探尋潛藏在有機化合物分子結構中的反應模式

左金鑫 何彩霞

摘要： 為了提升學生對有機合成設計思路的理解，在高二有機合成的復習教學中，以高考中常出現的典型有機反應為素材，通過分析幾組簡單有機物分子的合成，引導學生體會有機合成目標化合物分子的結構特點及其與合成反應模式之間的關系，促進學生形成逆向分析有機合成的思路，進而分析陌生有機物如菠蘿酯的結構特點及其合成的反應模式，并選擇合適的原料分子設計其合成路線，以提升學生有機合成路線分析與設計能力。

關鍵詞： 有機合成; 目標化合物分子結構; 合成反應模式; 高二有機合成復習; 合成路線設計

文章編號： 1005-6629（2019）2-0040-06??????????? 中圖分類號： G633.8??????????? 文獻標識碼： B

有機合成是高中化學教學的重要內容，也是高考考查的重點。《普通高中化學課程標準（2017年版）》[1]要求學生認識有機合成的關鍵是碳骨架的構筑和官能團的轉化，了解設計有機合成線路的一般方法，如逆向合成分析法。教材中呈現的有機合成反應素材比較少，多涉及官能團的轉化，對碳骨架的構筑反應鮮有提及。然而高考試題中呈現的多為復雜目標分子的合成，涉及的有機反應素材較為陌生，學生在解決此類問題時往往顯得束手無策。究其原因，主要是學生對有機反應素材過于生疏，缺乏對有機合成目標分子結構拆分與構筑的認識思路。為此，筆者在高二化學有機合成復習課教學中，圍繞探尋在有機合成目標化合物分子結構中潛藏的有機合成反應模式展開教學，重在幫助學生形成基于逆向分析建立有機合成目標物分子結構決定其合成反應模式的思維方法。

1? 有機合成反應模式及其分析思路

有機合成是指用化學方法將原料合成新有機物的過程。人教版高中化學選修5教材[2]把有機合成這一節(jié)放在第三章的最后，其主要任務是復習烴以及烴的衍生物間的轉化，初步學習有機合成的過程，即目標化合物分子碳骨架的構筑和官能團的轉化。關于分子碳骨架的構筑的有機反應，在教材中主要涉及加聚反應，在高考試題中涉及的有羥醛縮合、D-A反應、格氏試劑反應、烯烴臭氧化反應等。教材中關于官能團及有機物之間的轉化關系如圖1所示。

合成復雜有機化合物分子時多采用逆向合成分析法，即從目標有機物分子結構入手，依據目標分子結構的特點，找到潛藏在目標分子結構中的合成反應模式，最終設計從原料到目標分子的合成路線，具體的思考路徑如下：

（1） 要考慮目標分子的結構特點。為了理清復雜的目標有機分子結構，需要將目標有機分子合理拆分成幾個片段。首先，需考慮碳骨架，可通過若干“碳碳成鍵”有機反應模式將大分子拆成小分子，其關鍵是在何處拆、如何拆，明確每一個有機反應斷鍵和成鍵的位置。為此，需要有意識地關注改變碳骨架的典型有機反應，并將其歸類為反應模式，為學生解決這類問題提供思路方法。其次，考慮官能團對碳骨架拆分的影響，化學反應總是發(fā)生在官能團上，或受官能團影響的活性位點上，因此正確選擇拆分點，就應該聯想到分子的官能團上。

（2） 需要建立合成目標有機物分子中片段結構和反應模式之間的關系。如呋喃丙胺片、合成維生素A原料中都有α-β不飽和醛或酮結構，均可通過羥醛縮合反應構筑（如圖2所示）。

合成維生素A的原料

呋喃丙胺片

有機合成涉及分子骨架的構筑和官能團的轉化。鑒于高考中合成的目標有機物分子比較復雜，

如果僅僅利用加聚等有機反應素材將無法實現對目標有機物分子的合成。因此，基于逐漸增進學生認識發(fā)展的考慮，在高二有機合成復習課中，需要豐富有機合成反應素材，引導學生分析一些常見有機物目標分子結構特點，探尋潛藏在目標有機物分子結構中的反應模式（其分析思路如圖3所示），拓展對有機合成的認識。

2? 針對“有機合成”的學情分析

對高二年級學生進行紙筆測驗和訪談測試，紙筆測試內容： 2014年北京高考理綜卷25題（略）;訪談測試內容： 如何合成有機物分子？你學過哪些構筑碳骨架的有機反應？測試結果如下：

（1） 學生熟練掌握常見有機物間的轉化，例如鹵代烴、醇、醛、酸酸等常見有機物之間的轉化。

（2） 如何合成一個有機物分子？學生首先想到目標分子中有何種官能團，但很少關注諸如碳鏈增長或縮短、成環(huán)或開環(huán)等碳骨架的變化。通過提醒，大部分學生能夠意識到需關注碳骨架。追問哪些有機反應可以改變碳骨架？學生回答為加聚反應等。由此可見，學生腦海中并沒有真正意識到探尋構筑碳骨架的有機反應模式的意義。究其原因是現行選修5教材關注重點在官能團間的轉化，而改變碳骨架的反應少有提及。

測試結果表明： 進行有機合成分析時，學生可以讀懂信息但不能靈活運用信息，學生有機合成思維浮于表面，他們不能從目標分子結構找到潛藏在結構中的有機反應模式，再選擇合適的反應進行分子碳骨架的構筑和官能團的引入。

由此可見，學生的認知障礙主要源于所學知識的局限性以及沒有形成相應的分析思路。為此，在復習教學中以高考中4組常見的有機反應作為素材，通過對幾組有機物分子的合成，幫助學生建立有機物分子結構決定反應模式的思維方法，深化對逆向合成法的理解，進而提升學生有機合成路線分析與設計的能力。

3? “有機合成”的主要教學活動和策略

3.1? 教學整體思路

基于以上分析，本課圍繞“探尋潛藏在結構中的有機反應模式”展開教學，具體教學流程如表1所示。復習課前布置作業(yè)： 請學生觀察4組有機反應并寫出其反應過程。課上以4組有機反應為信息資源，以有機分子的合成為載體，學生通過尋找潛藏在分子結構中的有機合成反應模式，體會有機合成目標化合物分子的結構特點及其與合成反應模式之間的關系，形成逆向分析有機合成的思路，并運用該思路分析和解決相關問題。

3.2? 主要教學活動設計與策略

任務1? 認識“諾貝爾獎”反應——體驗有機物轉化

[活動1]介紹有機化學中的諾貝爾獎獲得者及其主要貢獻： DielsAlder反應;羥醛縮合（Aldol）反應;格林尼亞反應;Wittig反應——烯烴的構筑、切斷及復分解反應。

諾貝爾化學獎代表著化學界主流研究方向和最重要的研究成果，將其作為本課知識背景，與有機反應復習結合起來，有助于學生增加對有機反應理解的深度和廣度。此外這部分內容作為有機合成的素材資源，為后續(xù)探尋潛藏在結構中的有機反應模式提供信息支持，引導學生體會目標化合物分子的結構特點及其反應模式之間的關系，促進學生形成逆向分析有機合成的思路。因此設計該活動，課上由4個組的學生代表分別介紹有機化學中的諾貝爾獎獲得者及其主要貢獻。該環(huán)節(jié)需學生課前準備相應資料，形成對4類典型反應的初步認知，使其能夠較快進入課堂分析環(huán)節(jié)。

第1組代表：“DielsAlder反應——環(huán)看今朝”。介紹Diles和Alder的生平，以及D-A反應的斷鍵成鍵特點。

第2組代表：“Aldol反應，百年繁華，成就多少化學人夢想”。介紹羥醛縮合反應的斷鍵成鍵特點。

第3組代表：“格林尼亞——看回頭浪子、顛倒乾坤”。介紹法國化學家維克多·格林尼亞的生平。1912年因發(fā)明格氏試劑獲得諾貝爾化學獎。并介紹格氏試劑制備以及重要反應，其中重點介紹利用格氏試劑制備一級醇、二級醇的斷鍵成鍵過程。

第4組代表：“老驥伏櫪，志在千里，八旬老翁Wittig譜寫不朽傳奇”。介紹烯烴的構筑、共軛烯烴（維生素A）的合成等反應。

4組同學匯報完后，讓同學再看思考1（表1中），觀察4組有機反應并說出反應的變化過程及反應特點（如表2所示）。表2展示出4組有機反應在有機合成中的主要作用和價值，這便于學生在該表基礎上展開對有機合成路線的推導。該環(huán)節(jié)將課下和課內的學習有機地結合起來，將較為簡單的知識傳遞過程放在課前完成，將最困難的知識部分放在課上完成內化和吸收，高效地利用課堂時間和資源，有利于提高課堂學習的效率。

再進一步追問學生，為什么選擇羥醛縮合反應合成目標分子？有的學生想到了要利用羥醛縮合增長碳骨架，關注重點在碳骨架的變化上;有的學生看到第一組第一個目標分子是β-羥基醛，進而想到羥醛縮合反應，其關注重點在官能團的變化上。繼續(xù)追問學生，你是如何想到用羥醛縮合合成丁烷分子？學生說可以把丁烷看成是隱藏了醛基和碳碳雙鍵的分子片段。通過對同一類型反應從形式和深度上的變換，學生認識到探尋潛藏在結構中的有機反應模式是有機合成的關鍵。該思維方式的難點在于，能否透過丁醇結構想到醇羥基曾經就是醛基，β位潛藏著一個羥基，即丁醇也可以看成是羥醛縮合產物。通過合成系列分子，增進學生對結構決定有機反應模式的理解。第二到第四組目標分子的合成采用先探尋潛藏在目標分子結構中的有機反應模式，再書寫有機反應過程的思路，進一步體會以尋找潛藏在目標分子結構中的有機反應模式為前導的思維方式，其具體思維過程如圖4所示。

對于丁醇分子，有的學生采用羥醛縮合模式合成，有的采用格氏試劑模式進行合成，由此增進學生對“變化是多種多樣的”認識，同一物質可采用不同的合成路線，在實際有機合成中我們需要綜合考慮原料是否廉價易得、操作是否簡單、路線是否符合綠色化學等因素。

思考2： 請指出呋喃丙胺片[3]（抗血吸蟲藥）和莫沙朵林（鎮(zhèn)痛藥）結構（如圖5所示）中潛藏著怎樣的有機合成反應模式？

通過對兩種藥物分子結構的分析，學生發(fā)現呋喃丙胺片中潛藏著α-β不飽和醛基的結構片段，進而想到利用羥醛縮合反應構筑;在莫沙朵林藥物中看到了六元環(huán)結構片段，因此想到利用D-A反應模式構筑，最終找到了合成兩種藥物分子的前體。學生經歷了一次有機結構決定有機反應模式的思維方式，感受到了有機合成之美。

任務3? 利用有機反應模式進行有機合成

[活動3]菠蘿酯[4]是一種具有菠蘿香味的賦香劑，請從以下物質中選擇合適的基本原料利用合適的有機反應模式合成該有機化合物？、干燥乙醚、乙烯。

菠蘿酯結構如圖6所示：

方法1： 采用D-A反應構筑六元環(huán)，采用格氏反應增長碳鏈，引入一級醇羥基，利用酯化反應獲得酯：

方法2： 采用D-A反應構筑六元環(huán)，采用羥醛縮合模式增長碳鏈，引入一級醇羥基，利用酯化反應獲得酯：

學生自主探尋菠蘿酯分子結構中的有機反應模式。在菠蘿酯分子中有六元環(huán)和酯的結構片段，可通過D-A反應構筑六元環(huán)，利用酯化反應形成酯。考慮原料和目標產物之間的結構特點，還需增長側鏈并在側鏈上引入羧基，可采用羥醛縮合反應或格氏試劑反應。通過該分子的合成，學生再次體會“探尋結構中的有機反應模式”為前導的有機合成的思維方式，進一步提升有機合成路線設計的能力。

4? 結束語

學生學習化學，不僅是獲得知識，更重要的是學習科學的思維過程和方法，培養(yǎng)分析和解決問題的能力。在“尋找結構中的有機反應模式”的教學中，針對要合成的有機物如呋喃丙胺、莫沙朵林、菠蘿酯、合成維生素A的原料等，學生經歷了分析有機合成目標化合物分子結構特點、探尋潛藏在結構中的合成反應模式的思維過程，學習了科學、有序地逆向分析合成有機物目標分子的方法。課下，有的學生還會查看某些藥物的說明書，主動解析結構，尋找潛藏在結構中的有機反應模式，研究藥物分子合成路線，不僅體驗到有機合成的魅力及其在生產生活中的重要作用，還能較好地將所學知識和方法應用于分析和解決相關的問題，培育創(chuàng)新思維等核心素養(yǎng)。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學課程標準（2017年版）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018： 48.

[2]人民教育出版社， 課程教材研究所， 化學課程研究開發(fā)中心編著. 普通高中課程標準實驗教科書·化學選修5·有機化學基礎[M]. 北京： 人民教育出版社， 2009： 64.

[3]涂通源， 趙思誼， 張秀平. 標記化合物的合成——Ⅳ.呋喃丙胺-1-（14）C和γ-六六六-（14）C的合成[J]. 原子能科學技術， 1980， （6）： 759～762.

[4]丁德生， 曹伯申. “菠蘿酯”——環(huán)己基丙酸烯丙酯的合成[J]. 化學世界， 1980， （3）： 75～85.