運(yùn)用“標(biāo)號(hào)法”突破有機(jī)合成路線設(shè)計(jì)
——以2022年1月浙江省普通高校招生選考科目考試化學(xué)第31題為例

浙江 成則豐

(作者單位：浙江省余姚中學(xué))

在高中化學(xué)課程體系中，有機(jī)化學(xué)模塊一直占據(jù)著十分重要的地位。《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》中對(duì)該模塊的要求是“通過(guò)本課程模塊的學(xué)習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生建立‘組成、結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)’的基本觀念，形成基于官能團(tuán)、化學(xué)鍵與反應(yīng)類型認(rèn)識(shí)有機(jī)化合物的一般思路，了解測(cè)定有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)、探究性質(zhì)、設(shè)計(jì)合成路線的相關(guān)知識(shí)，發(fā)展化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。”

在浙江省化學(xué)選考試題中，有機(jī)合成題也一直作為高頻考題，占據(jù)較大的比重。在試題選材上，往往以高中常見的有機(jī)物為基礎(chǔ)原料，通過(guò)高中所學(xué)的基本反應(yīng)以及題干所給信息，經(jīng)過(guò)多步轉(zhuǎn)化最終合成具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的化學(xué)物質(zhì)。試題的考查角度也是基本穩(wěn)定的，近5次浙江選考化學(xué)有機(jī)化學(xué)試題分析如表1，選擇題主要考查有機(jī)物的基本性質(zhì)、反應(yīng)類型、分子式；通過(guò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式、鍵線式、化學(xué)方程式的書寫考查學(xué)生符號(hào)表征和分析推理的能力；通過(guò)限定條件下同分異構(gòu)體的書寫既考查了學(xué)生對(duì)有機(jī)官能團(tuán)結(jié)構(gòu)及性質(zhì)的熟練程度，又考查了學(xué)生的空間想象能力以及對(duì)有關(guān)數(shù)據(jù)的判斷處理能力；最后的合成路線設(shè)計(jì)更是能反映出學(xué)生對(duì)題干信息的整合、吸收和遷移能力，有非常好的區(qū)分度。整個(gè)有機(jī)合成題將知識(shí)、能力、素養(yǎng)進(jìn)行縱向整合，有利于拓展學(xué)生的學(xué)科視野，彰顯化學(xué)學(xué)科在社會(huì)生產(chǎn)、生活中的價(jià)值，反映了測(cè)量與評(píng)價(jià)的時(shí)代性和創(chuàng)新性。

表1 近5次浙江選考化學(xué)有機(jī)合成題分析

一、標(biāo)號(hào)法的內(nèi)涵與實(shí)踐

有機(jī)合成過(guò)程中的反應(yīng)主要涉及官能團(tuán)的轉(zhuǎn)變、碳鏈的增減、碳骨架的改變等，學(xué)生能否在較短時(shí)間內(nèi)獲取有效信息并推出未知有機(jī)物的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式，是提高試題得分率的前提條件。目前學(xué)生一般采用的解題方法是反應(yīng)條件分析法、結(jié)構(gòu)比對(duì)法、分子式加減法、逆推法和切斷法等，但對(duì)于一些結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜的，或涉及碳骨架改變的縮合(成環(huán))反應(yīng)，學(xué)生就往往會(huì)顯得束手無(wú)策。

1.標(biāo)號(hào)法的內(nèi)涵

化學(xué)反應(yīng)包含成鍵情況的變化，標(biāo)號(hào)就是盡可能按順序給反應(yīng)物中的每個(gè)非氫原子標(biāo)號(hào)，然后通過(guò)原子連接順序與成鍵情況找出反應(yīng)物與產(chǎn)物中相對(duì)應(yīng)的原子，并使發(fā)生變化的鍵的數(shù)目最小。通過(guò)這樣的標(biāo)號(hào)，可以幫助學(xué)生確定產(chǎn)物分子中原子與原料分子中原子之間的關(guān)系，并由此了解反應(yīng)是如何進(jìn)行的。例如圖1所示共軛二烯與含碳碳雙鍵的化合物在一定條件下發(fā)生Diels—Alder反應(yīng)，通過(guò)標(biāo)號(hào)就能清楚看到反應(yīng)過(guò)程中，斷裂了1號(hào)和2號(hào)碳原子之間的π鍵、3號(hào)和4號(hào)碳原子之間的π鍵、5號(hào)和6號(hào)碳原子之間的π鍵，新生成了1號(hào)和6號(hào)碳原子之間的σ鍵、4號(hào)和5號(hào)碳原子之間的σ鍵，整個(gè)碳骨架進(jìn)行了重新構(gòu)建，從碳鏈合成了碳環(huán)。

圖1 Diels—Alder反應(yīng)

2.標(biāo)號(hào)法的實(shí)踐

對(duì)于小分子有機(jī)物，或者只是涉及官能團(tuán)之間轉(zhuǎn)化的反應(yīng)，學(xué)生可以通過(guò)已構(gòu)建的知識(shí)體系加以實(shí)現(xiàn)。而當(dāng)試題中出現(xiàn)結(jié)構(gòu)、反應(yīng)過(guò)程比較復(fù)雜，甚至有碳骨架重構(gòu)的合成路線，學(xué)生就會(huì)不知該如何解決，這也是整個(gè)有機(jī)合成的難點(diǎn)所在。在實(shí)際解決問(wèn)題時(shí)，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生先整合題干信息，運(yùn)用標(biāo)號(hào)法對(duì)斷鍵和成鍵情況進(jìn)行分析，然后對(duì)相關(guān)知識(shí)進(jìn)行遷移應(yīng)用，從而實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)的突破。在平時(shí)的學(xué)習(xí)中，教師可幫助學(xué)生建立如圖2所示的“標(biāo)號(hào)法”解決有機(jī)合成難點(diǎn)問(wèn)題的思維模型。

圖2 “標(biāo)號(hào)法”解決有機(jī)合成難點(diǎn)問(wèn)題的思維模型

【例題】(2022·浙江1月選考·31節(jié)選)化合物H是一種具有多種生物活性的天然化合物。某課題組設(shè)計(jì)的合成路線如圖3(部分反應(yīng)條件已省略)：

圖3

請(qǐng)回答：

(2)化合物M的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式是________；化合物N的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式是________；化合物G的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式是________。

(3)補(bǔ)充完整C→D的化學(xué)方程式

B→C的轉(zhuǎn)化：通過(guò)結(jié)構(gòu)對(duì)比可以看出這步轉(zhuǎn)化涉及官能團(tuán)的變化，將酯基還原為羥基，而LiAlH4是常見的有機(jī)還原劑，通常能將羰基類化合物(如羧酸、酯等)還原為醇。

E→F的轉(zhuǎn)化：這步轉(zhuǎn)化涉及的是高中化學(xué)比較常見的醇氧化生成酮的轉(zhuǎn)化。

三、高考備考復(fù)習(xí)策略

有機(jī)合成真實(shí)復(fù)雜的情境，決定了試題在合成路線上會(huì)出現(xiàn)超過(guò)高中認(rèn)知的“陌生反應(yīng)”，教學(xué)實(shí)踐表明，學(xué)生在解答有機(jī)合成大題時(shí)存在的障礙主要集中在以下四個(gè)方面：其一是畏懼“陌生反應(yīng)”，看不懂陌生條件、陌生試劑，尤其是涉及沒有給出結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式的、多步轉(zhuǎn)化的反應(yīng)就失去了推導(dǎo)方向，缺乏信心；其二是提取、加工題干信息的能力欠缺，對(duì)關(guān)鍵信息缺乏敏感度，有時(shí)甚至直接無(wú)視這些信息；其三是對(duì)已知信息的遷移應(yīng)用能力不夠，不能深入理解有機(jī)反應(yīng)的機(jī)理。針對(duì)以上情況，結(jié)合教學(xué)實(shí)踐，筆者提出以下復(fù)習(xí)備考策略供各位教師依據(jù)學(xué)情參考借鑒。

1.讓學(xué)生明確題干信息的重要作用

教書育人的目標(biāo)之一是使學(xué)生能夠根據(jù)自身的生活經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)積累靈活適應(yīng)試題中的新情境，解決新問(wèn)題，而學(xué)會(huì)遷移是一項(xiàng)重要技能。命題者之所以在題干中設(shè)置一些已知信息，是因?yàn)槌浞至私饨滩闹R(shí)體系和學(xué)生的已有知識(shí)，它是學(xué)生解決疑難問(wèn)題的敲門磚，它對(duì)解題是必不可少的。學(xué)生只有在充分理解已知信息的基礎(chǔ)上，才能順利完成整個(gè)合成路線的推導(dǎo)。教師在平常的教學(xué)過(guò)程中，要充分研究歷年真題中的已知信息，挖掘這些信息與教材知識(shí)、真題之間的內(nèi)在聯(lián)系，讓學(xué)生真正認(rèn)識(shí)到信息的重要作用。化學(xué)高考信息題通過(guò)控制信息材料的陌生度，解決情境問(wèn)題的匹配性、綜合性和創(chuàng)造性，考查學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和核心素養(yǎng)，符合當(dāng)下素養(yǎng)導(dǎo)向的考試測(cè)評(píng)要求。

2.讓標(biāo)號(hào)法成為教學(xué)的常態(tài)化手段

筆者認(rèn)為，標(biāo)號(hào)法的教學(xué)并不能一蹴而就，而是一項(xiàng)循序漸進(jìn)的過(guò)程。首先需要在一輪復(fù)習(xí)之初甚至在授新課階段就滲透標(biāo)號(hào)法的理念，讓學(xué)生在一些簡(jiǎn)單的涉及碳骨架構(gòu)建的縮合反應(yīng)中進(jìn)行實(shí)踐，從中總結(jié)出規(guī)律和成功經(jīng)驗(yàn)，然后再逐漸運(yùn)用在大分子、大環(huán)的合成中。其次教師在標(biāo)號(hào)法的教學(xué)過(guò)程中，也要注重“教—學(xué)—評(píng)”的一致性，即在課堂除了進(jìn)行知識(shí)傳授之外，也盡可能給學(xué)生創(chuàng)造“寫”與“說(shuō)”的機(jī)會(huì)，“寫”是為了展示學(xué)生對(duì)知識(shí)與技能的掌握情況，而“說(shuō)”可以從兩個(gè)方面進(jìn)行，一方面是學(xué)生自我闡述對(duì)標(biāo)號(hào)法的應(yīng)用過(guò)程與心得，另一方面可以是由他人評(píng)述，對(duì)同學(xué)所寫所說(shuō)進(jìn)行點(diǎn)評(píng)。教師通過(guò)這樣互動(dòng)式的教學(xué)，使學(xué)生在掌握有機(jī)合成核心知識(shí)與技能的同時(shí)，發(fā)展批判性思維、創(chuàng)新能力、合作能力、溝通交流能力等高級(jí)素養(yǎng)。