从学科发展史设计周环反应的课堂教学_马忠华.pdf

254 Univ.Chem.2023,38(1),254261 收稿：2022-01-28；录用：2022-03-21；网络发表：2022-04-02*通讯作者，Email: 基金资助：华中农业大学“课程思政”示范建设研究课题(sz2021101)师生笔谈 doi:10.3866/PKU.DXHX202201056 从学科发展史设计周环反应的课堂教学从学科发展史设计周环反应的课堂教学 马忠华*，项勇刚，曹秀芳，马济美 华中农业大学理学院，武汉 430070 摘要：摘要：在有机化学教学内容中，周环反应不介绍官能团的性质，内容相对独立，理论性强，突出从分子轨道空间排布阐述有机反应的机理。尤其量子力学理论的引入，使周环反应的结果能够被合理“预测”，这对于有针对性地设计化合物的合成路线很有指导意义。但是，抽象、枯燥的理论使教学难度增加，同时引发学生对于本章内容在学科应用中如何定位的困惑。本文探讨了在教学中，如何聚焦基本知识点，对周环反应理论进行简化处理，采用周环反应研究史中经典的福井谦一的理论萌芽与发展，以及Dewar苯衍生物、维生素B12片段的合成等实践案例，丰富教学内容，激发学生内在的学习兴趣，培养学生立足实践，推进理论思考与创新，同时培养学生对学科发展规律的辩证认识。关键词：关键词：周环反应；轨道对称守恒；Dewar苯；二苯乙烯；维生素B12 中图分类号：中图分类号：G64；O6 Designing a Classroom Teaching Methodology for Pericyclic Reactions Based on Discipline Development History Zhonghua Ma*,Yonggang Xiang,Xiufang Cao,Jimei Ma College of Science,Huazhong Agricultural University,Wuhan 430070,China.Abstract:In the teaching of organic chemistry,the pericyclic reaction involves learning a large amount of theory,with a focus on explaining the reaction mechanisms in terms of molecular orbitals,apart from analyzing functional groups.The use of quantum mechanics to explain the pericyclic reaction is helpful as it can predict the products and design the synthetic route.However,classroom teaching can face immense challenges in this regard,due to the abstract theory and confusing application prospects of quantum mechanics.This article attempts to rationally simplify the complex principle of the pericyclic reaction and elucidate it from the point of view of synthesis applications.Classic cases of scientific practice in teaching,such as Fukuis observation and prediction,Dewar-benzene conversion,and VB12 synthesis are discussed.This methodology would not only enable students to understand basic principles in depth,but also cultivate in them a scientific and systematic thinking approach to solve complex problems.Key Words:Pericyclic reaction;Conservation of orbital symmetry;Dewar-benzene;Stilbene;Vitamin B12 有机化学基于电子分布和空间结构认知化合物，探究反应机理，进而阐述不同类别反应的特征和应用。电子的重新分布导致共价键可能发生异裂或均裂，对应则发生电荷反应或自由基的变化。周环反应的电子变化规律有所不同，它的基本理论认为，反应通过环状过渡态协同进行，一步同时完成多个键的断裂与生成，不能局限于从电子分布对价键变化进行描述，需要考虑轨道空间结构和No.1 doi:10.3866/PKU.DXHX202201056 255能级，这无疑会加大教与学的难度。教学中一般注重于阐述周环反应的理论逻辑，内容容易显得“骨感”。初学者难以将理论与实践关联起来，往往产生“能干什么”的困惑，这不利于学习接受新的理论。本文探究在教学中，如何帮助学生理解周环反应在有机反应中的地位，对周环反应发展历史中的典型案例进行重构，结合基本知识点与历史背景，提升学生学习兴趣，让学生辩证地认识理论和实践在化学学科发展中相互促进、不可或缺的作用。1 周环反应对认知学科发展的意义周环反应对认知学科发展的意义 有机化学是在研究生命活动现象、变化规律和物质性质的实践中最早形成的学科分支之一，侧重于指向实践性的问题，为研究生命运动的规律提供必备的基础知识与实践条件1，早期的化学学科极度注重“经验性”知识。周环反应理论，最具代表性的是在20世纪5060年代形成的福井谦一(K.Fukui)的前线轨道理论和霍夫曼(R.Hoffmann)的轨道对称守恒原理。量子力学理论被引入化学，解释和指导研究复杂的化学变化，促使化学学科向“非经验性”转变，是现代有机化学发展史上的一个里程碑2,3。这两个理论深受早期的有机电子学说(价键理论和分子轨道理论)的影响。尤其价键理论，在我们现在有机化学课程的各章节内容中，仍然被广泛用于对官能团性质和化学反应的探究。前线轨道理论和轨道对称守恒原理，使化学工作者无需经过复杂的理论计算，即能解释主体选择性等奇妙现象，预测复杂多环骨架的生物活性分子的合成机理。因此，不同于按照官能团划分的其他章节，周环反应的教学内容，呈现的是新的理论体系。这个体系是在有机电子学说基础上的发展和创新，更接近于反应的本质，从这一点来说，周环反应内容传递给学生的信息是学科发展的轨迹和新的高度。2 周环反应的基本教学内容和难点周环反应的基本教学内容和难点 2.1 基本教学内容基本教学内容 周环反应的教学内容主要涉及电环化、环加成和-迁移三类反应的选择规则，如表1所示。前面章节中介绍过的双烯合成反应属于典型的一类环加成，这对学生本章节认知周环反应有利。本校基础有机化学教学侧重于环加成与电环化反应，对-迁移反应进行简要介绍。2.2 教学难点教学难点 前线轨道理论和轨道对称守恒原理(表1)突破了有机电子学说中电子密度的局限，把分子轨道理论推到一个新的高度。如何简要、准确、生动阐述轨道对称守恒要点，是教学最大的难点。周环反应理论具有强大的预测能力，前线轨道理论和轨道对称守恒原理使复杂生物分子的“非经验化”化学合成成为可能。如何将复杂实例简化，帮助学生抓住周环反应选择性规律的要点，认知其对于科学研究的现实意义，也是教学中要解决的难题。3 教学处理与设计教学处理与设计 我们主要通过化学史挖掘，将科学家的开创性研究进行改编，使其适用于课堂教学，结合“故事”，使“骨感”的理论与实践紧密结合，丰富课堂形式，同时对学生进行科学意识的熏陶和培养。3.1 结合发展史引入新理论结合发展史引入新理论 我们首先对福井谦一提出前线轨道理论的史实进行教学还原。文献报道3,4，福井谦一善于在纷繁复杂的化学变化中，对反应内在的奥秘进行逻辑推理，不推崇经验性的性质总结。这种思想，与当时化学发展的趋势相契合。福井谦一敏锐地捕捉到萘的芳香取代反应中的矛盾点：带有相反电荷的两种试剂，分别与萘发生取代反应时，在环上取代的位置相同(图1)。这单纯从电子效应是无法解释的，因为萘的不同位置电子密度明显存在差异。硝基的亲电取代发生在1-和5-位的话，氨基的亲核取代理应发生在2-位。福井谦一以此为突破点，提出模型，发展出前线轨道理论，先后在1952和1954年5,6，预测了萘的硝化反应和氨基化反应的产物选择性，都主要发生在1,5-位，与实验结果一致7。256 大 学 化 学 Vol.38表表1 周环反应的选择规则周环反应的选择规则 反应类型 电子数 反应允许方式 前线轨道对称守恒图示 加热 光照 电环化 4n+2 对旋 顺旋 4n 顺旋 对旋 环加成 4n+2 同面-同面 同面-异面 4n 同面-异面 同面-同面 H1,j-迁移 4n+2 同面迁移 异面迁移 4n 异面迁移 同面迁移 C1,j-迁移 4n+2 同面迁移，构型保持 异面迁移，构型翻转 同面迁移，构型翻转 异面迁移，构型保持 4n 同面迁移，构型翻转 异面迁移，构型保持 同面迁移，构型保持 异面迁移，构型翻转 Ci,j-迁移 4n+2 同面-同面/异面-异面迁移 同面-异面迁移 4n 同面-异面迁移 同面-同面/异面-异面迁移 NO2NO2NO2+NH2NH2NH2+H2O+H2亲电取代亲电试剂：NO2+亲核取代亲核试剂：NH2-HNO3/H2SO40 oCNaNH2,PhOH200 oCNH2电荷效应预测的产物前线轨道理论预测及实验的结果图图1 福井谦一对萘的硝化与氨化的理论预测及实验结果对比福井谦一对萘的硝化与氨化的理论预测及实验结果对比 我们以此为背景进行教学设计，让学生意识到，本章节的内容将不同于价键理论，新理论将探究电荷效应之外的其他因素。我们结合教材和文献内容8，给出简练的结果展示(图1)。其中，硝化反应是已学知识点，引导学生向新内容过渡。氨基化反应一般不会出现在教材中，我们通过三个问题引导学生切入：萘上各个位置的电子云分布与苯是否一样，完全平均化？考虑电荷效应，NH2负离子与NO2+正离子在萘环上的取代位置会不会一样？实验结果表明氨化和硝化在同样的位置发生，该修改实验结论还是理论要点？问题在于温故，问题在于温故后的“经验”推理，问题促进学生“思新”。教学中点出经验推理与福井谦一理论预测结果的不同，将枯燥的理论以案例的形式初步展现，激发学生进一步学习的兴趣，但并不进一步展开理论要点。No.1 doi:10.3866/PKU.DXHX202201056 2573.2 理论难点的教学处理理论难点的教学处理 3.2.1 电环化电环化 采用原子轨道同相/异相重叠的方法，对电环化反应新形成的轨道进行示意，是教材及教学普遍认可的做法。前线轨道的对称守恒示意图如表1所示，表中也给出“4n热顺光对，4n+2热对光顺”的选择定律。应用理论快速、准确对产物分子的立体选择性进行预测，对“旋转”时成环碳原子上的基团“走位”进行判断，是学生颇为头疼的问题。我们对选律进行数字简化处理，利用简单的数学符号“+/”，对体系进行标识。这里以关环的过程为例，基本做法如下：线性共轭体系的双键数为偶数，用“+”表示；反之，双键数为奇数，用“”表示。周环反应分为4n体系和4n+2体系两类(n是线性共轭体系的碳原子数)，对应的双键数分别为偶数2n和奇数2n+1。观察线性共轭体系的一头一尾两端两个双键碳上的基团位置，两个基团处于相同位置时，用“+”标识；相反，两个基团处于相对(背)位置时，用“”标识(图2)。相对(背)指两个基团分别位于各自的双键延长线的左、右两侧(或上、下两侧)，相同则