基于證據推理的有序思維在有機推斷復習中的應用

馮洪明 駱無忌

摘要：以浙江選考有機推斷題為例，闡述了基于證據推理的有序思維在有機推斷上的應用，具體包括快速準確地推斷有機結構和書寫同分異構體的方法，并對有序思維的一般思維步驟進行了概括和歸納，有助于學生養成良好的思維習慣應對高考。

關鍵詞：有序思維;有機推斷;證據推理

中圖分類號：G633.8? ?文獻標識碼：A? ?文章編號：1992-7711（2018）09-0116

一、有序思維

所謂有序思維，不同文獻[1][2]中的表述有所不同，但其核心觀點是一致的，即按一定的邏輯順序和規律，整合有效信息、逐步思考問題直至解決問題的思維方法和過程。這種思維的優勢在于復雜情境中快速、準確地解決問題，避免用經驗解題造成的隨機性和無序性。特別是在高三化學復習考試中，不少學生存在忽高忽低的得分現象，與其歸因于考試的運氣、做題的感覺這些虛無縹緲的因素，倒不如說是因為題海戰中形成的經驗有沒有在考題中重復出現。

化學中的“序”，即化學的學科思想。文獻[3][4]指出，學科思想就是指對學科發展和學習具有核心價值作用的思想觀念，并從化學學科思想方法的高度對高考命題的思路和落腳點進行了分析解讀。隨著對學科核心價值的深入研究，化學學科的13個子思想方法被重組、整合成五大化學學科的核心素養。高考化學試題正是以化學學科知識與技能為載體，來考查學生化學學科的核心素養。

二、有序思維在有機推斷復習中運用

浙江選考有機大題以反應的多樣性、結構的復雜性、條件的隱蔽性、信息的新穎性為廣大選考考生設置了很好的區分度，也是難度最大的題型之一。主要考查了學生是否具有證據意識，能否根據物質組成、結構及其變化提出可能假設，通過分析推理加以證實或證偽。筆者（本文第一作者，下同）以2017年浙江選考32題為例，運用有序思維準確、快速地進行解題，并建立了有序思維的一般模型。

1. 試題呈現

（2017年11月浙江選考32題 節選）某研究小組按下列路線合成藥物胃復安：

2. 試題解析

該題共有5個設問，可分為基于有機推斷的前四個小題（共7分），和不基于有機推斷的同分異構體書寫（共3分），可以說浙江有機32題集中考查了學生是否具有證據意識，根據有機物組成或結構變化、反應條件、反應類型、斷鍵與成鍵等信息進行合理推斷。整道有機大題思維容量相當之大，既有對《有機化學基礎》教材的全面考查，又有對有機新信息的接收、分析和整合能力的考查。文獻[5]指出：有機化學將主要從“宏觀辨識與微觀探析”“證據推理與模型認知”“實驗探究與創新能力”等三個維度綜合考查學生的核心素養。從本題來看，在宏觀辨識與微觀探析上，要求學生知曉結構與性質之間的聯系，根據有機物的結構推斷其所具有的性質、根據分子組成和反應條件推斷反應類型和有機物結構的變化;在證據推理與模型認知上，要求學生運用類比、歸納、演繹等方法判斷、推理有機物的結構和性質，利用核磁圖譜和紅外光譜的數據推理有機物的碳架結構和官能團等;在實驗探究與創新能力上，要求學生能對新合成的物質進行結構分析，設計步驟少、轉化率高、條件溫和為特征的新型綠色合成路線。雖然三大核心素養均有所體現，但從題型特征上來看可以認為側重考查證據推理。

下面以F的結構簡式推斷和E的同分異構體書寫為例，闡述基于證據推理的有序思維具體方法和過程。

任務一：有機結構簡式F的推斷

提取信息1：F到胃復安的反應條件為H₂O。

問題表征1：哪些反應或過程需要水？這些反應或過程在結構上有何變化？

窮舉法1：加成反應或水解反應。

排除法1：加成反應后產物里有-OH，而胃復安中沒有。

階段性結論1：該反應為水解反應。

問題表征2：哪些官能團能發生水解？水解反應前后有機物在結構上有何變化？

窮舉法2：能水解的官能團有酯基、肽鍵、鹵素原子。

排除法2：鹵素原子水解后有羥基、酯基水解后有羥基或羧基，而胃復安中沒有。

階段性結論2：該反應是從肽鍵變成氨基，即F的結構簡式為：

以上推理過程可概括為四個步驟，即“提取信息→問題表征→階段性結論→問題解決”，其中問題表征的方法一般可以采用窮舉法和排除法相結合，問題解決不是一蹴而就的，有時只能得到階段性結論。正如本道試題，需要學生將階段性結論1作為信息繼續進行推理，運用結構決定性質思想確定F的大部分結構（R-還沒有確定），以此階段性結論2再次作為信息進行推理：對比E、F的組成，可分解出E的完整結構為NH₂CH₂CH₂N（C₂H₅）₂，有-NH₂。

提取信息3：已知信息中-NH₂和酯基反應生成肽鍵，且E有-NH₂、F有肽鍵。

問題表征3：F有幾個肽鍵？哪個肽鍵是D+E生成的？

窮舉法3：F有兩個肽鍵。

排除法3：根據E的位置可確定位于甲氧基鄰位的肽鍵是D+E生成的。

階段性結論3：D分子中甲氧基鄰位有酯基，結構簡式大致為：

提取信息4：D的分子式C₁₁H₁₂ClNO₄和D的大致結構簡式。

問題表征4：結構簡式和分子式相比少了哪些原子？R-和R₁-基團由哪些反應得來？

窮舉法4：-R和-R₁合起來為C₂H₆，有且只有三種情況-R為-H、-R₁為-C₂H₅;-R為-CH₃、-R₁為-CH₃;-R為-C₂H₅、-R₁為-H。

排除法4：A到B為取代反應提供一個甲氧基-OCH₃，B到C為取代反應，提供一個乙酰基-COCH₃，可知前兩步反應后的結構中存在兩個甲基，沒有乙基。

問題解決：-R和-R₁均為-CH₃。

至此，F的結構簡式已經推出。其余結構簡式讀者可自行運用有序思維進行推理。

有序思維的一般模型是：

有的時候，用窮舉法時情況太多，這就需要分類討論，例如同分異構體的書寫。

任務二：E的同分異構體

窮舉法1：嘗試書寫幾個同分異構體，發現根本寫不完，于是運用分類思想，分析題給條件，發現N-H鍵最難控制，最多4個N-H鍵，最少1個N-H鍵，據此可分為四大類情況：A4個N-H鍵，B3個N-H鍵，C₂個N-H鍵，D1個N-H鍵。

排除法1：A即為兩個-NH₂，分子組成為C₆H₁₂（NH₂）₂，可看成己烷分子中兩個H被-NH₂所代替，畫出碳骨架，分別用兩個-NH₂去取代，只有一個結構符合三種氫的要求，即（CH₃）₃C-C（NH₂）₂-CH₃，但不符合條件②，排除;B即為一個-NH₂和一個-NH-，剩下來-C₆H₁₃不可能只有一種氫（最對稱的己基有三種氫），排除。

階段性結論1：只剩下C、D兩種情況。

提取信息2：C大類中兩個N-H鍵。

窮舉法2：兩個N-H鍵在同一個氮（標為C₁情況），即一個-NH₂和一個叔氮原子;兩個N-H鍵在不同氮上（標為C₂情況），即兩個亞氨基（-NH-）。

排除法2：C₁情況，嘗試書寫幾個結構簡式，發現不對稱的結構中氫原子種類遠多于三種，排除。

階段性結論2：C₁情況中的分子結構必須非常對稱。

窮舉法3：為了使分子盡量對稱（越對稱H種類越少），這兩個氮原子必須在對稱軸上，設軸上碳原子數為x，軸兩邊每邊碳原子數為y，則x+2y=6且y≠0，有且只有三組整數解。

排除法3：以叔氮原子與氨基連線為對稱軸，分別畫出結構，排除多于三種H的結構。

階段性結論3：x=0、y=3時的一種結構符合題意，即NH₂-N（CH（CH₃）₂）₂。

排除法4：C₂情況，可以看成原有碳骨架中“插入”-NH-，用數學排列組合中的“插空法”，嘗試書寫幾個結構簡式，可以發現不對稱地插入兩個亞氨基（-NH-）會破壞原有碳骨架的對稱軸，導致氫原子種類遠多于三種，排除。

階段性結論4：C₂情況中兩個亞氨基（-NH-）必須對稱插入。

窮舉法5：用“減碳法”寫出己烷C₆H₁₄的所有碳骨架，分別根據對稱軸插入兩個亞氨基（-NH-）。

排除法5：原有己烷骨架中H種類多于3種的，插入-NH-后H原子種類必定多于三種，排除。

階段性結論5：2，3-二甲基丁烷原有兩種H，在中間位置對稱插入兩個-NH-時，剛好為三種H。即（CH₃）₂CH-NH-NH-CH（CH₃）₂

提取信息6：D大類有1個N-H鍵和1個叔氮原子。

窮舉法6：嘗試書寫若干個結構簡式。

排除法6：發現不對稱的結構中氫原子種類遠多于三種，排除。

階段性結論6：這兩個氮原子必須在對稱軸上。

窮舉法7：以兩個氮原子的連線為對稱軸，設軸上碳原子數為x，軸兩邊每邊碳原子數為y，則x+2y=6且x≥1、y≥1（否則N-H鍵多于一個，重復討論），共兩組解。

排除法7：y=2時H原子種類多于三種。

階段性結論7：x=4、y=1時有一種結構符合題意，即（CH₃）₂N-NH-C（CH₃）₃。

這樣，E的所有符合條件的三個同分異構體的結構簡式分別為即NH₂-N（CH（CH₃）₂）₂、（CH₃）₂CH-NH-NH-CH（CH₃）₂和（CH₃）₂N-NH-C（CH₃）₃。

3. 試題反思

筆者在引導學生分析試題的時候，發現學生運用有序思維時主要存在兩大問題：一是知識儲備不足，例如說不全能發生水解反應的官能團、說不全能與羧基反應的官能團……需要進一步通過習題引導學生自行小結;二是分類討論時分類不能達到“非此即彼”的效果，例如C大類直接認為是兩個亞氨基而忽略了另一種情況，筆者用“男人、女人”的分類和“男人、非男人”的分類類比了這一問題，學生會心一笑，知道了分類討論要避免想當然，要審查分類依據在邏輯上的嚴密性。

往近了看，考生只有勤練有序思維，才能在題海中重思維而輕經驗、重方法而輕結果，逐步形成證據意識，建立觀點、結論和證據之間的聯系，在選考中脫穎而出;往遠了看，儲存、記憶和計算終將被機器所代替，而良好的思維方法卻終生受用。在分類討論中根據分類方法的不同，思維過程和階段性結論也會不同，更重要的是，在有序思維的有序循環中，思考者在不停地審視邏輯上的嚴密性，這就為創新思維的迸發提供了契機，而后者也正是新時代社會對人才的必然要求。

參考文獻：

[1] 陳志遠.有序思維規律與高三化學教學[J].化學教學，2007（11）.

[2] 朱海成.有序思維在有機化學解題中的應用[J].中學化學教學參考，2007（7）.

[3] 邱慧芬.基于學科思想方法的高考化學命題[J].中學化學教學參考，2015（9）.

[4] 王后雄，孫建明.基于學科思想方法整合的高考化學命題研究[J].課程教材教法，2014（3）.

[5] 單旭峰.高考中有機化學考查方式的變遷與展望[J].中學化學教學參考，2017（6）.