建構“認知模型”突破有機推斷——以“2020年浙江省7月選考化學有機推斷題”為例

浙江

(作者單位：浙江省杭州市臨安區昌化中學)

《普通高中化學課程標準(2017年版2020年修訂)》把“證據推理與模型認知”作為高中化學學科核心素養之一，并要求“能識別化學中常見的物質模型和化學反應的理論模型；能對復雜的化學問題情境中的關鍵要素進行分析以建構相應的模型，能選擇不同模型綜合解釋或解決復雜的化學問題”。有機推斷試題知識容量大、綜合性強、能力要求高，是浙江省選考化學必考的試題，也是難點。分值為10～12分，需要學生在10分鐘內完成。在短時間內做到理解題意、獲取信息、抓住題眼、準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，討論有機推斷復習中如何構建“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”等認知模型，指導學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的有機推斷試題，發現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產物的結構，通過試題所給的信息(如反應試劑、反應條件、性質、部分有機物的結構以及其他新信息)進行綜合分析、判斷和推理，得出有機物的組成和結構，并完成相關問題。試題的設置主要涉及反應試劑和條件的選擇、反應類型的判斷、有機物結構簡式和陌生化學方程式的書寫、限定條件下的同分異構體的書寫以及合成路線的設計，其中推斷出有機物的結構是解決該試題的關鍵。試題以“框圖+信息”的形式呈現，設計角度不同的推斷難點，突出考查化學學科思維方式和學科能力。

二、有機推斷復習中認知模型的構建

基于浙江省選考有機推斷題的特點及學生的實際情況，教師在高三有機推斷復習中可引導學生從“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，并通過模型認知突破解題中的思維障礙，培養學生的分析能力、遷移能力以及靈活運用知識的能力?，F以2020年7月浙江省選考有機推斷題為例來說明認知模型在其中的構建策略和應用。

【真題呈現】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Ⅰ的試劑和條件是Cl2和光照

B.化合物C能發生水解反應

C.反應Ⅱ涉及加成反應、取代反應

D.美托拉宗的分子式是C16H14ClN3O3S

(2)寫出化合物D的結構簡式________。

(4)設計以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體的結構簡式________。

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

1.構建推斷模型

圖2 推斷模型

為了能夠充分利用信息并做到靈活應用，需要學生熟練掌握基礎知識，如根據官能團的性質，能從反應試劑(或條件)聯想反應類型等。筆者就高中階段重要官能團性質、反應條件及反應類型歸納如下：

表2

2.構建切割模型

在有機物結構推斷過程中，可以通過構建切割模型來對已知結構的有機物進行合理分析，即利用反應前后分子式的變化、題給已知反應等信息，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鍵三種化學鍵，由此可構建如下切割模型：

(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.構建新信息解讀模型

在日常有機推斷題的訓練中不難發現，學生的基礎程度不同，完成試題的時間差別較大，造成該結果的原因有多方面，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，根據上述信息的提取過程分析，可以構建新信息解讀模型：

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機理和反應歷程，只需要從化學鍵的變化分析反應特征，并在推斷過程中遷移應用。例如若在推斷題中經常遇到復雜難懂的信息就可按照該模型來推導。

4.構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生變化，減少副反應的發生，必須對其他基團進行保護，完成反應后再除去保護基，使其復原。因此保護措施也需要符合一定要求：1.只與保護基團發生反應且較易進行；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節，往往會導致試題難度增大，但是學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轉化關系：

圖4

虛線框中的基團轉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?；鶊F的保護策略有多種，但萬變不離其宗，具體總結的官能團的保護模型如圖5所示。構建官能團的保護模型可以簡化有機物的轉化復雜流程，快速提取信息，推出化合物的具體結構。

圖5 官能團的保護模型

5.構建有機合成路線模型

有機合成路線的設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生的歸納與論證、探究與創新能力，同時考查了學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信息及是否考查環狀化合物的總結。

表3

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

例如例題中第(4)問：設計以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化合物有“形似”之處的物質。

其次，采用“逆推”法，比對原料和目標化合物的相同點及差異對其進行解剖。

圖6

最后，結合反應條件和“已知”的陌生信息等，準確、詳細分析流程中的合成歷程，即斷鍵、成鍵和官能團轉化等，按要求書寫出合成路線。

因此，在有機復習過程中，可以構建如圖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揮，必須均來自于教材信息或題干流程中給予的信息。

三、結語