氧化数与静电感应在有机化学教学中的应用

陶弘清

摘要：高中有机化学的课本呈现和一般教学过程大多注重有机物转化的框架体系，以讲述有机转化事实为重点。这种模式下学生要对有机过程的本质进行探究存在很多困难。尤其是需要利用电子效应才能进行分析的有机反应，学生既不具有相关的知识基础，也不具备相应的分析能力。面对这种现状本文尝试利用高中化学氧化数概念以及高中物理静电感应的相关知识建立分析模型，利用高中学生现有知识从不同角度来理解电子效应和有机反应本质，实现学生化学学科核心素养尤其是证据推理与模型认知素养的培养。

关键词：氧化数;静电感应;电子效应;模型认知

文章编号：1008-0546（2022）04-0028-04

中图分类号：G632.41

文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.04.006

在高中有机化学的教学过程中往往以各类有机物之间的相互转为为框架，利用相关方程式为载体，突出了各类有机物官能团的转化和相应的性质。这种教学模式对于初步建立学生的有机化学知识体系框架非常有利。但是其重事实轻理论分析的特点，往往使得学生在有机化学学习深入的过程中遇到理论分析或推测探究性问题时，完全找不到合理的理论切入点，基本不能形成有效的分析思路。导致学生对课内知识得心应手，却对有一定信息背景的拓展型问题束手无策。面对这种教学现状，一线教学过程中希望在原有框架上添加深入微观结构层面的有机物结构性和原理性知识的呼声越来越高。但是大量有机物结构性和原理性的理论知识往往艰深难懂，在一线教师讲授以及学生理解的过程中都存在很多困难。所以如何用高中语言讲好这些理论知识，实现讲解过程中的知识降维处理，是当下有机教学中的一个重要课题。本文尝试跨学科结合高中化学的氧化数概念以及高中物理中的静电感应模型，来解决有机化学中电子效应部分知识的理解和应用，强化学生对有机化学反应本质的认识，在有机化学领域建立起证据推理与模型认知的化学学科核心素养。

一、氧化数视角下的电子效应

1.电子效应的基本内容和教学中存在的问题

电子效应是解释有机物性质，阐述有机反应历程的重要工具。它是指在大多数有机反应中，由于分子中取代基的极化作用，使分子某些部分的电子密度下降或上升，从而带部分正电荷或部分负电荷，称为电子效应[1]。电子效应具体还可以根据极化作用方式细分为诱导效应、共轭效应、超共轭效应、场效应等或根据极化作用结果分为给电子效应或吸电子效应。利用电子效应可以很好地解释有机化学反应中的选择性问题，如利用甲基的给电子诱导效应（图1）解释丙烯不对称加成中的马氏规则;利用羟基的给电子共轭效应（图2）解释苯酚与浓溴水发生取代时苯环上的邻对位定位效应。

电子效应虽然有强大的理论阐释能力，但是核心的结构知识却不在学生的知识框架中，所使用的分析描述方法如电子流向箭头以及电性表示符号δ+、δ-对学生来说也十分陌生，很难迅速理解其背后的含义和使用方法。所以在学生理解原理和学会应用的过程中还需要适当的支架来连接电子效应和学生旧有的知识，搭建好知识跨越的台阶。

2.利用氧化数解决部分电子效应问题

电子效应中诱导效应是指由于共价键两侧的原子或基团吸引电子（电负性）能力不同导致成键电子云沿着原子链向某一侧偏移的效应。这种电子云的偏移就导致某些原子或基团带有部分的负电荷（用δ-表示）、某些原子或基团带有部分的正电荷（用δ+表示）。通过电子云的偏移和电性的关系，不难发现高中知识中用于表征形式电荷的氧化数概念可以与诱导效应发生一定的迁移关系。

氧化数的正负正是由于电子分配的不均衡而形成，所以它可以用来表征元素在化合物中的形式电荷。其中氧化数为正值的原子就是正电荷的中心、氧化数为负值的原子就是负电荷的中心。通过氧化数就可间接完成诱导效应的分析，然后指导对有机反应的分析。例如下面以丙酮与氢氰酸加成为例进行分析：

（1）先判断丙酮中官能团羰基和氢氰酸中原子的氧化数，其中-CN作为整体进行氧化数分析，所得的结果如图3。

（2）根据氧化数的判断转化为电性，正电荷中心用δ+表示，负电荷中心用δ-表示，所得结果如图4。

（3）根据电性对正负电荷中心进行重新组合作用，同性电荷中心相互组合由于互斥导致产物不稳定，异性电荷中心相互吸引得到稳定的产物。这类分析方法还可以把有机反应与学生熟知的无机复分解反应过程进行练习，进一步降低了知识理解的难度和知识体系的关联性。具体分析如图5。

以上分析过程虽有一定程度的简化，但是利用了学生已有的氧化数模型，合理降低了诱导效应的知识维度。符合化学学科证据推理与模型认知的核心素养要求，也为大学有机化学中亲电、亲核概念打下一定基礎，增强了不同层级知识间的关联性和连贯性。

二、静电感应的应用与电子效应

利用氧化数模型可以较好地解释化学键的电子云偏移和反应中的电性组合问题，但是对于一些位置选择类型的问题，氧化数模型却不能给出很好的解释。例如在苯酚当中，酚羟基邻对位的C原子和间位的C原子氧化数均为-1，为何溴化过程中硝基选择了邻对位反应而不在间位反应。显然氧化数模型已经不能单独解决这类问题，还需要另外的模型加以补充，这里就可以用到物理中的静电感应模型来解释一系列由电子效应引发的有机反应选择性的问题。

1.静电感应模型概述

静电感应是指在外部电场，如某些带电体的作用下导体中电荷在导体中重新分布的现象[2]。例如图6中A和B是连接的金属导体，其上各自贴有金属箔。把一个带正电的金属球C移近导体A，此时导体A因静电感应带上了相应负电，远离C的导体B则带上了与A等量的正电，贴在导体上的金属箔也因为导体带电而张开。

静电感应产生的主要原因是在外加电场的作用下，导体中的电子定向移动，由于电荷同性相斥，异性相吸，正负电荷就会出现转移。而在有机物中也存在类似的电荷转移过程，例如苯酚中羟基的给电子共轭效应，使得苯环上出现了正负电荷相间隔的情况（见图2）。但是给电子共轭效应的结构要求比较高，高中学生往往不具备分析复杂共轭体系的知识能力。是否可以利用静电感应来分析有机物中电性的分布，本文将从三类情况出发分析建立模型。

2.静电感应与苯环取代基定位效应

苯是典型的非极性分子，这表明虽然在苯分子中存在大π键，但是电荷分布是均匀的，并没有出现负电荷集中或正电荷集中的碳原子，所以苯环中的六个碳原子是等价的。而苯酚分子则可以拆分为羟基和苯环两个部分，由于羟基的存在改变了苯环上的电荷分布。由于直接和苯环相连的羟基氧是负电荷中心可被视为外加的负电荷，那么苯环大π键的离域电子将受到羟基氧的静电感应，在与羟基相连的碳上将会感应出正电荷，而这个碳原子将继续感应苯环上的其它碳原子，使得苯环上交替出现正负电荷中心。该分析过程与电子效应分析结果一致，实际是对电子效应本质的阐释，电子效应中电子诱导或共轭的根本作用力来源正是静电作用。其具体过程可以用图7示意。

浓溴水中的溴单质如果与苯酚作用，该过程溴原子将得到电子被还原，所以缺乏电子的溴显然会作用在负电荷比较集中的酚羟基邻对位碳上。通过以上氧化数和静电感应分析，可以帮助高中生在现有知识框架下确定苯酚与浓溴水反应的定位结果，也可以为后续电子效应的学习打下分析其本质的基础。

类似的分析流程也可以得到硝基苯继续硝化过程中，苯环上硝基的间位定位效应（图8）。

从结果来看，利用氧化数与静电感应结合的分析结论与共轭效应分析结论基本一致。

3.静电感应与马氏规则

在高中有机化学中除了苯环上取代基具有定位的选择性，烯烃的不对称加成过程中也同样存在选择性问题。在高中课本中会提到马尔科夫尼科夫规则即马氏规则，但是该规则的描述过于经验化，教学中则演化为“氢上加氢”口诀的记忆。学生完全抓不到规则背后的内涵，形成了对有机知识探究的障碍。出现这一问题的根本在于解释马氏规则的过程中除了涉及到诱导效应还会用到碳正离子的稳定性和超共轭电子效应，相较于诱导效应和共轭效应都更大地超越了学生现有的知识，教师很难进行深入细致的讲解。但是抛开碳正离子的稳定性和超共轭电子效应其复杂的理论描述，追究以上理论的根本還是有机物中电性分布。所以该类问题依然可以使用氧化数与静电感应结合的方法进行分析和处理。

以丙烯与氯化氢加成的反应为例，可以将丙烯划分为碳碳双键和甲基两个部分，其中甲基上的碳原子氧化数为-3，可以视为负电荷中心，将对碳碳双键上的电子产生静电感应，使得靠近甲基的双键碳原子感应出正电荷，远离甲基的双键碳原子感应出负电荷。这样的电性分布结果就使得氯化氢中正电荷中心的氢原子将作用到远离甲基的双键碳原子上，而该碳原子恰好是氢数较多的碳，体现出了“氢上加氢”的规则（图9）。

静电感应模型分析可以让马氏规则的使用不再经验化，并且还可以解释处理部分反马氏规则的情况。例如3，3，3-三氟丙烯与卤化氢的加成，因为三氟甲基上的碳不同于甲基上的碳，其所显的是正价，是正电荷中心，静电感应情况正好与甲基相反，所以该反应的结果是反马氏规则的（图10）。

4.静电感应与有机物酸性

静电感应模型除可以分析反应选择性之外还可以对有机物本身的一些性质进行说明分析，如有机酸的酸性问题。表1列举了几种羧酸的pKa值[3]。

大部分有机物的酸性可以理解为羟基中氧氢键的共用电子对在一定作用下偏向氧原子造成共价键的异裂，氢以氢离子的形式电离。从造成有机物酸性的原理上来看，改变氧氢键中电子对偏离情况就可以改变有机物酸性的强弱。结合表1可以明显发现与羧基直接相连原子可以通过不同的静电感应影响酸性。其中乙酸、碳酸和碳酸氢根中与羧基相连的是氧化数为负的C、O原子，静电感应的结果是羧基的负电荷相对会向羟基中氢一侧移动，增加了电离的难度，其酸性相对较弱。而在甲酸和三氯乙酸中与羧基相连的是氧化数为正的C、H原子，静电感应的结果是羧基的负电荷相对会向羟基中氧一侧移动，价低了电离的难度，使得物质的酸性相对较强。

三、总结与反思

在有机化学的学习过程中，除了搭建有机物类型框架之外，渗透有机反应的原理，培养对有机反应进行分析的意识都是构建化学核心素养的必要基础。从氧化数和静电感应这类简单模型切入，正是想利用不同的角度来说明电子效应、有机反应选择性等原理问题，意在深化学生对有机化学本质的理解，使学生把握有机化学的内在逻辑，强化高中知识对复杂问题分析的有效性和迁移能力，突破一线教师在有机教学中所遇到的一些难点，改变有机教学中许多问题止于表象的现状，最终实现化学核心素养的养成。但是本文以上的尝试还停留在基础阶段，还需要在一线教学的不断地实践应用中完善，希望接下来能够更好地服务于学生的发展。

参考文献

[1]陈益，孙夕礼.从电子效应谈把握《有机化学基础》的学科内涵[J].化学教学，2016（5）：3-7.

[2]赵金凤.静电感应中对称性与叠加原理的应用[J].时代教育，2016（18）：182.

[3]丁萍，缪建.浅谈电子效应在有机化学中的应用[J].化学教学，2011（5）：52-55.