導(dǎo)語(yǔ)：前沿科學(xué)有機(jī)化學(xué)教學(xué)研究一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

[摘要]在基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)的理論教學(xué)中，將學(xué)科的最新發(fā)展動(dòng)態(tài)和研究成果引入課堂，不僅可以調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，還能幫助學(xué)生開拓視野，增強(qiáng)探索意識(shí)，培養(yǎng)創(chuàng)新思維，提高科研素質(zhì)和能力等，最終實(shí)現(xiàn)授課過程中的“興趣驅(qū)動(dòng)，水到渠成”。

[關(guān)鍵詞]有機(jī)化學(xué)，前沿科學(xué)，教學(xué)效果

近年來(lái)，隨著有機(jī)化學(xué)與其他學(xué)科之間的交叉滲透，使得有機(jī)化學(xué)研究領(lǐng)域的發(fā)展更加迅速，研究?jī)?nèi)容更深入、更廣泛。盡管有機(jī)前沿領(lǐng)域新思路、新方法層出不窮，甚至包括對(duì)一些經(jīng)典有機(jī)化學(xué)理論的修正和完善，但是在傳統(tǒng)的有機(jī)化學(xué)課程中將最新的科研動(dòng)態(tài)及研究成果引入課堂的情況卻非常少見。大多數(shù)教師僅注重基礎(chǔ)理論知識(shí)的介紹，局限于教材，使基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)的學(xué)習(xí)變得枯燥無(wú)味，不僅打擊學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和積極性，最終還會(huì)影響學(xué)習(xí)成效。為適應(yīng)現(xiàn)代有機(jī)化學(xué)教學(xué)的要求，提高教學(xué)質(zhì)量，在傳統(tǒng)教學(xué)課堂中有目的性的引入有機(jī)化學(xué)領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展，通過教學(xué)與科學(xué)前沿相結(jié)合，加深學(xué)生對(duì)傳統(tǒng)理論知識(shí)的理解的同時(shí)，拓展學(xué)生視野，激發(fā)學(xué)生的好奇心與興趣，從而加強(qiáng)師生互動(dòng)，活躍課堂氣氛，達(dá)到提高教學(xué)效果的目的。筆者結(jié)合自己在青年教師講課比賽中的心得及經(jīng)驗(yàn)，以五星教學(xué)原理為教學(xué)設(shè)計(jì)依據(jù)[1]，聚焦解決問題-激活原有知識(shí)-展示論證新知-嘗試應(yīng)用練習(xí)-融會(huì)貫通掌握，在整個(gè)教學(xué)過程中，教師需充分發(fā)揮主導(dǎo)作用，通過問題的設(shè)計(jì)和互動(dòng)，精選優(yōu)質(zhì)課程資源，利用理論聯(lián)系實(shí)際，適時(shí)地引出相關(guān)研究發(fā)展前沿，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性，充分體現(xiàn)學(xué)生的主體作用。在此我們以鹵代烷的親核取代反應(yīng)為例，介紹如何將有機(jī)前沿成果引入到基礎(chǔ)理論教學(xué)中來(lái)深化教學(xué)內(nèi)容的。

1鹵代烷雙分子親核取代反應(yīng)(SN2)

現(xiàn)代關(guān)于鹵代烷雙分子親核取代反應(yīng)的機(jī)制是基于英國(guó)倫敦大學(xué)的Hughes和Ingold的工作，他們提出SN2反應(yīng)是一步完成的協(xié)同反應(yīng)，親核試劑(Nu)從反應(yīng)物離去基團(tuán)(X—)的背面進(jìn)攻中心碳原子，隨后舊鍵的斷裂與新鍵的形成同時(shí)發(fā)生，反應(yīng)經(jīng)過瓦爾登轉(zhuǎn)化得到構(gòu)型完全翻轉(zhuǎn)的取代產(chǎn)物。通常為了形象的再現(xiàn)瓦爾登轉(zhuǎn)化過程，加深學(xué)生的印象，我們會(huì)采用“大風(fēng)逆向吹傘”的比喻并借助多媒體演示SN2反應(yīng)的這一特點(diǎn)。目前，對(duì)于SN2反應(yīng)的機(jī)理介紹，基本所有的有機(jī)化學(xué)教材都是采用Ingold經(jīng)典理論，但是2016年明尼蘇達(dá)大學(xué)的JingXie和得克薩斯技術(shù)大學(xué)的WilliamL.Hase在國(guó)際頂級(jí)期刊《science》上又提出了新見解——重新看待SN2反應(yīng)[2]。在此之前，為了研究SN2反應(yīng)的詳細(xì)機(jī)理，包括現(xiàn)任德國(guó)總理默克爾在內(nèi)的很多科學(xué)家，已經(jīng)完成了X-+CH3Y→XCH3+Y-型氣相反應(yīng)的許多實(shí)驗(yàn)和計(jì)算研究，但這些近期研究和以往的工作都說(shuō)明了傳統(tǒng)的SN2反應(yīng)模型的局限性、不完備性，要建立理論模型以捕捉SN2反應(yīng)動(dòng)力學(xué)所有原子機(jī)理的細(xì)節(jié)，科學(xué)家們還需要繼續(xù)深入的研究。此時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)到書本上的知識(shí)是有限的，科學(xué)的發(fā)展是無(wú)限的，只有不斷地進(jìn)行科學(xué)實(shí)踐，才能全面的發(fā)展和認(rèn)識(shí)科學(xué)。同時(shí)，讓學(xué)生了解科學(xué)研究的艱巨性，鼓勵(lì)學(xué)生通過閱讀文獻(xiàn)資料等，主動(dòng)探索科學(xué)知識(shí)，培養(yǎng)其獨(dú)立分析問題和解決問題的能力。雖然SN2反應(yīng)的機(jī)理目前仍然沒有完全弄清楚，但是其在前沿科學(xué)的應(yīng)用卻再次開啟新篇章。2018年5月，英國(guó)牛津大學(xué)的Veroniqu教授及其同事設(shè)計(jì)出一種新型的手性雙脲催化劑，該催化劑可通過多重氫鍵作用識(shí)別堿金屬氟化物中的氟離子，從而增強(qiáng)其在有機(jī)溶劑中的溶解性及親核性，并能在手性基團(tuán)的控制下高對(duì)映選擇性地實(shí)現(xiàn)鹵代烷烴的不對(duì)稱親核氟化反應(yīng)[3]。他們利用非手性的β-溴代硫化物首先發(fā)生分子內(nèi)SN2反應(yīng)，原位生成內(nèi)消旋的三元雜環(huán)硫鎓離子，隨后與手性氫鍵給體催化劑結(jié)合的氟離子對(duì)內(nèi)消旋環(huán)硫化合物，進(jìn)行SN2類型的不對(duì)稱親核開環(huán)反應(yīng)，從而一步生成含硫、氟兩個(gè)相鄰手性中心的化合物(圖1)。這一研究成果不僅推動(dòng)了親核氟化反應(yīng)在有機(jī)氟化學(xué)中的應(yīng)用，而且還促進(jìn)了無(wú)機(jī)鹽親核試劑參與的不對(duì)稱親核取代反應(yīng)，為不溶性及惰性無(wú)機(jī)鹽親核試劑的活化提供了新的策略。通過SN2反應(yīng)的最新應(yīng)用研究成果，激發(fā)學(xué)生探索科學(xué)新領(lǐng)域，強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)理論永遠(yuǎn)也不會(huì)過時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生加強(qiáng)基礎(chǔ)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，由“簡(jiǎn)單理論”做出啟發(fā)性的發(fā)現(xiàn)，揭示更多前沿科學(xué)真理。

2鹵代烷單分子親核取代反應(yīng)(SN1)相比較

SN2反應(yīng)，SN1反應(yīng)分為兩步進(jìn)行，其中鹵代烷解離為碳正離子中間體(C＋)和鹵負(fù)離子(X-)，這一步是速控步驟，因此SN1反應(yīng)的速率僅由底物鹵代烷決定，隨后親核試劑(Nu)從平面構(gòu)型的C＋的正面和背面進(jìn)攻，由于從兩側(cè)進(jìn)攻幾率相當(dāng)，最終得到等量的構(gòu)型保持和構(gòu)型翻轉(zhuǎn)產(chǎn)物，即生成外消旋化產(chǎn)物。由于SN1反應(yīng)過程中生成的C＋存在不穩(wěn)定性及高反應(yīng)活性，使得它容易發(fā)生重排、消除等副反應(yīng)，并且由于其平面結(jié)構(gòu)，反應(yīng)產(chǎn)物的立體選擇性很難控制，這也使得SN1反應(yīng)在有機(jī)合成中的應(yīng)用受到限制。傳統(tǒng)教學(xué)講到此就結(jié)束了，但是我們?cè)谡n堂上做進(jìn)一步拓展，不少實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：SN1反應(yīng)中構(gòu)型翻轉(zhuǎn)的產(chǎn)物實(shí)際上要多于構(gòu)型保持的產(chǎn)物，也就是說(shuō)最終并沒有得到外消旋體。Winstein提出用離子對(duì)機(jī)理解釋這一實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，他認(rèn)為底物分子按緊密離子對(duì)-溶劑分離子-自由離子的可逆過程進(jìn)行解離的，在SN1反應(yīng)中，親核試劑可以在其中任何一個(gè)階段進(jìn)攻而發(fā)生親核取代反應(yīng)，如果親核試劑進(jìn)攻緊密離子對(duì)，由于R＋與X—結(jié)合比較緊密，親核試劑必須從X—的背面進(jìn)攻得到構(gòu)型翻轉(zhuǎn)的產(chǎn)物；溶劑分離子對(duì)間的結(jié)合不如緊密離子對(duì)密切，最終消旋的產(chǎn)物占大多數(shù)；自由離子由于碳正離子是一個(gè)平面結(jié)構(gòu)，親核試劑進(jìn)攻正背面幾率相當(dāng)，得到完全消旋的產(chǎn)物。此時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生分析該解離平衡式，如果能夠控制反應(yīng)分子優(yōu)先生成緊密離子對(duì)，同時(shí)加入一種能夠識(shí)別進(jìn)攻緊密離子對(duì)某一面的親核試劑，那么控制SN1反應(yīng)產(chǎn)物立體構(gòu)型的問題也就迎刃而解。根據(jù)這一思路順其自然的引入SN1反應(yīng)的最新進(jìn)展——高對(duì)映選擇性的SN1反應(yīng)[4]。

2018年4月，哈佛大學(xué)的Eric教授課題組在Nature上報(bào)道了利用手性方酰胺氫給體催化劑1a與Lewis酸促進(jìn)劑(TMSOTf)的協(xié)同作用下，快速反應(yīng)生成休眠態(tài)(resting-state)復(fù)合物1a-TMSOTf，隨后與炔丙基乙酸酯反應(yīng)生成離子對(duì)中間體(圖2)，這一步是整個(gè)過程的速控步驟，并且有效的避免了碳正離子中間體的重排、消除等副產(chǎn)物生成，成功實(shí)現(xiàn)了SN1反應(yīng)對(duì)映選擇性的高水平調(diào)控，并合成了一系列具有季碳中心的手性化合物。這一研究成果不僅成功實(shí)現(xiàn)了不對(duì)稱的SN1反應(yīng)，解決了一百多年來(lái)制約SN1反應(yīng)發(fā)展的難題，而且還證明了SN1反應(yīng)中的離子對(duì)機(jī)理，也為不對(duì)稱催化研究開辟了新的領(lǐng)域。通過對(duì)SN1反應(yīng)前沿進(jìn)展的介紹，既深化了我們的傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容，又開拓了學(xué)生的視野和思維，讓他們切實(shí)感受到有機(jī)化學(xué)的魅力及重要意義。同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生課下主動(dòng)查閱文獻(xiàn)資料，小組學(xué)習(xí)并探討相關(guān)內(nèi)容。實(shí)踐表明，將有機(jī)化學(xué)前沿發(fā)展引入傳統(tǒng)教學(xué)課堂，雖然增加了教學(xué)信息量，但是這樣不但不會(huì)影響正常的教學(xué)工作，反而有效地提高了教學(xué)質(zhì)量和效果，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，提升了學(xué)生的探索意識(shí)，優(yōu)化知識(shí)結(jié)構(gòu)，讓學(xué)生對(duì)某些問題有了新的認(rèn)知。與此同時(shí)，時(shí)刻關(guān)注相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)前沿發(fā)展，及時(shí)更新教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)動(dòng)態(tài)，既順應(yīng)了學(xué)科發(fā)展的潮流，又促進(jìn)了高校教師自身科研事業(yè)的發(fā)展和教學(xué)質(zhì)量水平的提升。

參考文獻(xiàn)

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作者:楊芳 紀(jì)克攻 單位:西北農(nóng)林科技大學(xué)