滲透化學反應(yīng)機理的烯烴親電加成教學設(shè)計

倪煜嵐 程芳芳 禹小琴 撒安娜 李冰

摘 ?要 在高中有機化學教學過程中滲透化學反應(yīng)機理，同時利用Chem 3D軟件繪制物質(zhì)的結(jié)構(gòu)圖，讓學生能夠在分子水平上認識物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，對學生的宏觀辨識與微觀探析、證據(jù)推理與模型認知的化學核心素養(yǎng)的培養(yǎng)具有重要意義。

關(guān)鍵詞 高中化學;核心素養(yǎng);有機化學;親電加成;Chem 3D

中圖分類號：G642 ? ?文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2019）21-0062-03

1 前言

《普通高中化學課程標準（2017年版）》要求，高中化學課程教學要以培養(yǎng)學生的化學學科核心素養(yǎng)為主旨，充分發(fā)揮化學學科的育人功能[1]。有機化學在日常生活中覆蓋的領(lǐng)域很廣泛，人們的衣食住行處處離不開有機化學。同時，有機物具有結(jié)構(gòu)復雜、反應(yīng)類型多樣、反應(yīng)條件多變等特點，使其成為高中化學教學的重難點。通過在有機化學教學中引入化學反應(yīng)機理及物質(zhì)的結(jié)構(gòu)圖，能夠讓學生從三維視角認識物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，從更貼近反應(yīng)本質(zhì)的角度來學習、理解和歸納有機化學反應(yīng)，建構(gòu)出有機化學反應(yīng)的認知模型，進而理解所學習的內(nèi)容，從更深層次揭示反應(yīng)的本質(zhì)和規(guī)律[2-4]，而不是簡單地按照課本上脂肪烴、芳香烴、鹵代烴等的順序機械地學習有機化學，或通過死記硬背的方式記憶反應(yīng)方程式和反應(yīng)條件。下面以烯烴的加成為例，探討在有機化學教學中滲透化學反應(yīng)機理的教學。

2 烯烴加成反應(yīng)在教材中的表述

人教版高中《化學》（選修5）中介紹烯烴的化學性質(zhì)較活潑，其主要的化學性質(zhì)由其官能團碳碳雙鍵決定，易發(fā)生加成反應(yīng)、氧化反應(yīng)和加聚反應(yīng)，以乙烯為例，給出圖1所示反應(yīng)方程式。

學生學習烯烴的性質(zhì)本質(zhì)上是對碳碳雙鍵的性質(zhì)的學習，而教材中以乙烯為例的學習會讓學生產(chǎn)生烯烴的加成反應(yīng)僅僅就是雙鍵打開的反應(yīng)的刻板印象，不能很好地理解烯烴加成反應(yīng)的實質(zhì)。因此，利用丙烯與溴化氫的不對稱加成反應(yīng)，融入其親電加成的反應(yīng)機理，能夠讓學生更加理解加成反應(yīng)的實質(zhì)。

3 “烯烴不對稱加成”的教學設(shè)計

教學內(nèi)容 ?以人教版高中《化學》（選修5）中第2章第1節(jié)“烷烴和烯烴”第一課時中“烯烴的化學性質(zhì)”為教學內(nèi)容，以“丙烯”為例，學習烯烴的親電加成反應(yīng)。

教學目標

核心知識：掌握烯烴的重要化學性質(zhì);認識烯烴的空間結(jié)構(gòu)，了解烯烴親電加成反應(yīng)的概念及反應(yīng)機理。

核心能力：通過學習丙烯的不對稱加成反應(yīng)的反應(yīng)機理，理解烯烴加成反應(yīng)的實質(zhì)，培養(yǎng)學生分析、推理、解決問題的能力，提高學生宏觀辨識與微觀探析、證據(jù)推理與模型認知的化學學科素養(yǎng)。

核心品質(zhì)：通過丙烯的不對稱加成反應(yīng)的機理認識烯烴加成反應(yīng)的實質(zhì)，培養(yǎng)學生從個別到一般的認識規(guī)律，讓學生能夠通過認知模型解釋化學現(xiàn)象，解釋現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律。

教學過程

教學板塊1：舊知回顧→激活思維。教師在已經(jīng)教學了乙烯結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，讓學生回顧乙烯的結(jié)構(gòu)，學生回答“平面結(jié)構(gòu)”。教師讓學生回顧乙烯與Br2、HBr以及丙烯與Br2的反應(yīng)方程式，學生通過回顧之前的知識寫出方程式：

CH2=CH2+Br2 == CH2Br-CH2Br

CH2=CH2+HBr == CH3-CHBr

CH3CH=CH2+Br2 == CH3CHBr-CH2Br

設(shè)計意圖：讓學生回顧之前所學習的內(nèi)容，激活學生已有的認知結(jié)構(gòu)，為今天的新授課程做鋪墊。

教學板塊2：新知引入→建構(gòu)認知新模塊→認知深化。教師提問：丙烯的結(jié)構(gòu)是什么樣的？學生畫出圖2所示丙烯的結(jié)構(gòu)。

教師向?qū)W生展示利用Chem 3D繪制的丙烯的三維模型圖，如圖3所示。通過三維模型圖讓學生更清晰地認識丙烯的分子結(jié)構(gòu)[5]。學生觀察丙烯的三維結(jié)構(gòu)，教師結(jié)合乙烯與溴化氫的加成反應(yīng)，讓學生根據(jù)自己的理解寫出丙烯與HBr反應(yīng)的方程式。學生根據(jù)自己的理解寫出兩種結(jié)果：

CH3CH=CH2+HBr == CH3CHBrCH3

CH3CH=CH2+HBr == CH3CH2CH2Br

設(shè)計意圖：讓學生從分子角度認識丙烯的結(jié)構(gòu)，同時對丙烯的加成產(chǎn)生認知沖突。

教師為學生提出丙烯與溴化氫加成一般遵循馬氏規(guī)則的概念，即氫加到含氫較多的碳原子上。提問學生：丙烯與溴化氫加成的產(chǎn)物應(yīng)該是什么呢？學生回答：CH3CHBrCH3。

設(shè)計意圖：先為學生建構(gòu)一個新的認知模塊——馬氏規(guī)則，再對新認知進行深化。

教學模塊3：引入機理→深入思考。教師提問學生：為什么氫要加在含氫較多的碳原子上呢？讓學生小組討論。學生思考、討論：可能是由于官能團碳碳雙鍵的影響。教師提出確實是由于碳碳雙鍵的影響，通過前面的學習得知乙烯中的碳碳雙鍵是一個富電子的官能團，在反應(yīng)中它會影響溴化氫的電子環(huán)境，進攻溴化氫中的氫原子，此時就會有兩種產(chǎn)生C+中間體的趨勢，如圖4所示。

Br-與這兩種C+反應(yīng)，就會得到前面提到的那兩種產(chǎn)物。

設(shè)計意圖：為學生建構(gòu)新的認知模塊奠定基礎(chǔ)，引導學生深入思考丙烯不對稱加成的反應(yīng)實質(zhì)。

教學模塊4：深入講解→得出機理。教師提問：根據(jù)馬氏規(guī)則，我們已經(jīng)知道Br-是與第一種C+反應(yīng)的，這是為什么呢？學生思考問題并回答：可能是由于甲基的影響。教師繼續(xù)提問：那甲基是怎樣影響的呢？前面已經(jīng)學過甲烷是sp3雜化，雙鍵碳是sp2雜化，碳碳三鍵是sp雜化，那這三類雜化有什么異同？學生回答：相同點是都是s與p的雜化，不同點是它們占有的s與p軌道的比例不同。

教師提出，p軌道含量高，意味著電子云更大更松散，則電子云密度上，sp3>sp2>sp，所以在丙烯中甲基的電子云會擠壓碳碳雙鍵的電子云，使電子在雙鍵碳上的分布不均勻，電子偏向端碳。那么在這個反應(yīng)中，H+與端碳得到二級C+，它與Br-結(jié)合后，最終得到馬氏加成的產(chǎn)物如圖5所示。這個反應(yīng)屬于親電加成反應(yīng)，即親電試劑（帶正電的基團）進攻不飽和鍵引起的加成反應(yīng)。反應(yīng)中，不飽和鍵（雙鍵或三鍵）打開，并與另一個底物形成兩個新的σ鍵。

學生認真聽講，教師提問：能不能從其他角度來解釋這個反應(yīng)的機理？學生思考并回答：從C+穩(wěn)定性的角度來解釋。教師讓學生觀察表1和表2，提問學生發(fā)現(xiàn)了什么規(guī)律。學生觀察得出：解離能CH3·>1°>2°，自由基的電離能CH3·>1°>2°>3°，電離能和解離能越大，意味著越難電離，生成的物質(zhì)也就越不穩(wěn)定，也就是說對于C+的穩(wěn)定性，3°C+>2°C+>1°C+>+CH3。

教師提問：在丙烯與溴化氫的加成反應(yīng)中，如何用C+穩(wěn)定性來解釋這個反應(yīng)？學生回答：在這個反應(yīng)中可能得到兩種C+中間體，一種是1°C+，另一種是2°C+，由于2°C+的穩(wěn)定強于1°C+，最終的反應(yīng)產(chǎn)物為CH3CHBrCH3。

設(shè)計意圖：利用電子效應(yīng)以及C+穩(wěn)定性的原理來解釋馬氏規(guī)則，同時引出親電加成的概念，讓學生從本質(zhì)上理解烯烴的親電加成反應(yīng)，學會從多角度思考問題，并逐步形成親電加成的認知模型，能運用親電加成反應(yīng)的機理解釋反應(yīng)現(xiàn)象，舉一反三，觸類旁通。

教學模塊5：延伸思考→健全認知模塊。教師提問：請同學們思考一下圖6這個反應(yīng)，產(chǎn)物是不是CF3CHBrCH3？

學生觀察、思考并回答：不是。教師講解：“為什么會造成這個結(jié)果呢？這要從氟的電負性的角度來思考。氟是元素周期表中電負性最大的一個元素，因此造成三氟甲基的強吸電子效應(yīng)。它對于碳碳雙鍵的電子云有怎樣的影響呢？”學生思考并回答：三氟甲基會使雙鍵碳上的電子云向三氟甲基一側(cè)偏移。教師講解：“當電子對偏移之后，H+就會與中間的碳結(jié)合，得到一級C+，溴進攻端碳最終得到CF3CH2CH2Br，如圖7所示。很明顯，這違背了馬氏規(guī)則，但是這個反應(yīng)本質(zhì)上還是親電試劑進攻不飽和鍵的反應(yīng)，也就是親電加成反應(yīng)。”

設(shè)計意圖：讓學生通過例題了解馬氏規(guī)則并不一定適合所有烯烴的加成反應(yīng)，要學會具體問題具體分析，能夠運用親電加成反應(yīng)的認知模塊揭示反應(yīng)的本質(zhì);同時，從本題中意識到有機化學的反應(yīng)方程式并不能死記硬背，它需要通過理解，了解反應(yīng)的實質(zhì)，并在處理問題時合理變通。

教學模塊6：真題試煉→鞏固認知模塊。教師請幾位學生寫出以下物質(zhì)與HI反應(yīng)的主要產(chǎn)物：

①CH3CH2CH=CH2 ?②（CH3）2C=CHCH3 ?③CH3CH=CHCH2Cl

④（CH3）3NCH=CH2 ?⑤CH3OCH=CH2 ⑥CF3CH=CHCl

學生寫出反應(yīng)產(chǎn)物，教師講解：①和②遵循馬氏規(guī)則;③通過三氟丙烯的例子可以推斷出碘進攻離氯較遠的碳;④中的N會吸引雙鍵上的電子，使電子對偏移到與氮相連的碳上，碘進攻端碳;⑤中的甲氧基中的氧上面有一對孤對電子，與雙鍵作用，使電子偏移到端碳上，碘進攻與甲氧基相連的碳;⑥中一端連著三氟甲基，一端連著氯，很明顯，三氟甲基的拉電子能力更強，電子對會偏移三氟甲基一側(cè)，碘進攻與氯相連的碳。

設(shè)計意圖：這幾道題目中學生容易出錯的是④⑤⑥三題，教師通過講解，讓學生更加深刻地理解親電加成的反應(yīng)機理，鞏固認知模塊。

4 結(jié)語

高考綜合改革后著重考查學生獨立思考和運用所學知識分析問題、解決問題的能力，力求能夠最大限度地開發(fā)學生在某一方面的潛能。過去的人才培養(yǎng)方式已經(jīng)不適合改革后的人才選拔方式，教師在課堂教學中要更具專業(yè)化，能夠?qū)χR點進行深入講解和合理拓展，從而激發(fā)學生的興趣，提高學生的學習能力，適應(yīng)學生的發(fā)展要求。

有機化學對于學生能力的提高、學科素養(yǎng)的提高有著十分重要的作用。在“烯烴加成反應(yīng)”教學中，利用Chem 3D作圖軟件繪制分子結(jié)構(gòu)，并滲透親電加成反應(yīng)的反應(yīng)機理，可以讓學生深入思考烯烴加成反應(yīng)的本質(zhì)。在這個過程中讓學體會有機化學反應(yīng)的獨特性，感受有機化學的魅力，并且能運用烯烴親電加成反應(yīng)機理的認知模塊揭示現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律，舉一反三、觸類旁通，使有機化學的學習化繁為簡。同時讓教師的課堂教學由原來的“教師教、學生學”變成學生和教師共同研究推導一個反應(yīng)的機理，使課堂教學更有活力，學生的學習熱情不斷提高。

參考文獻

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