关于有机化学教学中亲电、亲核反应的几点教学设计

成 昭 刘春叶 苗延青 张雪娇 梁玲玲

(西安医学院 药学院，陕西 西安 710021)

有机化合物中，原子和原子团之间的相互作用通过诱导、共轭等电子效应影响电子云分布与原子带电情况，往往会进一步影响有机物的化学性质，决定有机化学反应的反应方向、反应机理、反应平衡及反应速率等[1]。受电子效应对有机物中原子带电情况的影响，有机化学反应常见于亲电与亲核两种类型。其中，亲电反应有烯烃、炔烃的亲电加成，及芳香烃的亲电取代；亲核反应包括醛、酮的亲核加成，及卤代烃、醇、醚、羧酸衍生物等多类物质的亲核取代。但由此而来的复合了反应类型与电子效应的反应分类，使学生在学习过程中，不仅需要在无机化学课程学习基础上区分加成、取代等反应类型，还要根据有机化学中的电子效应分析亲电、亲核过程。

实际教学过程中发现大部分学生都对较为抽象的亲电、亲核反应过程的学习与区分[2]感到困难。而电子效应作为《有机化学》教材中的重难点贯穿全书，从烷烃章节学习碳自由基时开始涉及，再到烯烃及后续章节反应机理讨论时反复出现的正碳离子、各种加成及取代反应发生位置、羧酸及取代羧酸酸性、羧酸及羧酸衍生物的活性等等。如何进行合理教学设计，将难点分解、便于学生理解、识记，使重点得到多次印证、强化学生印象，是有机化学授课教师群体长期思索的一个问题。

我校针对医学专业学生的有机化学课程教学中，教学团队进行了契合电子效应的如下教学设计，以异性电荷相吸的原理阐述亲电、亲核过程，再结合各类有机化合物的特性反应，应用于实际教学过程，取得了较好成效。

1 基于异性电荷相吸原理的亲电、亲核过程

有机化学反应是基于碳骨架的反应过程，碳原子是有机化合物基本组成原子，碳碳键是有机化合物的骨架，有机化学反应的本质就是其他原子在一定反应动力下接入碳骨架的过程。而常见的有机反应动力之一本质上就是异性电荷相吸。

对于有机反应亲电、亲核过程的区分和界定是基于碳原子的，其他试剂进行亲电、亲核过程的对象均为碳原子。进一步细分来看：当反应官能团中的目标碳原子受电子效应影响带部分正电荷时，带有相反负电荷/多电子的待反应试剂会因为异性电荷相吸引，具备了足够反应动力而连接带正电荷的目标碳原子。为了描述这个反应试剂主动靠近正电荷目标碳原子，接入碳骨架的过程，定义了亲核过程，意指有机化学反应的目标碳原子像原子核一样带正电，会吸引带相反电荷的反应试剂主动靠近，在碳骨架保持不动的前提下，亲核过程的相对运动是带负电荷反应试剂主动靠近、进而反应，反应是带负电荷反应试剂亲近像原子核一样带正电的碳的过程，称为亲核过程。

亲电过程则相反，有机反应的目标碳原子周围电子云密集，负电荷电子云密集包裹着碳原子，从而使目标碳原子呈现负电荷密集状态，吸引带正电荷/缺电子的待反应试剂。亲电过程的相对运动是带正电荷反应试剂主动靠近目标碳原子、进而反应，反应的相对运动是带正电荷反应试剂亲近电子云密集、被负电荷包裹的目标碳原子，称为亲电过程(图1)。

图1 亲电/亲核反应过程

亲电、亲核反应的动力是相反电荷的吸引，反应是由欲与目标碳原子反应的待反应试剂完成的，所以将带负电荷/多电子的试剂定义为亲核试剂，带正电荷/缺电子的试剂定义为亲电试剂。

2 有机化合物结构与其特征反应

2.1 以官能团结构界定特征反应类型

在无机化学课程进行了反应类型区分的基础上，结合有机化合物官能团的结构特点，进一步界定有机反应类型。有机化合物中的不饱和类型官能团，如烯烃、炔烃的不饱和碳碳重键，醛、酮的不饱和羰基，会伴随着不饱和基团的特性加成反应；而官能团中较为活泼的氢或者极性较强的极性键，通常容易发生被替换、被取代的取代反应(图2)。

图2 典型的亲电/亲核反应类型

复合了反应类型与电子效应之后，常见的有机反应就有了亲电加成、亲电取代、亲核加成、亲核取代等分类[3,4]。

2.2 以碳原子带电情况阐述反应机制

有机化学中电子效应的学习，是为了区分回答作为有机化合物基本组成碳原子的具体带电情况：什么时候碳原子带正电？什么时候碳原子周围电子云密集？有机化学教材中，电子效应的分析是从C-H键开始的，认为H没有电子效应，C-H键中的C保持电中性。C如何带电，带正电还是负电，需要比较其他原子与H电负性的相对大小。电子效应中讨论的原子电负性概念[5,6]，与无机化学中元素的金属性、非金属性有直接联系。因此，电负性相对大小的界定可引导学生从元素周期表出发，利用其熟悉的元素排布位置与周期性变化规律，完成C-O、C=O、C-X、C-N等极性键中碳原子带电情况分析，因为上述极性键碳原子均带正电荷，上述官能团的特性反应一般情况下均为亲核反应。而化学键两端组成原子完全一致的碳碳键，无论C-C、C=C或C≡C键，均为非极性键，两端C均不带电，但作为不饱和键的C=C及C≡C键，因π键成键特点及相应的π键电子云分布特点，碳碳重键中的碳原子被负电荷电子云包裹，通常发生亲电过程。而作为有机分子骨架的C-C单键为σ键，特点是稳定、难以断裂，所以烷烃的特征化学反应较少。

3 结论

结合有机化合物中的碳原子带电情况及官能团特征反应类型，不仅得到了(1)烯烃、炔烃亲电加成，(2)芳香烃亲电取代，(3)醛、酮亲核加成，(4)卤代烃、醇、醚、羧酸衍生物等亲核取代的合理界定，而且能够在一定程度上理解相反电荷相吸引的反应动力。契合电子效应的上述几点教学设计，将难点分解、便于学生理解识记。同时，使重点得到多次印证、强化学生印象，收到了一定的实际教学成效。学生接受一门新课程时，设计合理的教学切入点不仅能激发学生的学习热情，还能联系已有知识、培养学生的综合能力，实现师生有效互动、有助于教学相长、形成良性循环。针对医学专业学生的有机化学教学设计是实际教学经验积累，更是不断探索借鉴先进经验、融合专业特点、不断充实完善的过程，具体实施过程中还将继续积累、继续充实。