探寻潜藏在有机化合物分子结构中的反应模式

左金鑫 何彩霞

摘要： 为了提升学生对有机合成设计思路的理解，在高二有机合成的复习教学中，以高考中常出现的典型有机反应为素材，通过分析几组简单有机物分子的合成，引导学生体会有机合成目标化合物分子的结构特点及其与合成反应模式之间的关系，促进学生形成逆向分析有机合成的思路，进而分析陌生有机物如菠萝酯的结构特点及其合成的反应模式，并选择合适的原料分子设计其合成路线，以提升学生有机合成路线分析与设计能力。

关键词： 有机合成; 目标化合物分子结构; 合成反应模式; 高二有机合成复习; 合成路线设计

文章编号： 1005-6629（2019）2-0040-06            中图分类号： G633.8            文献标识码： B

有机合成是高中化学教学的重要内容，也是高考考查的重点。《普通高中化学课程标准（2017年版）》[1]要求学生认识有机合成的关键是碳骨架的构筑和官能团的转化，了解设计有机合成线路的一般方法，如逆向合成分析法。教材中呈现的有机合成反应素材比较少，多涉及官能团的转化，对碳骨架的构筑反应鲜有提及。然而高考试题中呈现的多为复杂目标分子的合成，涉及的有机反应素材较为陌生，学生在解决此类问题时往往显得束手无策。究其原因，主要是学生对有机反应素材过于生疏，缺乏对有机合成目标分子结构拆分与构筑的认识思路。为此，笔者在高二化学有机合成复习课教学中，围绕探寻在有机合成目标化合物分子结构中潜藏的有机合成反应模式展开教学，重在帮助学生形成基于逆向分析建立有机合成目标物分子结构决定其合成反应模式的思维方法。

1  有机合成反应模式及其分析思路

有机合成是指用化学方法将原料合成新有机物的过程。人教版高中化学选修5教材[2]把有机合成这一节放在第三章的最后，其主要任务是复习烃以及烃的衍生物间的转化，初步学习有机合成的过程，即目标化合物分子碳骨架的构筑和官能团的转化。关于分子碳骨架的构筑的有机反应，在教材中主要涉及加聚反应，在高考试题中涉及的有羟醛缩合、D-A反应、格氏试剂反应、烯烃臭氧化反应等。教材中关于官能团及有机物之间的转化关系如图1所示。

合成复杂有机化合物分子时多采用逆向合成分析法，即从目标有机物分子结构入手，依据目标分子结构的特点，找到潜藏在目标分子结构中的合成反应模式，最终设计从原料到目标分子的合成路线，具体的思考路径如下：

（1） 要考虑目标分子的结构特点。为了理清复杂的目标有机分子结构，需要将目标有机分子合理拆分成几个片段。首先，需考虑碳骨架，可通过若干“碳碳成键”有机反应模式将大分子拆成小分子，其关键是在何处拆、如何拆，明确每一个有机反应断键和成键的位置。为此，需要有意识地关注改变碳骨架的典型有机反应，并将其归类为反应模式，为学生解决这类问题提供思路方法。其次，考虑官能团对碳骨架拆分的影响，化学反应总是发生在官能团上，或受官能团影响的活性位点上，因此正确选择拆分点，就应该联想到分子的官能团上。

（2） 需要建立合成目标有机物分子中片段结构和反应模式之间的关系。如呋喃丙胺片、合成维生素A原料中都有α-β不饱和醛或酮结构，均可通过羟醛缩合反应构筑（如图2所示）。

合成维生素A的原料

呋喃丙胺片

有机合成涉及分子骨架的构筑和官能团的转化。鉴于高考中合成的目标有机物分子比较复杂，

如果仅仅利用加聚等有机反应素材将无法实现对目标有机物分子的合成。因此，基于逐渐增进学生认识发展的考虑，在高二有机合成复习课中，需要丰富有机合成反应素材，引导学生分析一些常见有机物目标分子结构特点，探寻潜藏在目标有机物分子结构中的反应模式（其分析思路如图3所示），拓展对有机合成的认识。

2  针对“有机合成”的学情分析

对高二年级学生进行纸笔测验和访谈测试，纸笔测试内容： 2014年北京高考理综卷25题（略）;访谈测试内容： 如何合成有機物分子？你学过哪些构筑碳骨架的有机反应？测试结果如下：

（1） 学生熟练掌握常见有机物间的转化，例如卤代烃、醇、醛、酸酸等常见有机物之间的转化。

（2） 如何合成一个有机物分子？学生首先想到目标分子中有何种官能团，但很少关注诸如碳链增长或缩短、成环或开环等碳骨架的变化。通过提醒，大部分学生能够意识到需关注碳骨架。追问哪些有机反应可以改变碳骨架？学生回答为加聚反应等。由此可见，学生脑海中并没有真正意识到探寻构筑碳骨架的有机反应模式的意义。究其原因是现行选修5教材关注重点在官能团间的转化，而改变碳骨架的反应少有提及。

测试结果表明： 进行有机合成分析时，学生可以读懂信息但不能灵活运用信息，学生有机合成思维浮于表面，他们不能从目标分子结构找到潜藏在结构中的有机反应模式，再选择合适的反应进行分子碳骨架的构筑和官能团的引入。

由此可见，学生的认知障碍主要源于所学知识的局限性以及没有形成相应的分析思路。为此，在复习教学中以高考中4组常见的有机反应作为素材，通过对几组有机物分子的合成，帮助学生建立有机物分子结构决定反应模式的思维方法，深化对逆向合成法的理解，进而提升学生有机合成路线分析与设计的能力。

3  “有机合成”的主要教学活动和策略

3.1  教学整体思路

基于以上分析，本课围绕“探寻潜藏在结构中的有机反应模式”展开教学，具体教学流程如表1所示。复习课前布置作业： 请学生观察4组有机反应并写出其反应过程。课上以4组有机反应为信息资源，以有机分子的合成为载体，学生通过寻找潜藏在分子结构中的有机合成反应模式，体会有机合成目标化合物分子的结构特点及其与合成反应模式之间的关系，形成逆向分析有机合成的思路，并运用该思路分析和解决相关问题。

3.2  主要教学活动设计与策略

任务1  认识“诺贝尔奖”反应——体验有机物转化

[活动1]介绍有机化学中的诺贝尔奖获得者及其主要贡献： DielsAlder反应;羟醛缩合（Aldol）反应;格林尼亚反应;Wittig反应——烯烃的构筑、切断及复分解反应。

诺贝尔化学奖代表着化学界主流研究方向和最重要的研究成果，将其作为本课知识背景，与有机反应复习结合起来，有助于学生增加对有机反应理解的深度和广度。此外这部分内容作为有机合成的素材资源，为后续探寻潜藏在结构中的有机反应模式提供信息支持，引导学生体会目标化合物分子的结构特点及其反应模式之间的关系，促进学生形成逆向分析有机合成的思路。因此设计该活动，课上由4个组的学生代表分别介绍有机化学中的诺贝尔奖获得者及其主要贡献。该环节需学生课前准备相应资料，形成对4类典型反应的初步认知，使其能够较快进入课堂分析环节。

第1组代表：“DielsAlder反应——环看今朝”。介绍Diles和Alder的生平，以及D-A反应的断键成键特点。

第2组代表：“Aldol反应，百年繁华，成就多少化学人梦想”。介绍羟醛缩合反应的断键成键特点。

第3组代表：“格林尼亚——看回头浪子、颠倒乾坤”。介绍法国化学家维克多·格林尼亚的生平。1912年因发明格氏试剂获得诺贝尔化学奖。并介绍格氏试剂制备以及重要反应，其中重点介绍利用格氏试剂制备一级醇、二级醇的断键成键过程。

第4组代表：“老骥伏枥，志在千里，八旬老翁Wittig谱写不朽传奇”。介绍烯烃的构筑、共轭烯烃（维生素A）的合成等反应。

4组同学汇报完后，让同学再看思考1（表1中），观察4组有机反应并说出反应的变化过程及反应特点（如表2所示）。表2展示出4组有机反应在有机合成中的主要作用和价值，这便于学生在该表基础上展开对有机合成路线的推导。该环节将课下和课内的学习有机地结合起来，将较为简单的知识传递过程放在课前完成，将最困难的知识部分放在课上完成内化和吸收，高效地利用课堂时间和资源，有利于提高课堂学习的效率。

再进一步追问学生，为什么选择羟醛缩合反应合成目标分子？有的学生想到了要利用羟醛缩合增长碳骨架，关注重点在碳骨架的变化上;有的学生看到第一组第一个目标分子是β-羟基醛，进而想到羟醛缩合反应，其关注重点在官能团的变化上。继续追问学生，你是如何想到用羟醛缩合合成丁烷分子？学生说可以把丁烷看成是隐藏了醛基和碳碳双键的分子片段。通过对同一类型反应从形式和深度上的变换，学生认识到探寻潜藏在结构中的有机反应模式是有机合成的关键。该思维方式的难点在于，能否透过丁醇结构想到醇羟基曾经就是醛基，β位潜藏着一个羟基，即丁醇也可以看成是羟醛缩合产物。通过合成系列分子，增进学生对结构决定有机反应模式的理解。第二到第四组目标分子的合成采用先探寻潜藏在目标分子结构中的有机反应模式，再书写有机反应过程的思路，进一步体会以寻找潜藏在目标分子结构中的有机反应模式为前导的思维方式，其具体思维过程如图4所示。

对于丁醇分子，有的学生采用羟醛缩合模式合成，有的采用格氏试剂模式进行合成，由此增进学生对“变化是多种多样的”认识，同一物质可采用不同的合成路线，在实际有机合成中我们需要综合考虑原料是否廉价易得、操作是否简单、路线是否符合绿色化学等因素。

思考2： 请指出呋喃丙胺片[3]（抗血吸蟲药）和莫沙朵林（镇痛药）结构（如图5所示）中潜藏着怎样的有机合成反应模式？

通过对两种药物分子结构的分析，学生发现呋喃丙胺片中潜藏着α-β不饱和醛基的结构片段，进而想到利用羟醛缩合反应构筑;在莫沙朵林药物中看到了六元环结构片段，因此想到利用D-A反应模式构筑，最终找到了合成两种药物分子的前体。学生经历了一次有机结构决定有机反应模式的思维方式，感受到了有机合成之美。

任务3  利用有机反应模式进行有机合成

[活动3]菠萝酯[4]是一种具有菠萝香味的赋香剂，请从以下物质中选择合适的基本原料利用合适的有机反应模式合成该有机化合物？、干燥乙醚、乙烯。

菠萝酯结构如图6所示：

方法1： 采用D-A反应构筑六元环，采用格氏反应增长碳链，引入一级醇羟基，利用酯化反应获得酯：

方法2： 采用D-A反应构筑六元环，采用羟醛缩合模式增长碳链，引入一级醇羟基，利用酯化反应获得酯：

学生自主探寻菠萝酯分子结构中的有机反应模式。在菠萝酯分子中有六元环和酯的结构片段，可通过D-A反应构筑六元环，利用酯化反应形成酯。考虑原料和目标产物之间的结构特点，还需增长侧链并在侧链上引入羧基，可采用羟醛缩合反应或格氏试剂反应。通过该分子的合成，学生再次体会“探寻结构中的有机反应模式”为前导的有机合成的思维方式，进一步提升有机合成路线设计的能力。

4  结束语

学生学习化学，不仅是获得知识，更重要的是学习科学的思维过程和方法，培养分析和解决问题的能力。在“寻找结构中的有机反应模式”的教学中，针对要合成的有机物如呋喃丙胺、莫沙朵林、菠萝酯、合成维生素A的原料等，学生经历了分析有机合成目标化合物分子结构特点、探寻潜藏在结构中的合成反应模式的思维过程，学习了科学、有序地逆向分析合成有机物目标分子的方法。课下，有的学生还会查看某些药物的说明书，主动解析结构，寻找潜藏在结构中的有机反应模式，研究药物分子合成路线，不仅体验到有机合成的魅力及其在生产生活中的重要作用，还能较好地将所学知识和方法应用于分析和解决相关的问题，培育创新思维等核心素养。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准（2017年版）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018： 48.

[2]人民教育出版社， 课程教材研究所， 化学课程研究开发中心编著. 普通高中课程标准实验教科书·化学选修5·有机化学基础[M]. 北京： 人民教育出版社， 2009： 64.

[3]涂通源， 赵思谊， 张秀平. 标记化合物的合成——Ⅳ.呋喃丙胺-1-（14）C和γ-六六六-（14）C的合成[J]. 原子能科学技术， 1980， （6）： 759～762.

[4]丁德生， 曹伯申. “菠萝酯”——环己基丙酸烯丙酯的合成[J]. 化学世界， 1980， （3）： 75～85.