有机化学的应用篇1
【关键词】计算机；分析化学；有机化学；实际应用
1前言
有机化学中涉及到大量的复杂分析立体结构、化学反应以及反应机理等，随着近年来科学技术的进一步发展，越来越丰富了有机化学的内容，并且使计算机的应用深入到各个领域中。因此，了解并利用计算机技术能够有机的结合化学领域中原有的分析技术，能够有效解决化学领域中的实际问题，从而促进分析化学与有机化学领域的进一步发展。
2分析化学中计算机的应用
2．1仪器分析
在仪器分析中计算机的应用有效实现了其智能化发展，对于计算机与仪器分析领域中智能化仪器属于全新的课题与研究内容。目前在仪器分析领域中，计算机的应用主要体现在原子吸收光谱、气相色谱－质谱联用为主。在原子吸收光谱分析中，计算机技术的应用主要体现在自动进样与稀释、试样的自动改换与冲洗等。也就是说，院子吸收光谱仪与计算机、打印机及样品台共同组成了一个人工操作的控制系统。除此之外，计算机在仪器分析中的应用能够确保仪器最佳实验状态，并换算被测元素浓度的工作曲线坐标标度，最终通过自动测量及累加平均处理的方式对测量到的信号进行分析。在气相色谱－质谱的联用中，可以对化合物中的分子结构进行分析，从而对未知物相对分子质量、混合物中不同组分含量进行准确地测定。因此，在有机化学、环境保护、石油化工以及生物化学等领域中，气相色谱－质谱联用受到越来越受到关注及应用，并得到了快速的发展。
2．2化学分析
实验者在对数据采用计算机进行处理的过程中，可以对多次试验数据采用一元统计的方式进行统计，根据此计算出置信区间以及标准误差等。若要通过滴定实验的方式在化学分析中确定物质的含量，也可以利用线性回归的方法对相关的数据进行处理，不仅使化学分析方法及过程更加方便快捷，也能够显著地提高对数据处理的精准度。在测定制定的组分中采用计算机能够有效地消除各种干扰因素，一般来说可以采用当量与平衡模型。其中平衡模型指的是通过化学方程式的形式来建立在各种平衡常数基础上共存的每一种平衡。实验者在对某些未知量进行测量后，便能一并计算出被测物质的共存干扰物质具体含量。而平衡模型在实际应用中适合对化学分析问题进行处理，但缺点在于平衡常数的精密度会在一定程度上对平衡模型解决化学分析问题造成影响，溶液浓度也会对平衡模型的使用造成束缚。而当量模型的应用基础便是测定信息与待测物含量之间的关系，在此过程中所提及到的测定信息包括沉淀重量与滴定体积等。将这些信息组成方程组，便能够一一计算出许多种成分的含量。在化学分析过程中适合采用当量模型，同时也适用于对一部分仪器分析中，其所具有的准确度要明显高于平衡模型的准确度，但在实际应用的过程中也会受到一定限制。
3有机化学中计算机的应用
3．1图谱检测
在有机化学的应用中测得的谱图准确性可能存在问题，例如基体与溶剂对图谱所造成的影响，甚至于还包括一些共存物质对谱图所造成的干扰等多种情况。而对于未知待测液来说，由于其本身就属于未知物，因此在研究的过程中无法做到将其分离成纯的一种化合物，此时便需要应用到差谱技术，也就是纯净化合物谱图采用的是差减方法。而在此之前，差谱一般需要应用到双光束补偿以及光学相关原理等方法，但也无法识别出在未知含量中干扰物质对于实验的所造成的影响。人工操作计算机能够使计算机完成差谱程序的任务，差减试样的图谱与换算后的干扰物质的标准图谱，从而实现数据平滑、扣除基体以及多组分逐级差谱等效果，从而能够为有机物成分与结构分析提供新的方法及手段。
3．2检索谱图
在有机化学分析中计算机的应用还包括对谱图进行检索，不同的有机物结构具有不同的检索谱图，凭借不同有机物结构不同会使谱图上的特征峰也不同，这样就可以鉴定出未知有机物的结构。因此，谱图的检索就成为有机分析的关键手段，一般来说较为常用的方法包括红外吸收光谱、核磁以及质谱等谱图。
3．3有机物合成路线的设计及优化
计算机具有的逻辑推理功能，使得推理性很强的有机合成问题得以实现计算机化。计算机辅助有机合成就是指用计算机找出目标化合物的各种可能的合成路线。利用数据库方法把已有的合成路线导入到计算机中，根据实际要求如:最经济的实验合成路线、污染程度最低的实验合成路线、方法最为简单的实验合成路线、产率最高的合成路线等，通过计算机来确定最佳的合成路线。这将为分析者提供解决问题的便捷。
4结语
综上所述，随着科学技术的发展，在仪器仪表中计算机的应用也得到飞速发展，许多其他领域的仪器新技术基本都是与计算机相联用，计算机的应用不仅实现了仪器的智能化，方便了化学分析，同时也加快了化学的变革和发展。在不断创新改进过程中，无论是计算机领域还是化学领域都进入了一个全新的发展阶段，随着技术的进一步发展计算机和化学之间将会具有更加广阔的发展前景。
参考文献:
［1］王慧彦，马卫兴，陶传洲等．计算机在有机化学及其实验教学中的应用［J］．广州化工，2013，41(13):265～267．
［2］郭占京，黄宏妙，卢澄生等．计算机模拟技术在有机化学理论教学中的应用［J］．广东化工，2014，41(16):196～197．
［3］郑燕，孙文新．计算机化学软件在大学有机化学教学中的应用研究［J］．石家庄学院学报，2014(3):122～124，128．
有机化学的应用篇2
关键词:高等有机化学;pBL教学法;教学改革
高等有机化学是药物化学专业本科学生的专业基础课，是有机化学课程的延伸，从反应机理的角度来阐述反应历程。在以往教学过程中，发现学生较难跟上教师的思路，虽然教师在授课过程中会辅助课堂提问及互动交流，但总体效果并不理想。如何提高学生学习的主动性、积极性，是一个需要解决的关键问题［1－3］。pBL(problem－basedlearning)教学法是一种注重培养学生综合能力的教学形式，倡导学生通过自学、研究、讨论和合作解决问题，以有效培养学生自主学习能力。与常规的灌输式教学相比，在设计理念、实施方式以及考核模式方面，均有着较大的差异。在教学过程中，能够有针对性地对学生进行教学，并着重培养学生解决问题的能力，在使用pBL教学法对学生进行教学完成后，能够取得较好的教学效果［4－9］。经过实践，我们在2013级本科学生的教学中引入了pBL教学，通过教师精心设计与引导，能促使学生做到课前主动预习课本内容，通过课堂讨论、分析，共同解决问题，另外辅助课堂及课后作业进行巩固，不但有助于学生对知识的理解、掌握，还能使学生的自主学习能力、综合素质得到较大的提高，同时也为后续课程的学习打下良好基础。
1具体做法
1．1本课程适合pBL教学本课程是针对药化专业本科生所开设的专业基础课。人数为30人左右，适合pBL分小组教学。在有机化学课程的学习中，学生已经了解、掌握了有机化学的基础知识。本课程是有机化学课程的延伸，是从反应机理的角度来阐述有机反应的历程。课程共八章，前三章是基础，主要讲述了有机反应的本质及有机反应的中间体。后五章内容是对前三章所学知识的具体应用，通过不同类型的反应，探讨反应的机理、历程，以及影响反应的因素。通过有机化学的学习，以及本课程前三章内容的精讲及课后作业的巩固，学生有能力及充足的知识储备做到提前预习，并分析、掌握课本主要内容，有助于将pBL教学引入后续章节的教学中。
1．2精选pBL教学内容本课程前三章内容是有机化学反应的基础，分别是共价键理论、电子效应与空间效应、有机反应中的活性中间体。对于这三章内容，安排了本课程近一半的学时进行精讲，并通过课堂提问、课后作业，让学生尽快掌握有机反应的本质及有机反应的中间体，为后续的实际应用打下基础。第四章是苯环上的取代反应，以第四章为模板，着重讲解亲电、亲核取代反应的本质，反应的中间体，取代反应的历程(加成－消除历程，消除－加成历程)，影响取代反应的因素(取代基效应，空间效应，溶剂效应等)，使学生理解本章知识，并学会自己总结课本内容。对后续四章的教学，采用pBL教学法，使学生学会如何应用所学知识解决问题，进一步提高学生分析问题、解决问题的能力。
1．3编写教案，设置问题教案的编写与设置讨论的问题是pBL教学过程中非常关键的一个环节。由于传统教学理念仍然根深蒂固，多数教师对于pBL教学法的认识仍然不深入，同时由于课程的不同，并没有现成的“模板”可套用，因此，pBL教学对教师有更高的要求。所设计的问题，其数量、质量都要有一定的保证。要做到既适合课堂的讨论，又要对课本知识有一定的覆盖面。需要强调的是，在实际的pBL教学的过程中，对于问题的解决并不是根本的目的，而是一种载体，通过使用解决问题的方法，可以让学生学会推理、解决问题的能力，并能够培养学生的团队协作、沟通交流以及自学能力［8］。在实际pBL教学过程中，精炼课本内容，提出要讨论、解决的问题，并提前通过QQ群给学生，让学生课前做到预习课本知识，知晓重点、难点，便于课堂讨论。例如在第六章碳杂重键的亲核加成反应中设置了6个问题，做到约10－15min解决一个问题。课堂上未能覆盖的内容，以课后作业的形式进行巩固。如:酸催化下，羰基亲核加成反应的历程是什么?碱催化下，羰基亲核加成反应的历程是什么?在本章中，碳杂重键分为碳氧重键(羰基)和碳氮重键，其中羰基的亲核加成反应是有机化学中最常见、也是应用广泛的有机合成方法。通过提出这两个问题，可以让学生掌握在酸、碱条件下，羰基亲核加成反应的本质;通过反应机理的推导，学生可掌握亲核加成反应的历程。在掌握此反应机理的基础上，对于碳氮重键的亲核加成反应的理解就会变得非常容易。在今后科研过程中，应用羰基的亲核加成反应合成化合物时，对于反应底物，反应溶剂，酸、碱性等反应条件的选择就有充分的理论依据，而不是盲目的筛选。
1．4分组讨论，解决问题设置学习小组:按学号分组，每组4－5人。在个人学习和查阅资料的基础上，以小组为单位进行讨论，并协商解决问题。对6个问题进行抽签后，由各小组派一名代表向全班同学汇报本组成员学习成果。小组交流、合作的意义在于共享学习成果，锻炼分析、解决问题的能力，培养合作意识，学会协调矛盾。每次选择不同的代表，尽量让每位学生都有锻炼的机会，并培养学生清晰、简要表达自己观点的能力。在讨论、解决问题的过程中，教师可提出一定的问题，作适当的引导，使讨论能沿着解决问题的方向前进。此时教师应该承担引导者、组织者的角色，引导学生找到答案，而避免直接讲授答案。如针对上述提出的问题:酸催化下，羰基亲核加成反应的历程是什么?碱催化下，羰基亲核加成反应的历程是什么?可以设计以下问题，层层推进，引导学生学会如何分析问题、解决问题:①什么是亲核加成反应?让学生了解亲核加成的本质是亲核试剂对羰基的碳正离子进行加成;②常见的亲核试剂有哪些，结构上有哪些特点?让学生了解亲核试剂主要是负离子或带有孤对电子的“富电子”的结构，具有类似的结构，才会对羰基的碳正离子进行亲核加成反应;③羰基的电性是怎样的，为什么可以被亲核试剂进攻?让学生了解羰基中碳原子与氧原子的电负性强弱对比，由于氧原子的电负性强于碳原子的电负性，因此，氧原子吸电子的能力要大于碳原子，羰基的电子云就偏向氧原子一方。在羰基中，氧原子显部分的负电性，碳原子显部分的正电性，所以，碳原子可以被负离子或“富电子”的官能团进行亲核加成反应。同时让学生掌握反应过程中电子的转移方向，反应过程中的中间体以及键的生成与断裂;④引导学生区分酸、碱性条件下，亲核反应的不同历程，解决最后的问题。碱性条件下，亲核试剂更容易形成负离子的形式，负离子进行亲核反应时活性高，因此反应历程为负离子直接进攻羰基中带部分正电荷的碳正离子;而在酸性条件下，亲核试剂的反应活性是较弱的，反应的第一步为羰基中氧原子质子化，氧原子质子化后，带正电荷，其吸电子的能力进一步增强，使电子云更偏向氧原子，羰基中碳原子正电性增加，其反应活性得到提高，因此，中性的亲核试剂就可以进攻带部分正电荷的碳原子，完成亲核加成反应。通过设置一定的问题进行提示，引导学生最终学会分析问题、解决问题。
1．5评价建立完善的评价体系。常规的教学模式下，对学生的评价主要是考试以及课堂的提问。在此情况下，往往只能用分数来表示学生对知识的掌握程度，但对于学生是否真正从根本上理解并掌握，还是浅层次的了解，并不能有效的区分。而pBL模式下，需要学生进行汇报，要从根本上讲清楚如何分析问题，怎样进行推理，最终得出了怎样的结论，学生是否真正掌握知识，一目了然。形成性评价应该包括以下评估量表:学生评价案例表、学生评价教师表、学生相互评价表、学生自评表及教师评价学生表［10］。量表内容的设计基本反映了案例质量、教与学的态度、教学环节的合理性与效能、教学质量评价等各个方面，其中最关键的应该为学生相互评价与教师评价学生表。学生评价:第一步，由各小组对小组成员的学习活动进行评价;第二步，由全班对各个小组解决问题的情况做出评价。教师评价:由教师对学生学习取得的成果及存在的问题进行总结、评价。通过评价，使学生感受到自己的学习成果得到认可，对学生起到激励作用。布置课后作业根据课堂讨论的情况及学生掌握的程度，布置一定数量的课后作业，进一步巩固所学知识。
2效果
有机化学的应用篇3
关键词:行动导向；有机化学实验教学；应用型人才
行动导向(Handlungsorientierung)教学最早起源于德国，强调学生在学习活动中的中心地位，强调主动学习，运用多种智能学习，全面锻炼学生能力［1］。上世纪90年代，行动导向教学从德国“移植”到中国，开始了以行动为导向的教学改革。对此教学的研究也开始深入，比较有代表性的有姜大源［2］对行动导向教学的界定:以学生为主体，以行动为导向，以培养综合职业能力为目标，以学习情境为主线，以真实或模拟的职业活动为载体开展教学。主张让学习者“通过行动来学习”，鼓励学生自己独立计划、独立实施、独立检查、独立评价。行动导向教学更多地关注学生，凸显学生的主体地位，彰显学生所拥有的权利，强化学生责任和义务。该方法以能力为本，在高等院校的有机化学实验教学中也具有重要的应用价值。大学有机化学实验课程主要面向化学、化工、制药、生物工程、生物技术、园林、农业设施等相关专业，是专业基础实验课程之一，配合有机化学课程的学习［3］。学生在有机化学实验学习中，有利于有机化学理论课的理解和巩固，可以掌握扎实的有机化学实验动手能力、操作常识及实验室规范等，为以后从事科研或实验工作打下坚实的基础。有机化学实验是有机化学教学的重要一环，学生只有通过亲自动手，才能真正掌握课堂教学的内容，打牢知识基础，培养扎实的科研作风。强化有机化学实验，有利于学生深刻理解掌握所学的理论，提高学生自我探索的能力，同时也将在科学素养的培育等方面发挥重要作用。我校传统的有机化学实验教学模式注重向学生灌输知识，强调实验结果及其处理等问题，学生在实验中只能进行模仿或者验证，未把培养学生创新意识和实践能力作为首要任务。因此，为了改变传统的有机化学实验教学中“学生被动接受”的弊端，使学生由简单的“知识积累”变为“智能提升”，逐步形成自主式、研究式、合作式的学习方式，有效提高学习积极性，研究“以学生为主体，教师为主导”的“行动导向”教学模式在有机化学实验教学中的实践具有极为深刻的现实意义。
1当前有机化学实验教学现状与存在的主要问题
经过长期的教学积累，南昌航空大学的有机化学教学形成了一整套完整的教学方法，在培养学生良好的化学学习习惯、打牢化学学习基础，起到了积极的推动作用。但是由于受各种因素的影响，特别是受现在学生生源层次参差不齐的影响，我校在有机化学实验教学方面还存在许多有待改进的地方。
1．1对有机化学实验教学重视不够
长期以来轻实验重理论，将有机化学实验课作为附属课，有机化学实验教学得不到重视。具体表现在:有机化学实验只开设验证性的简单实验，缺乏综合性、创造性实验;实验课学时数相对不足，学生没有充足的时间完成复杂的实验;教师重视不够，讲完实验后，就让学生自行操作，没有认真观察和指导操作中出现的错误;学生不重视实验预习，讲授期间不注意听讲，已经讲过的内容，提问还是很少有人回答上来，这种情况势必造成实验过程中出现很多操作错误，打碎玻璃仪器等现象出现。
1．2有机化学实验教学模式有待改进
传统的实验课教学模式较为单一，一般是由实验课教师在学生正式开始实验操作之前将要做的实验讲解一遍，包括对于实验装置的搭配、试剂的用量、添加步骤、实验中的注意事项等内容，然后让学生开始实验操作，实验课结束后学生撰写实验报告提交教师。这种单一的教学模式使得学生的实验过程变成了对实验课本和教师讲解的验证过程，学生比较被动，不能主动地思考，禁锢了学生的思维空间，忽视了学生的创新能力，不利于学生对整个实验过程的思考和对实验现象的分析，影响了教学效果。
1．3有机化学实验教学内容陈旧，学生学习兴趣不足
由于不同高等院校的实验室设备条件、师资力量有限，有机化学实验内容的选择上侧重点各有不同，而我校在组织有机化学实验教学时与理论课程的步调并不能同步。目前，我校的有机化学实验教学中实验项目几乎都是基本实验操作技能训练实验和传统的制备实验。这些实验在方法和结果上没有异议，但难以激发学生对实验的好奇心，从而导致学生的实验预习和准备工作流于形式。在这种教学模式下，教师是主体，多是关注自身演示规范与否以及学生是否能够按时完成。学生在学习的过程中处于被动的地位。由于教和学的分离，学生多是关注能否完整“重现”教师的实验步骤，甚至于关注每一个动作和细节，而忽视了对实验目标和实验方法的思考。由于学习过程缺乏自主性，学生普遍感到枯燥和乏味。
2行动导向教学法在有机化学实验教学中的实施
行动导向教学法因其以能力为本位，以就业为导向，运用形式灵活，方法多变而受到职业院校的大力推崇并取得良好效果。普通本科院校在进行课程改革的同时，逐渐在重视学生能力培养，特别是一些实验类课程中综合设计性实验的增多给行动导向教学法的引人提供了很好的契机。行动导向教学是基于行动导向教学模式的一种教学手段，常用的教学组织形式有项目教学法、模拟教学法、引导教学法、案例教学法、张贴版教学法、角色扮演法、头脑风暴法等，下面以我校2014级应用化学专业中《有机化学实验1》第7个实验“水果味香精———乙酸正丁酯的制备”为例说明行动导向教学法在实验课程中的应用。第一步资讯阶段，教师收集有关酯类化合物的相关资料、视频等，由学生阅读相关文献资料，提炼出制备乙酸正丁酯的实验方案，分析实验方案中的重点和难点。本阶段，教师简要讲解完成制备乙酸正丁酯实验的操作要点、关键问题和注意事项。教师提供给学生的背景资料如下所示。酯类是由无机酸或有机酸与醇进行酯化反应缩去水而成。醇或酚与酰卤或酸酐、醇与烯酮类、游离酸与脂肪族重氮衍生物反应也可生成酯。乙酸正丁酯，简称乙酸丁酯，无色透明有愉快果香气味的液体。乙酸正丁酯较低级同系物难溶于水;与醇、醚、酮等有机溶剂混溶，易燃，急性毒性较小，但对眼鼻有较强的刺激性，而且在高浓度下会引起麻醉。乙酸正丁酯是一种优良的有机溶剂，对乙基纤维素、醋酸丁酸纤维素、聚苯乙烯、甲基丙烯酸树脂、氯化橡胶以及多种天然树胶均有较好的溶解性能。第二步计划阶段，采用头脑风暴法，由教师讲解乙酸正丁酯的物理和化学性质以及常用的制备方法，并播放相关资料视频让班级学生进行自由分组，每组3－5人，根据兴趣选择合作伙伴组成实验小组。实验小组要考虑完成实验所有的相关步骤，并考虑所必须的仪器、药品和试剂等。列出仪器需求表、化学药品试剂需求表、时间计划表等清单，并做出实验的运行计划，同时和指导老师交流。这是一个团队合作讨论的过程，学生们可以从与同伴的讨论中获益。通过讨论培养学生的思考问题的能力，组织、协调和管理能力，人际交往能力和团队合作意识。第三步决策阶段，采用引导式讨论教学法，由教师引导每组学生将各自的方案通过讨论、交流、比较最后形成一个合理的方案并与教师进行探讨。在这一阶段，教师要参与实验小组的讨论并听取讨论结果，帮助实验小组选择那些可以接受的、修订了的或者重新制定的方案。通过讨论与决策，学生接受实验任务，确定一个最优实验方案。教师审查每个小组的实验方案，要求小组负责人给每个成员分配实验任务，帮组其组织并调控实验的有序开展。第四步实施阶段，每个小组实验方案的实施不受时间限制，可以与实验室管理的老师预约协调具体时间。教师打破讲解、指导、评判实验结果的传统做法，尽可能引导每个小组按照实验方案，自我进行实验、分析，找出问题的答案，查找实验中存在的问题与不足。学生操作时，教师要巡回检查与指导，及时发现并纠正学生的错误。教师在指出学生的错误时不应立即给出答案，答案应由小组成员共同寻找。教师尽量以提问方式帮助学生掌握实验原理、步骤及注意事项，增强学生对实验方案中重点内容的认识与实验过程中实验现象的重视，完成实验后启发每个小组对实验方案的有效性进行归纳整理，对其不足之处进行探讨和改进。第五步检查阶段，每个小组把实验方案的实施过程论文的形式记录下来，通过与其他小组横向对，激励实验小组通过学生自查和教师检查来记录实验方案的完成进度和取得成果。每个实验小组都会有单独的检查表，学生能通过该表可以了解要通过什么途径才能实现目标，并在在实验方案的实施过程中不断进行自检，及时纠正错误和改进实验结果。第六步评估阶段，为了鼓励学生的团队协作精神和自己动手动脑相结合，发挥小组中每一个人的作用，我们采用的评分方法是小组和个人相结合。先进行小组之间的评估，每组同学以团队形式展示自己的实验结果，其他学生作为听众进行学习并现场答疑。然后，教师对每个小组的实验方案和完成情况进行评价。无论以何种方式进行反应，最终都要求产品的综合原材料成本低、产品质量好、各种现象和结论分析正确;论文写作要求文字流畅，理论和数据分析正确;在实验中鼓励创新，即使综合成本高一点，也给予适当加分。通过以上六步的行动导向教学，学生反应较好，兴趣很高，都表现出强烈的参与愿望。学生不仅了解有机化学的专业知识，更多理解了团队意识的重要性，既掌握了基本的实验技能又锻炼了社会能力。
3结束语
有机化学的应用篇4
一、大学有机化学现阶段面临的问题
（一）同学对有机化学立体结构存在想象力欠缺问题
通过对中学有机化学的学习，我们了解了有机物中，简单的有机分子内部结构及其性质，但是在大学的有机化学学习中，对有机化学中有机物的研究更趋于专业化，多元化。所以我们所接触的有机物的内部立体结构也变得极其变化多端，往往在复杂结构的大前提下，所伴随发生的变化也五花八门，一种性质微小的改变就可导致整个反应产物的改变，所以大部分同学对有机物内部立体结构的学习也就产生了恐惧和厌倦心理，长久发展下去也就对有机化学的学习失去了信心，对于大学有机教学中所存在的这个问题，学者也进行了综合分析，导致这一情况发生的根本原因就是同学普遍存在空间想象力欠缺的问题，为了弥补同学们普遍存在的这个问题，所以引进计算软件的普及显得尤为重要。
（二）传统的上课模式失去了兴趣
众所周知，兴趣是最好的老师，进去了大学，老师运用傳统的ppt讲课，对于新时代的大学生也就失去了新鲜感，吸引不住大众的眼球，导致学生接受知识很被动，被传统的教学模式感到厌倦，所以同学们不能在课堂上积极的活跃起来，久而久之同学就对这种传统的上课模式上课感到疲惫，也就失去了学习有机化学的兴趣，而对于现阶段的最新计算软件的提出，对这个问题的出现也可以得到及时解决，不仅可以解决老师备课难的问题，更可以活跃课堂气氛，抓住学生的眼球，使每节课都可以达到教学大纲上高效的达到目的。
（三）相对于发达城市，教学条件的落后
由于我国各个城市经济发展并不均衡，导致教育水平也有所差距，在沿海发达城市的教育水平相对于内地相对较高，我国坚持科教兴国，人才强国的伟大战略，教育水平的决定性因素除了软件设施之外，硬件设施更是一个难以逾越的因素，许多地区至今仍然使用传统的教学仪器，无法与现代化教学相接轨，大大落后与当代水平，比如现代计算软件的使用，给贫困地区带来了极大困扰，利用现代化计算机软件可以很大程度调动孩子的学习积极性，培养孩子独立思考和解决问题的能力，在大学有机化学学习展现的尤为突出，通过传统的教学模型已经远远不能达到教学目的。
二、计算软件对于有机化学教学的立体模型的展示
传统的有机化学教学模式，在有机分子立体结构通过教材的讲解，以及实验室所提供的曲棍模型对有机分子内部结构了解，这种途径使同学很难理解较为复杂有机物质的内部构造，无法突破有机化学教学中的重难点，这样的教学模式仅仅处于表面的学习，很难进一步深入学习，更无法到达活学活用的教学理念，可见在有机化学的教学中，有机分子的立体结构的想象变得尤为重要，也是有机化学教学中的难点突破口，突破了物质内部结构以及包含的键和自由基的类型，可以准确判断该物质所发生的变化及其产物。因为它与物质所发生的化学及其物理变化所发生的变化类型和结构有着密切关联，而科技的发展，巧妙地弥补了这个缺陷，比如可以利用现在较为普遍的软件chemoffice等相关化学辅助类的教学软件，可以清楚的展示有机化学分子的立体构造，使同学透彻理解有机化学分子的本质，我们用Gaussian03软件研究甲烷分子结构，步骤也较为简单：首先需要建立甲烷分子模型，之后对甲烷分子立体模型进行优化，为了有效体现甲烷的立体结构，就需要改变四个c—H键之间的角度，将scan输入其中，最后对整体进行调整，达到稳定的立体结构。可以形象的展示出来甲烷的立体结构及其内部所包含的键的类别。
三、对有机物的特性研究分析
对于有机物的某些潜在性质的研究，除了观察其发生的化学，物理反应来进行判断，还可以运用辅助软件进行透彻模拟，例如我们进行有机物的周围电子的存在形式，凭借纯粹的想象，想象电子的跃迁，从基态变为激发态，其中电子的得失，仅凭想象很难达到学习应有的效果，可以运用计算软件帮助学生理解概念性的知识，这样可以把抽象的概念转化为生动形象的动画来进行演示，可以一目了然的表达效果，不仅降低了学生学习时的难度，更缓解了老师备课时的压力，可谓一举两得，通过对有机物的相对参数和物理特性分析，我们可以借助che—mortice软件辅助完成教学任务，可以分为以下几个步骤：首先打开chemoffice来描绘一个苯环的分子结构式，接下来通过点击view菜单下的选项进一步计算其相对分子量，其中包含的键数目，从上图我们可以一目了然地看出苯环属于有碳碳键交替构成的6元环，键角也可以更透彻明了的看出来，从我们实验室的实验可以得出，苯不能使溴水或酸性Kmn04褪色，这说明苯中没有碳碳双键。进来研究证明，苯环主链上的碳原子之间并不是由以往所认识的单键和双键排列（凯库勒提出），所以每两个碳原子之间的键均相同，是由一个既非双键也非单键的键连接。（可理解为平均化的价键，介于单键与双键之间，兼具二者性质，既可以取代，又可以加成），进而我们对苯环的研究更深入了一步。
四、演示动态情况下的反应机理
在有机化学反应中，往往伴随着内部能量的变化和新产物的产出，我们运用新计算软件将其抽象的过程加以模拟化，使反应机理过程所伴随的变化得到展现，使我们将其难点一网打尽，牢固掌握核心课程内容，我们以一氯甲烷取代卤素的反应为例子进行论证分析，可以使用Gaussian03软件进行模拟，首先分别对反应物CH3CL+Rr一和对应产物的分子模型进行构建，使用QSt2方法搜索反应物过度的中间产物，得出整个反应过程的发生情况，在整个反应过程中，可以看到亲试剂Rr一从基态的CL一的背面逐步接近中心的碳原子，逐步形成Br—c键，同时中心的碳原子也发生了变化，其上部的基态氢原子也向离去基态的方向发生偏转，当在中间过渡态时，中心碳原子呈现的为sp2杂化，而在同时其他三个3个基态原子与形成的直线在同一平面上，最终完全离开基态中心形成产物，整个取代过程展现的由抽象变得更形象。
有机化学的应用篇5
有机化合物化学性质。含有〆-H的有机化合物在特定条件下较活泼,在不同条件下发生不同的化学反应。例如:甲苯中〆-H在光照条件下与卤素发生自由基取代反应,乙酸中〆-H在磷的作用下与卤素发生异裂型取代反应。其原因是甲苯中C-H键极性弱,易发生均裂,乙醇中C-H键极性弱,易发生异裂。烯烃含有π键易发生亲电加成反应,而苯虽然也含有π键,但它不发生亲电加成反应,易发生亲电取代反应,其原因是二者π键的键能不同。乙烷能发生均裂型自由基取代,乙炔能与agno3发生异裂反应,而乙烯却不易发生均裂型自由基取代,也不易发生异裂取代乙烷:C-H乙烯:C-H乙炔:C-HSp3-SSp2-SSp-S
二、用内因和外因关系认识有机反应的复杂性
内因是变化的根据,外因是变化的条件,内因通过外因而起作用。有机化合物的结构是有机反应的内因,即结构决定性质;反应试剂、催化剂及温度等反应条件是外因。同一有机化合物在不同条件下发生不同的有机反应,例如:甲苯在光照下与卤素发生自由基取代反应,即甲基上的氢被取代;而甲苯在卤化铁作用下与卤素发生亲电取代反应,即苯环上的氢被取代。又如:溴乙烷与naoH水溶液发生亲核取代生成乙醇;与naoH醇溶液发生消除反应生成乙烯。不同类有机化合物可能具有相同的化学性,例如:酚、羧酸、吡咯等显弱酸性;胺、吡啶、喹啉等显弱碱性;芳烃、杂环化合物均发生亲电取代反应等。
有机化学的应用篇6
一、通过原子结构原子性质迁移，形成有机化学知识原点
学习的迁移，是学生根据已有的知识和经验去辨认新的课题，并把新课题纳入已有的知识系统中的过程。有机化合物是指含有碳的化合物，学生在学习《化学必修2》时对碳原子结构有一定的了解，有机化合物均含有碳原子。在学习的过程中，特别是初学《有机化学基础》的时候，要以碳原子为中心，引导学生围绕碳原子的结构、成键情况进行分析，形成有机化学的知识原点，再通过正确的知识迁移，引导学生对其他有机物的成键情况、化学性质进行预测及分析等，既加深学生的学习兴趣，又能让他们探索有机物的无穷奥秘。在《有机化学基础》第一章第一节的学习时，一方面，先复习碳原子的结构示意图、电子式等，强调碳原子的最外层有4个电子，与非金属结合时会形成4对共用电子对，结合碳的价电子情况分析了C和H结合为CH4的电子式、结构式等。用模型进行演示，还可以组织学生进行“真人演出”，让学生明白:碳原子形成单键是与其他原子以一对共用电子对成键。接着根据上述已有的碳原子4对共用电子对结构的知识进行迁移，引导学生分析C与C相连结合的情况:可共用一对电子对、两对电子对、甚至三对电子对，但不能形成四对共用电子对(单质状态)，即可以形成碳碳单键、碳碳双键和碳碳三键，但不能形成碳碳四键，然后很轻易地让学生明白碳碳单键是饱和键，碳碳双键和碳碳三键是不饱和键，它们的性质将有所不同。另一方面，复习已经学过的Co2的成键情况和电子对偏移情况，利用“氧的得电子能力强于碳”这一知识点，对C和o结合的情况进行知识的迁移，分析乙醇、乙醛、乙酸、乙酸乙酯的成键情况，容易得出碳氧共用电子对偏向氧原子，使含氧官能团起主导作用，导致含氧有机物的性质不同于烷烃。通过对碳原子知识的复习，引导学生对知识进行了有效迁移，学生对各种有机物的成键情况有着深刻的理解，培养对有机物的探索欲望，对后来学习的官能团性质、反应断键位置、同分异构等有机化学知识的学习和理解有很大的帮助，起到了知识原点的作用。
二、通过对官能团知识迁移，连成有机化学的知识线
学习迁移要求在教学过程中，抓住知识的共同因素来促进迁移，通过知识规律增强学习效果。有机化合物种类繁多，不同的有机物因为官能团不同性质不同，所发生的反应也不同，然而对于相同的官能团，虽然它们所在的物质不同，但表现的性质几乎一样的(羟基在醇和酚中有区别)。在教学过程中，通常需要对某一种官能团的性质进行详细学习，然后将知识迁移上升到其同系物的物质(甚至具有相同官能团的物质)上，连成有机化学的知识线，让学生轻松掌握同一类物质的性质。例如在学习乙烯的性质时，通过学习，知道乙烯能够发生加成反应和加聚反应，理解乙烯能发生上述反应的原因:碳碳双键其中的一个键容易断裂，与其他共价化合物结合。掌握此性质和原理后，可以将知识在同系物中进行迁移，让学生写出丙烯、1－丁烯、2－丁烯加成反应、加聚反应的方程式，学生就会较为轻松地完成任务，并加深对这两个反应的理解。然后再将知识进行迁移拓展，引导学生掌握1，3—丁二烯的1，2加成、1，4加成和完全加成等反应。又例如学习乙醇与乙酸发生的酯化反应，理解了羟基断开o－H键、羧基断开C－o键后，可以将知识在同系物甚至在具有羟基的物质中进行迁移，让学生写出乙二醇与乙酸、丙三醇与乙酸、乙二醇与乙二酸反应的化学方程式和反应原理，学生完成任务后，可以让学生写出纤维素制造醋酸纤维反应的化学方程式和反应原理。通过对某一个官能团知识的学习认识，不仅让学生掌握该物质的性质，还可以以此为知识线，通过正确引导知识迁移，全方位认识掌握具有相同官能团的物质，使有机化学的学习具有“由此及彼”的连接作用，既提高学生学习效率，也能让他们自主学习，学会分析问题和解决问题，还可以扩宽他们的知识面。
三、通过对不同官能团知识迁移，构成有机化学的知识面
学习迁移并不是自然而然地发生的，实际上是在新旧两种事物或情景非常相像的情况下发生，需要学生自己通过主观上的积极努力才能实现某些知识的迁移。有机化合物某些官能团之间是有一定的相似性和一定的内在联系的，可以从组成、结构、性质等多方面进行研究分析，再将知识迁移到相关的官能团，让学生对比着学习，形成完整的知识面。例如在学习乙醇的性质时，教材给出了对“一起严重化学事故”的材料，要求学生讨论“用水还是用乙醇来消除钠的安全隐患”。可以通过讨论得出解决方案，再根据钠与水反应剧烈、钠与乙醇反应平缓得出结论:乙醇和水均有o－H键，o－H键的共用电子对向氧原子偏移，而水中的H－和乙醇中的CH3CH2－均为供电子基团，供电子能力CH3CH2－大于H－，所以对o－H键影响结果不同，导致水中的o－H键比乙醇中的H更易电离，所以钠与水反应较乙醇与水反应剧烈。通过这知识点的学习，可以进行知识迁移，让学生根据乙酰基比苯基得电子能力强来比较乙酸、苯酚分别与钠反应的剧烈程度，他们会在水和乙醇的基础上进行分析:苯酚和乙酸均有o－H键，苯基和乙酰基均是得电子基团，且得电子能力乙酰基比苯基大，所以o－H键极性增大，两者均能电离出H+而显酸性，且乙酸酸性比苯酚强，所以与钠反应的剧烈程度顺序为乙酸＞苯酚＞水＞乙醇，有的学生经过知识迁移学习后，甚至还总结出“有连在氧上的氢均能被钠转换出H2”的结论。同理可以利用学习迁移法，比较乙醛、乙酮、乙酸、乙酸乙酯等中的乙酰基结构活泼性的大小，这里就不作详述了。通过这样的迁移，学生将不同的官能团联系起来理解，通过对比找出相同部分和不同部分，真正体会“结构决定性质”的真谛，对有机物有更深入的认识，构成有机化学的知识面，激发他们学习、探索、研究有机化学的结构性质的热情。
四、通过对有机合成知识迁移，建立有机化学知识空间
有机化学的应用篇7
[关键词]有机化学；共价键；电子行为；教学
[中图分类号]G642.0[文献标识码]a[文章编号]1005-4634（2013）05-0068-05
有机化学是各化学化工专业重要的专业基础课，其特点是具有庞大丰富的知识体系，不但基本反应类型下的化学反应众多，而且特定条件下的反应（如人名反应、重排反应等）也复杂多样。同时，新反应、新技术和新方法在不断涌现，理论性强，反应机理抽象，学习起来有一定的困难。当前的有机化学教学通常停留在目前能解释很多问题的电子效应、官能团化学性质的极性分析或化学键相关理论等的某一个方面上。也即在实际的有机知识教学中往往会根据“题目”需要而侧重某一概念原理的应用，且往往是哪个好用用哪个，甚至有时会忽视了各概念原理的知识背景和使用条件从而造成对某一问题的不同解释，结果使学习者产生困惑，特别是随着对有机内容的深入理解和应用，学习者常会碰到这样的情形。由此看来，目前的有机化学教学中以解题等为目的的一些做法说明学习者对有机化学知识还没能实现完全意义上有基础、有脉络的系统化构建。随着有机化学日益发展和社会对功能各异的有机产品的需求日渐增多，有机化学在现代化学中的地位日渐突出，应用领域不断拓宽[1]。因此，在有机化学的教学中，需要根据有机化学发展的内在逻辑来理清基础、区分知识主干和分支，并在此基础上凝练成因人而异的学习方法。
从对有机化学发展的内在结构逻辑及其化学键的量子观来看，有机物中的电子行为是理解有机化学的本质，对有机化学知识体系的建构能起到核心作用，这并不仅仅局限于常说的电子效应。1897年汤姆逊发现电子后，随着电子云式原子结构模型、元素的化学性质及其核外电子的排布等有关内容的相继提出[2]，化学键的电子行为本质也逐渐被揭示。在这里，电子行为是指电子本身实物粒子的波粒二象性和与其相关的作用物（核和电子）相互作用而成的具有规则的能量轨道。电子行为在有机上的应用创始人为罗宾逊，从有机物中的电子行为出发能本质地解释有机化合物的结构和性质，从而能系统深入地把握有机化学知识体系。
1有机化学中的共价键理论
有机分子是原子与原子之间通过化学键键合而成的，常见有机分子中的化学键主要是原子间共用若干电子对形成的共价键。如同广义的酸碱理论从电子角度描述概念本质（能接受电子对的物质是酸，能给出电子对的物质是碱）一样，从电子的角度可以把握共价键的本质及其在不同分子环境中所表现的性质。原子是原子核和核外价电子构成的，元素价电子的行为基本决定了该元素的化学性质，表现为分子中原子的成键电子在不同分子间或在同一分子的不同部位有规律的转移引起了化学反应。从1916年路易斯提出共价键开始，为了能够深入地认识化学键和解释由其决定的分子结构而引起的性质问题，科学家们围绕成键电子的电子行为采用了不同的处理方法，进而提出了共价键理论，包括价键理论（以及现代定域的杂化轨道理论和离域的共振论）、分子轨道理论和前线轨道理论等[3-5]，这些理论的研究对象均是成键的电子，不同的是处理电子行为所采用的方法和解决问题的角度有所差异（如表1）。因此，为了系统把握有机物的结构和性质，对共价键理论所涉及的电子行为的理解是其基础。
对共价键相关理论的发展分析有助于全面认识共价键及其电子行为的共性。
对氢气分子化学键的量子认识是现代价键理论的生长点，价键理论认为成键电子对在核间出现的几率最大处运动而构成轨道，此属于电子定域说。而一定数量的轨道在空间上具有趋向性，因此，一个原子与周围原子通过共用电子对形成共价键有一定的角度，这意味着原子或原子团通过共价键键合而成的分子具有立体结构。
在此基础上，1931年鲍林（pauling）为了认识甲烷分子结构和理解其成键过程，提出了杂化轨道理论。杂化过程是若干类型不同而能量相近的原子轨道混合后再重新组合成相同数量新轨道的过程，随着杂化过程的进行，电子也重新规律性地在轨道上进行排布。该理论在分析成键过程中引入了动态分析方法，指出了成键的过程，不过这种动态分析属于状态分析而没能进行连续化描述。该理论使鲍林获得了1954年诺贝尔化学奖。另外，对于多原子的共轭体系，鲍林对价键理论作了补充，于1933年发展成了共振论。鲍林用该理论表达实际分子结构时可能需要用到两个以上的经典结构来构成，即共振杂化体。可以看出，共振论以分子整体来分析电子的成键行为，这是电子的离域说法。当然，共振论有其自身的随意性。
其间，获得1966年诺贝尔化学奖的马力肯（mulliken）于1932年提出了分子轨道的概念，并发展为分子轨道理论。分子轨道理论也是从分子的整体出发去研究分子中成键电子行为的，认为形成化学键的电子是在整个分子中运动的。该理论认为化学键是原子轨道重叠产生的，任何数目的原子轨道重叠都可以形成同样数目的分子轨道，原子轨道组成分子轨道时，必须符合对称性匹配、原子轨道重叠部分要最大和能量相近三个原则。分子轨道理论在价键理论的基础上引入了系统分析方法，把包括共轭体系在内的分子中的电子行为进行了整体处理，在一定意义上发展了价键理论。但价键理论和分子轨道理论在处理对应一定能级轨道中的电子行为来解释化学键时所用的量子方法是一致的。
此后，霍夫曼（Hoffmann）等在有机合成尤其是维生素B12的合成中发现了分子轨道的对称性对反应难易和产物的构型起着决定作用，以此提出了分子轨道对称守恒原理。20世纪50年代，福井谦一（FukuiKenichi）提出的“前线轨道”理论发展了分子轨道理论，突出了对轨道的认知。霍夫曼和福井谦一因此共享了1981年的诺贝尔化学奖。前线轨道理论认为分子性质主要由分子中的最高已占分子轨道（Homo）和最低未占分子轨道（LUmo）决定，即前线轨道。如图1所示的a和B发生反应，两分子的Homo中的电子分别流向对方的未占LUmo，从而引起化学反应。反应条件是参与反应的Homo与LUmo的能量比较接近，对称性匹配。
前线轨道理论描述了所处特定轨道上的电子因电子转移而成键及其所表现出的性质。而1992年诺贝尔化学奖获得者马克斯（marcus）提出了电子转移模型，指出了电子转移的影响因素，认为电子转移反应速度取决于电子给体与受体间的距离、反应自由能的变化以及周围溶剂重组能的大小[6]。从中可看出，电子和轨道是紧密相伴的两个概念，电子必然在轨道中运行，而轨道是电子运行形成的轨道。这些理论是对电子行为特别是价电子成键行为不同角度的认知，体现了认识从定性到定量、由静态到动态、由局部到系统整体的逐步深入过程，同时这些理论仍在发展完善中。
在有机化学中，电子效应可以认为是共价键理论的延伸。对于含有多个共价键的“基团”电性（吸电子和供电子）往往是其中的各共价键电子行为的综合表现结果。在分子内，这样的基团就是局部的整体，如同计算机程序中的“模块”，这种基团“模块”对外相比较所表现的电性就是常说的电子效应（如图2），包括诱导效应、共轭效应、超共轭效应和立体电子效应以及场效应等。然而对这些效应的理解离不开以成键电子的电子行为为基础的知识，因为有时会涉及影响电子行为的原子核，如由原子核所致的电负性差而引起的诱导效应等。而基团表现出的电性则是该基团内各化学键综合表现出的与相连原子或基团对共用电子的束缚能力的比较，束缚能力强则表现为吸电子基团，反之为供电子基团。如甲基的电性存在着争论，一般认为它是供电子基团，但不能认为在任何分子中甲基都是供电子基团，否则会对问题的解释出现偏差甚至错误。甲基究竟表现出的是供电性还是吸电性取决于它所处的化学环境中具有一定趋向的三个碳氢键综合所表现的对共用电子束缚能力的强弱，如当甲基与杂化的饱和碳原子连接时，它就吸引邻近碳原子上的成键电子而表现为吸电性，是吸电子基团；当甲基与或杂化的不饱和碳原子连接时，它的各成键电子会受到不饱和碳原子的吸引而表现为供电性，是供电子基团。而共轭效应、超共轭效应是化学键各电子对离域的结果；立体电子效应和场效应是电子行为在空间上的物理表现。因此，可以明晰共价键理论、电子效应和成键电子行为三者间的关系：共价键理论和基团的电子效应如同数学中的定理和推论，而作为定理和推论的基本概念之一就是共价键的电子行为。
对共价键理论的梳理，为更好地理解和应用有机化学知识提供了基础；对共价键的电子行为本质的概括，为进一步在结构性质关系中建构有机化学的知识系统脉络提供了前提。在有机化学教学中灵活把握这个基础和前提是共价键理论应用的核心。
2共价键理论在有机化学教学中的应用
有机化学的核心内容是研究有机化合物的结构、性质和用途。有机化合物结构是有机化学知识体系的基础，而对结构的掌握离不开对构成共价键的电子行为的理解。共价键的电子行为能够帮助人们把握有机化合物属性（键长、键角和键能以及分子极性等）、分子结构和预测反应性质。卤代烃的亲核取代反应是有机化学的重要内容，如果在教学中仅停留在卤代烃类化合物上，那么就没有真正把握住亲核取代反应实质。如对醇与三氯化磷反应的理解，如果不能分析底物和试剂中的反应点的电子偏向和轨道能级许可，就很难明白这个反应经过了两次亲核取代过程，即醇氧上的孤对电子亲磷核取代溴原子，而后溴原子再亲与氧相邻的碳核发生二次亲核取代得到溴化物产物（如图3）。
该例的启示是，在有机化学教学中需要正确把握有机化学知识实质，认清共价键电子行为（这里是孤对电子和空轨道）在构建有机知识体系中的基础作用。同时，共价键电子行为也是理解有机物结构和性质关系的逻辑起点。在此认知下才能引领有机化学全局，为学习者探寻符合有机知识逻辑的多样化的学习方法。关于共价键理论在有机化学中的应用已有了分类详细的论述[7-9]，但缺乏逻辑系统性。能更好地从电子行为说明问题的例子是反应类型的分类，根据共价键断键过程中成键电子去向把有机反应分为均裂与异裂，分别对应于离子型反应和自由基型反应，而电子在离域过程中同时形成新键的反应为协同反应，典型的例子就是Diels-alder反应，这可以说是与共价键电子相关的有机基元反应分类。在教学中，学习者将基元反应类型所涉及的概念和原理吃透，具体到各种官能团的反应时就很容易掌握要点并能在理解的基础上合理的拓宽。如有机化学中涉及%Z-H反应的化合物很多，教材中有%[-二羰基化合物的%Z-H去除后形成的碳负离子参与的各类缩合反应，教学中如果能理解基于电子行为的结构上的缘由，那么2，4-二硝基甲苯在碱性条件下与卤代烃的反应就不难写出亲核取代反应的产物（如图4）。
另外，共振论可以解释偶极矩分子的极性、化学键的键长、分子的稳定性、酸碱性的讨论、芳环取代定位效应、反应活性和反应的条件的选择以及两面亲核体多重反应性的分析等[10]。对于有机化学的芳香族化合物，确定各个原子或原子团在亲电或亲核取代反应中的相对活性是一个必须要弄清的问题，并且已经提出了如电荷密度分布、定域能方法等理论指标。而前线轨道理论认为，最高已占分子轨道上的电子在各个原子上有一定的电荷密度分布，这个分布的大小次序决定了亲电试剂进攻各个原子位置的相对难易程度，即亲电反应最易发生在Homo最大电荷密度的原子上；与此类似，亲核反应在各个原子上发生的相对次序由LUmo的电荷密度分布决定，亲核试剂最易进攻LUmo电荷密度最大的原子，这用常规的电子效应是无法理解的。如萘的亲电和亲核以及自由基取代反应都发生在%Z位，用前线轨道理论解释为反应都在前轨道系数最大的位置发生反应，计算表明萘的%Z位的前线轨道系数为0.425，而%[位的前线轨道系数为0.263，%Z位的明显要高，故反应在%Z位。
从上面的讨论中可以看出，应用共价键电子行为理解有机物结构决定的性质，有利于揭示化学反应的本质特征，使众多的有机反应分类归一化，也有利于加强知识点的联系，使知识系统化。电子效应也可以解释和预测一些有机反应的主要产物，判断酸碱性强弱，比较活性大小，解释苯环的亲电取代定位规律和判断有机反应速度以及确定反应条件等。电子效应是解释分子稳定性、反应活性和选择性的重要理论，有供电子和吸电子之分、有动态静态之别，对化学反应的作用集中在降低活化能、增加反应活性和提高反应速度，使产物分子能量降低的效应有利于该分子的生成和稳定。关于这些效应一般教科书或教学参考期刊杂志上都有完整的总结和应用实例[11-14]。但有机化合物中的共价键的电子行为能从本质上解释和理解有机化合物的性质和规律。关于酯的水解活性比较，如果用电子效应解释过渡态的稳定性来判断活性大小，那么得到的结果正好相反，原因是没有理解该动力学过程，反应过渡态的电子越集中、越活跃，则越有利于动力学过程，同时离去基团上吸电子基团的存在有助于反应向正向进行（如图5）。
以上概述了共价键理论、电子效应和共价键电子行为对有机化学知识的理解和应用，有益于指导有机教学内容体系的安排。对于庞杂的有机化学知识，对共价键的电子行为基础的正确把握有助于形成有机知识体系，对每一类有机化合物从电子成键决定的分子结构特点讲起，让学习者首先搞清分子中各共价键的电子行为特征，在成键基础上分析分子结构特点，从而预测其可能具有的物理、化学性质，进而讨论其可能的应用。这样的话，学习者容易认识有机知识脉络并能相应地建构适合自己的有机化学知识体系和学习方法，并在应用知识时可以在建立的知识体系中找到相应的切入点。而教学中的重难点就可以根据专业和学生层次的不同进行灵活地把握，在明晰教学“共价键电子行为-结构-性质-应用”思路的情况下，根据需要对教材内容进行有选择的取舍和补充。同时，在此基础上还能根据学生的知识结构和学生特点创造性地设计教学，提高教学质量。另一方面，学生如果能够以共价键的电子行为作为学习有机知识的出发点，学习中分清了知识的基础和主次，那么就更容易掌握有机知识系统。在掌握了适合自己的方法后对每章内容进行有效归纳总结，就能轻松的自学后续的内容，进而提高自学能力。这样也可以减轻有机课程教学的课堂负担，使教师能够有更多的时间去完善教学内容，提升教学档次。比如，教师可以引入前沿话题，拓宽知识面；选讲现实话题，贴近生活应用；提供实践机会，使之反哺教学；采用化学史的案例教学，完善学生专业素养；增加课堂互动频率，促进学生交流思考，延展思维的发散力等等。如果学生的兴趣被引发则能够主动拓宽知识面，包括参与相关老师的科研课题、钻研知识的实践应用等，从而能够培养学生的研究精神。这样的教学有助于开放式教学，事半功倍，教学相长，可以实现知识增长和能力提升的并驾齐驱。因此，创设这样的有机化学教学情景，能够有效实现学生的主体性和教师的主导性的分工，这对轻松的“教”与有效的“学”是十分有意义的。
参考文献
[1]杜灿屏，刘鲁生，张恒.21世纪有机化学发展战略[m].北京：化学工业出版社，2002.
[2]赵匡华.化学通史[m].北京：高等教育出版社，1990.
[3]杨承印.化学键理论的发展概述[J].化学教学，1997，（7）：11-13.
[4]向义和.化学键的理论是怎样被揭示的[J].自然科学史，2008，31（1）：47-54.
[5]杨锋，罗明道，屈松.化学键理论的回顾和展望[J].湖北民族学院学报（自然科学版），1996，14（2）：92-94.
[6]张宝文，佟振合，吴世廉.电子转移过程的理论[J].大学化学，1993，8（3）：1-3.
[7]赵华明.分子轨道法在有机化学中的应用[J].化学通报，1965，（3）：16-25.
[8]付彩霞，高宗华，魏光成，等.杂化轨道理论在有机化学教学中的应用[J].数理医药学杂志，2008，21（4）：497-499.
[9]刘衍贞.前线轨道理论在化学中的应用[J].潍坊学院学报，2002，2（2）：42-44.
[10]戚月明.共振论在基础有机教学中的应用[J].渤海学刊，1990，（4）：42-46.
[11]刘洋，林友文.有机化学中电子效应应用的教学思考[J].化工高等教育，2012，（1）：105-108.
[12]丁萍，缪建.浅谈电子效应在有机化学中的应用[J].化学教学，2011，（5）：52-55.
有机化学的应用篇8
关键词：微波技术分析化学有机合成
引言
化学实验过程中，特别是有机化学实验中，因为加快反应进程，缩短反应时间，或者使反应更加彻底，往往需要对反应过程进行加热。传统的基于酒精灯的石棉加热、坩埚加热、水浴加热等方式，因为对流扰动的存在，可能使得加热过程对反应过程带来不必要的扰动。所以，上世纪八十年代末以来，微波加热在分析化学和有机化学中逐渐兴起。
一、需求分析
本文需要设计一个微波加热设备，用于分析化学和有机合成，可以进行基本的皂化反应、萃取反应、中和反应、食品分析、生物制样等操作。仪器可以设置微波功率、目标加热温度、加热时间等参数，可以对以上设置进行断电保存和策略管理。设备的加热部分有效容积可以满足一般实验室的试验空间需要，以铁架高度计算，目前的有机化学铁架的高度为550cm和450mm两种，为了保证微波照射时铁架尖端与金属反射壳之间不发生放电反应，其安全保护距离为150mm。建议采用450mm铁架的反映下，容器内高度应该至少为600mm。容器内的深度及宽度应该满足振荡器和会转盘的放置，本文设定不小于300mm。
二、总体设计
系统加热仓高度600mm，深度300mm，宽度300mm，内部反射板采用1.2mm铝镁合金板，外部壳体高度720mm，深度380mm，宽度520mm，材质采用1.2mm彩钢板。内部骨架采用20×2mm扁钢焊接而成。内壳采用无缝焊接法，经过打磨后涂纳米反射漆，增加其对微波的反射率，且应确保其反射内部没有突出物和连接螺栓，内壳采用焊接在外壁上的栓接点与框架栓接，外部壳体采用分体设计，与框架逐一栓接。微波管采用2m219Je522高压微波管，回转扇驱动方式为42通道步进电机42BYG250C。
控制方式上，采用5.3寸触摸彩色电容屏控制，输入电源为220aVC电源，使用专门设计的电源分配器，输出127V进入高压微波管，5V进入SCm系统、温度采集系统和步进电机控制系统，12V进入到光电耦合器隔离的高压控制模块。SCm选择基于aRm7核心的全志a20系统。
三、硬件选型
家用微波加热灶具的设计因为对于温度要求不高，所以常使用主动定时算法进行加热，主动定时算法根据既定的时间控制法，可以使用较小的计算能力实现相应的功能。甚至部分家用设备采用全电磁控制即可实现功能。但是，化学反应往往要求反应容器的温度控制在±0.5℃以内，所以，必须采用被动温控算法，通过可以放置在溶液中的温控探头进行温度条件监测。探头需要较好的防水、防酸、防碱、防辐射的封装方式，为了方便起见，探头使用电阻式测试棒，使用三种不同的方式进行封装。探头使用屏蔽双绞线从壳体预留孔中穿入反射壳外，穿孔位置使用树脂套管对尖端进行保护。使用Stm32F407Vet6芯片对温度模拟量进行数字化预处理，使用UCn5832ep对以上数据进行锁存。回转扇的驱动方式采用扭矩为0.55nm的42BYG250C。由于本文设备是一个单输入双输出模式，所以不设置复合总线，使用pa口接收温度传感器数据，使用pD口驱动回转扇电机。因为回转扇驱动仅需要8位并行数据，所以，可以在pD口32位数据中分出2位同步控制高压微波头。高压微波头前置采用a-HCpL-2631耦合器控制的12V电压控制的70tpS16to247可控硅控制。
采用10ms的响应速度，系统每10ms需要处理温度数据32位。在LinUX操作系统的动态内存管理模式下，系统用于处理该数据且进行输出的CpU周期约为148个。运行在800mHz下的a20平台，完全可以在完成系统显示任务和网络交互任务的前提下完成此处理任务，系统冗余度高于99%。
四、算法设计
1.算法策略
采用模糊控制的原理，可以根据温度的目标方向和温度的变化速度得到控制策略。形成一个单输入单输出算法模型。
1.1读取温度数据。
1.2检验温度数据（）与预设温度（）之差。
1.3检验温度的变化速度。
1.4采用模糊算法（见表1）确定执行策略。
1.5向执行部件输出策略。
2.软件辅助功能
结合SQLite，将常见试验的加热时间和加热温度进行保存，特别支持分段策略的方式和温度斜率的控制方式。分段加热是指在试验开始后的不同时间点上执行不同的目标温度，而斜率加热是分段加热的一种特定形式，也就是使用分段加热功能对温度曲线进行微分整理，使得温度可以在较长的时间内持续升高或者持续降温。
五、结束语
综上，通过模糊控制法和a20强大计算能力的支持，本文系统可以实现较为复杂的温度控制，且在加热过程中规避了基于酒精灯加热的受热不均匀带来的对流现象对于有机反应的扰动。特别是在皂化反应等需要静置的有机反应中，本文系统会表现出更强的优势。本文系统可以用于有机化学和分析化学等高精度实验室化学反应的辅助处理，且其硬件成本较低，给软件的科技附加值留出了较大的空间。所以，本文系统可以针对a20系统和LinUX系统进行较大程度的延伸开发。
参考文献：
有机化学的应用篇9
关键词：浓硫酸；催化作用；脱水作用；吸水作用
G633.8
在高中阶段有机化学教学中涉及到很多用到硫酸的反应。例如，苯和浓硝酸、浓硫酸混合水浴50～60℃制备硝基苯，乙醇和浓硫酸混合在170℃制备乙烯，在140℃制得乙醚，乙酸和乙醇、浓硫酸混合加热制备乙酸乙酯，二糖、多糖在有硫酸的条件下水解。在高中阶段，学生系统的掌握硫酸的应用，有利于学生对有机化学反应规律的理解。从高中课本来看，硫酸在有机化学反应中的应用主要有以下几点作用：
一、浓硫酸的催化作用和脱水作用
在有些有机反应中浓硫酸不仅提供氢离子起着催化作用，同时还使有机物按水的组成从有机物中夺取氢元素和氧元素而起到脱水作用。例如：
1.乙醇的消去反应
乙醇和浓硫酸混合迅速升温到170℃可以制得乙烯，属于醇的消去反应。
实验步骤：在长颈圆底烧瓶中加入乙醇和浓硫酸（体积比约为1：3）的混合液20mL（配制体积比为1：3的乙醇与浓硫酸混合液的方法：在烧杯中加入5mL95%乙醇，然后，滴加15mL浓硫酸，边加边搅拌，冷却备用），放入几片碎瓷片，以避免混合液在受热时暴沸。加热混合液，使液体温度迅速升温到170℃，将生成的气体通入高锰酸钾酸性溶液和溴的四氯化碳溶液中。
反应机理：乙醇遇到浓硫酸后，硫酸分子中的氢离子和乙醇分子作用生成烊盐，在170℃时，烊盐中的氧带有部分正电荷，使碳和氧之间的电子云更加偏向于氧，使得碳氧之间的化学键断裂，生成不稳定的碳正离子，从相邻碳原子上失去氢而生成乙烯。在整个过程中，氢离子起到了至关重要的作用，才使得后续反应继续进行。浓硫酸在这个反应中，起催化作用和脱水作用，但主要起催化作用。
2.乙醇分子间脱水生成二甲醚
乙醇和浓硫酸混合迅速升温到140℃可以制得二甲醚，分子间脱水，属于取代反应，相当于一个乙醇分子中的羟基被另一个乙醇分子中的烷基取代。反应机理：乙醇遇到浓硫酸后，硫酸分子中的氢离子和乙醇分子作用生成烊盐，在140℃时，烊盐与另一个乙醇分子形成中间体，再失去一个质子形成二甲醚。在整个过程中，也是氢离子起主要作用，所以浓硫酸在这个反应中起催化作用和脱水作用，但催化作用占主要地位。
二、浓硫酸的催化作用和吸水作用
1.乙醇和乙酸的酯化反应
乙醇和乙酸、浓硫酸混合加热时生成乙酸乙酯和水，这是一个可逆反应。
实验步骤：在一支试管中加入3mL乙醇，然后边振荡试管边慢慢加入2mL浓硫酸和入2mL乙酸；用酒精灯缓慢加热试管，将产生的蒸气经导管通到饱和碳酸钠溶液的液面上。
实验现象：液面上有透明的不溶于水的油状液体产生，并可以闻到香味，这种香味来自于乙酸乙酯。
反应机理：氢离子先和乙酸分子上的酰基上的氧结合，使乙酸分子中羧基中的碳原子的电子云密度降低，有利于亲核试剂乙醇分子的进攻，乙醇分子进攻羧基上带有正电荷的碳原子，形成中间体，再失去一分子水，然后再失去一个质子就生成乙酸乙酯。有文献认为在这个反应中浓硫酸起催化作用和水作用。但是由于该反应是可逆反应，浓硫酸吸收水，促进该反应向正向进行，所以浓硫酸在乙醇和乙酸的酯化反应中应该是催化作用、脱水作用、吸水作用都有，但是在高中阶段，认为在这个反应中主要起催化作用和吸水作用。
2.苯的硝化反应
苯和浓硝酸、浓硫酸混合水浴50～60℃可以制得硝基苯。反应机理：浓硫酸与硝酸作用，生成硝酰正离子（+no2）和水，这是一个可逆过程，同时因浓硫酸具有吸水性，吸收了苯硝化反应中生成的水，保持了反应中的硝酰正离子的浓度，硝酰正离子有利于硝基苯的生成，从而有利于反应的进行。所以浓硫酸在苯的硝化反应中起催化和吸水的双重作用。
三、稀硫酸的催化作用
在二糖和多糖水解反应中，常加入稀硫酸。没有稀硫酸，几乎是不水解的。硫酸在二糖、多糖水解反应中只起催化作用。
综上所述，在高中阶段的有机化学反应中，浓硫酸在乙醇的消去反应和分子间脱水的反应中起催化作用和脱水作用；浓硫酸在乙醇和乙酸的酯化反应和苯的硝化反应中起催化作用和吸水作用；稀硫酸在二糖和多糖水解的反应中，只起催化作用。
参考文献：
有机化学的应用篇10
关键词：模拟；教学方法；有机化学；分子结构和性质
中图分类号：G642.4文献标志码：a文章编号：1674-9324（2017）14-0093-02
实施素质教育要求我们必须在教育观念、教育思想、教育制度、教育内容、教育方法上进行创新，创新教育的过程，要充分发挥受教育者的主体性、主动性，使受教育者在教学过程中不断认识、追求探索和完善自身。在我们的教学过程中，教学方法是其中重要的一个环节，不断探索和改进教学方法是提高教育质量的重要措施。
教学方法对教学质量有着重要的影响作用，大学教师在教学方法上的探索是无止境的，如何形象、生动地教学是大学教师在实践教学中努力的方向。大学教师面临的是一群已经成年的大学生，有着自己独立的思想和见解，在很多方面思想已趋于成熟，这对大学教师的教学方法的改进提出了挑战和要求。本研究针对矿业工程本科有机化学课程，采用软件模拟的方法，构建立体的化学分子结构并计算性质，向学生立体、直观地展示分子结构和性质。通过这种教学方法提高学生的学习兴趣，提高教学质量。
一、模拟软件介绍
量子理论是研究微观领域最有效的工具，基于密度泛函理论的第一性原理是近年来最主要的量子理论，近十年来密度泛函理论在物理和化学上获得了广泛的应用，特别是用来研究分子和凝聚态的性质，是凝聚态物理和计算化学领域最常用且成功的方法之一。materialsStudio（mS）软件是美国accelrys公司开发的可以帮助研究者构建、显示和分析分子、固体及表面的结构模型，并研究、预测材料的相关性质，使化学及材料科学的研究者们能更方便地建立三维结构模型，对各种晶体、无定型以及高分子材料的性质及相关过程进行深入的研究。
本论文采用mS软件中的Dmol3模块[1-2]，基于密度泛函理论（DFt），是可以模拟气相、溶液、表面及固体等过程及性质的商业化量子力学程序，应用于化学、材料、化工、固体物理等许多领域，可用于研究均相催化、多相催化、分子反应、分子结构等，也可预测溶解度、蒸气压、配分函数、熔解热、混合热等性质。
二、应用实践
（一）教学目的和内容
虽然授课对象专业为矿物加工专业学生，但化学对他们接受专业知识非常重要，因为在矿物加工的方法中，浮选是非常重要且应用广泛的一种方法，浮选过程中，要利用很多无机及有机药剂使矿物浮选和分离。同为工科学生，然而与化学专业的学生相比，他们虽然有一定的化学理论基础，但对化学知识的了解远不及化学专业的学生，理论基础知识和实践薄弱。采用mS软件进行模拟的方法，可以直观地观察到分子间的结构，如键长、键角等，还可以通过性质计算，获得轨道电子布居、前线轨道、原子电子态密度等。通过研究，帮助学生理解和接受化学知识，提高学习兴趣和教学质量。
（二）应用实例
为了让学生易于了解和接受Dmol3模块模拟的结果，首先展示了最简单的分子和水分子、氢分子的结构，如图1所示的分子球棒模型。图1（a）为氢分子结构，（b）为水分子结构，元素符号标在原子上，虚线为键长，单位为■，弧线为夹角，这些结果是在一定的计算参数设置下获得的。通过三维模型展示，可以让学生直观地了解这两个分子的结构，获得初步的感官认识，为后面的深入学习打下基础。
接下来进行有机分子结构和性质教学。选择具有代表性的分子进行讲解，包括甲烷、丁烷、乙烯、乙炔、二烯烃、苯。首先介绍各种分子结构，如图2所示。由图可以清楚地看到各种分子结构中C-H和C-C键长、夹角信息，并可以观察到它们之间的差异。在这些分子中，C-C键长有如下顺序：烷烃>苯>烯烃>炔烃，C-H键长相近，其中苯中的C-H键长比其他有机物分子略短。甲烷的C-H键之间的夹角为109度左右（这与实际非常接近）；苯环中所有的键角为120度左右；而丁烷和丁二烯碳原子之间所形成的夹角是有差异的。
接下来讲解前线轨道。在前线轨道理论中，能量最高的分子轨道（即最高占据轨道Homo）和没有被电子占据的，能量最低的分子轨道（即最低未占轨道LUmo）是决定一个体系发生化学反应的关键，其他能量的分子轨道对于化学反应虽然有影响但是影响很小，可以暂时忽略，Homo和LUmo便前线轨道。以丁烷和丁二烯作为例子，如图3所示。虽然丁烷和丁二烯有相同的碳原子数，但一是饱和烃一个是不饱和烃，它们的Homo和LUmo差别非常大。丁烷的Homo主要集中的碳原子上，而丁二烯主要集中在碳-碳双键上；丁烷的LUmo主要集中在键上，而丁二烯主要集中在碳原子上。
分析原子的电子态密度可以获得原子内部或原子之间轨道的相互作用。这里讲解烷烃、烯烃和炔烃中碳原子的电子态密度。图4中的黑线和红线分别表示碳原子的s和p电子态。可以看到，烷烃、烯烃和炔烃中碳原子的s和p态很不一样，电子离域性以下列顺序增长：烷烃
三、结束语
以上只是介绍了软件模拟的部分内容和结果，其他大量的有机分子结构等信息都可以通过计算模拟的方式获得。通过软件模拟的方式，可以生动、形象地向学生展示分子的结构和性质，使学生的学习兴趣增强。作为一名大学教师，如何提高教学质量任重而道远，很多方面都值得探讨和研究。
参考文献：
[1]DelleyB.anall-electronnumericalmethodforsolvingthelocaldensityfunctionalforpolyatomicmolecules[J].JournalofChemicalphysics，1990，92（1）：508-517.
[2]DelleyB.FrommoleculestosolidswiththeDmol3approach[J].JournalofChemicalphysics，2000，113（18）：7756-7764.