原子化学环境思维的教学初探

刘帅 蔡小蔓

摘要：在有机物分子中，不同碳原子的化学环境是不同的。结合案例介绍了应用原子化学环境思维的方法，分析有机物分子中某个特定原子的周围原子和原子团，进而有利于深入理解有机物分子的真实立体结构以及化学性质，有效建立其宏微关系。实践表明，这种动态的微观思维方法有助于有机化学教学。

关键词：原子化学环境；构性思维；化学思维

文章编号：1005–6629（2016）8–0070–04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

著名心理学家华生曾说，“给我几个初生的婴儿，我可以把他们培养成科学家、艺术家甚至是小偷、诈骗犯”。由此可见成长环境足以改变一个人的生命状态。有机物亦是如此，同样是氢原子，因其所处化学环境不同而呈现不同的化学性质。如烷基上的氢原子与碳原子电负性相当，故而易发生自由基型取代反应；芳基上的氢原子受屏蔽效应明显，故常需要在酸催化下发生亲电型取代反应；醇羟基上的氢原子受到氧原子的吸电子作用，故而容易异裂发生取代反应，由此可见原子化学环境足以改变一种有机物的“生命状态”。

1 原子化学环境思维

通过对几种中学化学期刊的文献调研发现，关于原子化学环境的教学研究甚少。但纵观大学有机化学教材，我们不难发现原子化学环境思维在有机化学学习中应用广泛[1]。人教版教材选修5第一章第四节以及近五年全国高考理综（Ⅰ）卷中分别两次提到了化学环境，近五年全国高中化学竞赛（初赛）中分别四次提到了化学环境。笔者在教学实践中反复渗透原子化学环境思维，且深刻体会到构建此学科思维有助于学生深入理解有机物结构和性质之间的关系，为学生自主学习有机化学提供了思维方法[2]。

2 有机物原子化学环境的理论研究

1HNMR（核磁共振氢谱）和13CNMR（核磁共振碳谱）理论研究，以乙烯和乙烷为例：

在相同频率电磁辐射波的照射下，不同化学环境的质子受的屏蔽效应各不相同，因此它们发生核磁共振所需的外磁场也各不相同，即化学位移也各不相同。通过对乙烷和乙烯的核磁共振模拟实验（由CambridgeSoft公司开发ChemDraw软件完成），我们发现乙烯1HNMR中氢原子化学位移为5.25ppm，乙烷为0.86ppm，乙烯13CNMR中碳原子化学位移为122.5ppm，乙烷为6.6ppm，即这两种物质中氢原子的化学环境完全不同，碳原子的化学环境亦不同[3]。

3 原子化学环境思维的应用案例

3.1 核磁共振氢的种类判断问题

通过文献研究，笔者发现大多数教师在讲授核磁共振氢种类的判断中采用了等效氢法[4]和对称轴法[5]。这两种解题方法确实有效，但会给学生增加记忆负担且无法帮助学生构建部分陌生有机物的真实立体结构，不利于化学思维的培养[6]。基于此，笔者探索将原子化学环境思维应用在氢的种类判断教学中并取得了良好的效果。

人教版选修5教材利用氢原子化学环境的不同来区分两种同分异构体乙醇和二甲醚[7]。课堂教学中教师引导学生首先观察乙醇球棍模型甲基上的氢（见图2），然后通过旋转碳碳单键，引导学生观察H1、H2和H3周围原子和原子团，而后构建其具有相同化学环境的结论。同理，通过旋转共价键可以帮助学生发现H4和H5具有相同的化学环境，且H6具有独特的化学环境。球棍模型中明显不同的空间位置让学生顺利区分这三类氢原子。同理亦可以通过旋转两个碳氧单键发现二甲醚中（见图3）六个氢原子具有相同的化学环境。

通过培养这种动态的微观思维进行结构分析，学生对有机物的真实立体结构理解更加深刻[8]。对于常见核磁共振氢的种类判断问题只需要观察某个氢原子周围原子或周围原子团的连接方式，即可以方便地判断氢原子的种类。

如甲苯（见图4）H1和H5两侧分别连有甲基和氢原子，而且距离甲基都间隔了两个碳原子，所以它们的化学环境相同。H2和H4两侧都连有氢原子，而且距离甲基都间隔了三个碳原子，所以它们具有相同的化学环境。H3和H4虽然两侧都连有氢原子，但是距离甲基间隔了不同数目的碳原子，所以它们具有不同的化学环境。

在教学实践中，部分学生采用对称轴的方法，误以为CH3COOCH3两边甲基上的氢具有相同的化学环境。但通过应用原子化学环境思维教学后，学生能独立分析该物质的真实立体结构并发现H4～H6（见图5）旁边连接的是碳氧双键，H1～H3旁边连接的是氧原子，化学环境明显不同。

3.2 顺反异构问题

教材上定义两个相同的原子或原子团排列在双键的同一侧称为顺式结构，反之为反式结构[9]。在新授课中构建顺反异构概念时，有些学生误以为顺-2-丁烯和反-2-丁烯是同种物质。实际教学发现原子化学环境思维可以帮助学生顺利区分这两种物质。教师可创设教学情境，让学生独立拼接这两种物质的球棍模型，然后尝试旋转球棍模型中的化学键（见图6和图7）。在不破坏共价键的前提下，不论学生如何旋转化学键，均不能使图7中H7和H8位于双键平面的同侧，表明这两种烯烃结构完全不同，是两种不同的有机物。

3.3 取代产物种类数的判断问题

当准确判断出某有机物中有多少种化学环境的氢之后，其取代产物的种类数便容易确定了。如甲苯苯环上有三种化学环境的氢，所以其苯环上一取代产物就有三种；如对二甲苯苯环上只有一种化学环境的氢，所以其苯环上一取代产物就只有一种。如邻甲基苯酚苯环上有四种化学环境的氢，所以其苯环上一取代产物就有四种（见图8）。

3.4 加成产物种类数判断问题

笔者在教学实践中发现，部分学生容易忽略烯烃的不对称加成。通过培养原子化学环境思维，分析溴原子在1号位和2号位化学环境的不同，可以区分不对称单烯烃的两种加成产物（见图9），提高学生书写烯烃不对称加成产物的完整性。

3.5 高考有机信息反应仿写类问题

全国高考理综有机试题常以高中学生感到陌生的有机反应为载体，考察其解决化学问题的能力。应对这类有机信息试题，需要掌握分析有机物结构的理论方法，找出具有相似化学环境的原子或原子团，并最终发现原子间的偶联方式。以2013年广东卷第30题为例，题目信息给出物质Ⅰ和Ⅱ反应生成Ⅲ，要求写出物质a和b反应的产物c。

该信息反应机理如下：（1）羰基和酯基都是吸电子基，其邻位碳的电子云密度比较小，碳氢键容易异裂形成较稳定的碳负离子；（2）醇羟基容易质子化，使得碳氧键被高度极化，电子云偏向氧原子，碳原子带部分正电荷；（3）碳负离子亲核进攻碳正离子，水分子离去，形成稳定产物。

通过对比分析我们发现物质Ⅰ和a圆圈中的氢原子具有相似的化学环境。因为a中苯环和碳碳叁键形成离域大π键，溴原子电负性较强，同样使得碳氢键容易异裂形成较稳定的碳负离子。物质Ⅱ和b方框中的羟基具有相似的化学环境，于是找出碳碳键的偶联方式，最终顺利写出产物c。

3.6 全国化学竞赛有机产物分析类问题

中国化学会第24届全国高中学生化学竞赛（省级赛区）第9题中要求画出下列两个转换中产物1、2和3的结构简式，并简述在相同条件下反应，对羟基苯甲醛只得到一种产物，而间羟基苯甲醛却得到两种产物的原因。

对羟基苯甲醛和间羟基苯甲醛分别具有醛基和酚羟基，其中两个醛基拥有不同的化学环境，两个酚羟基也拥有不同的化学环境，所以它们在相同条件下所发生的反应也不同，需要分析各自官能团的化学环境来解释产物的不同。

酚在碱性溶液中会以酚盐负离子的形式存在，与长链正烷基溴发生取代反应形成芳香醚类化合物（如虚线圆圈所示）。由于羟基化学环境的差异性，使化合物1和2的产率不同[10]。连在苯环上的羟基或烷氧基对苯环的对位比对苯环的间位有更强的给电子共轭效应和更弱的吸电子诱导效应，致使处于间位的醛基比处于对位的醛基具有更强的亲电性，所以在碳酸钾的弱碱条件下，对羟基苯甲醛与丙酮不发生缩合反应，而间羟基苯甲醛可与丙酮发生经典的羟醛缩合反应，生成产物3。

原子化学环境思维可以帮助学生建立有机化学的构性思维，深入理解有机物的真实结构和化学性质[11]。课堂中长期渗透化学环境思维后，学生不仅能正确分析复杂化合物中氢原子或某些原子团的化学环境，还能从容面对信息题中各种复杂化合物的结构分析，通过类比关键原子或原子团的化学环境，主动对接已有化学知识，理解陌生信息。

参考文献：

[1][3]邢其毅等.基础有机化学[M].北京：高等教育出版社，2005：193～225.

[2]郅庭瑾.教会学生思维[M].北京：教育科学出版社，2001：2～11.

[4]高峰.用“等效氢”法巧解同分异构体的有关习题[J].安庆师范学院学报（自然科学版），2004，（2）：126～128.

[5]王守浩.利用对称性找取代产物同分异构体[J].化学教育，2003，（5）：39～40.

[6]陈星勇等.以化学学科思想方法为统领的课堂教学模式探讨[J].化学教育，2014，（23）：5～8.

[7][9]宋心琦主编.普通高中课程标准实验教科书·有机化学基础（选修5）[M].北京：人民教育出版社，2007：22～23，31～32.

[8]江丕权，李越.教学改革与思维能力的培养[J].清华大学教育研究，2000，（3）：123～131.

[10]赵鸿斌等.系列长链烷氧基苯甲醛的合成研究[J].化学研究，2001，12：19～22.

[11]张文广.性构相依思想的阐释及其教学实践探索[D].上海：华东师范大学博士学位论文，2009：59～63.