“葡萄糖分子結(jié)構(gòu)”教學(xué)感悟

朱懷義

摘要：葡萄糖是最重要、最常見的單糖，是多官能團(tuán)物質(zhì)的典型代表。對其分子組成和結(jié)構(gòu)的推斷包含許多解題技能。文章結(jié)合典型習(xí)題，談燃燒法、式量差法等在確定有機(jī)分子結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，由此感悟教學(xué)要到位而不可缺位。

關(guān)鍵詞：葡萄糖；結(jié)構(gòu)分析；燃燒法；式量差

文章編號：1008-0546（2014）07-0084-03 中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2014.07.032

葡萄糖為綠色植物光合作用的產(chǎn)物，是地球生命所需能量的來源；應(yīng)當(dāng)說，學(xué)生對葡萄糖早已有所了解。當(dāng)在選修模塊專題5《生命活動的物質(zhì)基礎(chǔ)》再次學(xué)習(xí)時，怎樣把握教學(xué)的起點？通過對開鏈型葡萄糖分子結(jié)構(gòu)的探究教學(xué)，怎樣協(xié)同學(xué)生梳理知識“脈線”？我們還應(yīng)做怎樣的知識補(bǔ)充，以保證教學(xué)到位、不越位，但也不缺位？下面談下自己的感悟。

一、把握概念內(nèi)涵、辯證對待俗稱

葡萄糖是組成最簡單的糖嗎？多數(shù)學(xué)生都不假思索地表示認(rèn)同，而將糖的概念（多羥基醛或多羥基酮以及能水解生成多羥基醛或多羥基酮的化合物）棄置腦后 。此時，教師要耐心地引導(dǎo)學(xué)生：最簡單的糖一定屬于單糖、分子中至少含兩個羥基；考慮到同一碳原子上連有兩個羥基結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，所以組成最最簡單的糖是甘油醛或甘油酮。

人們曾習(xí)慣稱糖類物質(zhì)為“碳水化合物”，對此，你有怎樣的看法？通過“暢所欲言”，首先肯定人們對糖類組分特點的歸納意識；其次，指出名稱的局限性：如鼠李糖（C6H12O5）、脫氧核糖（C5H10O4）等分子中的氫和氧的原子數(shù)的比不是2∶1；而許多分子式符合Cm（H2O）n通式的化合物，卻不屬于糖類。為了深化認(rèn)識、強(qiáng)化學(xué)生書寫同分異構(gòu)的能力，有必要引導(dǎo)學(xué)生完成下面表格。

二、落實探究歷程、強(qiáng)化解題技能

教材在P90以交流討論、填寫表格的探究形式，完成對葡萄糖分子結(jié)構(gòu)的推導(dǎo)。

1.檢測“燃燒法確定有機(jī)物組成”技能的掌握情況

由探究活動①，我們可判斷葡萄糖的組成元素及實驗式（最簡式）為CH2O；由探究活動②，可確定葡萄糖的分子式為（CH2O）6 ，即C6H12O6。此問看似平淡、細(xì)品卻很“經(jīng)典”，尤其是氧元素是否含有及氧元素質(zhì)量的求算，是《認(rèn)識有機(jī)物》（專題1）的必經(jīng)之路，也是最基本的計算技能要求；但學(xué)生掌握的情況并不好，需要進(jìn)一步強(qiáng)化。

練習(xí)：稱取4.5g某有機(jī)物A，在過量的氧氣中充分燃燒。把燃燒后的氣體先緩慢通過裝有無水CaCl2的干燥管，干燥管增重2.7g；再把剩余氣體通過裝有足量NaOH溶液的洗氣瓶，洗氣瓶增重6.6g。已知A蒸氣的密度是相同條件下H2的45倍，試通過計算確定有機(jī)物A的分子式。

學(xué)生對有機(jī)物是否含有氧元素的判斷有兩種角度。一是比較有機(jī)物與燃燒產(chǎn)物中碳、氫元素質(zhì)量之和；二是先求參加反應(yīng)氧氣的質(zhì)量（據(jù)質(zhì)量守恒），再與燃燒產(chǎn)物中氧元素質(zhì)量之和相比較。對有機(jī)物A分子式（C3H6O3）的確定，多數(shù)學(xué)生按先求最簡式，后求化學(xué)式的模式；也有學(xué)生直接推求分子中所含各原子個數(shù)。做法都很好，值得向其他同學(xué)推薦。

2. 綜合利用化學(xué)性質(zhì)，遞推葡萄糖分子結(jié)構(gòu)

我們曾學(xué)過用“譜線分析法”（見專題1）確定有機(jī)物的分子結(jié)構(gòu)。通過探究活動③、④、⑤，教材向我們傳達(dá)出綜合利用化學(xué)性質(zhì)的“遞推分析法”；由此使學(xué)生進(jìn)一步體會性質(zhì)反映結(jié)構(gòu)，根據(jù)性質(zhì)反推結(jié)構(gòu)的化學(xué)思想。其中，確定分子中羥基數(shù)目的原理和技能，要求學(xué)生理解并能熟練運用。

探究活動④表明分子中含有醛基、探究活動⑤表明分子中6個碳原子是直鏈形；結(jié)合對有機(jī)分子穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)特點要求，即可推出葡萄糖分子是直鏈、五羥基一元醛。

提示：纖維素與醋酸纖維的物質(zhì)的量相等、由葡萄糖單元式量為162，結(jié)合二者之間的質(zhì)量關(guān)系，可推算醋酸纖維鏈節(jié)的式量為288，進(jìn)而可求每個葡萄糖單元中醇羥基數(shù)目：（288-162）÷42=3。故纖維素的組分表達(dá)為[C6H7O2（OH）3]n ，與足量的乙酸酐作用得醋酸纖維的化學(xué)反應(yīng)方程式為：

三、延伸探究思想、教學(xué)要到位不缺位

新課程強(qiáng)調(diào)教學(xué)要分層次、循序漸進(jìn)；但由于課時緊張，所以教學(xué)的實際情形是教學(xué)沒有越位、而是嚴(yán)重缺位。說實話，教學(xué)不能脫離學(xué)生可接受能力的實際、也不可無視高考選拔的要求，教學(xué)應(yīng)真正到位。

1. 換個角度看酯化反應(yīng)，有機(jī)分子中羧基數(shù)目推求

練習(xí)：[教材P86.4]某有機(jī)物A廣泛存在于多種水果中。經(jīng)測定，A的相對分子質(zhì)量為134，A僅含碳、氫、氧三種元素，且分子中沒有甲基。A既可以與乙醇發(fā)生酯化反應(yīng)，又可以與乙酸發(fā)生酯化反應(yīng)，且測得A與乙醇完全酯化所得有機(jī)產(chǎn)物的相對分子質(zhì)量為190。試推斷A的分子式和結(jié)構(gòu)簡式。

簡析：A中含有羧基的數(shù)目為：（190-134）÷28=2。A中含有羥基數(shù)目討論：假設(shè)羥基數(shù)為1，則剩余基團(tuán)式量為27，成分是“C2H3”；假設(shè)羥基數(shù)為2，則剩余基團(tuán)式量為10，沒有化學(xué)意義。所以A的分子式為C4H6O5 。由于A分子中沒有甲基，所以，剩余基團(tuán)“C2H3”的結(jié)構(gòu)簡式為“[CH2—CH—] ”；其中，空位分為兩類，所以“-OH”可連在亞甲基碳上，也可連在次甲基碳上；故A結(jié)構(gòu)簡式為：CH2（OH） CH （COOH）2或HOOCCH2CH（OH）COOH（蘋果酸）。

2. 依賴事實、運用推理，認(rèn)識物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)

結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)體現(xiàn)結(jié)構(gòu)。 在學(xué)習(xí)典型官能團(tuán)的性質(zhì)后，我們丟下了對譜線分析的依賴，走進(jìn)了用性質(zhì)揭示結(jié)構(gòu)的殿堂。根據(jù)實驗事實，運用邏輯推理，是研究物質(zhì)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)的重要方法，也是認(rèn)識事物本質(zhì)的一種思維方式。

示例：A—F為只含C、H、O的化合物，有關(guān)它們的某些信息，已注明在相應(yīng)的方框內(nèi)。endprint

（1） 在化合物A～F中有酯的結(jié)構(gòu)的化合物是（填字母代號） 。

（2） 寫出化合物A和F的結(jié)構(gòu)簡式：（A） 、（F） 。

解析：“選擇氧化”情形源于葡萄糖溶液與銀氨溶液反應(yīng)生成葡萄糖酸。由A的性質(zhì)可知A中含有醛基、至少還有醇羥基或羧酸基的其中之一。A→D的條件是選擇氧化，說明A中含有兩種還原性基團(tuán)；C、D相對分子質(zhì)量相差84，可知A分子中含有2個醇羥基，結(jié)合D相對分子質(zhì)量，可推知D為甘油酸、A為甘油醛。然后按A→D→E→F和A→B→C→F 衍變路線，即可判斷含酯結(jié)構(gòu)的化合物和F的結(jié)構(gòu)簡式。

答案：（1） BCEF （2）A、F的結(jié)構(gòu)簡式見下圖。

練習(xí)：由葡萄糖發(fā)酵可得乳酸（C3H6O3），為研究乳酸的分子結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了下述實驗：

（1）稱取0.90 g乳酸兩份，其一與足量金屬鈉反應(yīng)、另一與足量碳酸氫鈉反應(yīng)，結(jié)果都生成224 mL 氣體（標(biāo)準(zhǔn)狀況），則乳酸的結(jié)構(gòu)簡式可能為 或 。

（2）為進(jìn)一步確定乳酸的結(jié)構(gòu)，某探究小組設(shè)計了下列方案，你認(rèn)為可行的有 。

A.檢驗其能否與乙醇發(fā)生發(fā)生酯化反應(yīng)

B.檢驗其能否發(fā)生消去反應(yīng)

C.檢驗其催化氧化的產(chǎn)物能否發(fā)生銀鏡反應(yīng)

D.取樣分析，比較獲得的氫核磁共振譜

簡析：（1）比較乳酸與金屬鈉、碳酸氫鈉反應(yīng)生成氣體體積，可知乳酸分子中各含有一個羥基和羧基。乳酸的結(jié)構(gòu)簡式可能為CH2 （OH）CH2COOH或CH3CH（OH）COOH。（2）二者均可與乙醇發(fā)生發(fā)生酯化反應(yīng)、發(fā)生消去反應(yīng)后都得到丙烯酸，所以AB錯誤。α-羥基丙酸催化氧化產(chǎn)物為丙酮酸，氫核磁共振譜圖有四個峰、峰面比為3∶1∶1∶1；β-羥基丙酸催化氧化產(chǎn)物為丙醛酸，氫核磁共振譜圖也有四個峰、但峰面比為1∶2∶2∶1。答案：CD。

葡萄糖和乳酸、油酸及氨基酸都是典型的多官能團(tuán)化合物。如何根據(jù)結(jié)構(gòu)、全面把握性質(zhì)？可以說，“葡萄糖分子結(jié)構(gòu)”的教學(xué)片段為我們提供了范例；因此，在實際組織教學(xué)時，我們應(yīng)打開視角，不必僅僅拘泥于葡萄糖結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的知識本身，而應(yīng)盡可能多地教會學(xué)生處理問題的思想和技能！

參考文獻(xiàn)

[1] 王祖浩.有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)[M].南京：江蘇教育出版社，2013：90-91endprint

（1） 在化合物A～F中有酯的結(jié)構(gòu)的化合物是（填字母代號） 。

（2） 寫出化合物A和F的結(jié)構(gòu)簡式：（A） 、（F） 。

解析：“選擇氧化”情形源于葡萄糖溶液與銀氨溶液反應(yīng)生成葡萄糖酸。由A的性質(zhì)可知A中含有醛基、至少還有醇羥基或羧酸基的其中之一。A→D的條件是選擇氧化，說明A中含有兩種還原性基團(tuán)；C、D相對分子質(zhì)量相差84，可知A分子中含有2個醇羥基，結(jié)合D相對分子質(zhì)量，可推知D為甘油酸、A為甘油醛。然后按A→D→E→F和A→B→C→F 衍變路線，即可判斷含酯結(jié)構(gòu)的化合物和F的結(jié)構(gòu)簡式。

答案：（1） BCEF （2）A、F的結(jié)構(gòu)簡式見下圖。

練習(xí)：由葡萄糖發(fā)酵可得乳酸（C3H6O3），為研究乳酸的分子結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了下述實驗：

（1）稱取0.90 g乳酸兩份，其一與足量金屬鈉反應(yīng)、另一與足量碳酸氫鈉反應(yīng)，結(jié)果都生成224 mL 氣體（標(biāo)準(zhǔn)狀況），則乳酸的結(jié)構(gòu)簡式可能為 或 。

（2）為進(jìn)一步確定乳酸的結(jié)構(gòu)，某探究小組設(shè)計了下列方案，你認(rèn)為可行的有 。

A.檢驗其能否與乙醇發(fā)生發(fā)生酯化反應(yīng)

B.檢驗其能否發(fā)生消去反應(yīng)

C.檢驗其催化氧化的產(chǎn)物能否發(fā)生銀鏡反應(yīng)

D.取樣分析，比較獲得的氫核磁共振譜

簡析：（1）比較乳酸與金屬鈉、碳酸氫鈉反應(yīng)生成氣體體積，可知乳酸分子中各含有一個羥基和羧基。乳酸的結(jié)構(gòu)簡式可能為CH2 （OH）CH2COOH或CH3CH（OH）COOH。（2）二者均可與乙醇發(fā)生發(fā)生酯化反應(yīng)、發(fā)生消去反應(yīng)后都得到丙烯酸，所以AB錯誤。α-羥基丙酸催化氧化產(chǎn)物為丙酮酸，氫核磁共振譜圖有四個峰、峰面比為3∶1∶1∶1；β-羥基丙酸催化氧化產(chǎn)物為丙醛酸，氫核磁共振譜圖也有四個峰、但峰面比為1∶2∶2∶1。答案：CD。

葡萄糖和乳酸、油酸及氨基酸都是典型的多官能團(tuán)化合物。如何根據(jù)結(jié)構(gòu)、全面把握性質(zhì)？可以說，“葡萄糖分子結(jié)構(gòu)”的教學(xué)片段為我們提供了范例；因此，在實際組織教學(xué)時，我們應(yīng)打開視角，不必僅僅拘泥于葡萄糖結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的知識本身，而應(yīng)盡可能多地教會學(xué)生處理問題的思想和技能！

參考文獻(xiàn)

[1] 王祖浩.有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)[M].南京：江蘇教育出版社，2013：90-91endprint

（1） 在化合物A～F中有酯的結(jié)構(gòu)的化合物是（填字母代號） 。

（2） 寫出化合物A和F的結(jié)構(gòu)簡式：（A） 、（F） 。

解析：“選擇氧化”情形源于葡萄糖溶液與銀氨溶液反應(yīng)生成葡萄糖酸。由A的性質(zhì)可知A中含有醛基、至少還有醇羥基或羧酸基的其中之一。A→D的條件是選擇氧化，說明A中含有兩種還原性基團(tuán)；C、D相對分子質(zhì)量相差84，可知A分子中含有2個醇羥基，結(jié)合D相對分子質(zhì)量，可推知D為甘油酸、A為甘油醛。然后按A→D→E→F和A→B→C→F 衍變路線，即可判斷含酯結(jié)構(gòu)的化合物和F的結(jié)構(gòu)簡式。

答案：（1） BCEF （2）A、F的結(jié)構(gòu)簡式見下圖。

練習(xí)：由葡萄糖發(fā)酵可得乳酸（C3H6O3），為研究乳酸的分子結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了下述實驗：

（1）稱取0.90 g乳酸兩份，其一與足量金屬鈉反應(yīng)、另一與足量碳酸氫鈉反應(yīng)，結(jié)果都生成224 mL 氣體（標(biāo)準(zhǔn)狀況），則乳酸的結(jié)構(gòu)簡式可能為 或 。

（2）為進(jìn)一步確定乳酸的結(jié)構(gòu)，某探究小組設(shè)計了下列方案，你認(rèn)為可行的有 。

A.檢驗其能否與乙醇發(fā)生發(fā)生酯化反應(yīng)

B.檢驗其能否發(fā)生消去反應(yīng)

C.檢驗其催化氧化的產(chǎn)物能否發(fā)生銀鏡反應(yīng)

D.取樣分析，比較獲得的氫核磁共振譜

簡析：（1）比較乳酸與金屬鈉、碳酸氫鈉反應(yīng)生成氣體體積，可知乳酸分子中各含有一個羥基和羧基。乳酸的結(jié)構(gòu)簡式可能為CH2 （OH）CH2COOH或CH3CH（OH）COOH。（2）二者均可與乙醇發(fā)生發(fā)生酯化反應(yīng)、發(fā)生消去反應(yīng)后都得到丙烯酸，所以AB錯誤。α-羥基丙酸催化氧化產(chǎn)物為丙酮酸，氫核磁共振譜圖有四個峰、峰面比為3∶1∶1∶1；β-羥基丙酸催化氧化產(chǎn)物為丙醛酸，氫核磁共振譜圖也有四個峰、但峰面比為1∶2∶2∶1。答案：CD。

葡萄糖和乳酸、油酸及氨基酸都是典型的多官能團(tuán)化合物。如何根據(jù)結(jié)構(gòu)、全面把握性質(zhì)？可以說，“葡萄糖分子結(jié)構(gòu)”的教學(xué)片段為我們提供了范例；因此，在實際組織教學(xué)時，我們應(yīng)打開視角，不必僅僅拘泥于葡萄糖結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的知識本身，而應(yīng)盡可能多地教會學(xué)生處理問題的思想和技能！

參考文獻(xiàn)

[1] 王祖浩.有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)[M].南京：江蘇教育出版社，2013：90-91endprint