建構(gòu)“認(rèn)知模型”突破有機推斷——以“2020年浙江省7月選考化學(xué)有機推斷題”為例

浙江

(作者單位：浙江省杭州市臨安區(qū)昌化中學(xué))

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》把“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”作為高中化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)之一，并要求“能識別化學(xué)中常見的物質(zhì)模型和化學(xué)反應(yīng)的理論模型；能對復(fù)雜的化學(xué)問題情境中的關(guān)鍵要素進行分析以建構(gòu)相應(yīng)的模型，能選擇不同模型綜合解釋或解決復(fù)雜的化學(xué)問題”。有機推斷試題知識容量大、綜合性強、能力要求高，是浙江省選考化學(xué)必考的試題，也是難點。分值為10～12分，需要學(xué)生在10分鐘內(nèi)完成。在短時間內(nèi)做到理解題意、獲取信息、抓住題眼、準(zhǔn)確分析并正確作答難度較大。筆者以浙江省近五次選考的有機推斷試題為研究對象，梳理該題的考查內(nèi)容及考點，并以2020年7月浙江省選考有機推斷題為例，討論有機推斷復(fù)習(xí)中如何構(gòu)建“推斷模型”“切割模型”“官能團保護模型”“新信息解讀模型”“有機合成路線模型”等認(rèn)知模型，指導(dǎo)學(xué)生突破有機推斷類試題。

一、近五次浙江省選考有機推斷題分析

表1 浙江選考有機推斷題(近五次)

縱觀近五次浙江省選考化學(xué)的有機推斷試題，發(fā)現(xiàn)試題都以新藥物或藥物中間體等的合成作為載體，提供起始原料和目標(biāo)產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)，通過試題所給的信息(如反應(yīng)試劑、反應(yīng)條件、性質(zhì)、部分有機物的結(jié)構(gòu)以及其他新信息)進行綜合分析、判斷和推理，得出有機物的組成和結(jié)構(gòu)，并完成相關(guān)問題。試題的設(shè)置主要涉及反應(yīng)試劑和條件的選擇、反應(yīng)類型的判斷、有機物結(jié)構(gòu)簡式和陌生化學(xué)方程式的書寫、限定條件下的同分異構(gòu)體的書寫以及合成路線的設(shè)計，其中推斷出有機物的結(jié)構(gòu)是解決該試題的關(guān)鍵。試題以“框圖+信息”的形式呈現(xiàn)，設(shè)計角度不同的推斷難點，突出考查化學(xué)學(xué)科思維方式和學(xué)科能力。

二、有機推斷復(fù)習(xí)中認(rèn)知模型的構(gòu)建

基于浙江省選考有機推斷題的特點及學(xué)生的實際情況，教師在高三有機推斷復(fù)習(xí)中可引導(dǎo)學(xué)生從“推斷模型”“切割模型”“官能團保護模型”“新信息解讀模型”“有機合成路線模型”等方面建立思維模型，并通過模型認(rèn)知突破解題中的思維障礙，培養(yǎng)學(xué)生的分析能力、遷移能力以及靈活運用知識的能力。現(xiàn)以2020年7月浙江省選考有機推斷題為例來說明認(rèn)知模型在其中的構(gòu)建策略和應(yīng)用。

【真題呈現(xiàn)】某研究小組以鄰硝基甲苯為起始原料，按下列路線合成利尿藥美托拉宗。

圖1

請回答：

(1)下列說法正確的是________。

A.反應(yīng)Ⅰ的試劑和條件是Cl2和光照

B.化合物C能發(fā)生水解反應(yīng)

C.反應(yīng)Ⅱ涉及加成反應(yīng)、取代反應(yīng)

D.美托拉宗的分子式是C16H14ClN3O3S

(2)寫出化合物D的結(jié)構(gòu)簡式________。

(4)設(shè)計以A和乙烯為原料合成C的路線(用流程圖表示，無機試劑任選)________。

(5)寫出化合物A同時符合下列條件的同分異構(gòu)體的結(jié)構(gòu)簡式________。

1H—NMR譜和IR譜檢測表明：①分子中共有4種氫原子，其中苯環(huán)上的有2種；②有碳氧雙鍵，無氮氧鍵和—CHO。

1.構(gòu)建推斷模型

圖2 推斷模型

為了能夠充分利用信息并做到靈活應(yīng)用，需要學(xué)生熟練掌握基礎(chǔ)知識，如根據(jù)官能團的性質(zhì)，能從反應(yīng)試劑(或條件)聯(lián)想反應(yīng)類型等。筆者就高中階段重要官能團性質(zhì)、反應(yīng)條件及反應(yīng)類型歸納如下：

表2

2.構(gòu)建切割模型

在有機物結(jié)構(gòu)推斷過程中，可以通過構(gòu)建切割模型來對已知結(jié)構(gòu)的有機物進行合理分析，即利用反應(yīng)前后分子式的變化、題給已知反應(yīng)等信息，對有機物進行合理的切割。下面將對例題中兩個有機物進行切割。

高中階段有機物中官能團的轉(zhuǎn)化主要形成C—X(X表示鹵素原子)鍵、C—N鍵、C—O鍵三種化學(xué)鍵，由此可構(gòu)建如下切割模型：

(1)C—X鍵的切割

(2)C—N鍵的切割

(X：—Cl、—OH等)

(3)C—O鍵的切割

3.構(gòu)建新信息解讀模型

在日常有機推斷題的訓(xùn)練中不難發(fā)現(xiàn)，學(xué)生的基礎(chǔ)程度不同，完成試題的時間差別較大，造成該結(jié)果的原因有多方面，其中對題給已知信息解讀能力的差異是導(dǎo)致解題速度不同的原因之一。下面對例題中其中的一個信息進行分析理解。

信息的有效提取是遷移模仿的基礎(chǔ)，根據(jù)上述信息的提取過程分析，可以構(gòu)建新信息解讀模型：

圖3 新信息解讀模型

需要說明的是，有機推斷過程中對補充信息的解讀不需要理解反應(yīng)機理和反應(yīng)歷程，只需要從化學(xué)鍵的變化分析反應(yīng)特征，并在推斷過程中遷移應(yīng)用。例如若在推斷題中經(jīng)常遇到復(fù)雜難懂的信息就可按照該模型來推導(dǎo)。

4.構(gòu)建官能團的保護模型

有機合成中，有時為了使特定的官能團發(fā)生變化，減少副反應(yīng)的發(fā)生，必須對其他基團進行保護，完成反應(yīng)后再除去保護基，使其復(fù)原。因此保護措施也需要符合一定要求：1.只與保護基團發(fā)生反應(yīng)且較易進行；2.保護基易脫除且除去保護基時，不影響其他基團。在有機推斷試題中若有官能團的保護環(huán)節(jié)，往往會導(dǎo)致試題難度增大，但是學(xué)生只要正確理解基團保護的模型，能進行正常推斷即可。如例題中的部分物質(zhì)轉(zhuǎn)化關(guān)系：

圖4

虛線框中的基團轉(zhuǎn)化過程就是為了保證在酸性KMnO4氧化甲基時，防止氨基被氧化，從而起到保護氨基的作用。基團的保護策略有多種，但萬變不離其宗，具體總結(jié)的官能團的保護模型如圖5所示。構(gòu)建官能團的保護模型可以簡化有機物的轉(zhuǎn)化復(fù)雜流程，快速提取信息，推出化合物的具體結(jié)構(gòu)。

圖5 官能團的保護模型

5.構(gòu)建有機合成路線模型

有機合成路線的設(shè)計是有機綜合題近年來考查的重點，也是必考點。該考點著眼于考查學(xué)生的歸納與論證、探究與創(chuàng)新能力，同時考查了學(xué)生必備知識的掌握情況。以下為浙江省近五次選考試題中，針對合成路線中是否含有陌生反應(yīng)信息及是否考查環(huán)狀化合物的總結(jié)。

表3

通過比較不難發(fā)現(xiàn)有機合成的步驟一般為3～4步，其中學(xué)過的步驟控制在1～2步之間，陌生的步驟一般有2步左右。因此，陌生反應(yīng)是設(shè)計合成路線的關(guān)鍵點，縱觀整個框圖和已知信息查找出陌生反應(yīng)，識別反應(yīng)過程重點考查的官能團變化情況，再結(jié)合題給反應(yīng)物與產(chǎn)生的官能團對比便可迎刃而解。

例如例題中第(4)問：設(shè)計以A和乙烯為原料合成C的路線(用流程圖表示，無機試劑任選)。

【分析】首先，合成所用的關(guān)鍵信息往往隱藏于整個流程中，所以師生可以在題給流程中尋找與目標(biāo)化合物有“形似”之處的物質(zhì)。

其次，采用“逆推”法，比對原料和目標(biāo)化合物的相同點及差異對其進行解剖。

圖6

最后，結(jié)合反應(yīng)條件和“已知”的陌生信息等，準(zhǔn)確、詳細(xì)分析流程中的合成歷程，即斷鍵、成鍵和官能團轉(zhuǎn)化等，按要求書寫出合成路線。

因此，在有機復(fù)習(xí)過程中，可以構(gòu)建如圖7有機合成路線模型來突破該重點。

圖7 有機合成路線模型

需要注意的是，在書寫有機合成流程時，所需條件切忌越位和自由發(fā)揮，必須均來自于教材信息或題干流程中給予的信息。

三、結(jié)語