多途徑確定有機物結構 發展化學學科核心素養

新疆 祝可一

《普通高中化學課程標準(2017年版2020年修訂)》(以下簡稱《課程標準》)中對有機物結構的確定提出了較高的要求，要求學生能辨識有機物分子中的官能團，能結合簡單圖譜信息分析判斷有機化合物的分子結構，能描述和分析各類有機化合物的典型代表物的重要反應。有機物結構的判定方法是發展學生“證據推理與模型認知”核心素養的良好載體。

2017—2021年高考化學非選擇題中，對有機物結構的考查方式主要分為三種，即現代儀器分析方法測定結構、特征反應確定結構和信息描述特征結構，考頻如表1所示。

表1 2017—2021年高考非選擇題中對有機物結構考查情況統計表

續表

由表1分析可知，在20套高考化學題中，三種考查方式的頻數分別為16、15、14，其中用現代儀器方法測定結構的考查頻率最高，該方法以核磁共振氫譜(1H—NMR)為主要考查角度。對特征反應的考查中，能發生銀鏡反應考查8次，與FeCl3發生顯色反應考查4次，與碳酸氫鈉溶液反應考查4次，考頻較高。信息描述特征結構中，重點考查碳原子的連接方式，其中對苯環或芳香族化合物描述8次，對手性碳描述5次，考頻較高。

一、用現代儀器方法測定結構

《課程標準》在模塊3主題1的學業要求中指出，能說出測定有機化合物分子結構的常用儀器分析方法，能結合簡單圖譜信息分析判斷有機化合物的分子結構。人教版《化學選擇性必修3 有機化學基礎》教材正文中介紹了質譜、紅外光譜、核磁共振氫譜和X射線衍射。從紅外光譜圖可以分析有機物分子中所含有的化學鍵或官能團信息，核磁共振氫譜可以獲得有機物中有幾種不同化學環境的氫原子及它們的相對數目等信息。近五年高考題中對核磁共振氫譜一般有兩種考查形式：

1.已知峰的數目和峰面積之比推測分子結構

如2021年全國甲卷36題(6)：“核磁共振氫譜顯示四組峰，且峰面積之比為3∶2∶2∶1”。結合題給信息可知，該物質是分子式為C8H8O3的B的同分異構體，該物質一個分子中的8個氫原子處于4種不同化學環境，且個數之比為3∶2∶2∶1。其他高考題對此的考查形式稍有差異，但考查的本質相同，如2021年廣東省選擇性考試第21題“核磁共振氫譜確定分子中有6個化學環境相同的氫原子”，該題只對一種化學環境的氫原子個數進行了描述；又如2020年江蘇卷17題“分子中不同化學環境的氫原子數目之比為1∶1”，雖未明確強調核磁共振氫譜這種分析手段，淡化了峰面積之比這一波譜分析專業數據，但仍提供了分子中不同化學環境的氫原子種類和數目。

2.提供分子結構推測吸收峰數目

【參考答案】4

【參考答案】C14H8N2O6Na24 1∶1∶1∶1

二、特征反應確定結構

《課程標準》在模塊3主題2的學業要求中指出，能寫出烴及其衍生物的官能團，能描述和分析各類有機化合物的典型代表物的重要反應。研究有機物時，化學工作者常用特征反應確定分子結構，高考題據此設問，綜合考查有機物性質和官能團的對應關系。

近五年高考題中常考的有：能發生銀鏡反應、與FeCl3顯色反應、與碳酸氫鈉溶液反應三個特征反應。它們分別是醛基(—CHO)、酚羥基(—OH)、羧基(—COOH)的特征反應。高考中，對特征反應的考查，有以下角度：

1.考查醛基(—CHO)的特征反應

①能發生銀鏡反應；

②核磁共振氫譜有三組峰，且峰面積比為3∶2∶1。

2.考查酚羥基(—OH)的特征反應

【參考答案】8

【解析】根據題意，A的同分異構體中至少需要保留一個酚羥基，酚羥基的存在使得分子中必須存在苯環。兩個飽和碳原子可以乙基或兩個甲基的形式分布在苯環上。當以乙基形式出現時，酚羥基可處于鄰、間、對位，如圖1中a、b、c所示；兩個甲基處于鄰位時，酚羥基有2種位置，如圖1中 d、e所示；除物質A外，兩個甲基處于間位時，酚羥基有2種位置，如圖1中f、g所示；兩個甲基處于對位時，酚羥基有1種位置，如圖1中h所示。因此符合題意的同分異構體為8種。

b

d

e

g

h

3.考查羧基(—COOH)的特征反應

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4.常見有機物及官能團的特征反應

高考復習備考過程中，學生熟練掌握常見有機物及官能團的特征反應可以提高解題的準確率和速度。表2梳理了常見有機物及官能團的特征反應。

表2 常見有機物及官能團的特征反應

三、信息描述特征結構

《課程標準》在模塊3主題1的內容要求中指出，認識有機化合物的分子結構決定于原子間的連接順序、成鍵方式和空間排布，認識有機化合物存在構造異構和立體異構等同分異構現象。近五年高考題中通過信息描述特征結構主要關于苯環結構和手性結構。

1.苯環結構

a.含苯環的醛、酮

b.不含過氧鍵(—O—O—)

c.核磁共振氫譜顯示四組峰，且峰面積比為3∶2∶2∶1

A.2個 B.3個 C.4個 D.5個

【參考答案】C

【解析】信息a要求分子結構包含苯環、一個醛基或酮羰基，信息b要求分子結構包含兩個酚羥基，信息c要求一個分子中的8個氫原子處于四種不同化學環境，整個分子對稱性較好，其中必然有3個氫原子屬于同一個甲基。據此寫出符合要求的4種同分異構體如圖2所示：

圖2 滿足題給信息4種B的同分異構結構簡式

2.手性結構

人教版《化學選擇性必修2 物質結構與性質》教材以示意圖的形式介紹了手性分子和手性碳原子，與四個不同集團相連的碳原子稱為手性碳原子。對手性結構的考查有兩種常見形式：一種是判斷某分子中是否存在手性碳原子或手性碳原子的個數，另一種是寫出某種物質具有或者不具有手性碳原子的同分異構體。前者難度較低，后者難度較大，分別舉例說明。

(1)手性碳原子的辨識

【參考答案】1

(2)書寫含有手性碳原子的同分異構體

(a)4 (b)6 (c)8 (d)10

其中，含有手性碳(注：連有四個不同的原子或基團的碳)的化合物的結構簡式為________。