基于酸碱作用的离子型有机反应的系统认知与教学发展

顾黎萍 乐传俊 杨海森

(化工与材料学院 常州工学院,江苏 常州 213022)

有机化学是化学化工各专业人才培养不可或缺的一门重要课程，是化工材料、生物医药、生命科学等学科的基础，有着极其广泛的应用。然而，有机化学知识内容庞杂、系统性强，而且随着新技术和新方法不断应用，使得有机化学新反应不断被开发、新物质与日俱增，其数量已远远超过了无机化合物[1-2]。这给有机化学教学增添了更多困难：其一，有机化学有着自身的知识体系，区别着无机化学，学习者在没有足够的学习习得基础下，很难适应有机化学的学习；其二，有机化学的教学课时往往是有限的，明显不能匹配有机化学的知识量；其三，如何高效实施有机化学的开放式、创新教学。虽然采用了先进的教学手段或方法和分类教学等[3-7]改革措施，但是从实施效果来看仍然没有明显地改变有机化学是高校名列前茅的学生挂科课程之一。可想而知，其对众多以有机化学为基础的专业课学习是有着潜在影响的。因此，有机化学的教学研究和改革新探索是非常必要的。

有机化学以结构为基础认知分子，而建立的反应机理有助于理解化学反应过程并建立其分子转化的内在联系。有机反应是分子的性质体现，是有机化学教学的重点，也是应用的基础，这是当前国内外有机化学教材以官能团为主线编排章节内容以学习有机物结构和性质的逻辑依据[8]，然而数量巨大的有机物及其多种性质往往掩盖了这种逻辑，使得很多学生在学习过程中偏离这种逻辑认知，从而割裂了有机化学知识的系统性，导致了教得越多学得越困难。实际上，反应性质也是认识有机化学的把手，体现着有机物的结构基础，也能衔接学生学习无机化学所形成的习得，但现有的从官能团的角度认识有机反应就显得有些零散。一般教材中提到把有机反应分为自由基反应、离子型反应和协同反应三大类型，其中离子型反应体现了有机官能团的基本性质，而且离子型反应占到教材中有机化学反应的90%左右，然而教学没有对此给以足够的重视。因此，重新认知离子型反应对有机化学有效教学会有重要意义。

1 酸碱作用与离子型有机化学反应

我国化学教育开始于无机化学，此符合化学科学的发展规律，无机化学学科创建早且发展比较成熟。而有机化学是近现代才迅速发展起来的，加上其与无机化学的分课程教学，导致了对有机化学和无机化学不同的认识，譬如无机化学强调反应方程式的平衡而有机反应强调的是反应的转化率和选择性等。这样就一定程度上割裂了无机化学与有机化学的内在联系，使得学生在无机化学学习中形成的习得不能顺畅地迁移到有机化学的学习中，从而加大了有机化学的教学难度。实际上，无机化学和有机化学内在本质基本是一致的，即从分子的层次研究物质，探究化学键的断裂和形成的科学。因此，对它们的思维认识模式应该是相通的。故可以以无机化学为基础构建有机化学知识体系，实现创新教学，解决有机化学教学中存在的难题。

酸碱理论是无机化学的重要内容，酸碱反应是基本的化学反应，与此对应的有机离子型反应是有机化学的反应类型之一。从表1中总结的内容来看，它们可以有统一的反应模式：带正电荷的底物S+和带负电荷的试剂R-反应生成产物S-R，这是符合自然界正负电荷相互吸引基本规律的。只不过在无机化学和有机化学中底物和试剂分别称为酸与碱以及亲电试剂与亲核试剂，有观点[9]认为酸是亲电试剂，碱是亲核试剂，然而这两对概念因阐述问题的角度不同而有着区别，但均离不开电子的给予和接受。酸碱反应倾向于离子键，而亲电和亲核作用指向共价键，可是也有认为离子键是共价键的一个特例[10]。这些不妨碍我们应用酸碱理论来理解离子型有机反应，比如酸碱平衡理论理解强酸和强碱是易反应的(方程式1)、弱酸和强碱可以反应(方程式2)而弱酸和弱碱则基本不反应(方程式3)；而对于离子型有机反应也可以同样的判断。首先要找到有机物中类似的酸碱位，即亲电试剂的亲电位和亲核试剂的亲核位，然后根据亲电位和亲核位的强弱来判断反应进行的程度，最后就可以依此拆键、组键完成反应了。

表1 酸碱反应和有机离子型反应的统一模式

2 典型离子型有机反应的酸碱作用过程

下面就从酸碱作用视角再认知现有教材中常见官能团的离子型反应，包括烯、炔烃类化合物、芳香类化合物、卤代烃、醇和醚类化合物、羰基类化合物、有机胺化合物和异裂的C-H键等。另外，在离子型有机反应分析中通常需要利用电负性和电子效应等概念原理以及由此引起的有机分子中原子或基团带有形式电荷δ的表达。

2.1 烯、炔烃类化合物

烯烃、炔烃是含π键的一类官能团化合物。因π键成键特点使其具有带形式的负电荷而成为亲核试剂，分子结构表达如下：

其可以和诸如HX, X2, H2O/H+, H2SO4, HXO(X为卤素原子)等亲电试剂作用，也就是含π键的官能团可以作为碱与各类酸发生反应。

典型的是双键的亲电加成反应(方程式8)。双键作为亲核试剂的碱与亲电试剂的酸E+反应生产了带有正电荷的酸中间体，其与碱Nu-作用完成整个反应过程，即两步酸碱作用的亲电加成过程。

(8)

方程式9是丙烯在酸催化下聚合的例子。质子酸和双键碱作用生成仲正碳离子中间体，其作为酸进一步与另一个作为碱的丙烯反应生成了丙烯二聚物。如果继续聚合则生成了聚合丙烯高分子。因此，这类高分子制备可以看成是多次的酸碱反应过程。

双键亲电加成的酸碱作用更便于反应的分析。比如方程式10中的底物有两个碱性位，它们均能和反应条件中的质子酸作用，但反应分析结果来看，作为碱位的羟基和端位双键碳与质子酸作用后均生产了伯碳正离子中间体，其在反应体系中不如来源于端位双键另一个碳的仲碳正离子稳定，即体系中的生成量少。因此，反应朝着生成仲碳正离子中间体为主，其作为酸与羟基碱反应再脱掉作为催化剂的质子酸而生成了α-甲基四氢呋喃。

(9)

(10)

炔烃具有两个π键，与烯烃π键一样作为亲核试剂即碱性位，但其亲核性要弱于烯烃；然而端炔氢则具有了弱酸性，在强碱作用下炔碳(sp杂化)可形成强的亲核试剂即强碱，它能与酸性位的试剂如环氧乙烷发生反应(方程式11)，该类反应可以构建有机物的碳碳(杂)键骨架。

(11)

2.2 芳香类化合物

芳香类化合物是含有离域π电子体系而稳定的结构分子。它与烯、炔烃的π键类似，带有形式负电荷而成为亲核试剂，也是该类化合物的官能团。代表性的是芳香苯环类化合物，分子结构表达如下：

同样，其可以和诸如X2,HNO3/H2SO4,SO3,RX,RCOX,烯烃/H+等亲电试剂作用，也就是作为官能团的离域π体系可以作为碱与各类酸发生反应。

典型的是双键的亲电取代反应(方程式12)。作为亲核试剂的苯环碱与亲电试剂的酸E+反应生成了作为酸的正电荷中间体，接着其去掉质子H+(被E+取代)完成了反应过程，即亲电取代的酸碱作用过程。

(12)

方程式13是苯的氯甲基化反应的例子。反应经过了三次酸碱作用过程，首先是甲醛的羰基氧作为碱与质子酸作用生成羟甲基正碳离子，其作为酸与苯的碱作用再去质子得到苯甲醇，苯甲醇作为碱再次与酸性ZnCl2反应得到产物苄氯。这个反应是比较典型的三组分催化反应，反应产物不仅引入了新官能团，而且增加了一个骨架碳原子。

(13)

再如苯的定位效应是重要的教学内容，酸碱作用也能分析其反应过程。方程式14描述了甲苯的磺化过程，甲基的供电性质使苯环的邻对位更具有亲核性即碱位，同时考虑到磺酸基团大体积的空间效应，亲电取代反应以对位反应为主。SO3中的硫原子是缺电子而显示带部分正电荷的亲电试剂即酸位，其与甲苯对位作用再结合质子而生成了对甲基苯磺酸。

(14)

2.3 卤代烃、醇和醚类化合物

卤代烃、醇和醚类化合物分别可以看成是烷烃骨架碳相连的氢原子被电负性大的卤原子、羟基和烷氧基等原子或原子团取代而得到的分子。这些化合物中不同电负性的原子相连而在其之间形成了键，通常共价键连接的两原子构成了此类化合物的官能团。它们的分子结构表达如下：

(R′=H(醇)， alkyl(醚)，etc.)

可以看出，官能团中的碳原子带部分正电荷而显示出亲电试剂的酸位，容易与诸如X-, CN-, R1R2NH, R1R2HC-和RO-等亲核试剂的碱位作用而发生化学反应。

典型的亲核取代反应如方程式15和16所示。带有部分正电荷的碳原子作为酸与亲核试剂Nu-的碱位作用，在相对易离去基团X-和-OR等有利条件协助下完成亲核取代过程。

(15)

(16)

方程式17是甲基苯基醚被碘化氢亲核取代而分解的例子。甲基苯基醚中带有孤对电子的氧作为碱与质子酸作用形成带正电荷的酸性中间体，底物中带部分正电荷的碳酸位与亲核试剂I-的碱位作用，同时苯酚作为离去基团离去而完成反应过程。

(17)

另外，由于诱导效应使得这类化合物的β碳上连接的氢带有了部分的正电荷而略显酸性，它能与强碱性的试剂作用而发生消除反应。方程式18就是β-H在强碱EtO-作用下遵循“反式共平面”消除规则而获得顺式烯烃的产物。这种消除过程不仅仅限于卤代烃和醇，一些磺酸酯类和铵盐类等化合物也可以发生类似的过程。

(18)

2.4 羰基类化合物

羰基类化合物是含碳氧双键的一类官能团分子。其与碳碳双键的成键相似，但该分子中的氧原子电负性比碳原子大而使π键中易流动p电子倾向于氧原子，因此产生了碳氧双键的极性即氧原子上带部分负电荷(碱位)而显亲核性、羰基碳带有部分正电荷(酸位)而亲电性。羰基化合物的官能团结构表达如下：

羰基官能团中氧显碱性易与质子酸和Lewis酸如ZnCl2、AlCl3等作用；而羰基碳的酸位亲电性与OH-、CN-、RO-、RS-、H-、R-和R1R2NH等亲核试剂作用，也就是羰基中既有酸位也有碱位，分别可以和碱、酸作用而发生化学反应。

羰基的典型反应是亲核加成(方程式19)。羰基碳的酸位与试剂的亲核基团Nu-碱位作用而使羰基双键打开，同时负电荷转移到氧原子上而使其碱性更强，它与亲电基团E+酸位作用而完成亲核加成过程，即两次酸碱作用过程。

(19)

方程式20是羰基亲核加成的例子。底物中的羰基邻位是手性碳，格氏试剂中的甲基负离子作为亲核试剂(碱位)从空间位阻小方向(Newman投影式中羰基左侧)进攻羰基碳即酸位而打开羰基双键，再经过酸性水洗而得到手性产物。这个反应经过了三个酸碱作用过程，同时反应受到底物的空间限制而实现了立体选择性，此为Cram规则。

(20)

羧酸衍生物的羰基由于受到连接基团L的电子效应影响，其往往发生加成-消除反应(方程式21)。首先带部分正电荷的羰基碳酸位与亲核试剂Nu-碱位反应而使双键打开，此时羰基碳的杂化形式由sp2转化为sp3, 形成的氧负离子作为亲核试剂进攻原羰基碳继而促使基团L离去即消除，从而完成加成-消除过程。各羧酸衍生物之间的相互转化往往就是通过该过程来完成的。

(21)

2.5 有机胺化合物

有机胺化合物是有机物中含有氮原子的一类物质总称，因氮上通常带有孤对电子而为这类化合物的官能团，俗称为有机胺碱，也为亲核试剂，其分子结构表达如下：

其可以和各类酸、卤代烃和羰基化合物等的亲电试剂即酸位发生反应。

有机胺的一个典型反应是伯胺在亚硝酸作用下生成重氮盐(方程式22)。该反应经过了两次酸碱作用和重排过程而得重氮盐中间体，其通过放氮气而形成活性的碳正离子，碳正离子的反应尤其是重排反应可以获得常规转化方法不易获得的产物。涉及含氮化合物转化重排的还有Lossen重排反应、Hofmann重排反应、Curtius重排反应和Schmidt重排反应等。

(22)

反应历程如下：

方程式23是通过重氮盐实施的碳正离子重排获得了扩环产品。环己酮和氰酸的亲核加成，再经氢化还原到伯胺，通过类频哪醇重排获得环庚酮。这个反应过程也是比较绿色的工艺。

(23)

2.6 C-H键的异裂

有机化合物主要是由碳氢两原子构成的，其中的C-H键参与反应的类型很多，这里主要探讨酸碱作用形式的Csp3-H的异裂反应。Csp3-H的异裂反应通常需要邻近基团的电子效应协助完成，教材中的经典是通过吸电子基团(EWG)使邻位的C-H活化，其活化的分子结构表达如下：

可以看出，邻近碳带有部分负电荷，其潜在可以作为亲核试剂(碱)而与亲电试剂(酸)发生化学反应。

方程式24是硝基甲烷和溴乙烷发生亲核取代反应的例子。通过硝基的吸电子效应使甲基C-H活化，氢带有部分正电荷显酸性在乙基氧负离子强碱作用下生产硝基甲烷负离子中间体，该中间体作为亲核试剂与溴乙烷亲核取代反应生成硝基丙烷。

(24)

方程式25是2,4,6-三硝基甲苯和乙醛发生亲核加成反应的例子。通过硝基的吸电子效应和苯环的共轭效应使苄甲基C-H活化，氢带有部分正电荷显酸性，其在乙基氧负离子强碱作用下生产负离子中间体，该中间体作为亲核试剂与乙醛亲核加成反应并脱水生成产物。

(25)

其反应历程如下：

方程式26是经典的Michael加成反应。丙二酸二乙酯中亚甲基在乙氧基负离子强碱作用下生产碳负离子即碱位，其与共轭环己烯酮的带部分正电荷的β位碳即酸位发生反应而使底物和试剂通过碳-碳新键连接起来。以上这些通过碳负离子发生的化学反应过程统称为缩合反应，还包括Aldol反应、Cazzarrio反应、Mannich反应、Robinson反应、Perkin反应、Knoevenagel反应、Reformatsky反应、Darzen反应、Claisen反应、Dieckmann反应和Wittig反应等。

(26)

3 离子型有机反应新视角下的有机化学教学

首先，关于酸碱作用原理对离子型有机反应的认知是随着教学的不断实践而逐渐深化的。我们开始在有机化学教学中也遇到了课时紧、教学效果不理想等情况，于是我们尝试把搞科研的思路搬到有机化学教学研究中来，查阅文献后学习并实践各方先进教学理念和手段，但小范围实践效果还是不能令人满意，分析原因是有机化学知识内容多和大多数学生学习难以上手，最终还是回归研究教材后才有了收获。事实上，有机化学知识虽然自成体系，表达方式往往也有别于无机化学，但它们的思想精髓或知识逻辑是一致的，结构和性质的关系是它们的主线，然而这个主线在官能团为章节内容编排下显得有机化学知识冗长。用酸碱理论从新的角度认知有机离子型反应则会发现此能概括所有官能团的基本化学性质，这也是有机化学的主要内容。因此，我们在有机化学课程教学中重新编排了现有的教材内容，从酸碱作用方面把握其内在联系则能方便地处理有机化学内容多、课时少的问题。课时少的讲授有机化学知识内容新体系精髓并举典型例子说明，重在酸碱作用理解各类离子型反应方法；课时多的则在上述基础上多注重知识的来龙去脉，结合前沿、学科交叉，联系实际教学。实践表明，此举大大提高了教学效率。

其次，基于有机离子型反应的新认知，有机化学的新教学模式也运用而生。对于有机离子型反应的认识有了新视角后，教学模式的跟进也随之实施。一是教学内容体系的重编。我们是这样安排的：基于结构与性质主线，把重要的概念、原理梳理成系统成为一讲；接着按反应类型把有机物归纳分成几讲，烷烃等自由基反应为一讲，官能团按不同类型分成离子型反应若干讲；周环反应为一讲；其他多官能团为一讲。其他内容如有机物命名和物理性质等则转为课外自学为主。二是教学重点的转移。整体上转移到基于化学反应的学习方法和能力培养。能力的培养往往依托于教学内容，过多的讲授知识不利于能力的形成。教学中引导无机化学学习习得转移至有机化学，以点带面教学。对于离子型有机反应，拿出一个官能团进行全面深入教学，使学生完全理解和掌握用酸碱作用原理认知该官能团的各种反应，并教会方法而能灵活应用，后面的官能团教学则在上述基础上以培养能力为主。这有助于学习者的快速上手和自学能力的形成，同时也有利于其独立思考和应用能力的提升，培养了学生的思维深度。此教学模式的实施显然区别于现有教材和教学研究对有机化学内容的认知[11]。

最后，酸碱作用原理诠释有机离子型反应对有机化学教学具有改革意义，对化学教育有一定的启示作用。新视角的有机离子型反应内容的全面认识，促使了有机化学知识体系的重构，引发了教学模式改变，是从教学内容而非教学手段上解决有机知识内容多、课时少的问题，同时也提供了一个教学方法。对化学专业、学科的课程体系建设具有一定的启示作用，挖掘课程间、课程内知识体系的内在联系是关键。鉴于此，不管是新工科背景下的学科建设还是专业认证，不是课程的取舍问题，而是课程内容重构的内涵建设和提高问题[12]。

4 结语

有机化学知识发展积累迅速，现有的认识使教学内容显得庞杂，逻辑主线体现的也不很明显，也使得教学课时显得捉襟见肘。虽然结合现代先进教学技术在方法和手段上采取了很多措施，但仍没有根本改变其教学困境。从反应类型的角度重新梳理和认识有机化学知识体系，尤其是占有机知识绝对大比例的离子型有机反应，此既可衔接课程间的知识联系，又能强化有机知识的内在系统性。实践证明，酸碱作用原理认识有机离子型反应，不但能统一认知，而且能从反应机理本质上理解反应过程，更重要的是在学生有机思维方法的建立和多种能力的培养上是有积极意义的。