對(duì)稱性結(jié)構(gòu)同分異構(gòu)體書(shū)寫(xiě)思維障礙及突破策略初探

尹求元 何亞璋

摘要：提出了對(duì)稱性結(jié)構(gòu)同分異構(gòu)體書(shū)寫(xiě)思路，針對(duì)各步書(shū)寫(xiě)中的思維障礙進(jìn)行了分類，并通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)：學(xué)業(yè)優(yōu)秀生主要存在思維有序性障礙，學(xué)業(yè)中等生主要存在類別異構(gòu)障礙和思維有序性障礙，學(xué)業(yè)較差生的思維障礙在各個(gè)階段都存在。突破思維障礙的策略為：掌握“二價(jià)基團(tuán)”，突破不飽和度計(jì)算障礙;形成對(duì)稱結(jié)構(gòu)觀，突破對(duì)稱性結(jié)構(gòu)尋找障礙;形成分類觀，突破類別缺失障礙;掌握替氫、堵氫基團(tuán)使用方法，突破位置異構(gòu)尋找障礙;結(jié)構(gòu)與性質(zhì)全面檢驗(yàn)，突破慣性思維障礙。

關(guān)鍵詞：對(duì)稱性結(jié)構(gòu)同分異構(gòu)體;思維障礙;突破策略

文章編號(hào)：1008-0546（2022）09-0035-05中圖分類號(hào)：G632.41文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

一、問(wèn)題的提出

限制條件同分異構(gòu)體書(shū)寫(xiě)是每年高考題有機(jī)的必考題型。同分異構(gòu)體書(shū)寫(xiě)從碳骨架來(lái)看，可分為：鏈狀結(jié)構(gòu)、環(huán)狀結(jié)構(gòu);從對(duì)稱性來(lái)看，可分為：對(duì)稱性結(jié)構(gòu)和非對(duì)稱性結(jié)構(gòu)。分析浙江省從2016年10月到2021年6月選考卷中同分異構(gòu)體書(shū)寫(xiě)題目，考查頻次統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

從表1可以看出，對(duì)稱性結(jié)構(gòu)同分異構(gòu)體的考查是?？紗?wèn)題。在高三的教學(xué)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)學(xué)生在書(shū)寫(xiě)對(duì)稱性結(jié)構(gòu)同分異構(gòu)體時(shí)，很多同學(xué)處于思維混亂的狀態(tài)，容易出現(xiàn)錯(cuò)寫(xiě)、漏寫(xiě)，甚至有的同學(xué)直接放棄這類的題目。

對(duì)稱性結(jié)構(gòu)同分異構(gòu)體的書(shū)寫(xiě)具體存在哪些思維障礙，又怎樣引導(dǎo)學(xué)生突破這些思維障礙呢？筆者結(jié)合教學(xué)實(shí)際，作了初步的探究。

二、對(duì)稱性結(jié)構(gòu)同分異構(gòu)體書(shū)寫(xiě)思路及障礙分析

基克等人將問(wèn)題的解決過(guò)程分為四個(gè)階段，分別為問(wèn)題表征階段、設(shè)計(jì)解題計(jì)劃階段、執(zhí)行解題計(jì)劃階段和監(jiān)控評(píng)價(jià)階段。[1]根據(jù)基克的理論，對(duì)稱性同分異構(gòu)體書(shū)寫(xiě)可分為4步，見(jiàn)圖1。

1.分析：先計(jì)算總的不飽和度，明確限定條件后的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

2.假設(shè)：依據(jù)除主體結(jié)構(gòu)后剩余的碳原子、氮原子、氧原子的數(shù)目及不飽和度，尋找對(duì)稱性的主體結(jié)構(gòu)以及可能的類別異構(gòu)。

3.組裝：再次依據(jù)除主體結(jié)構(gòu)后剩余碳原子、氮原子、氧原子的數(shù)目及不飽和度，利用位置異構(gòu)進(jìn)行組裝嘗試。

4.檢驗(yàn)：結(jié)合等效氫數(shù)目和性質(zhì)對(duì)所書(shū)寫(xiě)結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢驗(yàn)。若合適，就保留;若不合適，就需舍去，并重新組裝或重新假設(shè)。

思維障礙顧名思義，就是人腦在進(jìn)行思維過(guò)程中由于受到某種來(lái)自外界或自身思維程序的阻斷而產(chǎn)生的，導(dǎo)致自身思維過(guò)程被迫中止、思維陷入混亂等現(xiàn)象的過(guò)程。結(jié)合對(duì)稱性結(jié)構(gòu)同分異構(gòu)體書(shū)寫(xiě)思路，主要思維障礙表現(xiàn)在解決過(guò)程的四個(gè)階段，思維障礙共分為8類，如表2所示。

三、對(duì)稱性結(jié)構(gòu)同分異構(gòu)體書(shū)寫(xiě)障礙調(diào)查研究

本研究主要采用測(cè)驗(yàn)法，研究學(xué)業(yè)優(yōu)秀生、學(xué)業(yè)中等生和學(xué)業(yè)較差生在對(duì)稱性結(jié)構(gòu)同分異構(gòu)體書(shū)寫(xiě)中存在的思維障礙的主要特點(diǎn)與差異。

1.被試

本次研究對(duì)象為浙江省嘉興市某普通中學(xué)的高三選考化學(xué)的30名學(xué)生，已完成“有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)”的學(xué)習(xí)。根據(jù)30名被試在實(shí)驗(yàn)前高二期末考試和高三的二次市統(tǒng)一考試中的化學(xué)成績(jī)的平均分進(jìn)行排名，按照統(tǒng)計(jì)學(xué)的分類值進(jìn)行劃分將學(xué)生分為3類，前27%的學(xué)生為學(xué)業(yè)優(yōu)秀生，后27%的學(xué)生為學(xué)業(yè)較差生，中間46%的學(xué)生為學(xué)業(yè)中等生。

2.測(cè)試材料

本研究從浙江省各地市選考模擬試題中選擇了6道試題進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試題1、2、3考查的是只含苯環(huán)的對(duì)稱性結(jié)構(gòu)。其中1、2主要考查苯環(huán)上的位置異構(gòu)，包括軸對(duì)稱和中心對(duì)稱，第3題是類別異構(gòu)、位置異構(gòu)相關(guān)聯(lián)的考查。測(cè)試題4、5考查的是含氮原子或氧原子雜環(huán)的對(duì)稱性結(jié)構(gòu)問(wèn)題。其中第4題主要考查含氮原子雜環(huán)的位置異構(gòu)問(wèn)題，第5題主要考查含雜環(huán)時(shí)類別異構(gòu)、位置異構(gòu)相關(guān)聯(lián)問(wèn)題。測(cè)試題6考查的是既含苯環(huán)又有雜環(huán)結(jié)構(gòu)的類別異構(gòu)、位置異構(gòu)相關(guān)聯(lián)問(wèn)題。

3.統(tǒng)計(jì)分析

將每道試題可能存在的思維障礙進(jìn)行分析，針對(duì)學(xué)生的答題情況，統(tǒng)計(jì)出各類學(xué)生某種思維障礙出現(xiàn)的頻次，結(jié)果如表3所示。

從上述統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)：

（1）學(xué)業(yè)優(yōu)秀生的思維障礙主要是在第三個(gè)階段組裝時(shí)存在位置有序書(shū)寫(xiě)障礙和創(chuàng)新結(jié)構(gòu)書(shū)寫(xiě)障礙。

（2）學(xué)業(yè)中等生的思維障礙主要是在第二階段假設(shè)時(shí)的類別異構(gòu)障礙和第三階段組裝時(shí)存在思維有序性障礙。

（3）學(xué)業(yè)較差生的思維障礙在各個(gè)階段都存在。在第一階段的分析時(shí)知識(shí)性障礙和計(jì)算不飽和度障礙就有一半的學(xué)生存在，導(dǎo)致后續(xù)步驟無(wú)法進(jìn)行或錯(cuò)誤進(jìn)行。

四、對(duì)稱性結(jié)構(gòu)同分異構(gòu)體書(shū)寫(xiě)突破障礙的策略

1.掌握“二價(jià)基團(tuán)”方法，突破不飽和度計(jì)算障礙

不飽和度是有機(jī)物分子不飽和程度的量化指標(biāo)，用希臘字母“Ω”表示。有機(jī)物中的氫原子數(shù)與飽和鏈烴中的氫原子數(shù)相比，每少兩個(gè)氫原子就增加一個(gè)不飽和度。不飽和度的計(jì)算主要兩種方法：

（1）從分子式計(jì)算。若分子式中含有氧原子可不考慮，因?yàn)檠踉樱?O-）是成兩個(gè)鍵（即二價(jià)基團(tuán)），可以插入分子中，不影響氫原子數(shù)，所以可不考慮。因此利用二價(jià)基團(tuán)規(guī)則，若分子中含有氮原子，則將氮原子改寫(xiě)為-NH-。如分子式為CxHyOzNp，則改寫(xiě)

（2）從有機(jī)物結(jié)構(gòu)計(jì)算。Ω=雙鍵數(shù)+三鍵數(shù)×2+單鍵環(huán)數(shù)+…注意：硝基（-NO2）Ω=1;亞硝基（-NO）Ω=1。

2.構(gòu)建對(duì)稱結(jié)構(gòu)模型，突破對(duì)稱結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)障礙在限制條件同分異構(gòu)體的書(shū)寫(xiě)中，對(duì)稱性結(jié)構(gòu)的考查頻率最高。從上述測(cè)試題的考查來(lái)看，總的來(lái)說(shuō)，學(xué)生對(duì)苯環(huán)的對(duì)稱性結(jié)構(gòu)掌握較好，但對(duì)其他環(huán)狀結(jié)構(gòu)、碳碳雙鍵的對(duì)稱性掌握較差。

其中主要考查的有苯環(huán)的軸對(duì)稱和中心對(duì)稱。如圖2所示：

學(xué)生對(duì)苯環(huán)上軸對(duì)稱圖①、圖②和③掌握較好，對(duì)圖④中心對(duì)稱的掌握較差。

碳碳雙鍵的對(duì)稱性和四元環(huán)的對(duì)稱性考查如下圖所示。學(xué)生不能全面掌握?qǐng)D⑤⑥中碳碳雙鍵的兩種對(duì)稱方式，也不能很好地掌握?qǐng)D⑦⑧中的兩種對(duì)稱方式。

3.形成分類觀，突破類別異構(gòu)分析障礙

在解決限制性條件同分異構(gòu)體書(shū)寫(xiě)問(wèn)題時(shí)，在第二步做出可能結(jié)構(gòu)的假設(shè)時(shí)，就需要學(xué)生從整體上進(jìn)行構(gòu)思分類，尋找解題的方向。我們一般可以從不飽和度、物質(zhì)性質(zhì)或成鍵方式這三個(gè)角度思考分類方式。

（1）從不飽和度角度進(jìn)行分類

例1：【2020年1月浙江選考第31題（5）】從除苯環(huán)外的一個(gè)不飽和度出發(fā)，結(jié)合2C、2O、1N分為碳氧雙鍵（羧酸類、酯類、酰胺類等）、碳碳雙鍵、碳氮雙鍵等。

（2）從性質(zhì)角度進(jìn)行分類

例2：【2020年1月浙江選考第31題（5）變式】寫(xiě)出化合物C8H9O2N的所有同分異構(gòu)體的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式（不考慮立體異構(gòu)）：

①1HNMR譜顯示不同化學(xué)環(huán)境的氫原子數(shù)目比為2∶2∶2∶3;

②除苯環(huán)外沒(méi)有其他環(huán)狀結(jié)構(gòu);③1mol該同分異構(gòu)體可與2molNaOH反應(yīng)。

經(jīng)過(guò)第一步分析發(fā)現(xiàn)其中一個(gè)限制性條件是1mol該同分異構(gòu)體可與2molNaOH反應(yīng)，結(jié)合含有苯環(huán)和含有兩個(gè)氧原子，可以做出分類假設(shè)（見(jiàn)圖4）：

（1）可能含有一個(gè)酚酯基。

（2）可能含有兩個(gè)酚羥基。

然后在各類別中考慮剩余的原子數(shù)目和剩余的不飽和度，進(jìn)行組裝嘗試，最后檢驗(yàn)。

（3）從成鍵方式角度進(jìn)行分類

例3：【2019年4月浙江選考第32題（4）】寫(xiě)出分子式為C6H13NO2同時(shí)符合下列條件的同分異構(gòu)體的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式。

①分子中有一個(gè)六元環(huán)，且成環(huán)原子中最多含2個(gè)非碳原子;

②1HNMR譜和IR譜檢測(cè)表明分子中有4種化學(xué)環(huán)境不同的氫原子。有N-O鍵，沒(méi)有過(guò)氧鍵（-O-O-）。

經(jīng)過(guò)第一步分析發(fā)現(xiàn)其中一個(gè)限制性條件是分子中有一個(gè)六元環(huán)，且成環(huán)原子中最多含2個(gè)非碳原子，結(jié)合不飽和度為1和碳、氮、氧原子數(shù)目，可以做出分類假設(shè)（見(jiàn)圖5）：

然后在各類別中考慮剩余的原子數(shù)目和剩余的不飽和度，進(jìn)行組裝嘗試，利用等效氫進(jìn)行檢驗(yàn)。

4.掌握替氫、堵氫基團(tuán)使用方法，突破位置有序書(shū)寫(xiě)障礙

在第三步組裝時(shí)，學(xué)生對(duì)左右兩個(gè)對(duì)稱位置基團(tuán)平移形的位置異構(gòu)掌握較好，但在單個(gè)基團(tuán)位置異構(gòu)時(shí)會(huì)出現(xiàn)遺漏情況。這時(shí)就需要掌握替氫基團(tuán)、堵氫基團(tuán)的使用方法了。

（1）掌握替氫基團(tuán)的使用方法

例如：在上述2019年4月浙江選考第32題（4）的解題過(guò)程你會(huì)發(fā)現(xiàn)不是在第二步假設(shè)時(shí)類別異構(gòu)中少寫(xiě)了這種環(huán)上含一個(gè)氧原子的情況，而是在檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)寫(xiě)出來(lái)的結(jié)構(gòu)多了一種氫原子而舍去了。這時(shí)其實(shí)如果具有利用原結(jié)構(gòu)中的一種替氫基團(tuán)去替換另外只有一個(gè)氫原子即是一種氫的位置，也是可以減少一種氫原子的思維方法，就可寫(xiě)出合適的結(jié)構(gòu)。如圖6所示，左邊化各物3號(hào)位置只有一個(gè)氫原子，且是五種氫中的一種，因此可以用原結(jié)構(gòu)中的甲基去替換3號(hào)位置的那一個(gè)氫原子，就可寫(xiě)出圖6中右邊2種只含四種氫原子的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式。

（2）掌握堵氫基團(tuán)的使用方法

例4：寫(xiě)出化合物C11H14NOCl同時(shí)符合下列條件的同分異構(gòu)體的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式

①1HNMR譜顯示分子中共有5種H;

②分子中有兩個(gè)六元環(huán)，其中一個(gè)是苯環(huán)，環(huán)上最多含一個(gè)非碳原子，兩個(gè)環(huán)無(wú)共用邊。

在找到如圖7所示的兩種結(jié)構(gòu)主體后，會(huì)發(fā)現(xiàn)這兩種主體結(jié)構(gòu)都有6種氫原子，比限制條件多一種，因此這時(shí)就可使用堵氫基團(tuán)-Cl，找到只有一個(gè)氫原子即為一種氫原子的位置。在主體結(jié)構(gòu)1中，只有1號(hào)位置符合堵氫，在主體結(jié)構(gòu)2中1號(hào)和4號(hào)位置符合。在解這道測(cè)試題時(shí)，發(fā)現(xiàn)學(xué)業(yè)優(yōu)等生常常會(huì)出現(xiàn)遺漏的情況。尤其是在主體結(jié)構(gòu)2的情況下，沒(méi)有意識(shí)到1號(hào)和4號(hào)位置從堵氫角度來(lái)看是等價(jià)的。

限定條件的同分異構(gòu)體類型復(fù)雜，思維容量大。因此應(yīng)用合適的思維模型，有利于培養(yǎng)學(xué)生思維的有序性、縝密性和系統(tǒng)性。了解學(xué)生的思維障礙點(diǎn)，有助于針對(duì)性地開(kāi)展教學(xué);從根本上形成對(duì)稱觀、分類觀、不飽和度觀等有助于問(wèn)題的解決。

5.結(jié)構(gòu)與性質(zhì)全面檢驗(yàn)，突破監(jiān)控反思障礙

在進(jìn)行最后一步檢驗(yàn)時(shí)，習(xí)慣性地從等效氫角度進(jìn)行檢驗(yàn)，而不能從性質(zhì)角度進(jìn)行監(jiān)控反思從而導(dǎo)致錯(cuò)誤。如上述例2，題目限制性條件要求有：

①1HNMR譜顯示不同化學(xué)環(huán)境的氫原子數(shù)目比為2∶2∶2∶3;

②除苯環(huán)外沒(méi)有其他環(huán)狀結(jié)構(gòu);③1mol該同分異構(gòu)體可與2molNaOH反應(yīng)。

在酚酯基類別中可能寫(xiě)出如圖8所示的兩種結(jié)構(gòu)，若只是習(xí)慣性地從結(jié)構(gòu)等效氫的數(shù)目進(jìn)行檢驗(yàn)的話，會(huì)發(fā)現(xiàn)這兩種結(jié)構(gòu)都符合;但如果再結(jié)合性質(zhì)進(jìn)行檢驗(yàn)就會(huì)發(fā)現(xiàn)右圖結(jié)構(gòu)不符合條件③，與NaOH溶液反應(yīng)會(huì)消耗3molNaOH。所以經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的全面檢驗(yàn)后，只有左圖結(jié)構(gòu)在酚酯基這一類別中符合要求。

五、小結(jié)

經(jīng)過(guò)教學(xué)實(shí)踐的檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，上述突破思維障礙的策略具有良好的可操作性，學(xué)生不再懼怕該類問(wèn)題，提高了學(xué)生對(duì)此類問(wèn)題的分析與解題能力，思維的有序性、縝密性和系統(tǒng)性都得以提升。但不足在于限制條件同分異構(gòu)體書(shū)寫(xiě)中非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的問(wèn)題還有待研究。

參考文獻(xiàn)

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