融入有機高分子的“有機合成”教學(xué)探微

朱旭文

摘? 要：《有機合成》一課，通過課標(biāo)研讀、教材比較、學(xué)情分析，明確教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)思路，設(shè)計的教學(xué)過程為：以環(huán)境熱點問題中的有機高分子“微塑料”為情境素材，通過乳酸合成路線的設(shè)計和討論，構(gòu)建有機合成認知模型，并運用該模型合成新的有機高分子，深化認知結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：高中化學(xué)；有機合成；有機高分子；認知模型

本文系江蘇省教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃課題“高中化學(xué)認知模型建構(gòu)的實踐研究”（編號：D/2021/02/540）、江蘇省中小學(xué)教學(xué)研究第十四期課題“高中化學(xué)學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的實施策略研究”（編號：2021JY14ZB10）的階段性研究成果。

有機合成是化學(xué)研究的熱點，也是高中化學(xué)教學(xué)的重點與難點。有機合成路線設(shè)計更是高考必考題型。教學(xué)“有機合成”，筆者先研讀課程標(biāo)準(zhǔn)中相關(guān)的內(nèi)容要求、學(xué)業(yè)要求和學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，分析不同版本教材的編排，得到了融入有機高分子的教學(xué)思路；接著，分析學(xué)情、確定教學(xué)目標(biāo)。由此，進行教學(xué)設(shè)計。

一、課標(biāo)研讀與教材比較

（一）課標(biāo)研讀

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“課標(biāo)”）中，關(guān)于“有機合成”的內(nèi)容要求［1］如下：

（1） 認識有機合成的關(guān)鍵是碳骨架的構(gòu)建和官能團的轉(zhuǎn)化，了解設(shè)計有機合成路線的一般方法。體會有機合成在創(chuàng)造新物質(zhì)、提高人類生活質(zhì)量及促進社會發(fā)展方面的重要貢獻……體會“綠色化學(xué)”思想在有機合成中的重要意義。

（2） 了解聚合物的組成與結(jié)構(gòu)特點，認識單體和單體單元（鏈節(jié)）及其與聚合物結(jié)構(gòu)的關(guān)系。了解加聚反應(yīng)和縮聚反應(yīng)的特點。

（3） 認識塑料、合成橡膠、合成纖維的組成和結(jié)構(gòu)特點，了解新型高分子材料的優(yōu)異性能及其在高新技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用。

關(guān)于“有機合成”的學(xué)業(yè)要求［2］如下：

（1） 能綜合應(yīng)用有關(guān)知識完成推斷有機化合物、檢驗官能團、設(shè)計有機合成路線等任務(wù)。

（2） 能對單體和高分子進行相互推斷，能分析高分子的合成路線，能寫出典型的加聚反應(yīng)和縮聚反應(yīng)的反應(yīng)式。

（3） 能舉例說明塑料、合成橡膠、合成纖維的組成和結(jié)構(gòu)特點，能列舉重要的合成高分子化合物，說明它們在材料領(lǐng)域中的應(yīng)用。

關(guān)于“有機合成”的學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)［3］如下：

水平31：能說明物質(zhì)的組成、官能團和微粒間作用力的差異對物質(zhì)性質(zhì)的影響；能從多個角度對化學(xué)反應(yīng)進行分類。

水平32：能根據(jù)解決問題的需要設(shè)計有機化合物的合成方案。

水平34：認識有機化合物轉(zhuǎn)化和合成在社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展、提高生活質(zhì)量等方面的重要貢獻。

水平42：能基于“綠色化學(xué)”理念設(shè)計有機化合物合成的方案。

水平44：能依據(jù)“綠色化學(xué)”思想分析某些化學(xué)產(chǎn)品生產(chǎn)和應(yīng)用存在的問題，提出處理或解決化學(xué)問題的方案。

（二）教材比較

高中化學(xué)主要有人教版、蘇教版、魯科版三套教材。分析發(fā)現(xiàn)，三套教材對有機合成與合成高分子的編排順序有所不同：人教版安排在第三章第五節(jié)《有機合成》和第五章《合成高分子》；蘇教版以專題5第三單元《有機合成設(shè)計》的形式呈現(xiàn)；魯科版則將“有機合成”與“合成高分子材料”合并為第三章。

三套教材編排的共同點是將有機合成安排在“烴及烴的衍生物”之后，因為有機合成路線的設(shè)計不僅是對有機物結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的總結(jié)，更能培養(yǎng)學(xué)生運用必備知識解決真實問題所需的關(guān)鍵能力。人教版和魯科版根據(jù)課標(biāo)，在重點討論碳骨架構(gòu)建和官能團轉(zhuǎn)化的基礎(chǔ)上，介紹了設(shè)計有機合成路線的一般方法（“逆合成分析法”）；而蘇教版的不同之處在于特別討論了“有機物基團間的相互影響”，如苯環(huán)上取代基的定位效應(yīng)等。

可以看到，無論是課標(biāo)還是教材，都要求能運用有機合成的方法來合成有機高分子。這既反映了有機合成方法對合成有機高分子的指導(dǎo)作用，也體現(xiàn)了融入有機高分子的合成能夠加深學(xué)生對有機合成過程中官能團轉(zhuǎn)化和碳骨架構(gòu)建的理解。

二、學(xué)情分析與目標(biāo)確立

有機高分子是由小分子通過聚合反應(yīng)生成的，學(xué)習(xí)了聚合反應(yīng)就打通了從小分子（原料）合成有機高分子的路徑，有機合成的目標(biāo)得到了拓展，合成的思路也得以延伸。

通過學(xué)習(xí)，學(xué)生已初步掌握烴及其衍生物的結(jié)構(gòu)特點、性質(zhì)及轉(zhuǎn)化關(guān)系，這為有機合成的學(xué)習(xí)奠定了扎實的認知基礎(chǔ)。學(xué)生能夠基于有機高分子的結(jié)構(gòu)特點，認識合成有機高分子的單體與反應(yīng)類型，再以單體為合成目標(biāo)，分析合成單體過程中的碳骨架構(gòu)建、官能團轉(zhuǎn)化、化學(xué)鍵變化，進而選擇反應(yīng)條件、比較合成路線，從“綠色化學(xué)”的角度選擇最佳合成路線。可見，以高分子化合物為載體開展有機合成教學(xué)，有利于學(xué)生理解有機高分子的知識，既能做到溫故知新、學(xué)以致用，又能提升對有機合成分析思路的認知水平。

基于分析，確定本課的教學(xué)目標(biāo)如下：

1.通過對“微塑料”的討論，了解有機高分子的結(jié)構(gòu)以及合成方法，激發(fā)學(xué)習(xí)有機高分子及有機合成的興趣，培養(yǎng)社會責(zé)任感。

2.通過對由不同原料合成聚乳酸的討論，了解有機合成的一般思路和方法，增強分析、關(guān)聯(lián)、整合化學(xué)知識的能力，提升模型認知能力。

3.基于結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)、性質(zhì)決定用途的思維模型，開發(fā)功能高分子，進一步鞏固有機合成的方法，感受有機合成的價值，體會化學(xué)對創(chuàng)造美好生活的重大貢獻。

三、教學(xué)過程與設(shè)計意圖

本課以環(huán)境熱點問題“微塑料”為教學(xué)情境，引導(dǎo)學(xué)生梳理合成“微塑料”主要成分的結(jié)構(gòu)和反應(yīng)類型，討論可降解塑料PLA（聚乳酸）的合成路線，建構(gòu)有機合成的認知模型，再運用模型設(shè)計聚甲基丙烯酸甲酯的合成路線。具體過程如下：

（一）情境引領(lǐng)，鋪墊認知基礎(chǔ)

（播放新聞：科學(xué)家在人體血液中發(fā)現(xiàn)“微塑料”。）

師? 檢測出的“微塑料”有PE（聚乙烯）、PS（聚苯乙烯）、PET（聚對苯二甲酸乙二酯）。請寫出這三種塑料的單體，判斷由單體生成有機高分子的反應(yīng)類型。

（學(xué)生寫出三種塑料的單體。）

生? PE、PS通過加聚反應(yīng)合成，PET則通過縮聚反應(yīng)合成。

師? 這些高分子材料為什么會造成環(huán)境問題，甚至進入我們的血液中？

生? 這幾種塑料很難降解。進入血液中的“微塑料”是它們分解成的非常小的碎片。

［設(shè)計意圖：通過新聞熱點引入有機高分子，創(chuàng)設(shè)真實的情境，形成引領(lǐng)學(xué)習(xí)的主題，并引起學(xué)生對環(huán)境問題的關(guān)注，鋪墊認知基礎(chǔ)。］

（二）分組合成，積累設(shè)計經(jīng)驗

師? 塑料在20世紀(jì)被認為是最偉大的發(fā)明之一，現(xiàn)在卻在反噬人類?？山到馑芰匣?qū)⒊蔀樗芰系某雎?，在我們的生活中已?jīng)開始有了這類可降解塑料的身影。比如一種可堆肥化降解塑料，其主要成分有PLA（聚乳酸）、PBAT（聚己二酸/對苯二甲酸丁二醇酯）、ST（淀粉）。

師? 其中，聚乳酸的結(jié)構(gòu)簡式為

HOCOCHCH3OH

。正如我們所期望的那樣，聚乳酸在土壤環(huán)境中大約三至六個月后，可完全轉(zhuǎn)化成CO2和H2O。聚乳酸還可以變身為纖維，如醫(yī)用可吸收縫合線，它是一種醫(yī)用高分子材料。

師? 請小組討論，如何利用不同的原料制取聚乳酸的單體——乳酸

CH（CH3OHCOOH）。

可選的有機原料有淀粉、丙烯、丙酸（已知：羧酸α-H的鹵代）和乙醇。

（學(xué)生書寫合成路線并討論交流。）

生? （展示圖1）以淀粉為原料，合成路線是這樣的。

淀粉催化劑葡萄糖乳酸菌CH

CH3ＯＨＣＯＯＨ

生? （展示圖2）以丙烯為原料，合成路線是這樣的。

ＣＨ2CHCH3

Bｒ2

CH2BｒCHBｒCH3

NａOH水溶液△

CH2OHCHOHCH3

O2Cu，△

CCH3OCHO

O2催化劑，△

CCH3OCOOH

H2Ni，△

CHCH3OHCOOH

生? （展示下頁圖3）以丙酸為原料，合成路線是這樣的。

生? （展示下頁圖4）以乙醇為原料，合成路線是這樣的。

［設(shè)計意圖：通過由不同原料合成乳酸的

CH3CH2COOH

Cl2PCl3

CHCH3ClCOOH

1） NaOH水溶液，△2） H+，H2O

CHCH3OHCOOH

CH3CH2OH

O2Cu，△

CH3CHO

HCN催化劑

CH3CHCNOH

H+，H2O△

CHCH3OHCOOH

路線設(shè)計和分組討論，了解正、逆合成法，鞏固有機物的轉(zhuǎn)化關(guān)系，引導(dǎo)學(xué)生摸索有機合成的一般方法——“對比結(jié)構(gòu)、片段轉(zhuǎn)化、合理排序”，培養(yǎng)信息遷移能力，積累設(shè)計經(jīng)驗。］

（三）對比歸納，建構(gòu)認知模型

師? 用不同原料合成乳酸時，需解決的關(guān)鍵問題有哪些？請對比評價這四條合成路線。

（學(xué)生討論。）

生? 淀粉原料易得，成本較低，轉(zhuǎn)化率較高。

生? 丙烯涉及官能團的轉(zhuǎn)化，需要采用適當(dāng)?shù)臈l件實現(xiàn)烴及其衍生物之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系，但轉(zhuǎn)化步驟較多。

生? 利用已知信息可得，丙酸也是通過官能團的轉(zhuǎn)化實現(xiàn)乳酸合成的。

生? 乙醇需要通過官能團的轉(zhuǎn)化構(gòu)建碳骨架，但原料HCN有毒。

師? 淀粉發(fā)酵法工藝簡單，原料充足，是比較成熟的乳酸生產(chǎn)方法，但生產(chǎn)周期較長，只能間歇或半連續(xù)化生產(chǎn)。相較而言，化學(xué)合成法可以實現(xiàn)大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)，但原料價格較高（如丙酸法），且原料一般有毒（如HCN），不符合“綠色化學(xué)”要求。我們通過官能團轉(zhuǎn)化、碳骨架構(gòu)建、對比原料與目標(biāo)產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)，基于“正向合成”與“逆向合成”設(shè)計出了分別由淀粉、丙烯、丙酸、乙醇制備乳酸的合成路線。接著，從“綠色化學(xué)”角度對合成步驟、反應(yīng)條件、反應(yīng)產(chǎn)率和原料進行了比較，確定了可行的乳酸合成路線。由此，（出示圖5）我們可以得到有機合成的認知模型。

［設(shè)計意圖：通過對合成路線的討論，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注結(jié)構(gòu)對比、官能團轉(zhuǎn)化和碳骨架構(gòu)建。通過對合成路線的評價，使學(xué)生體會“綠色化學(xué)”思想。最終，師生討論，總結(jié)出有機合成的認知模型。］

（四）實踐創(chuàng)新，深化認知結(jié)構(gòu)

師? 生活中，我們還可以接觸到很多高分子材

料，如PP（聚丙烯）、PVC（聚氯乙烯）、PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）等。PMMA是一種常見塑料，又稱作亞克力或有機玻璃，它的應(yīng)用非常廣泛。你能舉例說明嗎？

生? 塑料尺、透明的粉筆盒、擋風(fēng)玻璃……

師? PMMA經(jīng)常用作玻璃替代材料，比如用在建筑方面，做透明屋頂、樓梯護板等。其實，它還是第一代硬質(zhì)角膜塑形鏡的材料，也是人工關(guān)節(jié)的主要成分。根據(jù)它的特殊性能，可用作醫(yī)用高分子材料。請以丙酮和甲醇為原料，合成聚甲基丙烯酸甲酯，并指出各步驟的目的。已知：（1）CRHO

HCN催化劑

CRHOHCN；

（2）RCNH+/H２ＯRCOOH。

師? 設(shè)計合成路線的關(guān)鍵點有哪些？

生? 使用逆合成法，找出單體甲基丙烯酸甲酯，并進一步找到關(guān)鍵的中間體——甲基丙烯酸。

生? 應(yīng)用已知信息，增長碳鏈，增加官能團并轉(zhuǎn)化，完成由丙酮到甲基丙烯酸的合成。

（學(xué)生根據(jù)有機合成的認知模型以及關(guān)鍵點設(shè)計合成路線，得到圖6。）

師? PMMA材料最大的問題就是不透氧，含水量也少。如果想增加其含水量，你有什么建議？如何合成？

生? 在鏈節(jié)上接親水基團，如羥基或羧基，可以在醇的部分接羥基。如在合成有機玻璃的路線中，用乙二醇代替乙醇。

師? （出示圖7）根據(jù)性質(zhì)的需要，在聚甲基丙烯酸甲酯的合成步驟中替換部分原料，如將乙醇換成乙二醇，使每個鏈節(jié)上都保留一個羥基，從而使其具有新的功能——吸水性，開發(fā)出新的功能材料——聚甲基丙烯酸羥乙酯（PHEMA），這是一種重要的醫(yī)用高分子材料。我們也得到了有機合成的一種重要思路——根據(jù)功能改進結(jié)構(gòu)。

［設(shè)計意圖：本環(huán)節(jié)引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)和提出有價值的問題，依據(jù)目的，設(shè)計方案，勇于創(chuàng)新。學(xué)生通過對比結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)片段轉(zhuǎn)化，多次進行認知模型和合成路線之間的切換，深化對各類有機物及官能團性質(zhì)與轉(zhuǎn)化的理解，強化有機合成認知模型。］

參考文獻：

［1］［2］［3］中華人民共和國教育部.普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）［S］.北京：人民教育出版社，2020：4851，5053，6667.