基于學(xué)科理解的“醛酮”教學(xué)設(shè)計實踐與反思

黃燕

一、教學(xué)主題內(nèi)容分析

課程標(biāo)準(zhǔn)要求基于官能團、化學(xué)鍵的特點與反應(yīng)規(guī)律分析和推斷含有醛基的有機化合物的化學(xué)性質(zhì)，以此完成有機推斷與合成路線的設(shè)計。對于醛酮，從知識層面看，它是構(gòu)建有機化學(xué)知識體系及官能團之間轉(zhuǎn)化的知識結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)；從學(xué)科功能上看，它具有承載烴的不飽和含氧衍生物認識方法的功能；從學(xué)科價值上看，它承擔(dān)著建構(gòu)認識不飽和極性有機物的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)思維方式的重任。怎樣對“醛酮”內(nèi)容進行學(xué)科理解？

1.本原性方式

有機物由碳骨架和官能團構(gòu)成，官能團是決定有機物特性的原子或原子團，因此官能團是認識有機物的重要視角。羰基是烴的含氧衍生物的基礎(chǔ)性官能團，是認識醛基、羧基、酯基、酰胺基等官能團結(jié)構(gòu)特征的基礎(chǔ)。因此在對“醛酮”一節(jié)進行教學(xué)設(shè)計時，立足于羰基才能發(fā)揮羰基的化學(xué)學(xué)科功能，對羰基的結(jié)構(gòu)特征的分析具有遷移功能。

化學(xué)鍵是認識有機物結(jié)構(gòu)特征的重要視角，如何從化學(xué)鍵的角度認識羰基呢？從化學(xué)學(xué)科理解來看，羰基是由電負性不同的碳、氧2種元素構(gòu)成，表現(xiàn)出較強的極性；羰基屬于不飽和鍵（雙鍵或三鍵），碳氧之間形成的π鍵體現(xiàn)了羰基的不飽和性。所以羰基的學(xué)科功能價值是構(gòu)建不飽和極性鍵的認識思路。同樣含有羰基，醛酮放在一個節(jié)學(xué)習(xí)，但又不屬于同一類別的物質(zhì)，那醛酮之問必然有一定的聯(lián)系和差異，由此“如何基于不飽和極性鍵認識羰基的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”“如何基于羰基的結(jié)構(gòu)認識醛酮的性質(zhì)”“如何基于鍵的極性認識羰基與鄰近基團的相互影響”抽提為本節(jié)課的學(xué)科本原性問題。

2.結(jié)構(gòu)化方式

有機物數(shù)量眾多，教材編排順序為什么從烴到烴的衍生物？而對于烴的衍生物，為什么從鹵代烴、醇酚、醛酮到羧酸及其衍生物？因為學(xué)生通過烯烴、炔烴等不飽和烴性質(zhì)的學(xué)習(xí)，構(gòu)建起了認識有機物化學(xué)鍵的空間結(jié)構(gòu)特征的重要視角——軌道間的相互作用；通過鹵代烴和醇的性質(zhì)學(xué)習(xí)，構(gòu)建起認識有機物化學(xué)鍵電子對是否偏移的重要視角——極性；通過苯的同系物及苯酚的性質(zhì)學(xué)習(xí)，構(gòu)建起影響有機物化學(xué)鍵極性的重要視角——鄰近基團的推（拉）電子效應(yīng)。為什么有機模塊是放到高中階段最后一個版塊學(xué)習(xí)？因為有機物性質(zhì)的學(xué)習(xí)需要有結(jié)構(gòu)模塊和原理模塊知識和思維作為基礎(chǔ)。

醛酮結(jié)構(gòu)的相似性在于羰基，結(jié)構(gòu)決定了兩者發(fā)生在羰基上的反應(yīng)是相似的；差異性在于與羰基所連的是氫原子還是烴基，所以兩者性質(zhì)的差異性主要體現(xiàn)在與羰基相連的原子或者基團上。醛酮性質(zhì)的學(xué)習(xí)，本質(zhì)上是對前面有機物性質(zhì)學(xué)習(xí)中構(gòu)建起來的認識視角和思路的深化與綜合運用，同時也為羧酸及其衍生物等物質(zhì)的學(xué)習(xí)提供認識思路和模型。

通過對學(xué)科知識及其思維方式的本原性、結(jié)構(gòu)化系統(tǒng)性的認識后，從中抽提出學(xué)科本原問題，在學(xué)科理解本原性問題的驅(qū)動下，聚焦學(xué)科思維，學(xué)生在分析與解決真實情境下的復(fù)雜問題的過程中，自主構(gòu)建起基于鍵的飽和性和極性預(yù)測有機物性質(zhì)的思維模型。

二、教學(xué)過程

活動一 認識羰基

[展示]生活中有特殊香味的物質(zhì)，如香草醛、肉桂醛、茉莉酮、樟腦酮、乙酸、乙酸異戊酯等。羰基是烴的含氧衍生物的基礎(chǔ)性官能團。

[師]從軌道重疊方式（即鍵的飽和性）和共用電子對偏移（鍵的極性）2個角度分析羰基的結(jié)構(gòu)，并預(yù)測其性質(zhì)。

[生1]羰基中碳原子為sp2雜化，碳和氧的電負性差值較大，碳氧鍵是強極性鍵，所以羰基中碳氧雙鍵中的π鍵比碳碳雙鍵的更容易斷裂。

[生2]碳碳雙鍵是不飽和非極性鍵，易與H2、Br2等非極性試劑加成。羰基是不飽和極性鍵，羰基中共用電子對會強烈偏向于氧，使氧呈負電性，碳呈正電性。所以羰基的結(jié)構(gòu)決定了它更愿意與極性試劑加成。

設(shè)計意圖：“哪兒想”“怎么想”，是基于學(xué)科理解的化學(xué)學(xué)科思維方式內(nèi)涵的2個重要方面一學(xué)生在新知識的學(xué)習(xí)與知識背景、邏輯認知和學(xué)習(xí)經(jīng)驗中認識羰基，形成新知識的結(jié)構(gòu)體系，更深刻認識知識間的邏輯關(guān)系。

活動二 認識醛酮的加成反應(yīng)

[師]乙醛和丙酮分子中都有羰基，請預(yù)測兩者發(fā)生在羰基上的反應(yīng)。

[生1]教材上說乙醛、丙酮均能與H2加成，預(yù)測出問題了？

[生2]我們預(yù)測的是更愿意，也沒說不反應(yīng)啊。碳氧雙鍵畢竟是不飽和鍵，苯的大π鍵那么穩(wěn)定，在一定條件下都能與H，加成呢！所以乙醛或丙酮與H，的加成應(yīng)該會比烯烴難。

[師]說得很好。烯烴加氫可在低壓和室溫下進行，醛酮中羰基加氫則往往需要加壓和加熱。

[提問]HCN是極性試劑，預(yù)測乙醛、丙酮與HCN的反應(yīng)，并說明理由（如圖1所示）。

[師]反應(yīng)生成的α-羥基腈是很有用的中間體，在酸性條件下水解得到α-羥基酸。

[評價]設(shè)計以丙酮為原料制取有機玻璃的單體——2-甲基丙烯酸甲酯的合成路線。

[師]H2O也是極性、試劑，請預(yù)測甲醛、乙醛、丙酮與H2O的反應(yīng)。

[生]加成產(chǎn)物中2個羥基連在同一個碳上不穩(wěn)定，又會重新轉(zhuǎn)化為醛基或者酮羰基。

[師]兩者存在平衡關(guān)系，根據(jù)牛津大學(xué)Jona-than Clayden等教授編寫的《ORGANIC CHEMIS-TRY》教材中的K值數(shù)據(jù)，請分析以下反應(yīng)的K值并解釋原因。

[生]醛酮能與水發(fā)生加成反應(yīng)，但程度不同。羰基的極性受到與其相連的基團的影響。烴基是推電子基，羰基碳連接了烴基后，減弱了碳氧雙鍵的極性，使其相對不易與極性試劑加成。

[師]若將乙醛換成氯酮，將丙酮換成六氟丙酮，與水反應(yīng)的化學(xué)方程式為：

請預(yù)測K4和K2，K5和K3的相對大小并說明原因。以上反應(yīng)K值的大小，給你什么啟發(fā)。

[生]K>K2，K5>K3，CI和F都是拉電子基，增強碳氧雙鍵的極性，使其更易與H2O發(fā)生加成反應(yīng)。

[啟發(fā)]羰基中碳氧鍵的極性會受到鄰近基團的影響。

[師]分析合理?！禣RCANIC?CHEMISTRY》教材中給出的數(shù)據(jù)是K4=2000，K5=1.2×106。

[展示]一瓶葡萄糖溶液，溶液中存在著鏈狀和環(huán)狀葡萄糖之間的平衡，其中絕大部分葡萄糖為環(huán)狀結(jié)構(gòu)（如圖2所示）。請解釋環(huán)狀葡萄糖是如何形成的。

[生]含有羥基的物質(zhì)（比如醇）也是極性試劑，鏈狀葡萄糖中的5號碳上的羥基與羰基加成形成穩(wěn)定的六元環(huán)。

[師]甲醛的水溶液（又稱福爾馬林），具有殺菌、防腐性能，其原理是什么呢？

[生]蛋白質(zhì)分子中的酰胺基、氨基（以R-NH，表示）等也是極性分子，甲醛分子小，進入細胞后與R-NH，的反應(yīng)（如圖3所示），從而使蛋白質(zhì)失去活性。

[師]純凈的乙醛中沒有單個乙醛分子，且其相對分子質(zhì)量測出來比分子式顯示的要大，這是因為乙醛分子中的α-H具有一定的活潑性，在一定條件下會與羰基發(fā)生加成反應(yīng)。繪圖并說明理由（如圖4所示）。

[生1]受羰基吸電子作用的影響，羰基鄰位的C-H鍵極性增強，易斷裂。

[生2]β-羥基醛脫水后形成更穩(wěn)定的單雙鍵交替的共軛結(jié)構(gòu)。

[師]像分子內(nèi)含有α-H的醛（或酮）在一定條件下發(fā)生上述反應(yīng)的，被稱為羥醛縮合反應(yīng)，是一種常見的增長碳鏈的方法，在有機合成中有非常重要的作用。

[評價]請設(shè)計以乙烯為原料合成正丁醇的合成路線。

[提問]苯甲醛分別與丙酮和3-戊酮反應(yīng)的化學(xué)方程式和結(jié)果如下。請分析兩者反應(yīng)差異的原因。

實驗1：兩者混合后在室溫下反應(yīng)15min得到產(chǎn)品，產(chǎn)率達80%；

實驗2：兩者混合后60C反應(yīng)1h，幾乎沒有得到目標(biāo)產(chǎn)物。

[生]丙酮中α-H的活性大于3-戊酮的。3-戊酮中α-C上有烷基取代基，推電子效應(yīng)增強，α-C上C-H鍵的極性減小，不易斷裂，表現(xiàn)為α-H活性降低。

[總結(jié)歸納]談?wù)勀銓θ┩l(fā)生在羰基上的反應(yīng)的認識。

[生1]羰基易與極性試劑發(fā)生加成反應(yīng)，極性試劑中呈正電性的原子或原子團連接在氧原子上，負電性的原子或原子團連接在碳原子上。

[生2]羰基的極性也會受到鄰近基團的推電子或拉電子效應(yīng)的影響。

[生3]羰基增強了α-H的活性，而α-H的活性又會受到鄰近基團的影響。

設(shè)計意圖：當(dāng)把HCN分子抽提為“極性試劑”時，就產(chǎn)生了學(xué)科本原性問題：極性試劑只有HCN嗎？其他極性試劑能否與羰基加成？羰基與極性試劑的反應(yīng)就成為了認識視角，承載著素養(yǎng)功能。課堂活動中創(chuàng)設(shè)解釋類活動，是促進學(xué)生學(xué)科理解的有效方式。為了尋求合理解釋，學(xué)生調(diào)用化學(xué)學(xué)科特有的知識和思維對數(shù)據(jù)和實驗條件進行分析，從化學(xué)視角去探究、分析和解決問題，體驗豐富的化學(xué)內(nèi)涵和本質(zhì)，促進了知識的結(jié)構(gòu)化，培養(yǎng)了科學(xué)思維。

活動三 認識醛酮的氧化反應(yīng)

[師]醛和酮發(fā)生在羰基上的反應(yīng)是相似的，但與羰基相連的原子或基團不同，會導(dǎo)致它們的性質(zhì)有哪些差異呢？

[演示實驗]

實驗1：教材實驗[實驗3-7]

實驗2：將[實驗3-7]中的乙醛換成丙酮

實驗3：教材實驗[實驗3-8]

實驗4：將[實驗3-8]中的乙醛換成丙酮

[師]請對實驗1和2，實驗3和4的現(xiàn)象進行對比，寫出反應(yīng)的化學(xué)方程式，并從化學(xué)鍵的角度分析反應(yīng)原理。

[生1]醛基上的C-H本身是極性鍵，且受羰基的影響，即氧的拉電子作用，使得羰基碳的電子云密度降低，吸引帶正電的氫的能力下降，所以這條碳氫鍵易斷裂。發(fā)生氧化反應(yīng)時，氧原子插入到碳氫鍵之間，形成羧基。

[生2]丙酮中羰基碳連接的碳碳鍵雖受羰基的影響，但它是非極性鍵，相對不易斷裂。銀氨溶液和新制氫氧化銅的氧化性不夠強，不能使其斷鍵氧化。但是我覺得由于氧的拉電子效應(yīng)，這條碳碳鍵的電子云密度是不均衡的，更偏向于羰基碳。所以相對于烷烴基上的碳碳鍵來說是更容易斷裂的，如果給它足夠強的氧化劑，應(yīng)該會被氧化。

[師]分析合理。確實如此，醛基易被氧化，而酮需要使用強氧化劑（如重鉻酸鉀和濃硫酸，或者過氧酸）才能將其氧化。

[歸納總結(jié)]醛和酮的結(jié)構(gòu)中均有羰基，能與極性試劑加成，所以放在同一節(jié)教材中學(xué)習(xí)。但兩者也有差異性，如醛基易被氧化，而酮不易被氧化。所以不屬于同一類別的物質(zhì)。

[師]下一節(jié)我們要學(xué)習(xí)的羧酸和羧酸的衍生物中也有羰基，而它們怎么沒有跟醛酮放在一起學(xué)習(xí)，是不是羧酸及其衍生物中羰基的性質(zhì)又發(fā)生了什么神奇的變化呢？期待下一節(jié)課的學(xué)習(xí)。

設(shè)計意圖：學(xué)生經(jīng)歷了“預(yù)測—實驗—結(jié)論”的思考過程，從宏觀現(xiàn)象到微觀本質(zhì)的分析，學(xué)生調(diào)用物質(zhì)結(jié)構(gòu)的知識去理解有機反應(yīng)的本質(zhì)，更加深刻地體會到結(jié)構(gòu)是如何決定性質(zhì)的，初步形成結(jié)構(gòu)解釋和預(yù)測性質(zhì)的思維模型。

活動四 綜合評價，構(gòu)建模型

[演示實驗]向溴水中加入足量的乙醛溶液，溴水褪色。預(yù)測乙醛與溴水發(fā)生的反應(yīng)，并說明理由。

[生1]乙醛中碳氧雙鍵與溴發(fā)生加成反應(yīng)，生成1，1-二溴乙烷。

[生2]乙醛中醛基被溴水氧化生成乙酸。

[生3]乙醛甲基上的C-H受羰基的影響，極性增強，與溴水發(fā)生取代反應(yīng)生成2-溴乙醛。

[生4]溴是非極性試劑，不易與不飽和極性鍵加成。而一般烷烴基上的取代需要光照條件，所以發(fā)生α-H的取代反應(yīng)可能性不大。醛基能被弱氧化劑氧化，何況是有強氧化性的溴水，所以我覺得發(fā)生氧化反應(yīng)的可能性比較大。

[師]很好，同學(xué)們會從多個角度去分析與預(yù)測有機反應(yīng)了，設(shè)計實驗方案驗證。

[實驗方案與結(jié)論]見表1。

[構(gòu)建模型]我們從不同的認識角度預(yù)測并驗證了醛酮的化學(xué)性質(zhì)。若呈現(xiàn)一個陌生有機物的結(jié)構(gòu)，你會從哪些角度分析并預(yù)測其性質(zhì)呢？構(gòu)建一個有機物結(jié)構(gòu)預(yù)測性質(zhì)的思維模型（如圖5所示）。

設(shè)計意圖：如果一個人理解某事時，就能以正確的方式將其表達出來，并在新的場景中靈活應(yīng)用。學(xué)生在陌生真實情境中全身心地去體驗知識本身蘊含的豐富的內(nèi)涵與意義，并完成模型構(gòu)建。

三、教學(xué)效果與反思（略）

（收稿日期：2023-12-10）