立體化學教學中空間感觀能力的培養(yǎng)

王輝曾卓

(華南師范大學化學與環(huán)境學院，廣州510006)

立體化學教學中空間感觀能力的培養(yǎng)

王輝*曾卓

(華南師范大學化學與環(huán)境學院，廣州510006)

介紹了在有機物結構、有機反應機理和構象快速轉換平衡的教學中培養(yǎng)學生構建空間感觀的策略。教學實踐表明，這些策略的實施具有較好的效果。

立體化學；構象；空間感觀

立體化學是基礎有機化學的重要內容，貫穿整個有機化學知識體系，是本科生學習的難點和重點，同樣也是教師教學的難點。教學實踐表明，構建空間思維感觀是突破學生立體化學學習障礙的關鍵因素。當前在基礎有機化學教學中，立體化學教學研究的成果多是從平面的角度提供一些技巧性的方法幫助學生破解立體化學學習難點，并未直接從空間的角度去思考分子的形象[1,2]，無法培養(yǎng)學生對分子結構的空間想象能力，影響學生對立體化學知識的記憶和理解，因此，對以培養(yǎng)學生空間感觀為目標的立體化學教學方法策略的探索具有實踐意義和應用價值。

什么是空間感觀能力？筆者認為應包含以下3個層次：第一層次是學習者面對一個有機分子表達式能夠識別是否可呈現為立體結構；第二層次是要能夠判斷立體結構的構型，是幾何異構還是對映異構或者都不是，如為對映異構，是否具有手性原子，其構型又如何；第三層次也是最高層次，是要能不借助任何實物模型感悟出構象分子中原子或基團的空間位置關系，也即在頭腦中構建分子空間形象，同時能夠流利地使用各種結構表示方式進行書寫表達。為了訓練學生達到較高層次的認識水平，筆者在教學中實施了系列滲透空間感觀思維意識的策略。

1 有機結構命名教學培養(yǎng)學生的靜態(tài)空間感觀

有機結構命名的教學，以介紹有機結構的命名原則為主要任務，其中包含對立體構型的辨識。由于學生對有機結構的認識是先平面、后立體，因此，“重規(guī)則輕構型”成為命名教學中的普遍現象。教學實踐發(fā)現，在經歷了雜化軌道理論、構型、構象及對映異構等學習后，學生的空間構型意識仍比較淡薄。如圖1a所示的以鍵線式表示的烯烴命名，絕大多數學生都不標出雙鍵的構型。即使是圖1b－1d這些以鋸架式、紐曼式或費歇爾投影式表示的手性分子，也有些學生遺漏R/S構型標記。對于圖1e之類的取代環(huán)烷烴，學生既不考慮幾何異構的存在，也不考慮手性的存在，在命名時僅寫出缺乏立體構型表征的化合物名稱。針對這種學習狀況，我們認為教學中有必要從以下兩方面來培養(yǎng)學生對分子結構的空間構型意識。一是命名教學示范舉例多采用上述具有立體構型的形式，并經常提示學生是否為立體構型，同時也提供名稱讓學生寫出立體結構。這種由結構到名稱，又由名稱到結構的訓練，對于學生形成空間感觀具有較好作用。二是在課后作業(yè)、期中和期末考試等不同教學環(huán)節(jié)中有意識地使用立體構型的化合物作為命題素材，讓學生自覺對立體構型產生習慣性認知，形成對立體結構的感知意識。最終對鍵線式表示的烯烴有順式和反式的構型差異感，對費歇爾投影式表示的化合物有橫鍵向前、豎鍵向后的立體感，對手性化合物有實物與鏡像不能完全重疊的空間感。

圖1 各種方式表示的立體結構

2 環(huán)己烷結構教學構建六元環(huán)構象的空間感觀

環(huán)己烷構象是環(huán)狀化合物立體結構的典型代表，其涉及到后續(xù)環(huán)己烯、雜環(huán)化合物、糖類化合物結構的教學，是立體化學的基礎性內容，對其掌握的程度對后期環(huán)狀化合物結構及其重排反應的教學具有較大的影響[3]。

六元環(huán)構象的空間感觀構建主要體現在環(huán)己烷構象的書寫上，多數初學者不能規(guī)范地畫出環(huán)己烷椅式構象的碳架，特別是直立鍵和平伏鍵的位置關系，其根源是學生缺乏對環(huán)己烷構象及sp3雜化軌道的空間感觀。因此環(huán)己烷構象書寫的教學是培養(yǎng)學生空間感觀能力的一個重要契機。

環(huán)己烷構象的書寫是學生學習有機化學的一個難點，教師如何突破這個難點，讓學生盡快掌握書寫的規(guī)律，是環(huán)己烷構象書寫教學的關鍵，為此筆者總結了一套環(huán)己烷構象書寫教學的方法。具體做法是：首先讓學生畫好椅式構象的碳架(圖2a)，碳架的特點是每兩條對位碳碳鍵平行；然后再讓學生認識碳架上的凹點和凸點；在熟悉碳架繪制的前提下，教師再強調環(huán)己烷碳架構象中凹點碳的直立鍵垂直向下，凸點碳的直立鍵垂直向上，相鄰直立鍵一上一下的排列規(guī)律(圖2b)。書寫時先畫出6個碳上直立鍵，再畫出平伏鍵；而與直立鍵連在相同碳上的平伏鍵的方向一定是相反的，即直立鍵向下，平伏鍵則稍微向上，直立鍵向上，則平伏鍵稍微向下，按照這種步驟完成平伏鍵的繪制(圖2c)，同時強調平伏鍵的角度，既不能與同碳上的直立鍵垂直，更不能與其成180度，而是與環(huán)上鄰間位之間的碳碳鍵平行(圖2d)。按照此法書寫出來的環(huán)己烷構象的每個碳都具有明顯的四面體空間構型，這種書寫本身就是對環(huán)己烷構象空間感的體會，而且可以消除初學者對環(huán)己烷構象12個碳氫鍵的凌亂感。在此基礎上再針對不同取代位置的順式、反式環(huán)己烷衍生物的穩(wěn)定構象式書寫進行強化，反復給學生創(chuàng)造鞏固立體異構空間感觀的機會，形成一種心理學上的思維定勢，學生在書寫中形成了構建環(huán)己烷構象的空間感觀，同時也避免了死記環(huán)己烷構象中碳氫鍵取向的情況。

圖2 環(huán)己烷構象的教學書寫步驟(a)環(huán)己烷椅式框架的書寫；(b)直立鍵的書寫位置和方式；(c)平伏鍵的書寫位置和方式；(d)完成后的構象各鍵取向

3 有機反應機理教學構建立體化學反應的動態(tài)空間感觀[3 ]

在對映異構學習之前，有關反應機理較少深入到立體化學的層次，教材也多是選用非立體反應范例，學生對涉及有機立體反應的機理缺少動態(tài)空間感觀。因此筆者在對映異構教學后，將化合物立體構型和構象的基礎知識應用于立體反應的教學，以幫助學生構建有機反應機理的動態(tài)感觀。

3.1 溴與烯烴加成反應的立體化學，構建三元環(huán)狀溴鎓正離子產生的動態(tài)空間感觀

溴與烯烴的加成分兩步進行，其空間機理過程是極化的溴分子首先從烯烴分子平面的上或者下端接近π鍵電子云形成三元環(huán)狀溴鎓離子，然后溴負離子再從溴鎓離子的背面分別進攻雙鍵碳原子，形成產物。其中最易于疏忽的是第一步有上和下兩種接近π鍵電子云的方式，即從烯烴分子平面的上端向下接近π鍵電子云和從烯烴分子平面的下端向上接近π鍵電子云，生成的三角形溴鎓離子分別在烯烴分子平面的上面和下面(圖3)。溴單質與反式烯烴加成，兩種中間體進行第二步反應所得產物是相同的(圖4)，但當加成試劑的正負部分不同時，兩種中間體形成的產物也就不同(圖5)。學生往往會將后一種情況中負離子進攻溴鎓離子的方式①、②作為兩個不同異構體產生的原因，其實并非如此。該反應機理立體化學過程的書寫不僅有利于幫助學生認識兩種不同的溴鎓離子，而且有助于培養(yǎng)學生構建由平面型分子轉變成四面體型分子的動態(tài)空間感觀，其中涉及到溴鎓離子的空間結構、負離子進攻中間體的空間位置以及原子和基團在構象中的空間位置轉換關系等。

3.2 消除反應立體化學，構建反式共平面基團消除的立體化學動態(tài)空間感觀

對于E2歷程，被消除基團一般是處于反式共平面的位置，這在非構象式表示的反應式中是無法體現的，所以該類反應的立體化學過程教學宜以鋸架式或紐曼式構象展示，將消除原子或基團轉到最有利于消除的對位交叉式位置，當兩個原子或基團消除時，連接消除基團的碳原子成鍵逐漸由四面體構型分布向平面型構型分布轉化，該過程有利于學生形成反式共平面消除的動態(tài)空間感觀(圖6)。

圖3 溴與反-2-丁烯雙鍵形成的兩種溴鎓離子的空間構型

圖4 兩種反-2-丁烯溴鎓離子受到溴負離子進攻形成內消旋體產物的動態(tài)立體過程

圖5 兩種反-2-丁烯溴鎓離子受到氫氧根負離子進攻形成外消旋體的動態(tài)立體過程

圖6 消除反應反式共平面消除的立體化學(a)鋸架式構象示意圖；(b)紐曼式構象示意圖

特別是對于環(huán)狀化合物的消除，其空間感觀更為重要，只有在構象式中才能真正理解消除反應的立體化學要求。由于環(huán)的牽制與約束，環(huán)上的碳氫鍵并不像鏈烴中的碳氫鍵那樣，可以自由旋轉到反式共平面的位置，因此有些環(huán)狀化合物即使鄰位有氫，但不能處于反式共平面的構象位置關系，也就不能發(fā)生消除反應。如果不具有一定的空間感觀能力，這種結果比較難理解。

3.3 重排反應立體化學，構建反式共平面基團遷移的立體化學動態(tài)空間感觀

類似于消除反應，在pinacol重排中，遷移的基團與離去的基團在空間上也是處于反式共平面位置關系，其中對遷移基團特別是環(huán)狀pinacol中的遷移基團的判斷，在教學中是一個難點，空間思維障礙的突破亦可通過鋸架式或紐曼式構象演示此類機理的動態(tài)立體化學過程來完成。

如環(huán)狀鄰二醇直立鍵上的羥基與鄰位直立鍵上的甲基本身處于反式共平面關系，羥基質子化后，鄰位直立鍵上的甲基從質子化羥基的背面遷移到其所連接的碳上，以協同的方式發(fā)生重排反應。這種離去基團和遷移基團處于相鄰直立鍵的分子，其空間構型關系較為直觀，如圖7是以碳碳鍵為中心軸的紐曼式構象的空間關系圖。

圖7 離去基團和遷移基團均處于直立鍵的pinacol紐曼式構象

但若環(huán)狀鄰二醇的羥基均處于平伏鍵，則其發(fā)生重排反應的遷移基團的直觀性就較差，一般初學者較難確定反式共平面的遷移基團，類似前述處理，寫出以碳碳鍵為中心軸的紐曼式構象則一目了然，如圖8中遷移的基團是處于環(huán)上的CH2。

反應機理教學表明，構象式之間的轉化非常重要，可使模糊的空間構型關系在紐曼式中變得清晰直觀，因此充分利用鋸架式和紐曼式教學是增強空間感觀認識的有效方法。

圖8 離去基團和遷移基團均處于平伏鍵的pinacol紐曼式構象

4 化學等價質子教學構建分子構象的動態(tài)平衡空間感觀[4 ]

化學等價質子和化學不等價質子的識別，與化合物的空間構型有著密切的關系，如＝CH2中的兩個質子在不同的烯烴中其等價與否并不相同，判斷的依據即是每個質子周圍的化學環(huán)境的異同，化學環(huán)境的異同則與分子的空間構型有關，其直接涉及到圖譜峰的裂分情況。對于連接手性碳原子和非手性碳原子上的―CH2―中的兩個氫，其化學環(huán)境異同關系的辨別是教學中的難點，學生需要有較好的空間感觀能力才能較好理解，筆者利用紐曼式構象直觀的特點進行教學，取得了較好的教學效果。如CH3CH2CHClCH2CH2CH3中2號碳CH2中兩個氫的化學環(huán)境狀況，以紐曼式優(yōu)勢構象表示(圖9)。

圖9 化學環(huán)境不同的質子(Ha和Hb)

理論上，一個化合物的構象有成千上萬個，且所有的構象均處于一個快速轉化平衡之中，但是對一個室溫條件下的分子集合而言，大部分分子以優(yōu)勢構象存在，因此我們可以采用優(yōu)勢構象進行原子或基團所處化學環(huán)境的分析并且獲得準確的結果。如圖9所示，I式中Hb所處的化學環(huán)境即為Ⅱ式中Ha的化學環(huán)境，但II式中Hb所處的化學環(huán)境與I式中Ha的化學環(huán)境卻不相同；類似，II式中Hb所處的化學環(huán)境與III式中Ha的化學環(huán)境相同，但II式中Ha所處的化學環(huán)境與III式中Hb的化學環(huán)境又不相同。因此Ha和Hb無論處于構象中的任何位置，均不可能有相同的化學環(huán)境，故Ha和Hb為化學不等價質子，兩者在核磁共振氫譜中會發(fā)生共振峰的裂分。

正己烷中2號碳上兩個氫的化學環(huán)境狀況如圖10紐曼式優(yōu)勢構象所示，IV式中Ha所處的化學環(huán)境即為V式中Hb的化學環(huán)境，而IV式中Hb的化學環(huán)境即為V中Ha所處的化學環(huán)境，VI式中Ha和Hb處于相同的化學環(huán)境，因化合物為各種構象的平衡混合體且各構象處于快速轉化的平衡之中，所以，Ha和Hb處于構象式中任何相對位置，均有相同的化學環(huán)境，也即Ha和Hb為化學等價核，在核磁共振氫譜中相互之間不發(fā)生峰的裂分。

圖10 化學環(huán)境相同的質子(Ha和Hb)

5 發(fā)揮板書和直觀教具在教學中的作用

立體化學感觀思維的培養(yǎng)是一項長期的過程，貫穿基礎有機化學教學的整個過程，學生空間感觀能力的形成需要經過多種形式的訓練，上述所提出的僅為我們在教學中實施的較快建立空間感觀的部分教學策略，除此之外，還應結合以下策略的應用。

5.1 教師適時采用構型式、構象式的板書教學

教師在示范有機結構式和反應機理時，宜適時采取板書講解的方式，延長學生空間思維的時間，避免ppt投影過目即逝的缺陷，實踐表明這種傳統(tǒng)的教學效果明顯強于多媒體課件的閃現。

5.2 利用分子構象模型的直觀性構建空間感觀

如果僅限于平面上的抽象講解，絕不足以讓學生在有限的時間內構建空間感觀，因此借助構象模型展示具有突破思維障礙的直接效果。這種傳統(tǒng)教具的使用，雖然顯得有點陳舊，但效果卻遠遠強于簡單的平面講述，是任何其他工具不可替代的。學生的障礙主要在于難以擺脫平面思維的慣性，不能將自己置身于分子結構想象之中；如果有相關模型輔助，這種障礙的突破將變得快捷，空間的記憶也會比較深刻。教師必備的分子模型應該有烷烴分子的球棍模型、環(huán)己烷的球棍模型和對映體的球棍模型，條件允許的話，可使用sp3、sp2、sp雜化軌道以及π鍵模型進行教學。同樣，利用計算機軟件顯示具有較好感觀的立體分子也可達到相應的效果，特別是對于較為復雜的分子結構。

有的教師可能認為，現在有關展示立體結構的計算機軟件眾多，直接下載軟件在顯示屏上觀察立體分子結構已非常方便，甚至可以任意移動或者轉動分子結構，從不同角度去觀察分子的空間狀態(tài)，對于構建有機立體結構的空間感觀也非常有效，因此，不需要再從其他角度去培養(yǎng)空間感觀。確實，計算機顯示技術已經為立體化學感觀教學提供了極大的方便，但是我們必須知道，學生要解決的許多立體化學問題不是在任何時候都可以利用計算機的，因此，建立一種脫離于計算機顯示的空間想象思維是非常必要的；在平面視圖中產生空間感觀是一種思維能力，而這種能力對學生來說是永久的，所以，不論計算機技術如何發(fā)達，這種空間感觀能力的培養(yǎng)總是有益的，它不僅僅在于解決有機立體結構的空間構型的認識問題，最終是讓學習者產生一種脫離具體模型的空間思維能力，無疑有助于提高學習者的創(chuàng)新活力，這與人才培養(yǎng)的終極目標是一致的。

上述的策略和方法盡管看起來很普通，但確實有效。通過近幾年的教學實踐發(fā)現，在進行有機化學下冊[3]內容教學時，學生的立體化學空間感觀能力都有不同程度的提高，特別是在涉及一些較復雜的立體化學反應機理時，學生看不懂和聽不懂的情況大為減少。同時學生還建立了構象動態(tài)平衡的空間感觀，對構象異構體、化學不等性質子以及葡萄糖構象有了更深的理解。對于立體結構命名，90%以上的學生都能關注到名稱中構型的標記。這說明在教學過程中重視空間感觀能力的培養(yǎng)是有作用的。

[1]鄭敏燕.大學化學,2011,26(4),29.

[2]程紹玲,謝運甫,王華靜.化學教育,2016,37(4),22.

[3]李景寧.有機化學.第5版.北京:高等教育出版社,2011.

[4]羅鈞,尚先梅,項光亞.化學教育,2012,33(5),71.

Cultivation of Space Sense Ability in Stereochemistry Teaching

WANG Hui*ZENG Zhuo
(School of Chemistry and Environment,South China Normal University,Guangzhou 510006,P.R.China)

In this paper,the strategy to cultivate students′space sense ability was introduced in teaching of structure,reaction mechanism and rapid conformational transition equilibrium.Teaching practice showed that the strategy performance had a good effect.

Stereochemistry;Conformation;Space sense

*通訊作者，Email:huiwang@scnu.edu.cn

華南師范大學2015年“質量工程”建設項目

10.3866/PKU.DXHX201603017

www.dxhx.pku.edu.cn

G64；O621.14