化学教导中知识体系概述

作者：宋娟 单位：南京邮电大学

1对羰基结构的阐述

对于一个有机化合物来说，它的性质由其结构决定，而化合物分子中的官能团又决定着它的主要性质。因此，当针对某一类有机化合物进行教学活动时。首先要对它所含的官能团进行分析。对结构分析得越是透彻，学生对性质的理解也就越深入，由于醛酮类化合物中的官能团是羰基，下面首先对它的结构进行分析：1.1组成羰基的碳氧原子成键方式及特点羰基中的碳和氧原子均采用sp2杂化，碳上的三个sp2杂化轨道与其他三个原子（包括氧）形成三个σ键，它们之间的夹角接近于120°，这三个原子同处于一个平面上，因此，醛酮分子在羰基部分是扁平的，碳原子剩下来的一个p轨道和氧的一个p轨道重叠起来形成一个π键，与碳的三个σ键组成的平面垂直，氧原子上还有两对孤电子对未参与成键。因此，羰氧双键是由一个σ键和一个π键组成。另一方面由于碳的电负性（2.5）和氧的电负性（3.5）相差较大，导致这个碳氧双键是一个极性键，其中氧为负端，碳为正端。1.2与其他有机化合物的对比和区别为了加深学生对羰基极性的理解，在课堂教学时，笔者将C=O双键、C-O单键和C=C双键三种官能团，通过数据进行对比讨论。首先比较C=O双键和C-O单键，由于在学习醛酮时，已经完成了醇醚类化合物的学习，因此在论述碳氧双键的极性时，很自然地就引出一个问题：C=O双键与C-O单键到底哪一个极性更大？这个问题如果仅通过比较的原子的电负性是无法解答的，但通过键长和偶极矩数据比较就很容易解决，其数据如下：C=O双键的键长约为121pm,偶极矩（甲醛）为7.7×10-30C•m；C-O单键的键长约为143pm,偶极矩（甲醇）为5.7×10-30C•m。从数据中看出C=O双键的偶极矩大于C-O单键，但C=O双键的键长更短。根据偶极矩的公式μ=q.d,我们就可以得出结论在C=O双键中电荷的分离程度大于C-O单键，因此，C=O双键与C-O单键在性质上也存在很大的差异。当然导致这个差异的原因就是来自于组成羰基的碳和氧杂化态不同（C=O双键中C和O都是sp2杂化，而C-O单键中都是sp3杂化）。其次，C=O双键与C=C双键的比较，C=O双键中C和O形成π键的方式虽然与C=C双键相同，但由于O的电负性比C大，因此C=O双键的是个极性键，而C=C键则完全是非极性键。进而使得醛酮和烯烃表现出完全不同的性质。

2抓住结构，阐述醛酮的物理性质

对于有机化合物的物理性质，除了要求掌握化合物的光谱性质外，一般要求学生掌握的是熔沸点的变化规律及水溶性，根据官能团的极性及是否能形成氢键的能力，可以引导学生不仅学会比较同类化合物的变化规律，同时推导出一些不同类化合物的变化规律。就醛酮来说，除了熔沸点随着分子量的增大而增大外，根据官能团的极性C=O>C-O>C=C,以及分子内不存在氢键的结构特点，推导出对于相似分子量的化合物，醛酮的溶沸点大于醚大于烃类化合物但小于醇。

3抓住结构，重点论述醛酮化学性质

围绕醛酮化合物中羰基的结构特点，不难推出它们的化学性质主要表现在以下几个方面。3.1对羰基碳的亲核加成通过前面的结构分析，学生们很容易理解羰基碳接受亲核试剂进攻所发生的反应，那为什么醇或醚中，C-O单键的碳一般条件下不会接受亲核试剂进攻发生亲核取代呢？要解决这个疑惑，可以从两个方面进行解释，首先是羰基碳接受亲核试剂进攻后打开的是π键，而C-O单键如果接受亲核试剂进攻打开的则是σ键，显然从成键方式上来讲，σ键电子云重叠程度大，键也更稳定，因此不易断开。另一方面就是因为C-O单键中电荷的分裂程度比C=O双键小，因此它接受亲核试剂进攻的倾向也就越小。如果要断开C-O单键，就必须增加它的电荷分离程度，使C-O单键的电子对更偏向于氧。所采用的方式一是利用质子酸或路易斯酸对氧进行质子化或配位，使氧带部分正电荷；另一种就是让氧和一个吸电子基团成键例如-OTs（这些是醇醚那章学过的性质）。除了将C=O双键的亲核加成与C-O单键的性质做比较外，在教学中，笔者还将它与C=C双键的亲电加成做了对比。由于C=C双键是一个非极性的键，因此不会发生亲电试剂或亲核试剂对某一端原子的进攻，而是双键的π电子接受外来试剂的进攻。并且由于π键的电子分布于烯烃分子平面的上下两方，因此烯烃只易接受亲电试剂的进攻，发生亲电加成反应。3.2对羰基氧的亲电进攻作为一个极性官能团，羰基除有一个带正电的碳端，也存在一个带负电的氧端，可以接受亲电试剂的进攻，但这种性质通常只存在于催化过程。例如醛酮和醇的反应，在反应中需加入酸做为催化剂，其作用就是通过质子对氧的亲电进攻，使羰基氧质子化后带部分正电，导致羰基中的电荷分离程度增大，进一步增加羰基碳接受亲核试剂进攻的能力。这从原理上与醇和醚在酸性条件下C-O单键才容易断开是一致的。但是仅凭这种进攻一般不足以完全使C=O断开变成C-O单键，因为如果断开π键，形成的是不稳定的碳正离子中间体，反应在能量上是不利的。3.3由于醛酮中的羰基在含氧官能团化合物中，即不是最高氧化态（羧酸及其衍生物）也不是最低氧化态（醇），因此醛酮化合物不仅能发生氧化反应也能发生还原反应。3.4羰基的α-氢的反应羰基的α-氢具有反应活性的原因主要有两个：一是羰基的诱导作用；二是羰基能使共轭碱的负电荷离域化，实际上生成烯醇负离子，稳定了生成的负离子。这个性质可以在后面论述羧酸及衍生物的化学性质时加以联系。综上所述，抓住了结构这个红线，不仅能清楚地分析化合物本身的性质，又可以将前后的知识进行贯通，使学生在接受新知识的同时，对学过的知识在回忆、对比的过程中进一步的理解并在脑海中形成一个比较明晰的理论体系，加上适当的习题练习，可以极大地提高学生分析问题和解题的能力，从而为以后的科研和实践打下夯实的理论基础。