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關鍵詞:有機合成設計思路;有機合成評價思路;思S能力;信息遷移;正逆向分析法
文章編號:1005C6629(2017)1C0052C06 中圖分類號:G633.8 文獻標識碼:B
1 設計背景
從2013年開始,上海高考有機推斷題出現讓學生自己設計有機合成路線圖;2015年,上海高考有機推斷題出現讓學生評價不同的合成路線,有機合成設計與評價的考查相對傳統的有機推斷題對學生的邏輯思維能力以及信息的遷移能力要求更高。在高三一輪復習中雖然已經系統復習有機化學基礎知識,但學生在有機知識綜合應用能力、信息遷移能力和邏輯思維能力等方面還比較薄弱。通常具體表現為:(1)官能團的引入與轉化生搬硬套,不能靈活應用;(2)題給信息不能很好地吸收應用,對題給信息解讀不夠,審題也不嚴密;(3)步驟先后隨心所欲,沒有很好理解有關官能團的引入次序及基團間的相互影響等知識;(4)合成“繞圈子”,沒有理解條件對反應進行的影響,合成步驟較多[1];(5)合成思路狹隘,表達不規范;(6)對有機合成路線沒有評價思路,不知道從哪些角度去評價。為了提升學生思維能力,筆者設計了高三二輪“有機合成設計與評價”專題復習課。
2 教學設計
在上這節課前筆者做了三個準備。第一,在高三教學中筆者批改作業時不僅會寫批語指出學生的錯誤癥結,還會用手機拍下學生的典型錯誤,截取圖片保存。在上這節課前筆者從積累的圖片中選取四個有代表性的錯誤合成路線,用于有機合成評價環節教學。第二,開展學霸自編有機合成設計題活動。經過一周的收集,全班都上交了自己設計的題,積極性非常高,筆者選取和修改兩道較好的題。第三,設計課前復習學案,讓學生整理常見有機官能團的轉化知識點[2]。
以下就是課前復習學案的內容:
(1)常見官能團的引入(或轉化)方法
(2)官能團的消除
①消除雙鍵:
②消除羥基:
③消除醛基:
具體教學過程如下:
[引入]有機合成之父――伍德?沃德先后合成了膽固醇、維生素B12、葉綠素、可的松、利血平和奎寧等一系列復雜有機分子。他曾說過這樣一句話:在上帝創造的自然界的旁邊化學家又創造了另一個世界。
[展示] 1.人工合成最復雜的有機物――??舅亍?/p>
2.合成的具有幾何結構的有機分子。
(有機合成已經從科學進入到了科學-藝術的殿堂。)
[活動一]設計意圖:本環節設計成“大家來找茬”游戲,讓學生評價班級同學的有機合成設計流程,學生會比較興奮,沒有壓力,躍躍欲試,有利于激起思維的火花,在輕松愉悅的氣氛中歸納出有機合成評價思路。
[講解]有機合成從基礎原料到目標產物要經過一系列中間體,還要添加輔助原料,可能產生副產物(見圖2),如何更合理設計有機合成路線呢?
[活動一]今天我們也創造一個屬于我們自己的有機合成世界。首先我們進行一個有機合成“大家來找茬”活動。以下是近期同學作業中的小合成(圖略),大家來評價一下。
苯環取代和側鏈取代條件混淆
引入溴原子和硝基順序顛倒,不能實現間位取代
苯環上鹵原子難水解,需高溫高壓催化劑濃堿反應
碳碳雙鍵易被氧化
堿性條件下羧基形成鈉鹽,需酸化
合成步驟太多,R-OH可以直接與HX取代反應
H既有羥基又有羧基,在濃硫酸作用下發生消去反應時,會生成酯類副產物
總結:
[應用]評價2015年上海高考有機合成三條設計路線(見圖1)。
設計從2-甲基丙烯制取甘油的流程圖(用反應流程圖表示并注明反應條件,無機試劑任選)。
討論思路:對比原料和產物
[展示]展示學生設計結果(見圖3),對典型的兩種思路進行評價。
第一種方案先碳鏈變短再鹵代,共6步實現目標合成;第二種方案先巧妙地加工信息并進行二元應用引入兩個鹵原子再氧化短鏈,共4步實現目標合成。
[活動二]設計意圖:通過這個小合成設計的挑戰,讓學生學會從碳架變化、官能團變化兩個角度對比原料與目標產物,進而從碳鏈的改造和官能團的轉化兩個角度入手合成目標產物。學生設計了兩種都可行的方案,其中第二種方案體現了思維的靈活性,需要學生善于利用和加工信息。在有機合成中經常會碰到信息的再加工應用,如多元應用、環狀應用、聚合應用等。這個環節的討論,讓學生切身感悟到信息的靈活應用,提高學生思維的靈活性。
注:先給目標產物碳原子編號,然后開環推理中間體,中間體與目標產物的碳原子編號對應。
[講解]化學家科里于1967年提出了“逆合成分析原理”(見圖4),他利用電子計算機來設計有機合成路線,開創了計算機輔助有機合成的新紀元,因而獲得了1990年諾貝爾化W獎。
[展示]展示學生設計的幾個途徑并評價討論(見圖5)。
[活動三]設計意圖:該活動是成環與開環設計,合成復雜環狀化合物路線,分析和對比原料和目標產物的碳鏈和官能團,并給復雜環狀有機物的碳鏈進行編號,可以找到合成突破口,切斷目標產物,確定有把握的中間體。通過有機物逆合成分析法的推理,進一步培養學生邏輯思維能力以及信息的遷移能力,同時加深學生對各類有機物的相互轉化關系以及重要官能團的引入等基礎知識的認識。逆向性思維是進行有機合成設計重要的思維方法[3]。
[課堂練習]化合物F是一種重要的有機合成中間體,它的合成路線如下:
[課堂練習]設計意圖:合成一考察正向分析法,碳鏈變短、鏈狀的合成;合成二考察逆向分析法,碳鏈增長、成環的合成;課堂練習設計考察正逆結合分析法,碳鏈變長、開環的合成,檢驗學生課堂學習效果,檢測學生思維的應變能力。
注:先給目標產物碳原子編號,然后成環推理中間體,中間體與目標產物的碳原子編號對應。
[活動四]小合成挑戰3
對乙酰氨基酚俗稱撲熱息痛,具有很強的解熱鎮痛作用,工業上通過下列方法合成:
[學生交流]保護酚羥基防止在引入氧化甲基時被高錳酸鉀氧化。
[活動四]設計意圖:閱讀信息流程,挖掘信息中隱含的酚羥基保護問題,在自己的設計中注意應用信息中的方法保護羥基。目的是培養學生敏銳地捕獲提示信息,仔細挖掘信息中隱含的解題線索,形成解題思路。
[展示與挑戰]
學霸自編合成題1:
已知:(1)不飽和碳上的氫可與1,3-丁二烯發生1,4加成。如:
請以分子式均為C4H6互為同分異構體的兩種鏈烴為原料合成3-羥基丁酸。
學霸自編合成題2:
格氏試劑在有機合成方面用途廣泛,可用鹵代烴和鎂在醚類溶劑中反應制得。設R為烴基,已知:
設計意圖:開展學霸自編有機合成設計題活動,學生主動研究有機化學學習資料,學習積極性提高,學生思維由局限變開放,創造性思維能力提高。
[總結]在幾個合成挑戰環節中同步總結思維方法進行板書如下:
3 教學反思
許多科學家的研究證明:“人的大腦就像一個沉睡的巨人,它比世界上最強大的電腦還要強幾千倍?!比绾巫寣W生大腦積極運轉、激發出學生的思維火花呢?怎樣讓學生對核心概念和科學思想達到深刻的領悟呢?我們需要給學生一個支點,那么這個支點就是思維的切入點。教學的起點是呈現有較大包容性的、由淺入深有層次的引導材料,這些材料就是思維的切入點、知識遷移和知識應用的起點[4]。本節課思維的切入點就是課堂需要的有機合成設計和評價材料,材料包括學生作業中的有機合成片段、筆者改編的有思維層次的小合成題,以及學生自編的有機合成題。教學過程以學生的思維為主線,在層層遞進的挑戰中開展教學,提高了課堂效果,達到了教學目標,讓學生在思維過程中提高理解的層次,在思維過程中構建知識網絡,在思維過程中,思維的品質得到有效的培養和發展。
優良的思維品質包括思維的廣闊性、深刻性、靈活性、批判性四要素,它們都是在實踐過程中內化而形成的[5]。有機合成設計與評價是一個培養這四要素最好的平臺。有機合成設計要根據已有原料、信息和有關規律,找到官能團引入、轉化、保護的方法,找出合成目標有機物的關鍵點和突破口,盡可能合理地把目標有機物分解成若干片斷、根據信息提示將各片斷合理地拼接和衍變,并采用正向思維和逆向思維以及綜合分析相結合的方法,最終設計出最佳的合成路線,這個過程正是體現學生思維的廣闊性。合成挑戰一兩種合成方案都可行,但思維不同。合成挑戰二由原料1,3-丁二烯合成中間體1,4-丁二醇,關于兩個羥基定位問題,學生思考難免不夠全面甚至出錯,讓學生反思出現錯誤的原因,并找到正確答案。在一錯一對之間,培養了學生思維的深刻性。有機合成設計在解決碳鏈增長與變短、成環與開環、官能團一元與多元、官能團定位與保護等問題時都需要學生不受思維定勢和固定模式的束縛,善于發現新的條件和新的因素,隨機應變,及時調整思路,找出符合實際的解決問題的最佳方案,這就是化學思維的靈活性。“大家來找茬”活動和合成挑戰中都有評價環節,批判性思維得到了鍛煉。
讓學生暴露思維過程,在思維的沖突碰撞過程中,學生既體驗到活動探究的樂趣,也體會到已有知識的概括總結、融會提升、遷移應用的意義,同時在傾聽他人意見的過程中,真切感受到合作與交流的必要性。在這節課上,師生關系民主、平等,教學環境寬松、和諧,學生主動參與活動、主動展示合成方案,各抒己見,達成思維共振與情感共鳴。學生在交流中通過自主糾錯,發現合成過程中要考慮官能團轉化條件、定位、保護、順序等一系列問題,加深對知識的理解。學會用正向分析法和逆向分析法以及綜合分析的方法對有原料和目標產物進行分析研究,學生各展所長,各取所需,優勢互補,從而激活學生的思維,實現知識復習與能力提升的雙贏。
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關鍵詞:有機合成綜合實驗;實踐教學改革;研究性學習
作者簡介:梅群波(1978-),女,湖南常德人,南京郵電大學材料科學與工程學院,講師。(江蘇 南京 210046)
基金項目:本文系國家自然科學基金項目(項目編號:GZ208017)、江蘇省高校自然基金項目(項目編號:TZ208012)的研究成果。
中圖分類號:G642.423 文獻標識碼:A 文章編號:1007-0079(2013)16-0133-02
隨著社會的日益進步,經濟的高速發展,對人才的要求也上升到一個新的層面。在知識更新如此快捷的經濟時代,社會需要更多的具有創新意識和開拓精神的科技性人才,而完備的教育體制是提供此類儲備人才的唯一渠道。要培養學生的創新精神和動手能力,極大地發揮學生的主觀能動性,必須有效地改變以往的以知識接受為主的應試教育,倡導一種更適合培養學生的有效的教育體制。將研究性學習融入到教學中和不斷開展教學改革的倡導就是在這樣的背景下展開的,國家開始對各個學習階段、各類課程進行教學改革,教學改革的宗旨是全面提高學生的素質,培養學生的創新能力。
一、開設有機合成綜合實驗的意義
大學化學實驗主要分為基礎化學實驗和綜合化學實驗,而有機合成綜合實驗主要是為了擴大對學生綜合能力的訓練及體現學科發展趨勢的實驗內容,也是為了加強化學合成及綜合分析手段的運用等開設的實踐性課程。有機合成綜合實驗是把基礎化學的理論知識、多種實驗技能和實驗方法加以歸納、分析、相互滲透的一種有效的實驗形式,它是在學生對基礎的化學實驗有一定了解的前提下,通過講授式、啟發式、討論式與實際操作實驗相結合,訓練學生使用現代儀器和實驗方法研究有機合成反應,在半微量或微量的規模下,合成、分離和鑒定某些有機化合物,以及利用一些常見的著名有機反應進行多步驟合成等。[1]
有機合成綜合實驗的目的是全面培養學生的科學思維和創新意識,本實驗課程是向畢業論文過渡的一個重要教學環節。本課程作為集中實踐性環節,是培養學生創新意識和實踐能力的重要途徑。對于深化學生的專業知識,鍛煉學生的實踐能力及提高學生分析、解決問題的綜合能力,全面推進素質教育,有著特別重要的意義。
另外,本課程具有實驗技能的綜合性、實驗操作的獨立性、實驗過程的可思考性等特點,在該實踐教學環節中,要求學生自己查閱文獻資料,設計實驗路線,獨立解決實驗中所遇到的問題,改變了以前做實驗完全依靠教師的被動局面,充分調動了學生的積極性,挖掘了學生的潛力。有利于拓寬學生的知識面,使學生了解和學習到學科前沿領域的新知識與先進的現代技術實驗,提高學生的科學研究興趣和培養創新能力。有利于學生把所學的知識與生產實踐相結合,讓學生有“學以致用”的感覺,提高學生學習的興趣,培養學生的創造能力。
二、有機合成綜合實驗實踐教學改革的必要性
開展研究性實踐教學是大學培養創新型人才的根本要求,如何充分發揮實踐教學的作用,培養創新型人才已成為各類實踐教學必須思考的重要問題。創新人才的培養不僅離不開課堂上理論知識的傳授,還必須借助實踐教學并且需要強化實踐教學。因此,實踐教學效果的好壞對于創新型人才的培養有著重要的影響。一般大學的實踐教學絕大多數仍停留在“知識驗證”的層面上,傳統的實踐教學模式不利于學生的知識創新,不利于創新型人才的培養,必須進行實踐教學方法的改革。
有機合成綜合實驗課程設立的宗旨是使學生在完成有機化學實驗的基礎上,實施開放式教學,促進學生知識、能力、思維和素質的全面協調發展。在傳統的實驗教學中,都是實驗員準備好所需的實驗用品,教師在實驗課開始之前詳細的講解并演示,學生再依樣將每個步驟重復一遍,這樣的應試教育完全不能激發學生的興趣,無法發揮學生的主觀能動性和創新能力。實驗教學改革的指導思想是化學實驗不僅僅是為了傳授化學知識、驗證化學理論、掌握實驗基本操作技能,而應該是更重視能力和素質的培養,通過實驗培養學生的動手能力、創新意識和科學思維。[2]為了實現實驗教學理念的轉變,打破舊實驗體系,構建新實驗體系,有機合成綜合實驗從根本上改變了實驗教學完全依附于理論教學的傳統觀念,作為集中實踐環節展開教學。有機合成綜合實驗在教學方面進行了積極的探索與教學改革實踐,重點是對實驗課程體系、教學內容、教學模式、教學方法和手段、教學管理等進行了一體化的設計與改革,實施了研究性實踐教學。[2]
三、實施正確的教學方式,發揮學生的主觀能動性
在推進實驗教學的過程中,首先要明確材料在21世紀的重要地位,包括材料科學與社會的關系,對社會發展的重要影響;化學正向其他學科滲透和衍生,對科技、生活領域產生了重要影響。實際上,讓學生理解化學與社會的關系,是實驗教學中素質教育的重要組成部分。讓學生了解前沿的新興學科,可以幫助學生拓寬學習視野。有機合成綜合實驗實施研究性實踐教學,將有機合成綜合實驗中各類加熱、冷卻、干燥、攪拌、過濾、萃取、常壓蒸餾、減壓蒸餾和柱色譜分離等操作內容通過錄像、動畫等形式直觀的演示出來,寓教于樂,不僅增加了教學的權威性和規范性,還使簡單的、枯燥的講述變得更為生動、形象、立體、活潑,加深了學生的印象,激發了學生的學習興趣,為后續實驗打下了良好的基礎。傳統的教學模式是以教為主體的模式,學生沒有自主創新意識,也沒有主觀能動性。教師應該本著服務學生的教學思想,突出學生的主體地位,在教學中創設能引導學生主動參與的教學環境,激發學生學習的積極性,不斷培養學生的主觀能動性。
研究性實踐教學將“研究性學習”引入到實驗課堂,實施正確的教學方式。[3]學生在該實踐環節中是按照發現問題、分析問題與解決問題的模式來進行實踐。學生在教師的指導下查閱文獻,獲得與實驗相關的信息,設計合理的實驗路線,形成學習報告、進行交流。對比傳統的應試教育,這種學習方式更具有吸引力,更能調動學生的主觀能動性。
在實驗前,給學生提供查找資料的方法,讓學生自己查閱文獻,設計實驗路線,明確實驗步驟,理解每步反應所涉及到的機理和實驗原理,將實驗每一步中所用的儀器、藥品和溶劑詳細記錄與標明,并查閱所用到的物品的物性和毒性,將自己對實驗了解的部分清晰的寫在預習報告上。充分的預習可以幫助學生詳細的了解實驗的具體過程,在查閱資料和記錄預習報告的過程中,培養學生獨立思考的能力和解決具體問題的能力。實驗過程中,給學生提供充分的動手機會,從而培養學生的動手能力和獨立工作的能力。實驗結束后,要求學生整理實驗結果,撰寫詳細的實驗報告。除了基本的必做實驗外,還可以配合學生的興趣安排不同的選做實驗,以調動學生實驗的積極性和能動性。從預習的獨立思考到實驗中的實際操作,再到處理實驗結果的嚴謹客觀,都培養了學生“研究性學習”的學習模式,有效地發揮了學生的主觀能動性。
“研究性學習”是實踐性很強的學習,其中充滿了樂趣也極富挑戰性。學生必須親自去做,才能夠體會到該“如何做”。通過這種拓展學習,學生的各項技能和能力都將得到最大程度的發展,創新意識也會在其中得到提高,進而提高學生的自我教育能力。在有機合成綜合實驗課上開展“研究性學習”,可以培養學生的動手能力、開拓能力以及學生收集和處理科學信息的能力、獲取新知識的能力、分析和解決問題的能力,以及交流與合作的能力等。
四、改革實驗內容和考核方式,提高創新能力
有機合成綜合實驗作為培養計劃中的一個集中實踐環節,是檢驗學生對知識的綜合運用能力的環節。在無機化學實驗、分析化學實驗、大學化學實驗和有機化學實驗課程開設之后,學生已具備了一定的實驗基本技能和專業知識,其觀察能力、理解能力以及動手能力都有了一定的提高。在此前提下,開設了有機合成綜合實驗,它不同于一些認識性的生產實習,也與一般的實驗課程有很大的區別。它主要包含研究型、綜合性和設計性實驗,通過該集中實踐環節的學習,可以幫助學生進一步鞏固現有知識,并通過自發學習、自我教育開拓視野,更深層次地將理論和實踐聯系起來。
為了提高大學生的學習興趣和創新精神,培養他們觀察、分析和解決實際問題的能力,充分發揮學生的主觀能動性,挖掘學生的創新能力,必須對原有的教學內容進行改革。[4]考慮到學生的興趣各異,安排不同的選做實驗。例如,在有機合成綜合實驗課程中,安排了一個選做實驗是“顏料黃的制備”。顏料黃的化學名稱是1,1'-[(6-苯基-1,3,5-三嗪-2,4-二亞氨基]雙蒽醌,C37H21N5O4,外觀為橙色粉末,不溶于水和乙醇。顏料黃為酰胺類蒽醌還原染料,學生根據所查閱的資料,找到了幾種制備方法。它可以用三聚氯氰作為?;瘎cα-氨基蒽醌衍生物作用制得。還可以由2-苯基-4,6-二氨基-1,3,5-三嗪與1-氯蒽醌反應制備。同時,學生通過對試劑的調研,發現2-苯基-4,6-二氨基-1,3,5-三嗪很難購買,最后通過對實驗方法的查閱,2-苯基-4,6-二氨基-1,3,5-三嗪可由苯甲腈和雙氰胺在氫氧化鈉和丁醇的條件下反應制得。通過對這個實驗的預習、調研、資料的查閱,啟發了學生合理安排實驗路線和試劑藥品。另外,顏料黃與人們日常生活息息相關,主要用于棉、黏膠、維/棉混紡織物的染色和印花,還可以用作有機染料。這類還原染料使得光敏脆損性變小,且對纖維素具有良好的親和力。分散性、勻染性好,耐氯漂、濕處理牢度高。顏料黃在堿性保險粉還原液中為紫色;在酸性保險粉還原液中為暗橙色;在濃硫酸中為黃色??梢怨膭顚W生用自己制備的顏料對棉質的布料在不同的介質中進行染色,并觀察布料最終的顏色,練習顏料黃在不同介質下的著色機理。將實驗內容安排合理且貼近生活,激發學生對自己專業的興趣,增強學生的動手能力和解決實際問題的能力,提高學生對理論貫穿到實際的能力和綜合分析能力,進而提高了學生的綜合素質。
對實驗內容的改革非常重要,對考核方式的完善也勢在必行。合理的考核體系有利于培養學生實事求是的科學態度,有利于激勵學生的積極性,還可以及時正確的反應該課程制定的實驗內容是否合理、學生對該課程的掌握是否達標??紤]到本課程的特殊性,在考核方式上也進行了不斷的調整和完善。實驗的總成績包括以下三部分:預習報告的成績、實驗操作的成績和實驗報告成績。其中預習報告的成績占50%,這部分主要包括實驗路線設計是否合理、實驗步驟是否正確、對實驗原理是否清楚、是否詳細例舉了實驗所用的儀器藥品等,主要考察學生獨立思考的能力、主觀能動性和創新能力;實驗操作成績占30%,這部分主要包括考勤、實驗態度、實際操作能力等,主要考察了學生的動手能力和獨立處理問題的能力;實驗報告成績占20%,這部分主要包括實驗報告書寫的條理性、實驗數據記錄和處理是否規范、實驗結果是否合理可信等,培養了學生嚴謹和實事求是的科學態度,更有效地發揮了學生的主觀能動性。
開設研究型、綜合性和設計性實驗時,教師只適當加以指導,學生在掌握了查閱文獻的技能后,通過對文獻的查閱,獲得所做實驗的詳細信息,包括原物料的物理化學特性,查閱總結所有實驗方案的資料,設計合理的實驗路線,了解實驗的目的,每個實驗的實驗原理,匯總實驗所需的簡單儀器裝置和藥品,并能設計初步的實驗裝置,寫出詳細的實驗步驟及每個步驟的注意事項,完成每個實驗的預習報告。這樣學生在進行實驗時就可以有據可查,不會盲從搭建反應裝置,是帶著疑問來進行實驗的。學生對每個實驗的設計和準備,提高了學生獨立思考的能力;對每個實驗的設計和對所學知識的靈活運用,提高了學生的創新能力,逐漸培養了學生科學和創新的學習態度與學習習慣,為學生進一步深造和后續高層次人才的培養奠定了基礎。
五、結語
有機合成綜合實驗是化學類專業高年級學生的必修實驗課,也是一個重要的向畢業論文過渡的實踐性教學環節。實踐性教學環節的改革和探索是一項長期的系統工程,它是一種全新的教學模式,與課堂上的講授以及實驗性教學相比,有較大的變化。實踐性教學需要更新教學思想,融入新的教學理念,教師只有改革自己的學習方式、轉變教育觀念,讓研究性學習融入到實踐教學課堂、實現科學教學,才能真正實現學生學習方式的轉變。不斷加強實驗教學改革與探索力度,完善實驗內容,使學生對有機合成綜合實驗產生濃厚的興趣,使學生在實驗中得到全方位的鍛煉。通過改進實踐性教學方法、更新實踐內容、完善考核制度,提高學生的創新能力,培養學生科學和創新的學習態度,為培養高層次人才奠定基礎。總之,實踐性教學需要在實踐過程中進行不斷探索,才能形成一種科學、合理、有效的實踐性教學模式。
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有機大題的類型主要有兩種:有機推斷和有機合成。試題一般有4-5個小問,主要考查有機物結構簡式的書寫;根據轉化的特點或反應條件等分析有機反應類型;同分異構體的數目及結構簡式的書寫;根據反應的規律特點書寫化學反應方程式;有機物的命名以及合成線路的設計等,一般以含氧衍生物且含有苯環結構的物質為主。
一、有機推斷
1.有機推斷題信息的分析處理。有機推斷題中通常還要對題中的信息進行分析、歸納、推理、應用。特別要注意區分信息是否對解題有幫助,是有用的還是干擾的。一般來說,由分子式的信息可推知物質的組成元素,再結合不同類別物質的通式特點分析不飽和度,進而預測可能的結構和官能團;由性質、反應等信息可推知官能團的種類;由數據信息可推知官能團的數目;由同分異構體的信息推知官能團的位置等。高考試題中經常提供教材中很少出現或沒有出現過的有機化學反應方程式。對于這樣的新信息,要注意觀察分析有機反應物化學鍵的斷裂方式(或位置)和產物化學鍵的形成方式(或位置),即有機物反應前后的結構差異、反應的條件、反應的類型等,從而得出反應的本質。通過類比模仿,由特殊性推出一般性的結論。
2.有機推斷題常用的思維方法。解答有機推斷題常用的思維方法有:正推法、逆推法、假使論證法、知識遷移法等。
(1)正推法。以有機物的結構、性質和實驗現象為主線,按題中轉化關系框圖中由反應物到產物的順序或所給信息的順序,由左往右,逐步分析推理而得出正確結論。
(2)逆推法。同樣是以有機物結構、性質和實驗現象為主線,由產物到反應物,采用逆向思維,逐步向前推進而得出正確結論,這是常用的方法。
(3)正逆綜合法。從反應物和生成物同時出發,以有機物的結構、性質為主線,逐步向中間過渡產物靠攏,從而解決過程問題并得出正確結論。
(4)假使論證法。根據已知條件提出假設,然后歸納、猜測、選擇,得出合理的假設范圍,最后得出結論。其解題思路為:審題 印象 猜測 驗證。
(5)知識遷移法。在對未知物質的結構、性質、實驗條件、反應現象等進行分析時,聯系典型代表物的知識,按照結構決定性質的思想,類比推斷,或是對信息化學方程式的遷移應用等。
二、有機物的合成
1.有機合成題的類型。有機合成題主要有兩種題型:一是自行設計合成路線的,目前在高考中未受到普遍重視;二是已經給出一定的合成路線框圖,常與有機推斷聯合進行考查。具體上又可分為三類:一是限定原料合成題。主要特點是依據主要原料,輔以其他無機試劑,運用所掌握的有機知識,設計合理有效的合成路線;二是合成路線給定題。主要特點是題目已將原料、反應條件及合成路線給定,并以框架式合成路線示意圖的形式直觀地展現了最初原料與每一步反應主要產物的關系,要求依據原料和合成路線,在一定信息提示下確定各步主要產物的結構簡式或完成某些步驟反應的化學方程式;三是信息給予合成題。主要特點是除給出主要原料和指定合成物質外,還給予一定的已知條件和信息。該題型已成為當今高考的熱點。要注意對信息的分析理解,遷移應用。
2.有機合成題的分析解決策略。解決有機合成題時首先要判斷目標化合物的類別,有什么官能團,位置如何,有什么特點以及碳原子的個數、碳鏈或碳環的組成情況等,再聯系所學知識或所給信息,類比推理。而具體的合成路線應按照題目要求的方式將分析結果表達出來。注意設計的路線要簡單合理,要求選擇的試劑合理和轉化的條件常規。常用的思維方法有:正向思維法;逆向思維法;正逆綜合法等。
(1)正向思維法。即從已知原料入手,先找出合成最終產物所需的下一步產物(中間產物),并同樣找出它的下一步產物,如此繼續,直至到達最終產品為止。其思維程序可概括為:原料中間產物產品。該法適合于較為簡單的有機合成。
(2)逆向思維法。首先根據生成物的類別,然后再考慮這一有機物如何從另一有機物(中間產物)經一步反應而制得。如果甲不是已知原料,則又進一步考慮甲又是如何從另一有機物乙經一步反應而制得,一直往前推導到原料為止。
(3)正逆綜合法。即同時從原料和目標產物的結構特點及特征反應出發,正推或逆推,逐步向中間過渡產物推導。該法適合于較為復雜并給出信息的有機合成。
參考文獻
[1]教育部考試中心 2013年普通高等學校招生全國統一考試大綱(理科.課程標準實驗版)[M].北京:高等教育出版社,2013。
一、有機合成推斷題的常見類型
1. 利用流程和背景信息推斷。
這類題目的流程往往比較簡潔,但在題干中會補充相關的信息,同學們需要在抓住合成主線的基礎上,借助背景信息進行推斷。
【例1】(2015?新課標II節選)聚戊二酸丙二醇酯(PPG)是一種可降解的聚酯類高分子材料,在材的生物相容性方面有很好的應用前景。 PPG的一種合成路線如下:
已知:
①烴A的相對分子質量為70,核磁共振氫譜顯示只有一種化學環境的氫;
②化合物B為單氯代烴:化合物C的分子式為C5H8;
③E、F為相對分子質量差14的同系物,F是福爾馬林的溶質;
{4}。
推斷思路:根據流程和背景信息,烴A的相對分子質量為70,核磁共振氫譜顯示只有一種化學環境的氫,由于70÷14=5,可知A是環戊烷,則A的結構簡式為 ;環戊烷與氯氣發生取代反應生成B,且B為單氯代烴,則B的結構簡式為;根據B生成C的反應條件可知該反應是鹵代烴的消去反應,所以由B生成C的化學方式為
,D則為HOOCCH2CH2CH2COOH,E、F為相對分子質量差14的同系物,F是甲醛,則E是乙醛。
2. 根據反應產物推斷。
這類題目的特點是在合成線路中,有比較明確的物質轉化關系,往往能借助一些關鍵產物進行推斷。
【例2】(2015?新課標I節選)A(C2H2)是基本有機化工原料。由A制備聚乙烯醇縮丁醛和順式異戊二烯的合成路線(部分反應條件略去)如圖所示:
推斷思路:根據步驟⑤的反應物及產物,可推斷A為乙炔(C2H2);乙炔與CH3COOH加成反應生成B,結合步驟②的產物,可推知B為CH3COOCH=CH2,結合步驟④的產物,可推斷C為,D為CH3CH2CH2CHO。
3. 借助問題中信息進行推斷。
這類題目的突破口不出現在合成路線上,也不在已知的信息中,而是出現在問題中,同學們在平時應養成先瀏覽全題,快速提取有效信息的習慣。
【例3】(2015?天津節選)扁桃酸衍生物是重要的醫藥中間體,以A和B 為原料合成扁桃酸衍生物F路線如下:
(1)A的分子式為C2H2O3,可發生銀鏡反應,且具有酸性,A所含官能團名稱為:_________,
推斷思路:題干和流程中沒有提供有關A和B的信息,但在問題(1)中進行了補充:A的分子式為C2H2O3,可發生銀鏡反應,且具有酸性??赏茢郃是HOCCOOH,官能團是醛基和羧基;根據C的結構可知B是苯酚。
4. 根據反應條件的特征進行推斷。
有機反應的條件往往帶有一定的特征,而這些特征往往也成了推斷的突破口,應引起同學們的重視,要熟記常見反應的條件。
【例4】(2015?浙江高考節選)化合物X是一種香料,可采用乙烯與甲苯為主要原料,按下列路線合成:
已知:RXROH;RCHO+ CH3COOR’RCH=CHCOOR’
推斷思路:A為乙烯與H2O的加成產物,故A為CH3CH2OH(乙醇);A催化氧化得到B,B為CH3COOH(乙酸)、甲苯光照條件下與氯氣反應,則甲基氫原子被氯原子取代,故C為C6H5CH2Cl;C為鹵代烴,在NaOH水溶液中水解生成醇,所以D為C6H5CH2OH(苯甲醇);D催化氧化為E,所以E為C6H5CHO(苯甲醛)。類比已知條件RCHO+CH3COOR’RCH=CHCOOR’可知,醛E和酯F也可發生同類反應得一種不飽和酯X,所以X的結構簡式為:。
5. 根據提供的化學方程式進行推斷。
這類題型所涉及的物質及反應,有些是同學們不熟悉的,但題目會提供化學方程式,幫助同學們了解物質轉化關系,同學們應抓住反應中的官能團轉變或斷鍵方式,尋找突破口。
【例5】(2014?新課標I節選)席夫堿類化合物G在催化席夫堿類化合物G在催化、藥物、新材料等方面有廣泛應用。合成G的一種路線如下:
已知以下信息:
①
②一摩爾B經上述反應可生居二摩爾C,且C不能發生銀鏡反應。
③D屬于單取代芳烴,其相對分子質量為106。
④核磁共振氫譜顯示F苯環上有兩種化學環境的
⑤
推斷思路:A是氯代烷烴,發生消去反應得到烯烴B,結合信息①②可知B是一種對稱烯烴,且雙鍵碳原子上沒有氫原子,則B結構簡式為:C(CH3)2=C(CH3)2,生成的C是丙酮:CH3CH3;F分子式為C8H11N,結合信息③,D是乙苯;F的苯環上只有兩種環境的氫原子,則乙基、氨基位于對位上:C2H5――NH2;F與丙酮C發生信息⑤的反應得到產品G:C2H5――N。
二、有機合成推斷題的復習建議
在高考中,有機合成推斷題雖然考查形式靈活多變,但其核心是不變的,基本上都是以官能團的性質為主線進行考查,因此同學們在復習過程中應注意以下幾點:
1. 立足教材,掌握有機物、有機物的基本分類、同系物、官能團、同分異構體等基本概念;掌握甲烷、乙烯、乙炔、苯、乙醇、乙酸等典型有機物的性質,以點蓋面地學習,形成系統。
[關鍵詞]化學合成藥物;綠色合成;發展趨勢
一、化學合成藥物的綠色化
綠色有機合成是指采用無毒、無害的原料、催化劑和溶劑,選擇具有高選擇性、高轉化率,不生產或少生產副產品的對環境友好的反應進行合成,其目的是通過新的合成反應和方法,開發污染最低、能源消耗最少的先進合成方法,從根本上消除或減少環境污染。近年來,實現綠色合成的幾種可行的途徑如下:(1)使用環境友好催化劑,提高原子利用率。有機合成中,減少廢物的關鍵是提高原子利用率,所以在選擇合成途徑時,除了考慮理論產率外,還應考慮和比較不同途徑的原子利用率。如二聯苯的合成,常規方法是以pdc12為催化劑,以含苯基的有機汞化合物為原料在吡啶中進行,但操作過程較為復雜,原子利用率低。若以具有高反應活性的GaP納米晶為催化劑,就可以直接以苯為原料,一步合成得到二聯苯。(2)使用環境友好介質,改善合成條件。傳統的有機合成中,有機溶劑是最常用的反應介質,但是有機溶劑的毒性和難以回收,又使之成為對環境有害的因素。(3)采用潔凈的有機電合成。電化學過程是潔凈技術的重要組成。由于電解一般無需使用危險或者有毒試劑,且通常在常溫、常壓下進行,所以在綠色合成中獨具魅力。例如,實現自由基環化反應,常規的方法是使用過量的三丁基錫烷,過程中存在的問題是原子利用率低、使用和產生著有毒的錫試劑。利用天然、無毒、手性的維生素B12為催化劑,進行催化反應,可在溫和、中性條件下完成。(4)運用高效的多步合成技術。在藥物的合成中,往往涉及分離中間體的多步驟反應。為實現綠色合成,研究發展的串聯反應是非常有效的。串聯反應包括有一瓶多步串聯和一瓶多組分串聯。前者是仿照生物體內的多步鏈鎖式反應,使反應在同一反應器內從原料到產物的多個步驟連續進行,無需分離出中間體,又不產生相應的廢棄物。后者是涉及至少3種不同原料的反應于同一反應器中進行,而每步反應都是下步反應所必需的,而且原料分子的主體部分都融進到最終產物中,是一類高效的合成方法。
二、化學合成藥物發展趨勢
(1) 從藥用植物中發現新的先導化合物并進行結構修飾、發明新藥,是21世紀合成新藥研究的重要部分。尤其是由于細胞及分子水平的活性篩選方法的常規化和分離技術的精巧化,有可能從植物中發現極微量的新的化學結構類型。同時,通過現代的篩選模型重新發現20世紀已經篩選過的植物化學成分的新用途,也為合成新藥研究提供了更多的成功機會。(2)從天然來源發現新結構類型抗生素已經很困難,微生物對抗生素的耐藥性的增加,不合理的使用抗生素,使得一種抗生素的使用壽命愈來愈短。這種情況促使半合成及全合成抗生素在21世紀會得到特別發展。(3)組合化學技術應用到獲得新化合物分子上,是仿生學的一種發展。它將一些基本小分子裝配成不同的組合,從而建立起具有大量化合物的化學分子庫,再結合高通量篩選來尋找到一些具有活性的先導化合物。(4)有機化合物仍然是21世紀合成藥物最重要的來源?;瘜W合成藥物仍然是最有效、最常用、最大量及最重要的治療藥物。當今世界大制藥公司新藥研究的主題仍是化學合成藥物。(5)20世紀六七十年代,儀器分析(光譜、色譜)學科的逐漸形成,加快了化學合成藥物開發的速度。進入21世紀,一批帶有高級計算機儀器的發明,分離、分析手段的不斷提高,特別是分析方法進一步的微量化等將使化學合成藥物的質量更加提高,開發速度也會進一步加快。(6)藥理學進一步分枝化為分子藥理學、生化藥理學、免疫藥理學、受體藥理學等,使化學合成藥物的有效藥理表現更加具有特異性。21世紀,化學合成藥物會緊密地推動藥理學科的發展,藥理學的進展又會促進化學合成藥物向更加具有專一性的方向發展,使其不但具有更好的藥效,毒副作用也會更加減少。(7)利用計算機進行合理藥物設計的新藥研究和開發,展現出良好的發展前景。21世紀,酶、受體、蛋白的三維空間結構會一個一個地被闡明的,這給利用已闡明這些“生物靶點”進行合理藥物設計,從而開發出新的化學合成藥物奠定了堅實的基礎。(8)防治心腦血管疾病、癌癥、病毒及艾滋病、老年性疾病、免疫及遺傳性等重要疾病的合成藥物是21世紀重點需要開發的新藥。(9)分子生物學技術的突飛猛進、人類基因組學的研究成就,將對臨床用藥產生重大影響,不但會有助于發現一類新型微量內源性物質,如活性蛋白、細胞因子等藥物,也為化學合成藥物研究特別是提供新的作用靶點奠定了重要的基礎。
綜上,藥物的綠色合成作為新的科學前沿已逐步形成,但真正發展還需對常規的有機合成進行不斷的改革和創新。
參考文獻
1整合和優化教學內容
建立實驗教學新體系課程內容的質量關系著學生學習的動力和積極性。合理地設置課程體系,對學生實踐能力和科學素質的培養至關重要??偟膩碚f,有機實驗課程的設置應從基礎、合成、設計三個層次,微型、綠色、與時俱進三個特色全面培養學生的動手能力和創新意識。需注意以下幾點:
1.1加強基礎操作訓練,夯實基礎有機化學實驗按內容分為基礎操作實驗、有機合成實驗和綜合設計性實驗三大塊。為了縮減課時,一些常用的基礎操作訓練如常壓蒸餾、液液萃取、重結晶等操作由于其在后續合成實驗中出現的機會多,常常被壓縮到合成實驗中一起做,而未單獨訓練。通過實踐證實,這樣做效果很不好。因為合成實驗牽涉的操作步驟多,實驗過程匆忙,對基本操作的訓練達不到規范要求,更談不上培養良好的操作習慣了。而沒有好的基本操作技能,也不可能達到合成實驗要求的培養綜合實驗能力的目標,事倍功半。我校學生是在大一下學期開設有機化學實驗課的,通過近些年的教學發現,大一學生的實驗技能和實驗素質都很差。由于中學教學圍繞高考“指揮棒”轉,存在“做實驗不如講實驗,講實驗不如背實驗”的不良傾向,造成中學實驗教學與大學實驗教學的嚴重脫節。這種脫節現象既不利于教學質量的提高,又影響了學生的身心發展。因此對于某些非常重要的基礎操作,要做到教師認真講解,學生反復練習。只有把基礎打扎實了,學生才能具備獨立操作有機合成實驗的能力。
1.2有機合成實驗與有機化學理論教學緊密結合,理論聯系實際有機合成實驗的進行緊隨基礎操作實驗教學之后,不僅能夯實有機實驗基本功,而且是理論教學中的一些重要反應的實踐驗證過程。作為培養學生動手能力和解決問題能力的一個承前啟后的環節,必不可少。通過這些合成實驗的學習,同學們不僅更加熟練了普通蒸餾、液液萃取、重結晶等一些基礎操作,而且對課本中反復提到的親核加成反應、羥醛縮合反應、酯縮合反應、康尼扎羅反應等都有了極深的感性認識。值得注意的是,這些有機合成實驗的教學時間安排應和理論教學很好地結合起來,努力做到理論和實踐的結合。
1.3開設綜合設計性實驗,強調啟發式教學通過基礎實驗技能的培養、有機合成實驗的進一步練習,在學生打好基礎的前提下,開展綜合設計性實驗。實驗教學初期,教師在講授有機實驗基礎操作的時候應做到搭裝置示范,認真講解,耐心指導。在學生打好基礎后,就應該調整教學方案,改變教學模式,由主角變導演,將學生放在主角的位置上,打破傳統教學中學生被動接受的弊端,采用討論式、提問式、啟發式、發現式等多種方法引導學生,由他們自己主動地去完成對本次實驗課內容的理解和掌握。由有解實驗變為求解實驗,由知識積累變為智能開發。這種教學模式,對提高學生的主動性和獨立思考能力起到積極作用。設計性實驗可從實驗教材中已有的合成實驗的反應條件、實驗裝置的優化出發,逐步擴展到給定目標化合物,同學通過查閱文獻、參考書,設計合成路線、實驗裝置,最終合成目標化合物。綜合設計性實驗的開設,對于培養學生獨立進行科學實驗的能力、良好的科研素質、獨立獲取相關文獻資料的能力都起到了決定性作用。
1.4采用微型化實驗方法來代替部分常規實驗方法,減少實驗事故的發生微型化學實驗是由美國的Mayo博士及其同事從1982年開始研究并試用的一種新型實驗方法。它是以微小量的試劑,在微量化的儀器裝置中進行實驗。其試劑用量是常量制備實驗的十分之一至千分之一,固體約為10mg~100mg,液體約為0.1mL~2mL。由于有機實驗試劑毒性大,揮發性強,易燃易爆,因此有機實驗的安全教學一直是教學中的一個重點。微型化實驗的優勢主要表現在實驗試劑用量少,輔助材料用量少,反應時間短,不僅降低了實驗成本,而且相應減少了爆炸、著火、中毒等事故的發生率,改善了實驗環境,極大地減少了實驗過程對環境的污染,提高了教學質量。目前,北京大學、山東大學、中山大學、云南大學等全國幾十所高校均把微型化實驗列為有機實驗教學的內容。北京大學摸索了小量-半微量有機合成,已在教學中使用多年,效果良好,值得我校學習。
1.5盡量使用低毒無毒的有機試劑,創建綠色環保的有機實驗教學體系在實驗內容的安排上,應努力實現綠色化。綠色化學的基本內容是:由無毒害的原料,在無毒害的催化劑、溶劑等反應條件下,獲得對環境友好的產物。有機化學實驗不可避免地會產生一些三廢,在有機化學實驗過程中應該合理收集和排放三廢,如對廢棄物不處理隨意排放,不僅對環境造成污染,而且會淡化學生的環保意識,養成不良的實驗習慣。在實驗操作中要求學生將實驗中產生的廢氣進行處理、對廢液進行回收處理、對產品進行回收利用。近些年,我校在這方面做出了努力,如將基本無毒的環己烷代替苯做為共沸除水劑、反應溶劑,將乙醇代替甲醇做為重結晶使用的溶劑,及時進行實驗三廢的處理等。但總體感覺力度過小,有待進一步加強。
1.6及時向學生介紹實驗新技術新儀器,與時俱進儀器設備陳舊是高校實驗教學的一個普遍問題,這不適應日新月異的實驗技術的發展。為培養適合社會的新型人才,在教學中應注意及時將先進的儀器技術設備介紹給學生,例如:在介紹熔點的測定時,除介紹了毛細管測定法外,還應介紹顯微熔點儀、電熱熔點儀、熱分析儀測定法,并演示顯微熔點儀測熔點的操作;在介紹普通蒸餾裝置時,應將旋轉蒸發儀介紹給學生并作演示實驗;在介紹制備化合物的紅外光譜時,應使用傅立葉紅外光譜儀就學生自己制備的產品作譜圖,這樣不僅擴寬了學生的知識面,開闊了視野,而且增強了學生的實驗動手能力,提高了學生的學習積極性。
2建立完善的考核制度
加強實驗教學質量調控實驗成績考核制度直接影響著學生的學習態度和積極性。規范實驗考核制度能充分調動學生學習的主動性,對提高學生的實驗動手能力、獨立思考能力和創新能力起到了至關重要的作用。為了能客觀公正地反映學生的實驗能力,筆者認為有機實驗成績應改變原來單純憑印象給分的錯誤方法,而由平時考核、實驗筆試和期末考核三部分綜合量化給分,具體實施方案如下:
2.1注重平時考核,加大其在總成績中的比例教師對于平時實驗的考核應分兩部分組成。一部分是由出勤率、實驗態度、實驗裝置的搭建、實驗結果、衛生情況等組成,另一部分是實驗預習報告、實驗記錄、實驗報告成績。教師針對以上提出的幾個指標制作實驗考核卡片,以5分制及時記錄學生實驗情況,期末將每次實驗的成績總評而給出平時成績。
2.2開設實驗基礎內容筆試,進行量化考核為了預防學生只會做實驗而不懂實驗原理的現象出現,在學期末安排實驗筆試考試。考核內容主要是有機化學實驗的重要知識,包括實驗室規則及安全常識,化學儀器的使用和養護方法,基礎操作的原理及適用范圍等。
2.3設置期末考核實驗,充分反映學生的實驗動手能力在學期末,安排一個全面涉及基礎操作的合成實驗作考核。就實驗預習報告、實驗態度、實驗裝置的搭建、實驗情況記錄、實驗報告(要求當場交)完成情況、衛生情況等方面作綜合考察。
二結語
關鍵詞:思維導圖;有機化學基礎;化學教學
文章編號:1005C6629(2017)2C0049C04 中圖分類號:G633.8 文獻標識碼:B
思維導圖是由英國心理學家、教育家托尼?巴贊(Tong Buzan)在20世紀60年代提出的一種圖解形式記筆記的方法,也是表達放射性思維的有效圖形思維工具。思維導圖運用圖文并重的技巧,把各級主題的關系圖相互隸屬與相關的層級圖表現出來,將主題關鍵詞與圖像、顏色等建立記憶鏈接,充分運用左右腦的機能,在思維過程中協調運作,利用記憶、閱讀、思維的規律,協同人們在科學與藝術、邏輯與想象之間平衡發展,從而開啟人類大腦的無限潛能[1]。隨著現代信息技術的迅猛發展,開發出來多種思維導圖軟件,并在教學中發揮越來越大的作用。思維導圖軟件屬于現代信息輔助教學(MITAI)的一種形式?,F代信息技術輔助教學是計算機輔助教學(CAI)的發展,現代信息技術輔助教學滿足了學生個性發展的需要[2]。筆者經過多年使用思維導圖軟件的教學實踐,積累了一些對思維導圖的認識和在化學教學實踐中的經驗,下面以高中化學《有機化學基礎》模塊為例,對思維導圖在化學教學中的應用提供有意義的參考和啟示。
1 思維導圖的教學實踐研究
1.1 明晰有機化合物核心概念之間的關系
有機化合物種類繁多,很多有機物的結構看著比較相似,但在性質上差異較大,如果能理清各種有機物核心概念之間的歸屬關系,就能簡化有機化學學習的容量,降低學習的難度,為《有機化學基礎》模塊的學習打下了堅實的基礎,思維導圖可以清晰地呈現出有機化學核心概念之間的關系,以烴類化合物為例(見圖1)。
1.2 強化有機物結構與性質關系的認知結構
J知結構是知識結構內化在學習者頭腦里所形成的觀念的內容和組織[3]?!队袡C化學基礎》模塊最核心的內容是有機物的結構與性質的關系,學生利用思維導圖中的“聯系”功能可以很好地強化有機物的結構與性質關系的認知結構。形成從物質的微觀層面理解有機物的組成、結構和性質的聯系,形成“結構決定性質”的觀念,發展“宏觀辨識與微觀探析”這一化學學科核心素養,以有機物的官能團和化學性質的關系為例(見圖2)。
利用思維導圖的“聯系”功能,還可以在有機物的結構(官能團)與化學性質的連線上添加所需要的反應物質或反應條件(如圖2中酯基、肽鍵和醛基等)。
1.3 直觀展示有機化學實驗的裝置和化學原理
1.4 指導有機物合成路線的修正和信息獲取
有機物的合成是《有機化學基礎》模塊的重要內容,體現在有機化學理論的學習研究和生產生活實際的需求兩個方面,因此有機物合成路線的考查在高考的考查中是重點,也是難點。學生對有機合成路線的設計,最大的困惑是:(1)正確合理的有機合成路線的初步構想。(2)關鍵反應步驟的反應信息。利用思維導圖可以很好地幫助學生解決有機物合成中的這兩個困惑,具體做法是讓學生把已知的知識、信息,利用思維導圖做出部分合成路線,這樣的路線雖然是殘缺的或錯誤的,但是是直觀的,缺少的或錯誤的片段就是問題,而且是指向性非常明確的問題,問題解決是思維活動最普遍的形式[5]。因而思維導圖在有機物合成路線的推導時,對于激發學生思維活動作用顯著。下面以2016年江蘇化學高考第20題(5)為例。
化合物H是合成抗心律失常藥物的一種中間體,可通過以下方法合成:
根據本題有機合成給出的原料[甲苯和(CH3CO)2O]和合成的最終產物,大部分學生利用思維導圖得到下面的初步構想(見圖4)。
通過分析構想圖,發現在有機合成第二步就出現了與已知相矛盾的錯誤,且在后面的步驟中也出現了殘缺的部分(在教材中沒有學習過的有機化學反應)。錯誤的地方需要否定且進行修正,即苯甲酸不能在臨位取代上硝基,而甲苯可以在臨位取代上硝基,因此第一步應該進行修正。殘缺的部分需要繼續獲取信息,仔細觀察題目給出的化合物H的合成方法中AB,BC的反應條件,即可以解決-NO2最終到-NHCOCH3的問題。兼顧考慮已知1,利用思維導圖的直觀性和遞進性可以輕松地得出正確的合成路線(見圖5)。
2 思維導圖有利于培養學生化學學習品質
(化學)學習品質指能反映學生自己以多種方式進行學習的傾向、態度、習慣、風格等。它不是學生所要獲得那些技能,而是學生自己怎樣使自己去獲得各種各樣的技能[6]。托尼?巴贊說圖像才是大腦的語言,思維導圖的直觀性可以幫助學生更高效地提升學習化學的能力。美國教育家布魯納認為,教師必須本著這樣的目的來幫助學習者:使學習者能夠承擔起矯正任務。否則,指導的結果只是產生了一種永遠依賴教師知識的掌握形式[7]。學生在使用思維導圖進行化學學習時,需要有不斷創新的想法和有條不紊的修正、整理,這樣利于學生的自主學習。思維導圖的自由聯想和頭腦風暴,有助于豐富學生的思維方法(逆向思維法、推理思維法、反證思維法、有序思維法等)和合作學習。繪制成功的思維導圖是一個人面對問題的一個全景圖,它涉及該問題的各個層面,包括該問題的緣由、對自己的重要性、解決的途徑和困難,可以說涉及到所能想到的一切細枝末節。面對這樣一幅全景圖,極大地提高了學生的觀察力[8]。
3 在教學中使用思維導圖的注意事項
3.1 避免與概念圖、知識網絡圖等混淆
思維導圖不是靜態知識點的總結,是人依據大腦的思維活動描繪出的思維圖,能呈現人思維活動的過程,可以看出人思維活動的遞進性和層次性,可能包含不合理的、甚至是錯誤的內容。是幫助學生學習過程中不啻蔥潞托拚錯誤的工具。
3.2 避免使用時形式單一枯燥
思維導圖的結構圖非常豐富,例如:平衡圖、組織結構圖、樹狀圖、邏輯圖、時間軸圖、魚骨圖、矩陣圖等形式,還可以插入標注、圖標、聯系、概要、外框、附件和錄音等。展開豐富的思維活動并用思維導圖的各種功能呈現出來,這樣的思維導圖是立體的、彩色的、有聲的。
3.3 思維導圖的使用不僅僅是教師還有學生
思維導圖最大的特點是把思維活動通過圖文呈現出來,學生使用思維導圖對于教師了解學情有很大幫助。思維導圖中的頭腦風暴特別適合學生的小組合作學習,能把所有學生的所有想法都呈現出來。
化學是把物質的微觀結構、宏觀性質、實際應用和化學理論融合的一門自然學科,思維導圖除了可以在《有機化學基礎》模塊教學中很好地應用,在其他化學模塊中的教學同樣能起到很大的作用。
參考文獻:
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[6] Washington State(2005). Early Learning and Development Benchmarks [R/OL]. http://K12.wa.us/Early Learning/Beechmarks.aspx,2006-6-25.
【關鍵詞】綜合推斷 信息獲取 加工能力
【中圖分類號】G427 【文獻標識碼】A【文章編號】
1.對近三年理綜試卷有機試題分析后的一些思考
1.1有機常考題型,從有機試題的結構特點和考查的內容看,題型、比例和分值都相對比較穩定,每年都有一個有機推斷題,所占分值占整個化學試題的20%左右。
⑴考查有機基礎知識。如:判斷有機物的類型、用有機化學知識分析生活中常見問題、考查跟有機化學有關的基本技能、判斷同分異構體和書寫同分異構體的結構簡式、高分子化合物與單體的相互判斷、有機物質模型的識別,已知物質結構,推斷物質性質;
⑵考查有機反應類型的定性判斷和定量計算。如:書寫有機化學方程式、判斷有機反應類型、基本有機計算等。
⑶考查有機物知識的綜合分析和應用能力
1.2從考查的要求看,以理解層次為最多。試題特別強調能力和素質的考查,注重考查考生對基礎知識的理解以及運用這些基礎知識分析、解決問題的能力,體現了學以致用、理論聯系實際的思想。
1.3從命題的著眼點看,無論是結構簡式、化學方程式的書寫,還是有機反應類型的判斷,高考試題均根植于教材之中,但考題往往依托社會生活熱點問題和科技新成果進行有機物各方面知識的考查,因此只要我們在平時教學中根據《教學大綱》扎扎實實地做好化學基礎知識的落實工作,應該說絕大部分學生在面對這種難度的試題時是不會有太大障礙的。
1.4從學生的答題情況看,常見的主要錯誤有:
(1)審題不仔細,沒按題目要求準確作答;
(2)結構簡式的書寫不規范:如
①. 多寫或少寫H原子;②.將苯環寫成環己烷;③.官能團之間的連接線沒有對準所連接的原子;④.有些官能團往左書寫時沒注意(如:HO-、OHC-、HOOC-、O2N-、H2N-等的書寫);⑤.書寫時未把官能團的結構特征表達出來等;
(3)書寫方程式時未用結構簡式表達,丟產物(如水等小分子),忘了配平或注明反應條件等;
(4)化學用語書寫錯誤:如烯、苯、醛、酸、脂和酯等書寫錯誤;
(5)對一些復雜同分異構體的書寫則很難完整寫出。
2.對高考復習的幾點意見
有機化學考察的知識點主要有有機物的分類、結構與組成、有機反應類型、有機物的相互轉化、有機物的制取和合成等。這些知識大都與日常生活、工農業生產、能源、交通、醫療、環保、科研等密切相聯,融于其中,還有知識的拓展和延伸,這就增加了這部分考題的廣度和難度,學生要熟練掌握,必須花一定的時間和講究復習的技巧,方能事半功倍,達到復習的最佳效果。而對于很多學生來說,總覺得有機化學非常難學,知識非常零碎,一盤散沙,所以在帶學生復習時,要根據考綱和知識點,按照《考試大綱》的要求對知識點進行歸納、整理、復習。
2.1以結構為主線,突出知識的內在聯系
劃分知識板塊。根據有機化學知識重點和考試熱點可以分成如下六個復習板塊。
(1)同系物及同分異構體 (2)官能團的性質及有機化學反應類型
(3)重要有機物的實驗室制法(4)有機化合物燃燒問題
(5)有機合成 (6)有機高分子化合物和蛋白質
2.2聯成知識網
有機化學知識點較多,在復習中通過分析對比、前后聯系、綜合歸納,把分散的知識系統化、條理化、網絡化。
2.3 有機化學強調“結構決定性質,性質決定用途”的思想,學生在學習有機化學的過程中應體會到這種思想,為后續的各類有機物的學習搭建一個理論方法的平臺。在“烷烴和烯烴的結構和性質”的教學中,教師可先從回憶必修2知識入手,通過結構和化學反應類型對比歸類,將甲烷、乙烯的結構和性質遷移到烷烴和烯烴,進行甲烷、乙烷和乙烯的結構和性質對比,并以此推廣到烷烴和烯烴的結構和性質的相似性、遞變性和差異性的對比上。通過本節課的學習,使學生意識到“結構決定性質”是今后研究有機化合物的重要方法,知道分析有機物的結構首先分析官能團的結構特點,分析其中碳原子的成鍵方式及飽和程度,其次,要考慮官能團與相鄰基團的相互影響,在此基礎上,可以推測有機物的性質。
2.4重視有機實驗的整理復習
《高中化學課程標準》中強調化學學習中既要重視學習的結果、也要重視學習的過程,新教材中有許多引導學生自主探究的步驟,要求學生自己研究后得出結論。近幾年的高考試題越來越重視這方面的要求。用有機化學素材測試實驗探究能力是一種常見的命題形式?;瘜W是一門以實驗為基礎的學科,在教學中改變傳統的學生被動接受的實驗授課方式,倡導學生主動參與的探究型實驗教學模式對教學大有裨益。
【關鍵詞】乙炔法;轉化率;雙乙烯基二乙二醇醚
The Preparation of the Di-ethylene Glycol Divinyl Ether
JIANG Wei1 TIAN Yan2 LIU Yan-jie3
(1.College of Materials Science & Engineering, Jilin Institute of Chemical Technology, Jilin Jilin 132022,China;
2.Jilin ChuoFeng Liuji Diesel Manufacture Co.Ltd Jilin Jilin 132200,China;
3.College of Chemical & Biological Engineering, Jilin Institute of Chemical Technology, Jilin Jilin 132022,China)
【Abstract】Di-ethylene glycol divinyl ether was synthesized with K as catalyst. The influence of reaction condition were studied. The results indicated that the most suitable condition is as follows: K as the catalyst with 8%, reaction time was about 8h, reaction temperature was 175℃, the conversion rate of reaction was 60%.
【Key words】Carbide France; Conversion rate; Di-ethylene glycol divinyl ether
單乙烯基二乙二醇醚的合成[1]作者曾做過研究探索,從結構上講,雙乙烯基醚二乙二醇醚(又稱二乙二醇二乙烯基醚/二甘醇二乙烯基醚)更有優勢,同時具有三個醚鍵和兩個雙鍵,具有非常獨特的使用性能,是重要的有機合成中間體和功能性聚合單體,它的均聚物和共聚物被廣泛地應用于粘合劑、涂料、劑、增塑劑、殺蟲劑和表面保護材料等許多領域[2]。國內在二甘醇二乙烯基醚合成方面的研究起步較晚,至今還未實現工業化生產,鮮見相關的研究報道,市售產品都是國外進口分裝[3]。目前世界上只有德國BASF公司、美國ISP公司和日本丸善石油化工公司生產二甘醇二乙烯基醚,其制備方法大多都申請了專利來加以保護[4]。
本實驗對雙乙烯基二乙二醇醚的合成工藝條件進行了探討,得出了較適宜的工藝條件。
1 實驗部分
1.1 實驗藥品及儀器
二甘醇,碳化鈣,乙炔氣,金屬鉀,均為市售,分析純;氮氣,工業純;四口燒瓶,攪拌器,恒溫電熱套,循環水式真空泵等。
1.2 實驗步驟
將用石蠟液封的鉀金屬取出,迅速用小刀將塊狀鉀金屬切成小塊顆粒,然后將二甘醇倒入四口燒瓶中,通入氮氣加以保護,加熱至120℃,待鉀金屬全部溶解,同時向溶液中通入乙炔氣體,控制溫度在175℃~180℃左右,反應時間在8h左右。所得產物經過經過減壓蒸餾,得到無色透明液體。
2 結果與討論
2.1 反應時間對轉化率的影響
乙炔法制備雙乙烯基二乙二醇醚的是一個有機合成過程,通常需要較長的反應時間,固定其他反應條件,考察不同的反應時間對轉化率的影響,結果如圖1、表1所示。
圖 1 反應時間對二甘醇轉化率的影響
表1 反應時間對二甘醇的轉化率的影響
由圖1、表1可知,反應時間越長,二甘醇的轉化率越高,但是時間太長,二甘醇的轉化率的增加逐漸不明顯且趨于平穩,考慮到工業生產要求既能達到較高的轉化率,又能達到一定節省能源的目的,選用8h為最佳的反應時間。
2.2 反應溫度對轉化率的影響
雙乙烯基二乙二醇醚的沸點為198℃-199℃,因此反應溫度不宜過高,以免雙乙烯基二乙二醇醚蒸發。反應時間為8h,以KOH為催化劑,用量為12g,乙炔流量40mL/min時,考察反應溫度對轉化率的影響,得出結果如表2所示。
表 2 反應溫度對二甘醇轉化率的影響
由表2可知,當其它條件確定時,溫度在155℃以下,二甘醇的轉化率極低,當溫度從160℃上升到175℃的期間,二甘醇的轉化率顯著提高,當溫度超過175℃以后,二甘醇的轉化率提高不明顯。所以確定最佳反應溫度為175℃。
2.3 催化劑種類和用量對轉化率的影響
實驗中選用K和KOH兩種催化劑,在確定其它條件(5h/160℃)的同時,固定催化劑用量,所得的二甘醇轉化率的結果如下圖2所示。
圖2 催化劑的用量對二甘醇的轉化率的影響
由圖2可知,兩種催化劑的催化效果相當,K金屬的催化效果比KOH略好一些,這是因為K金屬比較活潑,催化效果好,而用K金屬作為催化劑的缺點是比較危險,操作稍有不慎就會引起爆炸,但是如果嚴格按照實驗操作要求操作,K金屬仍然是制備雙乙烯基二乙二醇醚比較理想的催化劑。
當催化劑用量小于12g時,二甘醇的轉化率隨催化劑的用量的增多有明顯的提高,而當催化劑大于12g以后,催化劑的催化效果基本不變,因此選擇的催化劑的最佳用量為12g(約為8%)。
2.4 乙炔流量對轉化率的影響
最佳的乙炔的通入流量,即節省能源又能使乙炔與二甘醇充分反應的前提下得到一個滿意的轉化率,乙炔氣體流量對二甘醇轉化率的影響,實驗結果如表3所示。
由表3 可知,乙炔流量小于40mL/min時,二甘醇的轉化率隨著乙炔的通入流量增大而增大,當乙炔流量大于40mL/min以后,二甘醇的轉化率卻突然降低,這是因為乙炔通入流量過大時,乙炔進入液體的初始速度過大,導致乙炔在二甘醇中的停留時間過短,縮短了乙炔和二甘醇的反應時間,因此最佳乙炔流量為40mL/min。
表3 乙炔氣體流量對甘醇轉化率的影響
3 結論
影響二甘醇轉化率的條件是:反應溫度,反應時間以催化劑的用量及乙炔流量,通過實驗得到制備雙乙烯基二乙二醇醚的最適宜的條件為:二甘醇300mL,K金屬12g(約8%),反應溫度175℃,反應時間為8h,乙炔流量為40mL/min,雙乙烯基二乙二醇醚的轉化率可達60%以上。
【參考文獻】
[1]韓運華,蔣巍,石磊,李瑞軍,洪國輝.單乙烯基二乙二醇醚的合成[J].吉林化工學院學報,2011,28(5):30-33.
[2]張育川.二甘醇單乙烯基醚[J].精細與專用化學品,1999,16(6):21-22.