浅谈有机化学在材料合成教学中的有效融合

陈琳 王琳（合肥师范学院 材料科学与工程学院，安徽 合肥230601）

0 引言

《材料的合成与制备》是高等学校材料科学与工程及相关专业的必修课程，是从分子层面研究材料的合成原理、从宏观层面探寻材料的制备工艺及设计新材料并投入应用的一门学科[1]。在课程体系中，《材料的合成与制备》与有机化学知识点之间的联系非常密切，以功能高分子材料合成章节为例，其教学内容主要为聚合反应机理、动力学及各种不同功能的聚合物设计与合成[2]。其中，各种聚合反应的机理一直是功能高分子材料制备的教学重点和难点。

与小分子相比，高分子材料有着不同的分子结构和物化性质,但是二者的聚合反应机理具有高度相似性[3]。所以将有机化学知识点有效融入高分子材料合成的教学过程中，进行启发与回顾式教学，不仅可以让学生温故知新，更能使学生在理解和掌握高分子材料合成知识时更加得心应手。本文根据作者近年来的教学经验与心得,以功能高分子材料的合成为例，对有机化学知识点对材料合成教学的辅助作用总结了一些实例和自身的体会。

1 有机化学知识点在聚合反应机理讲授中的渗透

在聚合反应机理这一部分教学内容中，针对不同烯类单体、如何选择聚合机理是学习自由基聚合反应的基础。烯类单体结构中取代基的电子效应是影响其机理选择的重要因素[4]。基团的电子效应分为共轭效应和诱导效应两种。通常情况下，带有吸电子基团的取代乙烯（如硝基乙烯），其聚合机理一般为阴离子聚合的方式；相反，带有给电子基团的取代乙烯（如甲氧基乙烯基醚），反应一般按阳离子聚合机理进行；而卤素取代的乙烯，由于卤原子属于弱吸电子基团，因此一卤代烯类单体（如氯乙烯）一般按自由基聚合机理进行；而含有共轭体系的烯类单体，其反应按照自由基聚合、阳离子聚合及阴离子聚合三种机理均可进行比如苯乙烯分子[5]。

由于取代基电子效应的概念略微抽象，教学时首先带学生回忆电子效应的相关知识点，发现不少同学对此有所遗忘。作者从引导学生回忆几种芳香族化合物的亲电取代反应活性进行启发，例如硝基苯、氯苯、苯、甲苯、苯甲醚，发现学生能够正确得出它们的亲电取代反应活性次序，即硝基苯<氯苯<苯<甲苯<苯甲醚。在此基础上通过类比分析，讨论取代基电子效应对乙烯类单体双键和π 键电子云密度的影响。发现由于吸电子基团的存在，双键电子云密度降低，且基团的吸电子能力越强，电子云密度降低越多，进而阴离子更加容易进攻双键，因此该类单体易发生阴离子聚合；反之，烯类单体中有给电子基团，且基团的给电子能力越强，双键的电子云密度增加越多，越有利于阳离子进攻，则更容易发生阳离子聚合。而卤代烯烃，由于卤素原子吸电子能力比较弱，因此主要发生自由基聚合反应；像苯乙烯和1,3-丁二烯，这类分子的结构中存在共轭大π键，由于π 电子流动性大，容易被诱导极化，因此阳离子、阴离子及自由基聚合三种机理均有可能发生[6]。教学过程中，将有机化学知识和聚合机理结合起来，能使同学们理解更容易，记忆更深刻。

2 有机合成在聚合反应中的应用

功能高分子材料的单体大部分都是有机物，单体合成过程中官能团的引入、不饱和键的构建等均为有机合成的重要组成部分。比如有机玻璃的单体，甲基丙烯酸甲酯的合成方法主要有丙酮氰醇法、叔丁醇氧化法、甲基丙烯腈法和乙烯羰基化法等[7]。

以上合成方法都是通过有机单元反应引入可发生聚合反应的官能团或不饱和键来实现的，类似的单体还有丙烯腈和己二胺等。在此部分内容的教学过程中，可通过回顾相应有机合成反应让同学们系统掌握相同官能团的不同构建方法，进一步牢固掌握聚合反应单体的合成方法。不仅单体合成离不开有机单元反应，聚合物的合成也是单体重复发生若干次有机单元反应的结果。

缩聚反应会伴随发生消除、环化、化学降解、链交换等副反应。这些副反应的发生可能导致聚合体系中基团数比的变化，进而影响聚合反应的正常进行及聚合物分子量的变化。在进行缩聚及逐步聚合教学内容时，先通过引导学生回想羧基脱羧、羟基酸的消除及脱水环化反应等内容，再巩固讲解何种结构的羧酸容易脱羧，何种结构的羟基酸容易发生消除及脱水环化反应。而讲解聚合物化学降解反应的内容时，可让学生把有机小分子酯和酰胺的水解/醇解反应与聚酯和聚酰胺的降解反应进行比较，会发现聚合物的降解反应本质，与小分子的水解/醇解等有机化学中涉及到的反应相同。从这些例子都可以看出学生对有机化学知识的掌握在聚合反应的教学中至关重要，而在聚合反应讲授过程中将有机化学知识点巧妙融合后，不仅有助于学生由浅入深的学习新知识，还可以将新旧知识点进行高度关联，进而提高学生的学习效率。

3 聚合物的改性与有机反应的融合

聚合物的改性是提高功能高分子材料性能的重要方法。通过高分子化合物的改性或者在高分子结构上引入功能基团，不仅能够丰富聚合物的种类，同时能够扩大高分子材料的应用领域[8]。常见的改性有化学改性、共聚等方法，高分子改性这部分内容更是和有机化学知识密切相关，并且有许多新的知识点贯穿其中，能够体现有机化学知识对高分子合成领域的应用和拓展。

自由基共聚合的主要教学内容是，通过使用两种或两种以上的单体共聚的方法，获得新的聚合物品种，改进聚合物的力学性能、染色、塑性、弹性及溶解等性能，从而满足生产生活的多种需求。值得注意的是，有些单体难以发生均聚，比如有较大位阻及结构对称的马来酸酐，通过选择合适的共聚单体可以实现马来酸酐与其他单体（如苯乙烯）共聚。这不仅能够得到性能改善的共聚物，同时扩大了合成聚合物的原料范围。比如用作工程塑料的苯乙烯-顺丁烯二酸酐无规共聚物，悬浮聚合体系中用作分散剂的苯乙烯-顺丁烯二酸酐交替共聚物，都是通过单体共聚的方法得到的。

在聚合物的化学反应这部分教学内容中，主要讲述聚合物也能发生类似小分子有机化合物的许多反应，比如氢化、氧化、卤化、酯化、水解、加成等。例如聚乙烯醇的合成，乙烯醇单体易发生烯醇式重排生成乙醛，故聚乙烯醇不能直接由乙烯醇单体聚合获得，一般通过先合成聚醋酸乙烯酯，再将其水解或醇解获得聚乙烯醇。所得聚乙烯醇经纺丝、拉伸，即可得到部分结晶的纤维，其非晶区亲水性强，能溶胀，须在酸催化条件下将其侧基的羟基缩醛化，降低其亲水性，以用作维尼纶织品。

这部分内容涉及的有机反应较多，可启发学生思考：如何以乙炔为原料合成聚醋酸乙烯酯；用作维尼纶纤维的聚醋酸乙烯酯要满足什么条件，通过什么反应来实现?其目的是什么?再比如纤维素的化学改性，纤维素为多糖，纤维素用碱溶胀后再用二硫化碳处理获得粘胶纤维，通过纤维素的酯化获得硝化纤维素等，都涉及诸多有机反应。

通过这些有机反应和聚合物改性密切相关的实例，能够让学生将有机小分子的结构、基团的电子效应及位阻效应与聚合物合成与改性相互关联，对新知识有更加深入的认识与理解。聚合物的性能与小分子单体的结构和分子特性密切相关。共聚过程中，可根据单体的结构特性控制共聚物的组成与结构，从而设计合成具有新功能的高分子材料。这些都有助于让学生体会到聚合物与小分子单体之间的关联，有助于激发学生对材料合成领域的浓厚学习兴趣，提高学生在不同学科之间融会贯通的能力。

4 结语

对原理的理解是学生掌握并运用知识的基础。虽然材料的合成，尤其是功能高分子材料，涉及的许多反应具有聚合物的特性,但其反应机理依然还是以有机小分子的反应为基础。因此，有机化学基本理论在材料合成的教学中具有很大的应用价值，它贯穿于材料合成学习的各个层面，教师在教学过程中可在有机化学和材料合成之间搭起一座承上启下的桥梁，在此基础上进一步加以阐述及拓展。这样不仅可以加强学生对之前所学知识点的应用，也能给之后的学习带来事半功倍之效，因此在材料合成的教学中高效融合有机化学知识非常必要。