多途徑確定有機(jī)物結(jié)構(gòu) 發(fā)展化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)

新疆 ?？梢?/p>

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》(以下簡(jiǎn)稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》)中對(duì)有機(jī)物結(jié)構(gòu)的確定提出了較高的要求，要求學(xué)生能辨識(shí)有機(jī)物分子中的官能團(tuán)，能結(jié)合簡(jiǎn)單圖譜信息分析判斷有機(jī)化合物的分子結(jié)構(gòu)，能描述和分析各類有機(jī)化合物的典型代表物的重要反應(yīng)。有機(jī)物結(jié)構(gòu)的判定方法是發(fā)展學(xué)生“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”核心素養(yǎng)的良好載體。

2017—2021年高考化學(xué)非選擇題中，對(duì)有機(jī)物結(jié)構(gòu)的考查方式主要分為三種，即現(xiàn)代儀器分析方法測(cè)定結(jié)構(gòu)、特征反應(yīng)確定結(jié)構(gòu)和信息描述特征結(jié)構(gòu)，考頻如表1所示。

表1 2017—2021年高考非選擇題中對(duì)有機(jī)物結(jié)構(gòu)考查情況統(tǒng)計(jì)表

續(xù)表

由表1分析可知，在20套高考化學(xué)題中，三種考查方式的頻數(shù)分別為16、15、14，其中用現(xiàn)代儀器方法測(cè)定結(jié)構(gòu)的考查頻率最高，該方法以核磁共振氫譜(1H—NMR)為主要考查角度。對(duì)特征反應(yīng)的考查中，能發(fā)生銀鏡反應(yīng)考查8次，與FeCl3發(fā)生顯色反應(yīng)考查4次，與碳酸氫鈉溶液反應(yīng)考查4次，考頻較高。信息描述特征結(jié)構(gòu)中，重點(diǎn)考查碳原子的連接方式，其中對(duì)苯環(huán)或芳香族化合物描述8次，對(duì)手性碳描述5次，考頻較高。

一、用現(xiàn)代儀器方法測(cè)定結(jié)構(gòu)

《課程標(biāo)準(zhǔn)》在模塊3主題1的學(xué)業(yè)要求中指出，能說(shuō)出測(cè)定有機(jī)化合物分子結(jié)構(gòu)的常用儀器分析方法，能結(jié)合簡(jiǎn)單圖譜信息分析判斷有機(jī)化合物的分子結(jié)構(gòu)。人教版《化學(xué)選擇性必修3 有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)》教材正文中介紹了質(zhì)譜、紅外光譜、核磁共振氫譜和X射線衍射。從紅外光譜圖可以分析有機(jī)物分子中所含有的化學(xué)鍵或官能團(tuán)信息，核磁共振氫譜可以獲得有機(jī)物中有幾種不同化學(xué)環(huán)境的氫原子及它們的相對(duì)數(shù)目等信息。近五年高考題中對(duì)核磁共振氫譜一般有兩種考查形式：

1.已知峰的數(shù)目和峰面積之比推測(cè)分子結(jié)構(gòu)

如2021年全國(guó)甲卷36題(6)：“核磁共振氫譜顯示四組峰，且峰面積之比為3∶2∶2∶1”。結(jié)合題給信息可知，該物質(zhì)是分子式為C8H8O3的B的同分異構(gòu)體，該物質(zhì)一個(gè)分子中的8個(gè)氫原子處于4種不同化學(xué)環(huán)境，且個(gè)數(shù)之比為3∶2∶2∶1。其他高考題對(duì)此的考查形式稍有差異，但考查的本質(zhì)相同，如2021年廣東省選擇性考試第21題“核磁共振氫譜確定分子中有6個(gè)化學(xué)環(huán)境相同的氫原子”，該題只對(duì)一種化學(xué)環(huán)境的氫原子個(gè)數(shù)進(jìn)行了描述；又如2020年江蘇卷17題“分子中不同化學(xué)環(huán)境的氫原子數(shù)目之比為1∶1”，雖未明確強(qiáng)調(diào)核磁共振氫譜這種分析手段，淡化了峰面積之比這一波譜分析專業(yè)數(shù)據(jù)，但仍提供了分子中不同化學(xué)環(huán)境的氫原子種類和數(shù)目。

2.提供分子結(jié)構(gòu)推測(cè)吸收峰數(shù)目

【參考答案】4

【參考答案】C14H8N2O6Na24 1∶1∶1∶1

二、特征反應(yīng)確定結(jié)構(gòu)

《課程標(biāo)準(zhǔn)》在模塊3主題2的學(xué)業(yè)要求中指出，能寫出烴及其衍生物的官能團(tuán)，能描述和分析各類有機(jī)化合物的典型代表物的重要反應(yīng)。研究有機(jī)物時(shí)，化學(xué)工作者常用特征反應(yīng)確定分子結(jié)構(gòu)，高考題據(jù)此設(shè)問(wèn)，綜合考查有機(jī)物性質(zhì)和官能團(tuán)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

近五年高考題中?？嫉挠校耗馨l(fā)生銀鏡反應(yīng)、與FeCl3顯色反應(yīng)、與碳酸氫鈉溶液反應(yīng)三個(gè)特征反應(yīng)。它們分別是醛基(—CHO)、酚羥基(—OH)、羧基(—COOH)的特征反應(yīng)。高考中，對(duì)特征反應(yīng)的考查，有以下角度：

1.考查醛基(—CHO)的特征反應(yīng)

①能發(fā)生銀鏡反應(yīng)；

②核磁共振氫譜有三組峰，且峰面積比為3∶2∶1。

2.考查酚羥基(—OH)的特征反應(yīng)

【參考答案】8

【解析】根據(jù)題意，A的同分異構(gòu)體中至少需要保留一個(gè)酚羥基，酚羥基的存在使得分子中必須存在苯環(huán)。兩個(gè)飽和碳原子可以乙基或兩個(gè)甲基的形式分布在苯環(huán)上。當(dāng)以乙基形式出現(xiàn)時(shí)，酚羥基可處于鄰、間、對(duì)位，如圖1中a、b、c所示；兩個(gè)甲基處于鄰位時(shí)，酚羥基有2種位置，如圖1中 d、e所示；除物質(zhì)A外，兩個(gè)甲基處于間位時(shí)，酚羥基有2種位置，如圖1中f、g所示；兩個(gè)甲基處于對(duì)位時(shí)，酚羥基有1種位置，如圖1中h所示。因此符合題意的同分異構(gòu)體為8種。

b

d

e

g

h

3.考查羧基(—COOH)的特征反應(yīng)

4.1.3 全面業(yè)務(wù)分析、跨條線數(shù)據(jù)整合分析、統(tǒng)一平臺(tái)、升華管理及業(yè)務(wù)效率和質(zhì)量，全面展現(xiàn)智慧水務(wù)效用

4.常見(jiàn)有機(jī)物及官能團(tuán)的特征反應(yīng)

高考復(fù)習(xí)備考過(guò)程中，學(xué)生熟練掌握常見(jiàn)有機(jī)物及官能團(tuán)的特征反應(yīng)可以提高解題的準(zhǔn)確率和速度。表2梳理了常見(jiàn)有機(jī)物及官能團(tuán)的特征反應(yīng)。

表2 常見(jiàn)有機(jī)物及官能團(tuán)的特征反應(yīng)

三、信息描述特征結(jié)構(gòu)

《課程標(biāo)準(zhǔn)》在模塊3主題1的內(nèi)容要求中指出，認(rèn)識(shí)有機(jī)化合物的分子結(jié)構(gòu)決定于原子間的連接順序、成鍵方式和空間排布，認(rèn)識(shí)有機(jī)化合物存在構(gòu)造異構(gòu)和立體異構(gòu)等同分異構(gòu)現(xiàn)象。近五年高考題中通過(guò)信息描述特征結(jié)構(gòu)主要關(guān)于苯環(huán)結(jié)構(gòu)和手性結(jié)構(gòu)。

1.苯環(huán)結(jié)構(gòu)

a.含苯環(huán)的醛、酮

b.不含過(guò)氧鍵(—O—O—)

c.核磁共振氫譜顯示四組峰，且峰面積比為3∶2∶2∶1

A.2個(gè) B.3個(gè) C.4個(gè) D.5個(gè)

【參考答案】C

【解析】信息a要求分子結(jié)構(gòu)包含苯環(huán)、一個(gè)醛基或酮羰基，信息b要求分子結(jié)構(gòu)包含兩個(gè)酚羥基，信息c要求一個(gè)分子中的8個(gè)氫原子處于四種不同化學(xué)環(huán)境，整個(gè)分子對(duì)稱性較好，其中必然有3個(gè)氫原子屬于同一個(gè)甲基。據(jù)此寫出符合要求的4種同分異構(gòu)體如圖2所示：

圖2 滿足題給信息4種B的同分異構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式

2.手性結(jié)構(gòu)

人教版《化學(xué)選擇性必修2 物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)》教材以示意圖的形式介紹了手性分子和手性碳原子，與四個(gè)不同集團(tuán)相連的碳原子稱為手性碳原子。對(duì)手性結(jié)構(gòu)的考查有兩種常見(jiàn)形式：一種是判斷某分子中是否存在手性碳原子或手性碳原子的個(gè)數(shù)，另一種是寫出某種物質(zhì)具有或者不具有手性碳原子的同分異構(gòu)體。前者難度較低，后者難度較大，分別舉例說(shuō)明。

(1)手性碳原子的辨識(shí)

【參考答案】1

(2)書寫含有手性碳原子的同分異構(gòu)體

(a)4 (b)6 (c)8 (d)10

其中，含有手性碳(注：連有四個(gè)不同的原子或基團(tuán)的碳)的化合物的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式為_(kāi)_______。