前沿科学有机化学教学研究

[摘要]在基础有机化学的理论教学中，将学科的最新发展动态和研究成果引入课堂，不仅可以调动学生学习的积极性和主动性，还能帮助学生开拓视野，增强探索意识，培养创新思维，提高科研素质和能力等，最终实现授课过程中的“兴趣驱动，水到渠成”。

[关键词]有机化学，前沿科学，教学效果

近年来，随着有机化学与其他学科之间的交叉渗透，使得有机化学研究领域的发展更加迅速，研究内容更深入、更广泛。尽管有机前沿领域新思路、新方法层出不穷，甚至包括对一些经典有机化学理论的修正和完善，但是在传统的有机化学课程中将最新的科研动态及研究成果引入课堂的情况却非常少见。大多数教师仅注重基础理论知识的介绍，局限于教材，使基础有机化学的学习变得枯燥无味，不仅打击学生学习的兴趣和积极性，最终还会影响学习成效。为适应现代有机化学教学的要求，提高教学质量，在传统教学课堂中有目的性的引入有机化学领域的最新研究进展，通过教学与科学前沿相结合，加深学生对传统理论知识的理解的同时，拓展学生视野，激发学生的好奇心与兴趣，从而加强师生互动，活跃课堂气氛，达到提高教学效果的目的。笔者结合自己在青年教师讲课比赛中的心得及经验，以五星教学原理为教学设计依据[1]，聚焦解决问题-激活原有知识-展示论证新知-尝试应用练习-融会贯通掌握，在整个教学过程中，教师需充分发挥主导作用，通过问题的设计和互动，精选优质课程资源，利用理论联系实际，适时地引出相关研究发展前沿，激发学生学习的主观能动性，充分体现学生的主体作用。在此我们以卤代烷的亲核取代反应为例，介绍如何将有机前沿成果引入到基础理论教学中来深化教学内容的。

1卤代烷双分子亲核取代反应(SN2)

现代关于卤代烷双分子亲核取代反应的机制是基于英国伦敦大学的Hughes和Ingold的工作，他们提出SN2反应是一步完成的协同反应，亲核试剂(Nu)从反应物离去基团(X—)的背面进攻中心碳原子，随后旧键的断裂与新键的形成同时发生，反应经过瓦尔登转化得到构型完全翻转的取代产物。通常为了形象的再现瓦尔登转化过程，加深学生的印象，我们会采用“大风逆向吹伞”的比喻并借助多媒体演示SN2反应的这一特点。目前，对于SN2反应的机理介绍，基本所有的有机化学教材都是采用Ingold经典理论，但是2016年明尼苏达大学的JingXie和得克萨斯技术大学的WilliamL.Hase在国际顶级期刊《science》上又提出了新见解——重新看待SN2反应[2]。在此之前，为了研究SN2反应的详细机理，包括现任德国总理默克尔在内的很多科学家，已经完成了X-+CH3Y→XCH3+Y-型气相反应的许多实验和计算研究，但这些近期研究和以往的工作都说明了传统的SN2反应模型的局限性、不完备性，要建立理论模型以捕捉SN2反应动力学所有原子机理的细节，科学家们还需要继续深入的研究。此时，引导学生认识到书本上的知识是有限的，科学的发展是无限的，只有不断地进行科学实践，才能全面的发展和认识科学。同时，让学生了解科学研究的艰巨性，鼓励学生通过阅读文献资料等，主动探索科学知识，培养其独立分析问题和解决问题的能力。虽然SN2反应的机理目前仍然没有完全弄清楚，但是其在前沿科学的应用却再次开启新篇章。2018年5月，英国牛津大学的Veroniqu教授及其同事设计出一种新型的手性双脲催化剂，该催化剂可通过多重氢键作用识别碱金属氟化物中的氟离子，从而增强其在有机溶剂中的溶解性及亲核性，并能在手性基团的控制下高对映选择性地实现卤代烷烃的不对称亲核氟化反应[3]。他们利用非手性的β-溴代硫化物首先发生分子内SN2反应，原位生成内消旋的三元杂环硫鎓离子，随后与手性氢键给体催化剂结合的氟离子对内消旋环硫化合物，进行SN2类型的不对称亲核开环反应，从而一步生成含硫、氟两个相邻手性中心的化合物(图1)。这一研究成果不仅推动了亲核氟化反应在有机氟化学中的应用，而且还促进了无机盐亲核试剂参与的不对称亲核取代反应，为不溶性及惰性无机盐亲核试剂的活化提供了新的策略。通过SN2反应的最新应用研究成果，激发学生探索科学新领域，强调基础理论永远也不会过时，引导学生加强基础理论知识的学习，由“简单理论”做出启发性的发现，揭示更多前沿科学真理。

2卤代烷单分子亲核取代反应(SN1)相比较

SN2反应，SN1反应分为两步进行，其中卤代烷解离为碳正离子中间体(C＋)和卤负离子(X-)，这一步是速控步骤，因此SN1反应的速率仅由底物卤代烷决定，随后亲核试剂(Nu)从平面构型的C＋的正面和背面进攻，由于从两侧进攻几率相当，最终得到等量的构型保持和构型翻转产物，即生成外消旋化产物。由于SN1反应过程中生成的C＋存在不稳定性及高反应活性，使得它容易发生重排、消除等副反应，并且由于其平面结构，反应产物的立体选择性很难控制，这也使得SN1反应在有机合成中的应用受到限制。传统教学讲到此就结束了，但是我们在课堂上做进一步拓展，不少实验结果表明：SN1反应中构型翻转的产物实际上要多于构型保持的产物，也就是说最终并没有得到外消旋体。Winstein提出用离子对机理解释这一实验现象，他认为底物分子按紧密离子对-溶剂分离子-自由离子的可逆过程进行解离的，在SN1反应中，亲核试剂可以在其中任何一个阶段进攻而发生亲核取代反应，如果亲核试剂进攻紧密离子对，由于R＋与X—结合比较紧密，亲核试剂必须从X—的背面进攻得到构型翻转的产物；溶剂分离子对间的结合不如紧密离子对密切，最终消旋的产物占大多数；自由离子由于碳正离子是一个平面结构，亲核试剂进攻正背面几率相当，得到完全消旋的产物。此时，引导学生分析该解离平衡式，如果能够控制反应分子优先生成紧密离子对，同时加入一种能够识别进攻紧密离子对某一面的亲核试剂，那么控制SN1反应产物立体构型的问题也就迎刃而解。根据这一思路顺其自然的引入SN1反应的最新进展——高对映选择性的SN1反应[4]。

2018年4月，哈佛大学的Eric教授课题组在Nature上报道了利用手性方酰胺氢给体催化剂1a与Lewis酸促进剂(TMSOTf)的协同作用下，快速反应生成休眠态(resting-state)复合物1a-TMSOTf，随后与炔丙基乙酸酯反应生成离子对中间体(图2)，这一步是整个过程的速控步骤，并且有效的避免了碳正离子中间体的重排、消除等副产物生成，成功实现了SN1反应对映选择性的高水平调控，并合成了一系列具有季碳中心的手性化合物。这一研究成果不仅成功实现了不对称的SN1反应，解决了一百多年来制约SN1反应发展的难题，而且还证明了SN1反应中的离子对机理，也为不对称催化研究开辟了新的领域。通过对SN1反应前沿进展的介绍，既深化了我们的传统教学内容，又开拓了学生的视野和思维，让他们切实感受到有机化学的魅力及重要意义。同时引导学生课下主动查阅文献资料，小组学习并探讨相关内容。实践表明，将有机化学前沿发展引入传统教学课堂，虽然增加了教学信息量，但是这样不但不会影响正常的教学工作，反而有效地提高了教学质量和效果，激发了学生学习的积极性和主动性，提升了学生的探索意识，优化知识结构，让学生对某些问题有了新的认知。与此同时，时刻关注相关领域的科学前沿发展，及时更新教学内容和教学动态，既顺应了学科发展的潮流，又促进了高校教师自身科研事业的发展和教学质量水平的提升。

参考文献

[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:杨芳 纪克攻 单位:西北农林科技大学