張丹維

(復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系 上海 200433)

有機(jī)化學(xué)課程是大學(xué)化學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)及相關(guān)學(xué)科本科生的一門重要基礎(chǔ)課。由于課程內(nèi)容涉及有機(jī)化學(xué)的基本規(guī)律、有機(jī)官能團(tuán)的性質(zhì)、有機(jī)化學(xué)的典型反應(yīng)、有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)的基本譜學(xué)特征和表征方法，內(nèi)容多、涉及面廣、難度較大；另外，對(duì)一些專業(yè)學(xué)生來(lái)說(shuō)，有機(jī)化學(xué)課程的學(xué)習(xí)時(shí)間跨越2個(gè)學(xué)期，常常會(huì)學(xué)到后面忘記前面。學(xué)生在學(xué)習(xí)這門課程時(shí)往往會(huì)有無(wú)從下手之感。

自1816年法國(guó)科學(xué)家Michel Chevreul用動(dòng)物脂肪制造肥皂，1828年Friedrich W?hler在實(shí)驗(yàn)室合成出尿素以來(lái)的近200年時(shí)間里，科學(xué)家對(duì)有機(jī)化合物從結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、反應(yīng)、機(jī)理等方面不斷探索和努力，使我們對(duì)有機(jī)化學(xué)的認(rèn)識(shí)越來(lái)越豐富和深刻。一方面，這為有機(jī)化學(xué)教學(xué)提供了豐富的實(shí)例；另一方面，也可能使教學(xué)雙方都眼花繚亂。但無(wú)論如何，“背”從來(lái)不是學(xué)好有機(jī)化學(xué)課程的法寶，教師在課堂上正確引導(dǎo)學(xué)生，培養(yǎng)學(xué)生的良好學(xué)習(xí)習(xí)慣才是至關(guān)重要的。

在大學(xué)本科階段，有機(jī)化學(xué)教學(xué)的關(guān)鍵任務(wù)是抓住基礎(chǔ)，授人以漁。這要求教師必須在課前多下工夫，仔細(xì)分析揣摩，抓住課程的基礎(chǔ)內(nèi)容，包括有機(jī)化學(xué)的基本原理和基本規(guī)律，掌握化合物結(jié)構(gòu)與性質(zhì)之間的內(nèi)在聯(lián)系，然后反映到教學(xué)中；在課堂教學(xué)時(shí)，要特別注意不僅要使學(xué)生“知其然”，還要讓他們“知其所以然”，逐步啟發(fā)思考，授人以漁。目標(biāo)是使學(xué)生不僅能夠掌握基礎(chǔ)反應(yīng)、正確書寫反應(yīng)機(jī)理、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的合成路線，更應(yīng)逐漸掌握推理分析的方法并進(jìn)而具備創(chuàng)新能力。本文主要以幾本美國(guó)高校有機(jī)化學(xué)教材的起始章節(jié)選材為例，闡述通過(guò)合理選取教學(xué)內(nèi)容實(shí)現(xiàn)抓住基礎(chǔ)和授人以漁。

有機(jī)化學(xué)教材的主要內(nèi)容大體分為基礎(chǔ)知識(shí)(包括有機(jī)化合物的命名等)、以有機(jī)官能團(tuán)引導(dǎo)的經(jīng)典有機(jī)化學(xué)反應(yīng)、有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)表征的基本方法及與生物和生命活動(dòng)相關(guān)的大分子化合物介紹。以有機(jī)官能團(tuán)引導(dǎo)的經(jīng)典有機(jī)化學(xué)反應(yīng)是有機(jī)化學(xué)學(xué)習(xí)的重點(diǎn)內(nèi)容，因此，除了有中國(guó)文字特點(diǎn)的有機(jī)化合物命名原則以外，以有機(jī)官能團(tuán)為主線，有機(jī)化學(xué)教材在內(nèi)容的安排和順序上大同小異。Vollhardt & Schore 《有機(jī)化學(xué)：結(jié)構(gòu)與功能》[1](以下簡(jiǎn)稱Vollhardt 《有機(jī)化學(xué)》)、Solomons & Fryhle 《有機(jī)化學(xué)》(以下簡(jiǎn)稱Solomons 《有機(jī)化學(xué)》)[2]和McMurry 《有機(jī)化學(xué)》[3]等教材也是如此。而能夠突出體現(xiàn)“抓住基礎(chǔ)”這一要求的恰恰是容易被忽視或簡(jiǎn)化的“緒論”章節(jié)的內(nèi)容安排。

通常，我們?cè)诮虒W(xué)中安排“緒論”章節(jié)來(lái)學(xué)習(xí)有機(jī)化學(xué)的預(yù)備知識(shí)，作為隨后按官能團(tuán)分類學(xué)習(xí)有機(jī)化合物性質(zhì)的基礎(chǔ)。上面提及的幾本國(guó)外有機(jī)化學(xué)教材都沒(méi)有“緒論”章節(jié)，但這些作為預(yù)備知識(shí)的內(nèi)容被安排在最先介紹。我們首先看一下它們的起始章節(jié)的內(nèi)容安排(表1)。

由表1可見，除了Solomons 《有機(jī)化學(xué)》結(jié)合對(duì)有機(jī)官能團(tuán)的介紹，加入了紅外光譜的學(xué)習(xí)以外，幾本教材的共同特點(diǎn)是用兩個(gè)章節(jié)分別強(qiáng)調(diào)了以原子軌道、分子軌道和軌道雜化理論為基礎(chǔ)的有機(jī)化合物中化學(xué)鍵形成的本質(zhì)和有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)的本質(zhì)，以及以酸和堿為根本的有機(jī)化合物反應(yīng)的本質(zhì)。這些內(nèi)容被毫無(wú)例外地突出出來(lái)，放在顯著位置進(jìn)行強(qiáng)調(diào)并不是偶然的，學(xué)好了這部分內(nèi)容就有了分析問(wèn)題的基本能力?？梢赃@樣說(shuō)，價(jià)鍵理論、軌道雜化理論以及酸和堿的概念是學(xué)習(xí)有機(jī)化學(xué)的基礎(chǔ)內(nèi)容，這些內(nèi)容是“緒論”部分的授課重點(diǎn)。

表1 幾本國(guó)外有機(jī)化學(xué)教材的起始章節(jié)內(nèi)容安排

不僅如此，這些內(nèi)容還是非常豐富的，不能簡(jiǎn)而化之。一般安排2學(xué)時(shí)的“緒論”學(xué)習(xí)顯然無(wú)法滿足這一要求。但由于總學(xué)時(shí)的限制，必須首先在內(nèi)容的選擇上下功夫，在此前提下適當(dāng)延長(zhǎng)學(xué)時(shí)數(shù)。

從前面的分析可以看出，有機(jī)化合物的成鍵形式是學(xué)習(xí)有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)和重點(diǎn)，這一點(diǎn)也是有機(jī)化合物非常有特色和規(guī)律的一面。對(duì)有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)的逐漸認(rèn)識(shí)，也是有機(jī)化學(xué)發(fā)展過(guò)程中的重要階段，包含了一些重要的化學(xué)思想。例如：對(duì)有機(jī)化合物的中心原子碳原子的成鍵形式的認(rèn)識(shí)就是一個(gè)逐漸深入并上升到理論的過(guò)程。最初對(duì)組成有機(jī)化合物的原子成鍵的認(rèn)識(shí)是：這些原子都能夠形成固定數(shù)目的化學(xué)鍵，如碳原子是四價(jià)的。隨后發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)碳原子之間可以成鍵，還可以形成多重鍵，這是有機(jī)化合物存在許許多多同分異構(gòu)體的根本原因。進(jìn)一步地，碳原子的四面體結(jié)構(gòu)被發(fā)現(xiàn)，有機(jī)化合物展現(xiàn)出立體的圖景，原子之間除了連接的次序和方式，還存在空間排布的關(guān)系，這些關(guān)系一起構(gòu)成有機(jī)化合物的完整結(jié)構(gòu)。這些工作主要集中在19世紀(jì)50年代末到70年代初的10多年中，要比W?hler著名的尿素合成實(shí)驗(yàn)晚30年。W?hler的工作標(biāo)志著生命力學(xué)說(shuō)(Vitalism)的徹底失敗，而對(duì)有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)的逐漸認(rèn)識(shí)才使得有機(jī)化學(xué)真正形成了自己的體系。所以說(shuō)有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)理論是學(xué)習(xí)有機(jī)化學(xué)的基礎(chǔ)。在幾本教材中都細(xì)致地介紹了有機(jī)化學(xué)結(jié)構(gòu)理論的發(fā)展過(guò)程，包括Lewis結(jié)構(gòu)式、共振論、量子力學(xué)、原子軌道、分子軌道、軌道雜化理論等。在教學(xué)中，共振論可以結(jié)合共軛烯烴、芳香化合物的知識(shí)來(lái)學(xué)習(xí)，所以可以不在“緒論”中介紹。而結(jié)構(gòu)的書寫以及對(duì)軌道雜化理論的理解是“緒論”中的重點(diǎn)學(xué)習(xí)內(nèi)容。這其中也包含著啟發(fā)教學(xué)的很好范例。一個(gè)常用的例子是，對(duì)于分子式為CHClBrI的有機(jī)化合物氯溴碘甲烷，根據(jù)碳為四價(jià)，鹵素原子及氫原子為一價(jià)可以畫出它的結(jié)構(gòu)(圖1)。如果把這個(gè)分子放在平面上，可以畫出3種異構(gòu)體，而實(shí)際上這個(gè)分子只有2種立體異構(gòu)體。這個(gè)問(wèn)題很值得思考，可以在課堂上讓學(xué)生分析出現(xiàn)這種情況的原因。

圖1 氯溴碘甲烷的平面結(jié)構(gòu)和四面體模型

從這一實(shí)例出發(fā)，可以使學(xué)生比較形象地去分析問(wèn)題，自己發(fā)現(xiàn)“真相”。這時(shí)候再闡述“碳原子是四面體結(jié)構(gòu)的”，以加深學(xué)生的印象。同時(shí)，可借助Chem3D的模型，用這個(gè)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)引入對(duì)映體的概念，為進(jìn)一步學(xué)習(xí)立體化學(xué)打下基礎(chǔ)。由此進(jìn)一步提出新的問(wèn)題：為什么碳原子外層的4個(gè)不同原子軌道中的電子和4個(gè)氫原子分別形成4根相同的共價(jià)鍵組成甲烷分子？這就很自然地引出了軌道雜化理論。同時(shí)，從滿足電子排斥最小化這一點(diǎn)上引出價(jià)層電子對(duì)互斥理論，這不僅解釋了為什么在有機(jī)化合物中碳原子呈現(xiàn)出四面體結(jié)構(gòu)，而且可以說(shuō)明決定結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的電子和空間的因素。這一點(diǎn)對(duì)于今后分析有機(jī)反應(yīng)發(fā)生的動(dòng)力，分析反應(yīng)產(chǎn)物的穩(wěn)定性等都打下了基礎(chǔ)。

從結(jié)構(gòu)出發(fā)，過(guò)渡到有機(jī)化合物的性質(zhì)即有機(jī)反應(yīng)的基本知識(shí)學(xué)習(xí)，這是“緒論”的第2項(xiàng)重要任務(wù)。兩部分內(nèi)容相關(guān)聯(lián)的橋梁是酸堿理論。這3本教材的共同之處是，都分別用一個(gè)章節(jié)來(lái)主要介紹酸和堿。酸和堿有Br?nsted的定義，也有Lewis的定義。就有機(jī)化學(xué)反應(yīng)而言，我們?cè)诨A(chǔ)有機(jī)化學(xué)中學(xué)習(xí)的大部分反應(yīng)是離子型反應(yīng)，都涉及到一對(duì)電子的轉(zhuǎn)移。因此，從大的概念上都可以看作是Lewis酸和Lewis堿的反應(yīng)。盡早從有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)的角度學(xué)習(xí)Lewis酸和Lewis堿的概念，可使學(xué)生在以后的學(xué)習(xí)中能夠抓住有機(jī)反應(yīng)的本質(zhì)，更容易理解和正確書寫反應(yīng)機(jī)理。

以上論述說(shuō)明，授課時(shí)不要急于給出結(jié)果，要逐漸進(jìn)行引導(dǎo)，加強(qiáng)分析，最終就能夠?qū)崿F(xiàn)“授人以漁”。上述幾本教材在這方面都很有特色。再舉一例，如Solomons 《有機(jī)化學(xué)》在介紹雙分子親核取代反應(yīng)(SN2反應(yīng))時(shí)，引用了氯甲烷在60℃和NaOH水溶液中反應(yīng)生成甲醇的動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(表2)[2]。

表2 氯甲烷在NaOH水溶液中(60℃)發(fā)生親核取代反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)*

*表中的濃度為初始濃度；速率為初始速率。

通過(guò)分析表2的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，學(xué)生容易得出如下的結(jié)論，對(duì)于這一反應(yīng)，速率r=k[CH3Cl] [OH-]，即反應(yīng)速率(決速步)與反應(yīng)物(底物)及試劑都有關(guān)系，該反應(yīng)是一個(gè)雙分子(bimolecular)反應(yīng)，而且反應(yīng)速率分別與反應(yīng)物和試劑的濃度的一次方成正比，因此這個(gè)反應(yīng)是二級(jí)反應(yīng)(second-order reaction)。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)描述一個(gè)反應(yīng)對(duì)于學(xué)生理解反應(yīng)的本質(zhì)應(yīng)該說(shuō)是很直觀的，可以培養(yǎng)學(xué)生透過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)洞悉問(wèn)題實(shí)質(zhì)的能力，并養(yǎng)成主動(dòng)思考的習(xí)慣。在授課時(shí)，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生重視進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的過(guò)程而不是數(shù)據(jù)本身。在上面的例子中，學(xué)生還學(xué)會(huì)了如何通過(guò)設(shè)計(jì)不同濃度底物的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)測(cè)試來(lái)確定該反應(yīng)是一級(jí)反應(yīng)還是二級(jí)反應(yīng)。也即讓學(xué)生掌握一種研究方法，為學(xué)生的能力培養(yǎng)打一點(diǎn)基礎(chǔ)。

類似的例子在這幾本教材中相當(dāng)多，教師在授課時(shí)如能很好地運(yùn)用這些例子，將是“授人以漁”的好途徑。我們還可以利用文獻(xiàn)調(diào)研，發(fā)現(xiàn)更多適合于本科教學(xué)的好例子，通過(guò)安排好授課內(nèi)容及授課重點(diǎn)，幫助學(xué)生改變“背”有機(jī)化學(xué)的學(xué)習(xí)方法。學(xué)習(xí)有機(jī)化學(xué)知識(shí)如織網(wǎng)捕魚，教會(huì)學(xué)生主動(dòng)織網(wǎng)才能使他們捕到大魚。

[1] Vollhardt K P C,Schore N E.有機(jī)化學(xué):結(jié)構(gòu)與功能.第4版.戴立信,席振峰,王梅祥,等譯,北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2006

[2] Solomons T W G,Fryhle C B.有機(jī)化學(xué).第8版英文影印版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003

[3] McMurry J.有機(jī)化學(xué).第6版國(guó)際學(xué)生版.Singapore: Thomson Learning,Inc,2004