探尋潛藏在有機(jī)化合物分子結(jié)構(gòu)中的反應(yīng)模式

左金鑫 何彩霞

摘要： 為了提升學(xué)生對(duì)有機(jī)合成設(shè)計(jì)思路的理解，在高二有機(jī)合成的復(fù)習(xí)教學(xué)中，以高考中常出現(xiàn)的典型有機(jī)反應(yīng)為素材，通過分析幾組簡單有機(jī)物分子的合成，引導(dǎo)學(xué)生體會(huì)有機(jī)合成目標(biāo)化合物分子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其與合成反應(yīng)模式之間的關(guān)系，促進(jìn)學(xué)生形成逆向分析有機(jī)合成的思路，進(jìn)而分析陌生有機(jī)物如菠蘿酯的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其合成的反應(yīng)模式，并選擇合適的原料分子設(shè)計(jì)其合成路線，以提升學(xué)生有機(jī)合成路線分析與設(shè)計(jì)能力。

關(guān)鍵詞： 有機(jī)合成; 目標(biāo)化合物分子結(jié)構(gòu); 合成反應(yīng)模式; 高二有機(jī)合成復(fù)習(xí); 合成路線設(shè)計(jì)

文章編號(hào)： 1005-6629（2019）2-0040-06??????????? 中圖分類號(hào)： G633.8??????????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

有機(jī)合成是高中化學(xué)教學(xué)的重要內(nèi)容，也是高考考查的重點(diǎn)?！镀胀ǜ咧谢瘜W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》[1]要求學(xué)生認(rèn)識(shí)有機(jī)合成的關(guān)鍵是碳骨架的構(gòu)筑和官能團(tuán)的轉(zhuǎn)化，了解設(shè)計(jì)有機(jī)合成線路的一般方法，如逆向合成分析法。教材中呈現(xiàn)的有機(jī)合成反應(yīng)素材比較少，多涉及官能團(tuán)的轉(zhuǎn)化，對(duì)碳骨架的構(gòu)筑反應(yīng)鮮有提及。然而高考試題中呈現(xiàn)的多為復(fù)雜目標(biāo)分子的合成，涉及的有機(jī)反應(yīng)素材較為陌生，學(xué)生在解決此類問題時(shí)往往顯得束手無策。究其原因，主要是學(xué)生對(duì)有機(jī)反應(yīng)素材過于生疏，缺乏對(duì)有機(jī)合成目標(biāo)分子結(jié)構(gòu)拆分與構(gòu)筑的認(rèn)識(shí)思路。為此，筆者在高二化學(xué)有機(jī)合成復(fù)習(xí)課教學(xué)中，圍繞探尋在有機(jī)合成目標(biāo)化合物分子結(jié)構(gòu)中潛藏的有機(jī)合成反應(yīng)模式展開教學(xué)，重在幫助學(xué)生形成基于逆向分析建立有機(jī)合成目標(biāo)物分子結(jié)構(gòu)決定其合成反應(yīng)模式的思維方法。

1? 有機(jī)合成反應(yīng)模式及其分析思路

有機(jī)合成是指用化學(xué)方法將原料合成新有機(jī)物的過程。人教版高中化學(xué)選修5教材[2]把有機(jī)合成這一節(jié)放在第三章的最后，其主要任務(wù)是復(fù)習(xí)烴以及烴的衍生物間的轉(zhuǎn)化，初步學(xué)習(xí)有機(jī)合成的過程，即目標(biāo)化合物分子碳骨架的構(gòu)筑和官能團(tuán)的轉(zhuǎn)化。關(guān)于分子碳骨架的構(gòu)筑的有機(jī)反應(yīng)，在教材中主要涉及加聚反應(yīng)，在高考試題中涉及的有羥醛縮合、D-A反應(yīng)、格氏試劑反應(yīng)、烯烴臭氧化反應(yīng)等。教材中關(guān)于官能團(tuán)及有機(jī)物之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系如圖1所示。

合成復(fù)雜有機(jī)化合物分子時(shí)多采用逆向合成分析法，即從目標(biāo)有機(jī)物分子結(jié)構(gòu)入手，依據(jù)目標(biāo)分子結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，找到潛藏在目標(biāo)分子結(jié)構(gòu)中的合成反應(yīng)模式，最終設(shè)計(jì)從原料到目標(biāo)分子的合成路線，具體的思考路徑如下：

（1） 要考慮目標(biāo)分子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。為了理清復(fù)雜的目標(biāo)有機(jī)分子結(jié)構(gòu)，需要將目標(biāo)有機(jī)分子合理拆分成幾個(gè)片段。首先，需考慮碳骨架，可通過若干“碳碳成鍵”有機(jī)反應(yīng)模式將大分子拆成小分子，其關(guān)鍵是在何處拆、如何拆，明確每一個(gè)有機(jī)反應(yīng)斷鍵和成鍵的位置。為此，需要有意識(shí)地關(guān)注改變碳骨架的典型有機(jī)反應(yīng)，并將其歸類為反應(yīng)模式，為學(xué)生解決這類問題提供思路方法。其次，考慮官能團(tuán)對(duì)碳骨架拆分的影響，化學(xué)反應(yīng)總是發(fā)生在官能團(tuán)上，或受官能團(tuán)影響的活性位點(diǎn)上，因此正確選擇拆分點(diǎn)，就應(yīng)該聯(lián)想到分子的官能團(tuán)上。

（2） 需要建立合成目標(biāo)有機(jī)物分子中片段結(jié)構(gòu)和反應(yīng)模式之間的關(guān)系。如呋喃丙胺片、合成維生素A原料中都有α-β不飽和醛或酮結(jié)構(gòu)，均可通過羥醛縮合反應(yīng)構(gòu)筑（如圖2所示）。

合成維生素A的原料

呋喃丙胺片

有機(jī)合成涉及分子骨架的構(gòu)筑和官能團(tuán)的轉(zhuǎn)化。鑒于高考中合成的目標(biāo)有機(jī)物分子比較復(fù)雜，

如果僅僅利用加聚等有機(jī)反應(yīng)素材將無法實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)有機(jī)物分子的合成。因此，基于逐漸增進(jìn)學(xué)生認(rèn)識(shí)發(fā)展的考慮，在高二有機(jī)合成復(fù)習(xí)課中，需要豐富有機(jī)合成反應(yīng)素材，引導(dǎo)學(xué)生分析一些常見有機(jī)物目標(biāo)分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，探尋潛藏在目標(biāo)有機(jī)物分子結(jié)構(gòu)中的反應(yīng)模式（其分析思路如圖3所示），拓展對(duì)有機(jī)合成的認(rèn)識(shí)。

2? 針對(duì)“有機(jī)合成”的學(xué)情分析

對(duì)高二年級(jí)學(xué)生進(jìn)行紙筆測(cè)驗(yàn)和訪談測(cè)試，紙筆測(cè)試內(nèi)容： 2014年北京高考理綜卷25題（略）;訪談測(cè)試內(nèi)容： 如何合成有機(jī)物分子？你學(xué)過哪些構(gòu)筑碳骨架的有機(jī)反應(yīng)？測(cè)試結(jié)果如下：

（1） 學(xué)生熟練掌握常見有機(jī)物間的轉(zhuǎn)化，例如鹵代烴、醇、醛、酸酸等常見有機(jī)物之間的轉(zhuǎn)化。

（2） 如何合成一個(gè)有機(jī)物分子？學(xué)生首先想到目標(biāo)分子中有何種官能團(tuán)，但很少關(guān)注諸如碳鏈增長或縮短、成環(huán)或開環(huán)等碳骨架的變化。通過提醒，大部分學(xué)生能夠意識(shí)到需關(guān)注碳骨架。追問哪些有機(jī)反應(yīng)可以改變碳骨架？學(xué)生回答為加聚反應(yīng)等。由此可見，學(xué)生腦海中并沒有真正意識(shí)到探尋構(gòu)筑碳骨架的有機(jī)反應(yīng)模式的意義。究其原因是現(xiàn)行選修5教材關(guān)注重點(diǎn)在官能團(tuán)間的轉(zhuǎn)化，而改變碳骨架的反應(yīng)少有提及。

測(cè)試結(jié)果表明： 進(jìn)行有機(jī)合成分析時(shí)，學(xué)生可以讀懂信息但不能靈活運(yùn)用信息，學(xué)生有機(jī)合成思維浮于表面，他們不能從目標(biāo)分子結(jié)構(gòu)找到潛藏在結(jié)構(gòu)中的有機(jī)反應(yīng)模式，再選擇合適的反應(yīng)進(jìn)行分子碳骨架的構(gòu)筑和官能團(tuán)的引入。

由此可見，學(xué)生的認(rèn)知障礙主要源于所學(xué)知識(shí)的局限性以及沒有形成相應(yīng)的分析思路。為此，在復(fù)習(xí)教學(xué)中以高考中4組常見的有機(jī)反應(yīng)作為素材，通過對(duì)幾組有機(jī)物分子的合成，幫助學(xué)生建立有機(jī)物分子結(jié)構(gòu)決定反應(yīng)模式的思維方法，深化對(duì)逆向合成法的理解，進(jìn)而提升學(xué)生有機(jī)合成路線分析與設(shè)計(jì)的能力。

3? “有機(jī)合成”的主要教學(xué)活動(dòng)和策略

3.1? 教學(xué)整體思路

基于以上分析，本課圍繞“探尋潛藏在結(jié)構(gòu)中的有機(jī)反應(yīng)模式”展開教學(xué)，具體教學(xué)流程如表1所示。復(fù)習(xí)課前布置作業(yè)： 請(qǐng)學(xué)生觀察4組有機(jī)反應(yīng)并寫出其反應(yīng)過程。課上以4組有機(jī)反應(yīng)為信息資源，以有機(jī)分子的合成為載體，學(xué)生通過尋找潛藏在分子結(jié)構(gòu)中的有機(jī)合成反應(yīng)模式，體會(huì)有機(jī)合成目標(biāo)化合物分子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其與合成反應(yīng)模式之間的關(guān)系，形成逆向分析有機(jī)合成的思路，并運(yùn)用該思路分析和解決相關(guān)問題。

3.2? 主要教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)與策略

任務(wù)1? 認(rèn)識(shí)“諾貝爾獎(jiǎng)”反應(yīng)——體驗(yàn)有機(jī)物轉(zhuǎn)化

[活動(dòng)1]介紹有機(jī)化學(xué)中的諾貝爾獎(jiǎng)獲得者及其主要貢獻(xiàn)： DielsAlder反應(yīng);羥醛縮合（Aldol）反應(yīng);格林尼亞反應(yīng);Wittig反應(yīng)——烯烴的構(gòu)筑、切斷及復(fù)分解反應(yīng)。

諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)代表著化學(xué)界主流研究方向和最重要的研究成果，將其作為本課知識(shí)背景，與有機(jī)反應(yīng)復(fù)習(xí)結(jié)合起來，有助于學(xué)生增加對(duì)有機(jī)反應(yīng)理解的深度和廣度。此外這部分內(nèi)容作為有機(jī)合成的素材資源，為后續(xù)探尋潛藏在結(jié)構(gòu)中的有機(jī)反應(yīng)模式提供信息支持，引導(dǎo)學(xué)生體會(huì)目標(biāo)化合物分子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其反應(yīng)模式之間的關(guān)系，促進(jìn)學(xué)生形成逆向分析有機(jī)合成的思路。因此設(shè)計(jì)該活動(dòng)，課上由4個(gè)組的學(xué)生代表分別介紹有機(jī)化學(xué)中的諾貝爾獎(jiǎng)獲得者及其主要貢獻(xiàn)。該環(huán)節(jié)需學(xué)生課前準(zhǔn)備相應(yīng)資料，形成對(duì)4類典型反應(yīng)的初步認(rèn)知，使其能夠較快進(jìn)入課堂分析環(huán)節(jié)。

第1組代表：“DielsAlder反應(yīng)——環(huán)看今朝”。介紹Diles和Alder的生平，以及D-A反應(yīng)的斷鍵成鍵特點(diǎn)。

第2組代表：“Aldol反應(yīng)，百年繁華，成就多少化學(xué)人夢(mèng)想”。介紹羥醛縮合反應(yīng)的斷鍵成鍵特點(diǎn)。

第3組代表：“格林尼亞——看回頭浪子、顛倒乾坤”。介紹法國化學(xué)家維克多·格林尼亞的生平。1912年因發(fā)明格氏試劑獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。并介紹格氏試劑制備以及重要反應(yīng)，其中重點(diǎn)介紹利用格氏試劑制備一級(jí)醇、二級(jí)醇的斷鍵成鍵過程。

第4組代表：“老驥伏櫪，志在千里，八旬老翁Wittig譜寫不朽傳奇”。介紹烯烴的構(gòu)筑、共軛烯烴（維生素A）的合成等反應(yīng)。

4組同學(xué)匯報(bào)完后，讓同學(xué)再看思考1（表1中），觀察4組有機(jī)反應(yīng)并說出反應(yīng)的變化過程及反應(yīng)特點(diǎn)（如表2所示）。表2展示出4組有機(jī)反應(yīng)在有機(jī)合成中的主要作用和價(jià)值，這便于學(xué)生在該表基礎(chǔ)上展開對(duì)有機(jī)合成路線的推導(dǎo)。該環(huán)節(jié)將課下和課內(nèi)的學(xué)習(xí)有機(jī)地結(jié)合起來，將較為簡單的知識(shí)傳遞過程放在課前完成，將最困難的知識(shí)部分放在課上完成內(nèi)化和吸收，高效地利用課堂時(shí)間和資源，有利于提高課堂學(xué)習(xí)的效率。

再進(jìn)一步追問學(xué)生，為什么選擇羥醛縮合反應(yīng)合成目標(biāo)分子？有的學(xué)生想到了要利用羥醛縮合增長碳骨架，關(guān)注重點(diǎn)在碳骨架的變化上;有的學(xué)生看到第一組第一個(gè)目標(biāo)分子是β-羥基醛，進(jìn)而想到羥醛縮合反應(yīng)，其關(guān)注重點(diǎn)在官能團(tuán)的變化上。繼續(xù)追問學(xué)生，你是如何想到用羥醛縮合合成丁烷分子？學(xué)生說可以把丁烷看成是隱藏了醛基和碳碳雙鍵的分子片段。通過對(duì)同一類型反應(yīng)從形式和深度上的變換，學(xué)生認(rèn)識(shí)到探尋潛藏在結(jié)構(gòu)中的有機(jī)反應(yīng)模式是有機(jī)合成的關(guān)鍵。該思維方式的難點(diǎn)在于，能否透過丁醇結(jié)構(gòu)想到醇羥基曾經(jīng)就是醛基，β位潛藏著一個(gè)羥基，即丁醇也可以看成是羥醛縮合產(chǎn)物。通過合成系列分子，增進(jìn)學(xué)生對(duì)結(jié)構(gòu)決定有機(jī)反應(yīng)模式的理解。第二到第四組目標(biāo)分子的合成采用先探尋潛藏在目標(biāo)分子結(jié)構(gòu)中的有機(jī)反應(yīng)模式，再書寫有機(jī)反應(yīng)過程的思路，進(jìn)一步體會(huì)以尋找潛藏在目標(biāo)分子結(jié)構(gòu)中的有機(jī)反應(yīng)模式為前導(dǎo)的思維方式，其具體思維過程如圖4所示。

對(duì)于丁醇分子，有的學(xué)生采用羥醛縮合模式合成，有的采用格氏試劑模式進(jìn)行合成，由此增進(jìn)學(xué)生對(duì)“變化是多種多樣的”認(rèn)識(shí)，同一物質(zhì)可采用不同的合成路線，在實(shí)際有機(jī)合成中我們需要綜合考慮原料是否廉價(jià)易得、操作是否簡單、路線是否符合綠色化學(xué)等因素。

思考2： 請(qǐng)指出呋喃丙胺片[3]（抗血吸蟲藥）和莫沙朵林（鎮(zhèn)痛藥）結(jié)構(gòu)（如圖5所示）中潛藏著怎樣的有機(jī)合成反應(yīng)模式？

通過對(duì)兩種藥物分子結(jié)構(gòu)的分析，學(xué)生發(fā)現(xiàn)呋喃丙胺片中潛藏著α-β不飽和醛基的結(jié)構(gòu)片段，進(jìn)而想到利用羥醛縮合反應(yīng)構(gòu)筑;在莫沙朵林藥物中看到了六元環(huán)結(jié)構(gòu)片段，因此想到利用D-A反應(yīng)模式構(gòu)筑，最終找到了合成兩種藥物分子的前體。學(xué)生經(jīng)歷了一次有機(jī)結(jié)構(gòu)決定有機(jī)反應(yīng)模式的思維方式，感受到了有機(jī)合成之美。

任務(wù)3? 利用有機(jī)反應(yīng)模式進(jìn)行有機(jī)合成

[活動(dòng)3]菠蘿酯[4]是一種具有菠蘿香味的賦香劑，請(qǐng)從以下物質(zhì)中選擇合適的基本原料利用合適的有機(jī)反應(yīng)模式合成該有機(jī)化合物？、干燥乙醚、乙烯。

菠蘿酯結(jié)構(gòu)如圖6所示：

方法1： 采用D-A反應(yīng)構(gòu)筑六元環(huán)，采用格氏反應(yīng)增長碳鏈，引入一級(jí)醇羥基，利用酯化反應(yīng)獲得酯：

方法2： 采用D-A反應(yīng)構(gòu)筑六元環(huán)，采用羥醛縮合模式增長碳鏈，引入一級(jí)醇羥基，利用酯化反應(yīng)獲得酯：

學(xué)生自主探尋菠蘿酯分子結(jié)構(gòu)中的有機(jī)反應(yīng)模式。在菠蘿酯分子中有六元環(huán)和酯的結(jié)構(gòu)片段，可通過D-A反應(yīng)構(gòu)筑六元環(huán)，利用酯化反應(yīng)形成酯?？紤]原料和目標(biāo)產(chǎn)物之間的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，還需增長側(cè)鏈并在側(cè)鏈上引入羧基，可采用羥醛縮合反應(yīng)或格氏試劑反應(yīng)。通過該分子的合成，學(xué)生再次體會(huì)“探尋結(jié)構(gòu)中的有機(jī)反應(yīng)模式”為前導(dǎo)的有機(jī)合成的思維方式，進(jìn)一步提升有機(jī)合成路線設(shè)計(jì)的能力。

4? 結(jié)束語

學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)，不僅是獲得知識(shí)，更重要的是學(xué)習(xí)科學(xué)的思維過程和方法，培養(yǎng)分析和解決問題的能力。在“尋找結(jié)構(gòu)中的有機(jī)反應(yīng)模式”的教學(xué)中，針對(duì)要合成的有機(jī)物如呋喃丙胺、莫沙朵林、菠蘿酯、合成維生素A的原料等，學(xué)生經(jīng)歷了分析有機(jī)合成目標(biāo)化合物分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、探尋潛藏在結(jié)構(gòu)中的合成反應(yīng)模式的思維過程，學(xué)習(xí)了科學(xué)、有序地逆向分析合成有機(jī)物目標(biāo)分子的方法。課下，有的學(xué)生還會(huì)查看某些藥物的說明書，主動(dòng)解析結(jié)構(gòu)，尋找潛藏在結(jié)構(gòu)中的有機(jī)反應(yīng)模式，研究藥物分子合成路線，不僅體驗(yàn)到有機(jī)合成的魅力及其在生產(chǎn)生活中的重要作用，還能較好地將所學(xué)知識(shí)和方法應(yīng)用于分析和解決相關(guān)的問題，培育創(chuàng)新思維等核心素養(yǎng)。

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