反應隨條件變化得非常復雜。例如，我們一般會用馬氏規則來解釋不對稱烯烴與鹵化氫加成反應的區域選擇性。然而，如果反應涉及溴化氫和過氧化物，反應結果會有所不同；如果不對稱烯烴上兩個雙鍵碳上含有相同數目的氫或者根本不含氫，很多學生就不知道怎么判斷了。可見，有機反應很容易受反應底物結構和具體反應條件的影響，因此單純地想憑借某些表面規律來判斷經常會不準確。（3）有機化學的內容很難掌握規律。很多學生期末考試前復習有機化學就是希望通過讓教師劃重點來盡可能縮小復習范圍，然后通過死記硬背和刷題庫來應考。雖然這樣的手段在很多別的科目上都能顯示效果，但是大多數學生卻發現一個負責任的有機化學教師出的考題千變萬化，臨考刷題難敵真正花過心思的期末考題。平時沒下夠功夫的學生見到考題總是似曾相似，約莫有感覺，貿然下手卻發現不著邊際。上述三個難點的出現，一方面固然是由于有機化學自身浩如煙海的內容與本科生相對較少學時限制的矛盾；另一方面，教材編寫時重應用、重現象、重分類、重歸納而輕邏輯推理應該也是一個原因。在現有條件下，如何在把大量有機化學內容呈現給學生的同時，將反應現象背后的邏輯關系清晰地顯現出來，這恐怕是講授有機化學基礎內容的教師所面臨的一個重要難題。通過不斷與學生交流和自我總結，筆者發現雖然相當一部分學生進入大學學習階段后有些厭學情緒，但是大多數學生其實很喜歡有機化學，有的學生起初就是為了學習香料、日化品或者藥物化學相關知識才來報考應用化學系的，相當一部分學生希望將來能夠從事和有機化學相關的日用化工或藥物合成方面的工作。可見學生的學習熱情是有的，但是他們的困擾主要在于學不得法，總是感覺花了很多時間卻沒有摸到有機化學的門道。因此，筆者在教學過程中結合自己學習有機化學的經驗，有意在課堂教學中引入有機反應機理推導的內容，向學生展示有機化學變化背后的邏輯推理關系。

反應機理推導是用箭頭（雙箭頭或單箭頭）表示反應過程中電子的運動方向，最初由英國有機化學家Robert Robinson提出并應用，后來為整個科學界所接受。雖然Robert Robinson因為生物堿方面的研究于1947年獲得諾貝爾化學獎，但是他一直認為自己對有機化學最大的貢獻在于用箭頭來表示有機反應的機理。

當引入反應機理推導之后，筆者發現有機化學基礎課堂的內容格局發生了結構性的改變。之前只是一味地按照烷烴、烯烴、芳烴等的順序來介紹這些有機化合物的反應性質，相互之間還會有很多重復的地方。引入有機反應機理推導后所有的反應類型被簡化成了兩類：單電子參與的反應（機理用單箭頭標示）和電子對參與的反應（機理用雙箭頭標示）。同時，各種反應現象也更加容易解釋。我們仍以烯烴和鹵化氫的加成反應為例。從反應機理的角度來看，如果是碳正離子的反應機理，碳碳雙鍵先進行質子化，生成較穩定的碳正離子，這時如果能通過相鄰基團的遷移得到更加穩定的碳正離子則會發生涉及碳正離子的重排反應，隨著碳正離子和鹵離子的結合最后得到烯烴與鹵化氫加成的產物。產物的選擇性取決于中間生成的碳正離子的穩定性，而不是簡單地由雙鍵上有幾個氫原子來決定。如果是溴化氫和過氧化物的反應條件，則先是發生溴原子和雙鍵的加成，產物由中間涉及的自由基的穩定性來決定。這樣，通過考慮參與反應的是電子對還是單電子，學生就很容易判斷反應的區域選擇性；不管烯烴的結構如何變化，只要比較碳正離子的穩定性和自由基的穩定性就可以很清晰地判斷最終反應的選擇性。

通過上述例子，我們可以看到在基礎有機化學課堂上引入有機機理推導后課堂發生了幾點變化：（1）學習內容化繁為簡。機理推導的引入使得不同種類的有機官能團的反應被簡化為電子對或單電子的運動。學生發現其實有機化學的內容并沒有那么多。烯烴、炔烴、芳烴、醛酮類發生的各種反應都是雙鍵的反應，其實，只是雙鍵的結構有了變化才顯得反應種類特別多。機理推導的引入把厚厚的有機化學書變成了幾頁紙的厚度，學生可以更有效地對各類反應進行總結和歸類，其學習難度大大降低了。（2）學習層次由表及里。機理推導的引入使得學生可以透過反應現象去思考各類反應發生的內在驅動因素。學生慢慢明白所謂烯烴和鹵化氫加成的選擇性其實就是碳正離子或自由基的穩定性判斷，而所謂共軛雙烯親電加成反應中的動力學選擇和熱力學選擇其實植根于碳正離子穩定性和碳碳雙鍵的穩定性。學習層次的深入有助于改變學生過往以記憶為主的學習方式，轉而進行基于個體認知的感受型學習；不是去死背反應類型和反應條件，而是去思考為什么發生這樣的反應以及應該采取什么樣的反應條件。（3）學習思維棄僵投活。當學生可以深入簡出地歸納總結有機反應類型，可以深入思考反應發生的內在邏輯驅動時，他們會逐漸體會到有機化學的獨特魅力，逐漸明白有機化學靈活多變的表象源于電子運動的基本事實。這個階段的學生可以很快掌握有機化學的基本內容，也可以飛快地解決課后習題。他們不會滿足于基礎課本上的那些內容，進而開始閱讀筆者給他們推薦的有機人名反應以及國外英文版的有機化學教材，并能時常找到任課教師進行討論。這些都源于在學習有機化學的開始就接觸反應機理推導的內容。這個階段的學生不再擔心考試的問題，他們更加想多學習知識。事實上，這些學生的考試成績都會非常好，復習也很輕松，而且在結束本門課的學習后，他們仍然不會輕易忘記所學內容。

在有機化學基礎教學中引入反應機理推導后，教師需要花費更多的精力給學生講解反應發生的原因，而不是簡單地介紹各種各樣的反應類型，而學生在了解了反應機理后基本上可以舉一反三地推理相同機理的反應類型和條件。同時，教學模式由單純的“教師教、學生學”轉變成了教師和學生一起在課堂上推導反應機理，一起分析反應發生背后的推動因素；教師和學生共同成為課堂的主體，一起學習，一起成長，模糊了師生的界限而強調了學習的主題。

參考文獻：

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