高校有機(jī)化學(xué)教學(xué)中巧用對(duì)比法

趙海英，趙睿國(guó)，陳樹峰

內(nèi)蒙古大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，呼和浩特 010021

有機(jī)化學(xué)是研究有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)、組成、物理化學(xué)性質(zhì)、反應(yīng)機(jī)理、合成方法以及應(yīng)用的科學(xué)，是高?；瘜W(xué)專業(yè)的四大基礎(chǔ)課之一，也是生物、環(huán)境、藥學(xué)、化工、材料等專業(yè)的必修課。通過該課程的學(xué)習(xí)，可使學(xué)生掌握有機(jī)化學(xué)的基本理論、基本知識(shí)和基本實(shí)驗(yàn)技能，提高認(rèn)知性和創(chuàng)新能力，為后續(xù)學(xué)習(xí)相關(guān)專業(yè)課程以及將來從事科研生產(chǎn)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[1]。但是有機(jī)化合物種類和反應(yīng)繁多，機(jī)理復(fù)雜抽象，因此記憶與理解的內(nèi)容較多，而有機(jī)合成又需要具有較強(qiáng)的知識(shí)綜合運(yùn)用能力，所以學(xué)生普遍認(rèn)為有機(jī)化學(xué)難記、難學(xué)、難用，因此學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高。在有機(jī)化學(xué)教學(xué)中，如何使抽象枯燥的內(nèi)容變得生動(dòng)有趣，使難于記憶理解的知識(shí)變得易于接受和掌握，使厚重的教材化多為少、化繁為簡(jiǎn)，提高教學(xué)質(zhì)量，是教師需要思考和解決的問題[2]。針對(duì)這些問題，我們從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法與手段等方面積極地推進(jìn)有機(jī)化學(xué)的教學(xué)改革。如推行線上線下混合式教學(xué)方法，線下采用多媒體教學(xué)與傳統(tǒng)板書相結(jié)合，使兩者優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，相得益彰；線上教師利用雨課堂、中國(guó)大學(xué)MOOC、騰訊會(huì)議、釘釘?shù)绕脚_(tái)直播授課，發(fā)布與批改作業(yè)，和學(xué)生進(jìn)行互動(dòng)、答疑[3]，學(xué)生利用這些平臺(tái)自學(xué)、預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)鞏固，達(dá)到線上線下教學(xué)靈活互補(bǔ)，尤其是在疫情期間“停課不停學(xué)”過程中發(fā)揮了巨大的作用，取得了一定的成效。無論是線上還是線下教學(xué)，對(duì)于重點(diǎn)與難點(diǎn)運(yùn)用討論式、探究式、案例式教學(xué)方法與學(xué)生自學(xué)相結(jié)合等手段，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主體意識(shí)與創(chuàng)新意識(shí)，達(dá)到教和學(xué)效率與效果的最大化[4,5]。另外有機(jī)化學(xué)還存在一些易于混淆的概念和反應(yīng)機(jī)理等知識(shí)點(diǎn)，對(duì)于這些易混淆的問題我們巧妙地運(yùn)用了對(duì)比教學(xué)法，引導(dǎo)學(xué)生去發(fā)現(xiàn)其中的異同，既能幫助學(xué)生深刻理解和掌握教學(xué)內(nèi)容，又能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，從而提高教學(xué)效果。本文就對(duì)比教學(xué)法的內(nèi)涵以及該法在有機(jī)化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行探討。

1 對(duì)比教學(xué)法的內(nèi)涵

對(duì)比教學(xué)法是在教學(xué)過程中，將一些相近、相關(guān)、或具有一定區(qū)別和聯(lián)系的知識(shí)點(diǎn)加以比較，通過歸納梳理，揭示出其相互關(guān)系及其規(guī)律，使知識(shí)系統(tǒng)化，然后對(duì)照著進(jìn)行講解[6]。在傳統(tǒng)的教學(xué)方法中，巧妙地結(jié)合對(duì)比教學(xué)法，可以幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)相似知識(shí)中的差異，通過突出其主要矛盾把事物區(qū)別開來，有效地避免混淆；同時(shí)還能幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)不同概念、理論、方法的共性與聯(lián)系，抓住事物的本質(zhì)，清晰地掌握知識(shí)的脈絡(luò)，加深對(duì)知識(shí)的理解，使知識(shí)學(xué)的更扎實(shí)、記憶更加牢固。對(duì)比教學(xué)法可以培養(yǎng)學(xué)生分析、歸納、概括的能力，培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)，活躍學(xué)生的思維，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與求知欲，創(chuàng)造良好的教學(xué)氣氛和秩序，從而提高有機(jī)化學(xué)的教學(xué)效果。

2 對(duì)比法在有機(jī)化學(xué)課堂教學(xué)中的應(yīng)用

2.1 概念對(duì)比

有機(jī)化學(xué)中概念較多，學(xué)生對(duì)相互區(qū)別又相互聯(lián)系的概念往往容易混淆。采用對(duì)比教學(xué)方法將已經(jīng)學(xué)過的概念和新學(xué)的概念進(jìn)行比較，幫助學(xué)生厘清他們的相同點(diǎn)與差異，容易收到良好效果。比如有機(jī)化學(xué)中兩個(gè)較難理解的概念——共軛效應(yīng)與超共軛效應(yīng)。共軛效應(yīng)是指在不飽和分子體系中，若與不飽和鍵如C＝C相鄰的原子上有p軌道，則該p軌道可與C＝C雙鍵形成3個(gè)或3個(gè)以上原子的π鍵，這種體系稱為共軛體系。超共軛效應(yīng)是在共軛效應(yīng)和誘導(dǎo)效應(yīng)的基礎(chǔ)上提出的，是指σ鍵(通常是C-H或C-C)上的電子或非鍵軌道上的孤對(duì)電子n和鄰位空的p軌道(或σ*、π*反鍵軌道)之間的相互作用，形成更低能級(jí)的分子軌道，使得有機(jī)化合物及中間體的結(jié)構(gòu)得到相對(duì)穩(wěn)定的現(xiàn)象。超共軛還有正、負(fù)和中性超共軛效應(yīng)之分，在大學(xué)本科的基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)教學(xué)中，主要涉及σ鍵上的電子與p軌道或π*反鍵軌道之間的正超共軛效應(yīng)[7]。

共軛效應(yīng)與超共軛效應(yīng)這兩個(gè)概念文字較多且抽象，尤其是后者更為復(fù)雜，學(xué)生往往將兩者混為一談，但是如果將二者列表進(jìn)行對(duì)比，結(jié)合圖示進(jìn)行講解脈絡(luò)會(huì)非常清晰。如表1所示，兩種效應(yīng)的本質(zhì)都是電子離域，都是鄰位軌道間的電子云交蓋，但是離域電子的種類不同，超共軛效應(yīng)是σ電子或非鍵電子n的離域，這兩種電子本身都是定域的；而共軛效應(yīng)是p電子或π電子的離域，參與共軛效應(yīng)的電子本身是離域的。例如，如圖1所示，丙烯a屬于超共軛效應(yīng)，氯乙烯c屬于共軛效應(yīng)，在丙烯中，由于甲基處于π鍵的鄰位，甲基上碳?xì)洇益I的電子與形成π鍵的p軌道電子云重疊，對(duì)缺電子性的軌道進(jìn)行電子補(bǔ)充，從而電荷得到分散，結(jié)構(gòu)得到穩(wěn)定，屬于σ-π*超共軛；而在氯乙烯c中，是氯原子的孤對(duì)電子所處的p軌道與鄰位的π鍵電子云重疊(或者說氯原子的孤對(duì)電子離域到鄰位π軌道)，屬于p-π共軛。丙烯a中由于甲基碳原子是sp3雜化的，因此碳?xì)洇益I與鄰位π鍵的p軌道不平行，所以這種超共軛效應(yīng)的共軛程度小，而在氯乙烯c中，氯原子的p軌道與π鍵的p軌道平行，電子云可以更有效的重疊，因此共軛程度大。此外，超共軛還包括σ-p超共軛如異丙基碳正離子b，以及σ-σ*、n-p、n-π*、n-σ*超共軛，共軛還包括π-π共軛如1,3-丁二烯d[8]。通過對(duì)比例證，學(xué)生找到了兩個(gè)概念的本質(zhì)區(qū)別，從而將難理解易混淆的概念徹底掌握。

表1 共軛效應(yīng)與超共軛效應(yīng)對(duì)比

圖1 超共軛效應(yīng)(丙烯a、異丙基碳正離子b)與共軛效應(yīng)(氯乙烯c、1,3-丁二烯d)實(shí)例

2.2 結(jié)構(gòu)與性質(zhì)對(duì)比

在本科生的教學(xué)中，絕大多數(shù)有機(jī)化學(xué)教材章節(jié)是按照官能團(tuán)來劃分的，因?yàn)楹邢嗤倌軋F(tuán)化合物的性質(zhì)基本相同，如烷、烯、炔、醚、醛酮、羧酸等。但是由于有機(jī)化合物“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)反映結(jié)構(gòu)”的特點(diǎn)，即使是含有相同官能團(tuán)，由于原子的雜化方式不同以及異構(gòu)體的存在，不同結(jié)構(gòu)的化合物其性質(zhì)往往存在較大差異，這一點(diǎn)經(jīng)常被學(xué)生忽視，因此造成知識(shí)點(diǎn)掌握不透甚至混淆。對(duì)于此類問題，采用對(duì)比法，從結(jié)構(gòu)上分析化合物性質(zhì)差異的根本原因，問題會(huì)迎刃而解。如醇和酚，雖然都含有羥基，但是由于結(jié)構(gòu)和性質(zhì)存在差異，有機(jī)化學(xué)將其分為兩個(gè)章節(jié)。講解這兩章就可以采用對(duì)比法，因?yàn)榇剂u基連接在脂肪鏈上，其氧原子采取sp3雜化，并以單鍵與碳原子相連接；而酚羥基連接在芳環(huán)上，其氧原子采取sp2雜化，含有孤對(duì)電子的p軌道與芳環(huán)發(fā)生p-π共軛，因此碳氧鍵具有部分雙鍵的性質(zhì)。所以醇與酚的化學(xué)性質(zhì)存在一定差異，酚的酸性強(qiáng)于醇；醇羥基在酸性條件下容易被鹵素等親核試劑取代，而酚羥基不容易被取代[9]。再如順-2-丁烯與反-2-丁烯，雖然都是丁烯，但是由于兩者屬于立體異構(gòu)體，因此物理化學(xué)性質(zhì)不同。順-2-丁烯偶極矩為0.33 D，而反-2-丁烯偶極矩為0 D，因此順-2-丁烯沸點(diǎn)(4 °C)高于反-2-丁烯(0 °C)。由于結(jié)構(gòu)不同，順-2-丁烯與溴加成得到一對(duì)2,3-二溴丁烷外消旋體化合物，而反-2-丁烯與溴加成則得到單一的內(nèi)消旋體化合物(圖2)。

圖2 順-2-丁烯(上)和反-2-丁烯(下)與溴的加成反應(yīng)

2.3 反應(yīng)條件對(duì)比

有機(jī)反應(yīng)在有機(jī)化學(xué)的教學(xué)中占有重要地位，有機(jī)反應(yīng)依賴于反應(yīng)條件，反應(yīng)條件包括溫度、壓力、溶劑、催化劑等。對(duì)于同一反應(yīng)物，反應(yīng)條件不同，產(chǎn)物可能會(huì)不同，不具備反應(yīng)條件的反應(yīng)可能不會(huì)發(fā)生，而且相同的反應(yīng)條件也有其適用范圍，因此，反應(yīng)條件在有機(jī)反應(yīng)中特別關(guān)鍵。但是初學(xué)的同學(xué)往往只記反應(yīng)物和產(chǎn)物，而忽視反應(yīng)條件，以至于在一些反應(yīng)上出現(xiàn)錯(cuò)誤。因此將不同反應(yīng)條件下相同的反應(yīng)物得到不同的產(chǎn)物的反應(yīng)進(jìn)行對(duì)比，不但能加深對(duì)反應(yīng)的理解，而且還能引起學(xué)生對(duì)反應(yīng)條件的重視，使反應(yīng)具有可操作性，而不限于紙上談兵。如圖3中丙烯與溴化氫的反應(yīng)，如果在醋酸溶液中進(jìn)行反應(yīng)得到馬氏加成產(chǎn)物2-溴丙烷，而在光照或過氧化物催化下進(jìn)行反應(yīng)將得到反馬氏加成產(chǎn)物1-溴丙烷。產(chǎn)物的不同是因?yàn)榉磻?yīng)歷程不同，在醋酸溶液中進(jìn)行的是離子型的親電加成反應(yīng)，而在光照或過氧化物存在下發(fā)生的是自由基加成反應(yīng)。再如乙醇與濃硫酸的反應(yīng)，在170 °C脫水主要產(chǎn)物為丙烯，而在130 °C脫水主要產(chǎn)物為乙醚，因?yàn)樵诟邷叵麓及l(fā)生的是消除反應(yīng)，而在低溫則發(fā)生的是取代反應(yīng)。通過對(duì)比法進(jìn)行講解，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到反應(yīng)條件在有機(jī)化學(xué)反應(yīng)中的重要性，不僅能加深記憶，而且能培養(yǎng)學(xué)生對(duì)于知識(shí)的嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)態(tài)度。

圖3 丙烯與HBr (上)以及乙醇與濃H2SO4 (下)在不同條件下的反應(yīng)

2.4 反應(yīng)機(jī)理對(duì)比

反應(yīng)機(jī)理是有機(jī)化學(xué)的研究?jī)?nèi)容之一，研究反應(yīng)機(jī)理可以了解結(jié)構(gòu)與反應(yīng)性之間的關(guān)系，以加深對(duì)反應(yīng)的理解，從而合理改變實(shí)驗(yàn)條件，提高反應(yīng)效率。但是有些有機(jī)反應(yīng)類型的機(jī)理比較復(fù)雜，相同的反應(yīng)物，反應(yīng)條件不同機(jī)理可能不同，產(chǎn)物也因此大不相同；而不同的反應(yīng)物，反應(yīng)機(jī)理可能會(huì)相同。隨著學(xué)習(xí)章節(jié)的增加，機(jī)理也逐漸增多，類似的機(jī)理易混淆，因此學(xué)生普遍認(rèn)為反應(yīng)機(jī)理較難，逐漸失去了對(duì)有機(jī)化學(xué)的學(xué)習(xí)興趣。在教學(xué)過程中，我們發(fā)現(xiàn)巧用對(duì)比法進(jìn)行講解，可以使學(xué)生清晰地看到反應(yīng)機(jī)理間的區(qū)別與聯(lián)系，抓住事物的主要矛盾，從而將易混淆的知識(shí)點(diǎn)厘清。例如，有機(jī)化學(xué)的一類重要反應(yīng)——加成反應(yīng)，在本科生基礎(chǔ)課中主要涉及烯烴的親電加成反應(yīng)和醛酮的親核加成反應(yīng)，因?yàn)槎际羌映煞磻?yīng)，學(xué)生很容易將兩種反應(yīng)機(jī)理混淆，教師講授或?qū)W生復(fù)習(xí)總結(jié)時(shí)可以從表2所示的幾方面進(jìn)行對(duì)比。首先，底物不同，烯烴的親電加成反應(yīng)底物是烯烴，碳碳雙鍵未極化或極化程度小，而醛酮親核加成反應(yīng)的底物是醛酮，羰基極化程度大，碳帶部分正電荷而氧帶部分負(fù)電荷；其次，加成的試劑不同，烯烴親電加成反應(yīng)加成的試劑是缺電子的親電試劑(E+)如H+，而醛酮的親核加成反應(yīng)中加成試劑是中性或帶負(fù)電荷的親核試劑(Nu-)如OH-；第三，反應(yīng)機(jī)理不同，親電加成涉及碳正離子機(jī)理與環(huán)鎓離子機(jī)理，如圖4所示，碳正離子機(jī)理經(jīng)過兩步，第一步，由于碳碳雙鍵的π電子流動(dòng)性比較大，容易給出電子，與親電試劑進(jìn)行加成先形成碳正離子，這是慢反應(yīng)，第二步，碳正離子再與反應(yīng)體系中的親核試劑快速成鍵。而親核加成反應(yīng)中，親核試劑首先進(jìn)攻帶部分正電荷的羰基碳成鍵，形成的氧負(fù)離子再與親電試劑結(jié)合；第四，取代基對(duì)反應(yīng)的影響不同，在烯烴的親電加成反應(yīng)中，底物中推電子取代基能增加雙鍵的電子云密度，使反應(yīng)速度加快，而在親核加成反應(yīng)中，吸電子取代基使羰基碳電正性增強(qiáng)，使其更易于與親核試劑成鍵，因此促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行[10]。

表2 烯烴的親電加成與醛酮的親核加成反應(yīng)

圖4 親電加成(上)與親核加成(下)的反應(yīng)機(jī)理

再如，在講鹵代烷的親核取代反應(yīng)時(shí)，有單分子親核取代SN1與雙分子親核取代SN2兩種機(jī)理，單獨(dú)學(xué)習(xí)SN1或SN2機(jī)理時(shí)，學(xué)生基本能理解，但是兩種機(jī)理都講完，有的同學(xué)就把兩種機(jī)理混為一談。如果按照對(duì)比法，將SN1與SN2機(jī)理的區(qū)別逐條列出進(jìn)行講解，學(xué)生就能快速掌握。如表3所示，SN1反應(yīng)是單分子反應(yīng)，反應(yīng)速率只與底物鹵代烷的濃度有關(guān)，而SN2反應(yīng)是雙分子反應(yīng)，反應(yīng)速率與底物鹵代烷和親核試劑的濃度都有關(guān)；SN1反應(yīng)分兩步進(jìn)行，有中間體碳正離子產(chǎn)生，SN2反應(yīng)一步完成，經(jīng)歷過渡態(tài)；SN1反應(yīng)有重排產(chǎn)物，SN2反應(yīng)無重排產(chǎn)物；如圖5所示，SN1反應(yīng)中由于親核試劑從中間體碳正離子兩側(cè)進(jìn)攻機(jī)會(huì)均等，因此產(chǎn)物構(gòu)型翻轉(zhuǎn)與構(gòu)型保持各占50%，而SN2反應(yīng)中由于親核試劑從鹵素背后進(jìn)攻，產(chǎn)物的構(gòu)型發(fā)生了完全翻轉(zhuǎn)；對(duì)于不同的底物，3°鹵代烷主要發(fā)生SN1反應(yīng)，1°鹵代烷主要發(fā)生SN2反應(yīng)[11]。通過對(duì)比，結(jié)合反應(yīng)實(shí)例，親核取代反應(yīng)的兩種機(jī)理一目了然，因此對(duì)于這種極相似的機(jī)理，采用對(duì)比法講解非常有效。

表3 SN1反應(yīng)與SN2反應(yīng)的區(qū)別

圖5 SN1反應(yīng)(上)與SN2反應(yīng)(下)的機(jī)理

2.5 合成方法對(duì)比

有機(jī)合成考查學(xué)生綜合運(yùn)用有機(jī)化學(xué)知識(shí)的能力，難度相對(duì)來說比較大，可以說是有機(jī)化學(xué)的落腳點(diǎn)。有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)分析、物理化學(xué)性質(zhì)、有機(jī)反應(yīng)的學(xué)習(xí)為有機(jī)合成奠定了理論基礎(chǔ)。有機(jī)合成為我們生產(chǎn)和生活提供原材料及必須的日用品，因此掌握了有機(jī)合成方法有重要的理論與現(xiàn)實(shí)意義。一個(gè)化合物的合成方法不止一種，在教學(xué)過程中，鼓勵(lì)學(xué)生勤于思考，在時(shí)間允許的條件下，善于用多種方法解題，這不僅有助于學(xué)生對(duì)現(xiàn)階段知識(shí)點(diǎn)的理解與掌握，而且也利于對(duì)前面學(xué)習(xí)知識(shí)的復(fù)習(xí)鞏固，使所學(xué)知識(shí)更具有連貫性和系統(tǒng)性。比如講解“由苯或甲苯出發(fā)合成苯甲酸”時(shí)，先讓學(xué)生寫出一到兩個(gè)合成路線，教師匯總后指出錯(cuò)誤，用對(duì)比法進(jìn)行點(diǎn)評(píng)。如圖6所示，常見且實(shí)用的合成苯甲酸的方法主要有以下四種[12]：第一種與第二種方法都是從原料易得的甲苯出發(fā)，一種是用高錳酸鉀氧化甲苯就能得到，使用的是烷基苯的側(cè)鏈氧化的方法，這種方法步驟最少，經(jīng)濟(jì)實(shí)用；另一種是將甲苯氯化得苯基三氯甲烷，然后再水解，這也是工業(yè)制備苯甲酸的方法；第三種方法是從苯出發(fā)，經(jīng)由傅氏?；玫奖揭彝?，然后再進(jìn)行碘仿反應(yīng)即得到苯甲酸，這種方法雖然比第一種方法多了一步，但是每一步用的都是有機(jī)化學(xué)中特別重要的經(jīng)典反應(yīng)；第四種方法是先將苯溴化后制備苯基格氏試劑，然后利用格氏試劑與二氧化碳反應(yīng)制備苯甲酸，第一步溴化屬于苯的親電取代反應(yīng)中最基本的反應(yīng)，第二步練習(xí)了格氏試劑的應(yīng)用。通過對(duì)比，每種合成方法用到的反應(yīng)清晰可見，學(xué)生的思維脈絡(luò)會(huì)更加清晰，不僅提高了學(xué)生知識(shí)的運(yùn)用能力，也為將來從事生產(chǎn)實(shí)踐提供一定的合成經(jīng)驗(yàn)。

圖6 苯甲酸的合成

3 結(jié)語

在有機(jī)化學(xué)教學(xué)中，對(duì)于易混淆、難于記憶理解的知識(shí)點(diǎn)，適當(dāng)運(yùn)用對(duì)比教學(xué)法，不僅有助于學(xué)生對(duì)現(xiàn)階段知識(shí)點(diǎn)的理解與掌握，而且也利于學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的復(fù)習(xí)與鞏固，使學(xué)的知識(shí)更具有連貫性和系統(tǒng)性。當(dāng)然在有機(jī)化學(xué)的課堂教學(xué)過程中，對(duì)比教學(xué)法還需要和其他教學(xué)方法相結(jié)合，以創(chuàng)造良好的教學(xué)氣氛和秩序，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與求知欲，提高教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生分析問題與解決問題的能力。