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农学有机化学含氮有机物教学

来源:职称阁分类:农业论文 时间:2019-05-17 11:05热度:

  这篇论文主要介绍的是农学有机化学含氮有机物教学的内容,本文作者就是通过对农学有机化学含氮有机物的相关教学方式方法的内容做出详细的阐述与介绍,特推荐这篇优秀的文章供相关人士参考。

农学有机化学含氮有机物教学

  关键词:含氮有机物;应用;农学;有机化学

  有机化学是高等农林院校各专业的一门重要基础课程,在农林专业的基础有机化学中,含氮有机物的知识,无论是在日常生活还是科学研究中都非常重要,在全国硕士研究生统一考试中,农学类化学试题的分值比例逐年升高,也能够印证这点。[1]但随着基础有机化学课时的减少,迫切需要将有机化学教材中关于含氮有机化合物的知识点归纳总结,采用专题讲座的形式呈现,加以在农学专业和农业生产中的应用,更能引起学生的兴趣,提高教与学的效率。含氮有机物种类繁多,自然界存在广泛,不只在生命活动中起着重要作用,而且在工农业生产上也有重要的用途。许多含氮有机物的知识点在高等农业院校的普通化学中是必须掌握的,如众所周知的尿素,是农业上含氮量最高的化学肥料;许多氨基甲酸酯类化合物,在农业上统称为有机氮农药;“亚硝酸盐”这一类闻之色变的物质真的致癌吗?过渡金属催化固氮你了解吗?对于高等农林院校的大学生而言,除了含氮有机物的种类、性质和相互转化等基础知识,其在有机化学、生命科学等交叉学科和工农业生产中的应用,更有重要的科普意义。

  一关于含氮有机物的定义、结构和化学性质的讲授

  含氮有机物,是烃分子的氢被含氮官能团取代的结果。对于高等农林院校农学专业的学生而言,掌握和理解含氮有机物的化学性质,足以为有机化学和后续课程的学习和应用提供坚实的基础。胺被视为氨分子中的氢被烃基取代的产物。因此,胺与氨的结构相似,氮原子不等性sp3杂化使得分子呈近似的三棱锥形。结构决定性质,氮上的未共用电子对能接受质子而显碱性RNH2+H-OH→RNH3++OH-。胺的碱性强弱可用pKbθ表示,pKbθ越小,碱性越强。胺类多为弱碱,其碱性强弱与结构有关,从电子效应的角度说明分子中电子云密度分布对性质所产生的影响,包括诱导效应和共轭效应,主要规律如下:(1)以氨为标准,脂肪胺的碱性比氨强,而芳香胺的碱性比氨弱。(2)脂肪胺中,若仅从诱导效应考虑,由于烷基斥电子,胺中的烷基越多,碱性似乎应该越强,即相对碱性应为:叔胺>仲胺>伯胺,这在气相和非极性溶剂中是正确的。但在极性溶剂中,叔胺的碱性却比仲胺弱。这是因为脂肪胺在水中,结合质子形成的取代铵离子,显然胺中氮原子上连的氢越多,与水形成的氢键就越多,即溶剂化程度越高,取代铵离子越稳定,胺的碱性越强,应为:伯胺>仲胺>叔胺。(3)芳香胺中,芳基数目越多,氮原子上电子云密度降低越多,胺的碱性就越弱。最终我们得到比较全面的结果:(CH3)2NH(仲)>CH3NH2(伯)>(CH3)3N(叔)>NH3>PhNH2>(Ph)2NH>(Ph)3N,pKbθ依次为3.27、3.38、4.21、4.76、9.38、13.21、中性,可见电子效应和立体效应这两种作用有时一致,有时矛盾,各种胺碱性的强弱是两者综合影响的结果。[2]

  二关于含氮有机物在农学专业有机化学中应用的讲授

  (一)碳酸酰胺在农业上的应用—尿素

  碳酸分子中的两个羟基被氨基取代,形成碳酸的两种酰胺:尿素和氨基甲酸。尿素即碳酸二酰胺,由C、N、O、H四种元素组成,常温下呈白色晶体,生物学上尿素主要是是哺乳动物体内代谢蛋白质分解的终产物,工业上是含氮量最高的氮肥之一。作为一种中性肥料,尿素容易保存,方便使用,对土壤的破坏程度小,它适用于不同PH的土壤环境,可以满足需要氮肥的各种茎叶类植物。[3]在土壤中,尿素在脲酶的作用下,水解为可溶性的盐类,如碳酸铵(NH4)2CO3或碳酸氢铵NH4HCO3,离子态的氮元素很容易被作物吸收利用。农业上尿素常被用作基肥或追肥,对于旱地水田也没有挑剔,均能施用,并且无任何有害物质残留,适合长期施用,仅仅是由于土壤中积累的大量铵离子NH4+,水解生成碱性氢氧化铵,PH升高2-3,[4]对作物幼根和幼芽起抑制作用,因此尿素不宜用作种肥。[5]

  (二)有机氮农药

  氨基甲酸酯类化合物(图1)在有机合成中可以作为医药、农药和合成树脂的中间体。[6]在农业上用作杀虫剂、杀菌剂和除草剂的氨基甲酸酯类化合物,总称为有机氮农药。相对于有机氯和有机磷农药,该类农药药效高、毒性低、降解快,安全性非常高,在我国的农药生产和应用中占相当的比例。[7]例如:氨基甲酸乙酯,是一种结构稳定的白色晶体,俗称乌拉坦,可用于镇静和催眠;人们熟知的西维因是一种广效杀虫剂;还有灭草灵是一种常用的除草剂,它们的分子结构如图1所示。可见氨基甲酸酯这种结构骨架具有极大的可修饰性,在基础科研和市场应用上都有广阔的前景。图1氨基甲酸酯结构、西维因、灭草灵

  (三)“亚硝酸盐致癌”的解释

  严格来说,亚硝酸盐属于一种有毒物质,而非直接致癌物质,它的半致死量为22mg/kg,对于正常体重的人来说只需要1g左右,亚硝酸盐是各国许可的食品添加剂,广泛存在于各种食材中,其中绿叶蔬菜就是一个藏亚硝酸盐的大户,我国居民膳食中80%左右的亚硝酸盐来自蔬菜。亚硝基化作用的产物是亚硝胺,胃中恰恰有适合反应的条件,如酸性、卤素离子和硫氰酸根离子等,可以加快体内N–亚硝基化合物的形成。亚硝酸不稳定,只能在反应中由亚硝酸钠与盐酸或硫酸作用产生。近年来谈之色变的亚硝酸盐致癌作用,是由于亚硝酸盐在胃酸作用下转变为亚硝酸,再与机体内具有仲胺结构的化合物产生N–亚硝基胺,亚硝胺极易致癌和对胎儿致畸。另一方面,亚硝酸盐为强氧化剂,进人人体后,将血中与血红蛋白结合的低价态铁氧化成高铁,高铁不能够运输氧,细胞组织缺氧的情况下,会出现青紫、中毒等现象,但不是致癌。

  三关于过渡金属催化固氮的拓展讲授

  大气中氮气资源丰富,如果能够作为工业生产的直接原料,前景将是无比诱人的,实现温和条件下,氮气转化为氮肥的工业化生产,是科学界的一个重要研究方向。无论是工业固氮还是生物固氮,都是以过渡金属为活性中心来活化N2,所以常温、常压下用过渡金属配合物活化N2成为目前化学合成领域的研究热点之一。与自由N2相比,过渡金属-N2配合物中N≡N键的伸长和伸缩振动频率v的降低常用来指示配位双氮的活化程度。经过配位、活化之后,过渡金属-N2配合物的反应性也是被关注的问题,包括强活化的N2完全裂解、双氮官能化和小分子协助双氮活化,形成N-H及N-E键(E是可调变元素)进而得到一系列含氮有机化合物。四结语含氮有机物作为农学专业有机化学中的一个重要章节,对于学生而言,首先要掌握含氮有机物的结构,结构决定的化学性质,利用这些化学性质了解重要的特征反应,最终应用于农学专业中的各领域,或者转化为基本的化学素养渗透到日常生活中的各个角落。有潜力和创新精神的大学生,更要探索含氮有机物的知识在许多交叉领域的应用,如制药、材料、生命科学等,期望本文对于含氮有机物内容的专题性精解和拓展,能够帮助农林院校的教师对于相关知识的讲授和学生的学习,针对不同专业经常拓展更新,并且把它作为一个完整、系统的体系加以把握。

  参考文献

  [1]赵士铎,周乐,董元彦,等.化学历年真题与全真模拟题解析[M].北京:中国农业大学出版社,2013.

  [2]许鹏奎.有机含氮化合物碱性强弱变化规律[J].化学教育,2004,25(2):3-9.

  [3]陈曦,王军丽.尿素水解制氨工艺废液处理方法讨论[J].环境与发展,2018,1:88-90.

  [4]万大娟,张杨珠,唐国勇,等.湖南旱地土壤对铵离子的矿物固定与固定态铵释放的动力学研究[J].土壤通报2005,36(4):513-517.

  [5]张明森.精细有机化工中间体全书[M].北京:化学工业出版社,2008.

  [6]刘毅锋,张娟,李华.氨基甲酸酯类化合物的应用[J].化学通报,2002,65(3):167-173.

  [7]何丽莲,李元.农田土壤农药污染的综合治理[J].云南农业大学学报,2003,18(4):430-434.

  作者:卢楠 梁慧 单位:山东农业大学 化学与材料科学学院

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文章名称:农学有机化学含氮有机物教学

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