前沿科學有機化學教學研究

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[摘要]在基礎有機化學的理論教學中，將學科的最新發展動態和研究成果引入課堂，不僅可以調動學生學習的積極性和主動性，還能幫助學生開拓視野，增強探索意識，培養創新思維，提高科研素質和能力等，最終實現授課過程中的“興趣驅動，水到渠成”。

[關鍵詞]有機化學，前沿科學，教學效果

近年來，隨著有機化學與其他學科之間的交叉滲透，使得有機化學研究領域的發展更加迅速，研究內容更深入、更廣泛。盡管有機前沿領域新思路、新方法層出不窮，甚至包括對一些經典有機化學理論的修正和完善，但是在傳統的有機化學課程中將最新的科研動態及研究成果引入課堂的情況卻非常少見。大多數教師僅注重基礎理論知識的介紹，局限于教材，使基礎有機化學的學習變得枯燥無味，不僅打擊學生學習的興趣和積極性，最終還會影響學習成效。為適應現代有機化學教學的要求，提高教學質量，在傳統教學課堂中有目的性的引入有機化學領域的最新研究進展，通過教學與科學前沿相結合，加深學生對傳統理論知識的理解的同時，拓展學生視野，激發學生的好奇心與興趣，從而加強師生互動，活躍課堂氣氛，達到提高教學效果的目的。筆者結合自己在青年教師講課比賽中的心得及經驗，以五星教學原理為教學設計依據[1]，聚焦解決問題-激活原有知識-展示論證新知-嘗試應用練習-融會貫通掌握，在整個教學過程中，教師需充分發揮主導作用，通過問題的設計和互動，精選優質課程資源，利用理論聯系實際，適時地引出相關研究發展前沿，激發學生學習的主觀能動性，充分體現學生的主體作用。在此我們以鹵代烷的親核取代反應為例，介紹如何將有機前沿成果引入到基礎理論教學中來深化教學內容的。

1鹵代烷雙分子親核取代反應(SN2)

現代關于鹵代烷雙分子親核取代反應的機制是基于英國倫敦大學的Hughes和Ingold的工作，他們提出SN2反應是一步完成的協同反應，親核試劑(Nu)從反應物離去基團(X—)的背面進攻中心碳原子，隨后舊鍵的斷裂與新鍵的形成同時發生，反應經過瓦爾登轉化得到構型完全翻轉的取代產物。通常為了形象的再現瓦爾登轉化過程，加深學生的印象，我們會采用“大風逆向吹傘”的比喻并借助多媒體演示SN2反應的這一特點。目前，對于SN2反應的機理介紹，基本所有的有機化學教材都是采用Ingold經典理論，但是2016年明尼蘇達大學的JingXie和得克薩斯技術大學的WilliamL.Hase在國際頂級期刊《science》上又提出了新見解——重新看待SN2反應[2]。在此之前，為了研究SN2反應的詳細機理，包括現任德國總理默克爾在內的很多科學家，已經完成了X-+CH3Y→XCH3+Y-型氣相反應的許多實驗和計算研究，但這些近期研究和以往的工作都說明了傳統的SN2反應模型的局限性、不完備性，要建立理論模型以捕捉SN2反應動力學所有原子機理的細節，科學家們還需要繼續深入的研究。此時，引導學生認識到書本上的知識是有限的，科學的發展是無限的，只有不斷地進行科學實踐，才能全面的發展和認識科學。同時，讓學生了解科學研究的艱巨性，鼓勵學生通過閱讀文獻資料等，主動探索科學知識，培養其獨立分析問題和解決問題的能力。雖然SN2反應的機理目前仍然沒有完全弄清楚，但是其在前沿科學的應用卻再次開啟新篇章。2018年5月，英國牛津大學的Veroniqu教授及其同事設計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別堿金屬氟化物中的氟離子，從而增強其在有機溶劑中的溶解性及親核性，并能在手性基團的控制下高對映選擇性地實現鹵代烷烴的不對稱親核氟化反應[3]。他們利用非手性的β-溴代硫化物首先發生分子內SN2反應，原位生成內消旋的三元雜環硫鎓離子，隨后與手性氫鍵給體催化劑結合的氟離子對內消旋環硫化合物，進行SN2類型的不對稱親核開環反應，從而一步生成含硫、氟兩個相鄰手性中心的化合物(圖1)。這一研究成果不僅推動了親核氟化反應在有機氟化學中的應用，而且還促進了無機鹽親核試劑參與的不對稱親核取代反應，為不溶性及惰性無機鹽親核試劑的活化提供了新的策略。通過SN2反應的最新應用研究成果，激發學生探索科學新領域，強調基礎理論永遠也不會過時，引導學生加強基礎理論知識的學習，由“簡單理論”做出啟發性的發現，揭示更多前沿科學真理。

2鹵代烷單分子親核取代反應(SN1)相比較

SN2反應，SN1反應分為兩步進行，其中鹵代烷解離為碳正離子中間體(C＋)和鹵負離子(X-)，這一步是速控步驟，因此SN1反應的速率僅由底物鹵代烷決定，隨后親核試劑(Nu)從平面構型的C＋的正面和背面進攻，由于從兩側進攻幾率相當，最終得到等量的構型保持和構型翻轉產物，即生成外消旋化產物。由于SN1反應過程中生成的C＋存在不穩定性及高反應活性，使得它容易發生重排、消除等副反應，并且由于其平面結構，反應產物的立體選擇性很難控制，這也使得SN1反應在有機合成中的應用受到限制。傳統教學講到此就結束了，但是我們在課堂上做進一步拓展，不少實驗結果表明：SN1反應中構型翻轉的產物實際上要多于構型保持的產物，也就是說最終并沒有得到外消旋體。Winstein提出用離子對機理解釋這一實驗現象，他認為底物分子按緊密離子對-溶劑分離子-自由離子的可逆過程進行解離的，在SN1反應中，親核試劑可以在其中任何一個階段進攻而發生親核取代反應，如果親核試劑進攻緊密離子對，由于R＋與X—結合比較緊密，親核試劑必須從X—的背面進攻得到構型翻轉的產物；溶劑分離子對間的結合不如緊密離子對密切，最終消旋的產物占大多數；自由離子由于碳正離子是一個平面結構，親核試劑進攻正背面幾率相當，得到完全消旋的產物。此時，引導學生分析該解離平衡式，如果能夠控制反應分子優先生成緊密離子對，同時加入一種能夠識別進攻緊密離子對某一面的親核試劑，那么控制SN1反應產物立體構型的問題也就迎刃而解。根據這一思路順其自然的引入SN1反應的最新進展——高對映選擇性的SN1反應[4]。

2018年4月，哈佛大學的Eric教授課題組在Nature上報道了利用手性方酰胺氫給體催化劑1a與Lewis酸促進劑(TMSOTf)的協同作用下，快速反應生成休眠態(resting-state)復合物1a-TMSOTf，隨后與炔丙基乙酸酯反應生成離子對中間體(圖2)，這一步是整個過程的速控步驟，并且有效的避免了碳正離子中間體的重排、消除等副產物生成，成功實現了SN1反應對映選擇性的高水平調控，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現了不對稱的SN1反應，解決了一百多年來制約SN1反應發展的難題，而且還證明了SN1反應中的離子對機理，也為不對稱催化研究開辟了新的領域。通過對SN1反應前沿進展的介紹，既深化了我們的傳統教學內容，又開拓了學生的視野和思維，讓他們切實感受到有機化學的魅力及重要意義。同時引導學生課下主動查閱文獻資料，小組學習并探討相關內容。實踐表明，將有機化學前沿發展引入傳統教學課堂，雖然增加了教學信息量，但是這樣不但不會影響正常的教學工作，反而有效地提高了教學質量和效果，激發了學生學習的積極性和主動性，提升了學生的探索意識，優化知識結構，讓學生對某些問題有了新的認知。與此同時，時刻關注相關領域的科學前沿發展，及時更新教學內容和教學動態，既順應了學科發展的潮流，又促進了高校教師自身科研事業的發展和教學質量水平的提升。

參考文獻

[1]MerrillMD．Firstprinciplesofinstruction[J]．EducationalTechnologyResearchandDevelopment，2002，50(3)：43-59．

[2]XieJ，HaseWL．RethinkingtheSN2reaction[J]．Science，2016，352：32-33．

[3]PupoG，IbbaF，AscoughDMH，etal．Asymmetricnucleophilicfluorinationunderhydrogenbondingphase-transfercatalysis[J]．Science，2018，360：638-642．

[4]WendlandtAE，VangalP，JacobsenEN．QuaternaryStereocentersviaanEnantioconvergentCatalyticSN1Reaction[J]．Nature，2018，556：447-451．

作者:楊芳 紀克攻 單位:西北農林科技大學