时间:2023-11-06 10:11:18
一、根据官能团的性质推断
官能团决定有机物的性质,可以官能团的特征、性质为突破口,根据有机物衍变关系综合推断。如“CHO”能发生银镜反应,“COOH”能发生酯化反应或形成肽键、与Na2CO3或NaHCO3溶液反应生成CO2等。
例1.中药狼把草的成分之一M具有消炎杀菌作用,M的结构为HOHO〖4〗OO
下列叙述正确的是()
A.M的相对分子质量是180
B.1mol M最多能与2mol Br2发生反应
C.M与足量的NaOH溶液发生反应时,所得有机产物的化学式为C9H4O5Na4
D.1mol M与足量NaHCO3反应能生成2mol CO2
解析:由结构简式推断M的分子式为C9H6O4,Mr(C9H6O4)=12×9+1×6+16×4=178,故A项错;1mol M最多能与3mol Br2发生反应,除了苯环上酚羟基邻位上CH键能发生取代反应外,还有另一个环上的CC键能发生加成反应,故B项错;1mol M最多能与4mol NaOH发生反应,苯环上的酚羟基能消耗2mol NaOH,酯基水解能消耗1mol NaOH,水解生成的1mol酚羟基还能消耗1mol NaOH,根据质量守恒定律推断有1mol C9H4O5Na4和3mol H2O生成,故C项正确;酸性:H2CO3>C6H5OH>HCO-3,因此含酚羟基的M与NaHCO3不能发生复分解反应生成H2CO3或CO2,故D项错。
答案:C
注意事项:多官能团(或基团)有机物的重要化学性质是高考命题的热点,本题中有机物M兼有酚、烯烃、酯三类有机物的化学性质。酚、烯烃均能与Br2反应,苯环上有多少mol酚羟基邻对位的CH键,就能与多少mol Br2发生取代反应,而有多少mol CC键,就能与多少mol Br2发生加成反应;酯、酚均能与NaOH反应,有多少mol酯基,就能与多少mol NaOH发生水解反应或取代反应(生成含羧酸钠和羟基的有机物),而有多少mol酚羟基,就能与多少mol NaOH发生中和反应;酸性:碳酸>酚>酯,因此酚不能与NaHCO3发生复分解反应,无CO2生成。
二、根据反应试剂和反应条件推断
大多数有机反应在一定条件下进行,反应试剂和反应条件是推断有机物的突破口。如反应试剂和条件为O2和Cu、,则反应物中含有醇羟基(CH2OH或CHOH);为NaOH水溶液、,则反应物为卤代烃或酯;为酸化,则反应物为有机酸盐(酚盐或羧酸盐);为浓硫酸、,则反应类型为酯化、醇的消去、羟基之间的脱水等。
例2.下图表示4溴环己烯所发生的4个不同反应。其中,产物只含有一种官能团的反应是()
A.①④B.③④
C.②③D.①②
解析:由4溴环己烯与X、Y、Z、W之间的转化条件推断,①②③④分别为氧化反应、加成反应、消去反应、加成反应,X为与水加成所得的3溴环己醇或4溴环己醇(或间溴环己醇或对溴环己醇),Y为消除HBr所得的1,4环己二烯或1,3环己二烯,Z为与HBr加成所得的1,3二溴环己烷或1,4二溴环己烷(或间二溴环己烷或对二溴环己烷),W为CC被氧化所得的3溴1,6己二酸,因此X、W都含有两种官能团,Y、Z都只含一种官能团,故B项正确。
答案:B
注意事项:官能团的种类和个数是不同的概念,只含有一种官能团,并非只含有一个官能团,2个碳碳双键或2个溴原子都只有一种官能团。羧基和溴原子是不同的官能团,羟基和溴原子是不同的官能团。本题中4溴环己烯兼有烯烃和卤代烃的化学性质,其中CC键可以被酸性高锰酸钾溶液氧化为羧基;可以与H2O在酸催化下加成得到醇羟基;可以与HBr加成得到卤代烃;可以与NaOH乙醇溶液共热发生消去反应,生成烯烃。
三、根据反应的次序推断
有机物衍变涉及官能团的转化次序、官能团的保护等,反应的先后顺序是推断的突破口。如Ⅰ氧化为Ⅱ、Ⅱ氧化为Ⅲ、Ⅲ能发生酯化反应,则Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分别是伯醇、醛、羧酸;甲苯先硝化、再氧化、最后还原可制得对氨基苯甲酸;对甲基苯酚先使羟基取代,再进行甲基的氧化,最后取代可制得对羟基苯甲酸;1,3丁二烯先与X2进行1,4加成,再在NaOH溶液中水解,然后与HX加成,再进行氧化,最后与NaOH醇溶液共热消去,最后酸化可制得HOOCCHCHCOOH等。
例3.(2013・深圳二模)成环是有机合成的重要环节。如反应①
CCH2COOCH3(Ⅰ)+CH2CHCCH3CH2(Ⅱ)H3COOCCH3
化合物Ⅰ可由Ⅲ合成:
CCH2CH3(Ⅲ)(i)Br2(ii)NaOHCCH3CH2OHOH(Ⅳ)O2/CuAO2催化剂B浓H2SO4CCH2COOH(Ⅴ)浓H2SO4CH3OHⅠ
(1)化合物Ⅰ的分子式为,1mol Ⅰ最多能与mol H2发生加成反应。
(2)写出化合物Ⅳ A的化学方程式。
(3)酸性条件下,化合物B能发生聚合反应,化学方程式为。
(4)化合物Ⅲ与Ⅱ也能发生类似反应①的反应,生成含两个六元环的化合物的结构简式为(任写一种)。
(5)下列物质与化合物Ⅴ互为同分异构体的是(填序号)。
CHCH2HOCHO①OHCCH2CHO②CH2CH3COOH③OHCCH3CHO④
解析:(1)由Ⅰ的结构简式可得其分子式为C10H10O2;1个苯环最多与3个H2加成,1个CC键与1个H2加成,酯基中的CO键不能与H2加成,则1mol Ⅰ最多能与4mol H2加成;(2)Ⅳ的官能团是羟基,其中1个羟基所连碳原子上无氢原子,不能发生催化氧化,羟甲基被氧化为醛基,由此可得A的结构简式及该氧化反应的化学方程式;(3)A的官能团是醛基和羟基,羟基所连碳原子上无氢原子,只有醛基可以被氧化为羧基,可得B的结构简式,由于B既含羧基又含羟基,在一定条件下能发生缩聚反应,生成高聚酯和水,可得该反应的化学方程式;(4)①是单烯烃与二烯烃发生的加成反应,单烯烃中CC键中的1个键断裂,二烯烃中2个CC键中各有1个键断裂,2、3号碳原子之间由原来的单键变为双键,二者结合成环己烯结构的有机物,化合物Ⅲ与Ⅰ结构相似,因此可得它与Ⅱ加聚产物的结构简式,由于二烯烃结构简式中左右不对称,因此形成两种可能的结构;(5)由Ⅴ的结构简式可得其分子式为C9H8O2,由①②③④的结构简式可得其分子式分别为C9H10O2、C9H8O2、C9H10O2、C9H8O2,则②④是Ⅴ的同分异构体。
答案:(1)C10H10O24
(2)2CCH3OHCH2OH+O2Cu
2CCH3OHCHO+2H2O
(3)nCHOCH3COOHH+CHOCH3COOH+(n-1)H2O
(4)H3CCH3或H3CCH3
(5)②④
注意事项:本题有连续两步催化氧化的特征信息(Ⅰ催化剂Ⅱ催化剂Ⅲ),可尝试利用“醇醛羧酸”的有机物转化关系推断。高考有机推断题中,常常会给出一些考生未见过的“新有机反应”、“新的有机转化情境”,要求考生从新信息中提炼出规律,再将其迁移到另一个问题情境中。解答过程中既包含对题给“新知识”的学习和利用,也需要熟练运用已学知识。
四、根据数据推断
通过题给数据的分析或根据某些反应的产物推断反应物或生成物所含官能团的个数和位置,其他问题就能迎刃而解。
例4.(2013・茂名二模)绿原酸是一种新型高效的酚型天然抗氧化剂,在食品行业有着广泛的用途,在某些食品中可取代或部分取代目前常用的人工合成的抗氧化剂。
(1)在反应①中,绿原酸与水按1∶1发生反应,则绿原酸的分子式为,反应①的反应类型为。
(2)1mol化合物Ⅰ与足量金属钠反应生成标准状况下氢气体积为。
(3)写出化合物Ⅱ与浓溴水反应的化学方程式:。
(4)1mol化合物Ⅱ与足量的试剂X反应得到化合物Ⅲ ( ),则试剂X是。
(5)化合物Ⅳ有如下特点:①与化合物Ⅱ互为同分异构体;②遇FeCl3溶液显色;③1mol 化合物Ⅳ与足量银氨溶液反应生成4mol Ag;④苯环上的一卤代物只有一种。写出化合物Ⅳ的一种可能的结构简式。
解析:(1)由Ⅰ、Ⅱ的结构简式可得其分子式分别为C7H12O6、C9H8O4,由碳、氢、氧原子个数守恒可知绿原酸分子式为C16H18O9;由Ⅰ、Ⅱ的官能团逆推可得绿原酸是酯,①是酯的水解反应或取代反应。(2)由置换反应可得,1mol羧基、4mol羟基与足量Na反应生成氢气分别为1/2mol、2mol,则氢气体积为(1/2+2)mol×22.4L/mol=56L。(3)Ⅱ具有苯酚和烯烃的性质,则1mol Ⅱ最多可与4mol Br2反应。(4)由于酸性:羧酸>碳酸>酚>碳酸氢根离子,对比反应物和生成物的结构简式可知,X为碳酸氢钠溶液。(5)由于1mol醛基与足量银氨溶液反应只能生成2mol Ag,由此推断Ⅳ的苯环上含有2个醛基;Ⅱ的分子式为C9H8O4,减去1个苯环、两个醛基后还有1个C、2个O,由于酚遇氯化铁溶液显紫色,说明苯环上可能还有2个羟基及1个甲基,即苯环上有5个取代基,由于苯环上5个取代基存在位置异构,所以Ⅳ的结构简式有多种。
答案:(1)C16H18O9取代反应(2)56L
(3)HOHOCHCHCOOH+4Br2BrHOHOBrCHBrCHBrCOOHBr+3HBr
(4)NaHCO3溶液
(5)HOHOCH3CHOCHO
注意事项:某些有机推断题中,有关有机物组成的信息也会成为推断的关键依据。如可以根据特定反应物、产物分子中原子数变化,直接判断出发生取代反应的反应物的分子式或结构简式;可以根据特定反应物、产物分子中氢原子和氧原子数变化特征,直接判断出醇发生的是消去反应还是取代反应;根据某有机物分子中氢原子化学环境种数常常可以直接确定该有机物的分子结构,根据某有机反应中可生成一氯代物的种数(产物)可直接确定该反应中反应物的分子结构。
五、根据题目已知的反应信息推断
部分有机推断题实质是信息给予题,找出题中的有效信息和隐含信息,剔除无效信息和干扰信息,即可分析推断。
例5.(2013・广东)脱水偶联反应是一种新型的直接烷基化反应,例如:
反应①:
CH3COCH2COOCH2CH3(Ⅰ)+CHCHCHCH3OH(Ⅱ)一定条件CHCHCHCH3CHCOOCH2CH3CH3CO
(1)化合物Ⅰ的分子式为,1mol该物质完全燃烧最少需要消耗mol O2。
(2)化合物Ⅱ可使溶液(限写一种)褪色;化合物Ⅲ(分子式为C10H11Cl)可与NaOH水溶液共热生成化合物Ⅱ,相应的化学方程式为。
(3)化合物Ⅲ与NaOH乙醇溶液共热生成化合物Ⅳ,Ⅳ的核磁共振氢谱除苯环峰外还有四组峰,峰面积之比为1∶1∶1∶2,Ⅳ的结构简式为。
(4)由CH3COOCH2CH3可合成化合物Ⅰ。化合物Ⅴ是CH3COOCH2CH3的一种无支链同分异构体,碳链两端呈对称结构,且在Cu催化下与过量O2反应生成能发生银镜反应的化合物Ⅵ。Ⅴ的结构简式为,Ⅵ的结构简式为。
(5)一定条件下,CHOH与BrCCH也可以发生类似反应①的反应,有机产物的结构简式为。
解析:(1)由Ⅰ的结构简式可得其分子式为C6H10O3;由燃烧通式可得:C6H10O3+7O2点燃6CO2+5H2O,则1mol Ⅰ完全燃烧最少需要消耗7mol O2。(2)Ⅱ的官能团是碳碳双键、羟基,前者与溴可以发生加成反应,前者和后者都能被酸性高锰酸钾溶液氧化,则Ⅱ可以使溴的四氯化碳溶液或酸性高锰酸钾溶液褪色;由Ⅱ的结构简式可得其分子式为C10H12O,Ⅲ的分子式比Ⅱ多1个Cl少1个OH, 说明Ⅲ与 NaOH水溶液共热发生水解反应,则Ⅲ的结构简式为C6H5CHCHCHClCH3,可得相应化学方程式。(3)Ⅲ与NaOH乙醇溶液共热发生消去反应的有机产物可能是C6H5CHCCHCH3、C6H5CHCHCHCH2,前者的核磁共振氢谱除苯环峰外还有三组峰,峰面积之比为1∶1∶3,不符合题意,则化合物Ⅳ的结构简式为C6H5CHCHCHCH2。(4)醇中羟甲基(CH2OH或HOCH2)在Cu催化下与过量O2反应生成能发生银镜反应的醛基(CHO或OHC),依题意可知Ⅴ的碳链两端各有1个羟甲基(CH2OH或HOCH2),CH3COOCH2CH3的分子式为C4H8O2,减去2个C、6个H、2个O之后可得2个C、2个H,即Ⅴ的碳链中间剩余基团为CHCH,则Ⅴ的结构简式为HOCH2CHCHCH2OH,以此为突破口,可以推断Ⅵ的结构简式为OHCCHCHCHO。(5)比较①中反应物Ⅰ、Ⅱ与生成物的结构简式可得,该反应实质是Ⅱ所含醇羟基中氧碳键及Ⅰ所含酯基和酮基的邻碳上的碳氢键断裂,羟基与氢结合成水,其余部分结合成有机产物,由此迁移可得答案。
答案:(1)C6H10O37
(2)Br2的CCl4(或酸性KMnO4溶液)
CHCHCHCH3Cl+NaOHH2OCHCHCHCH3OH+NaCl
(3)CHCHCHCH2
(4)HOCH2CHCHCH2OHCHCHOCHCHO
(5)BrCCCH
关键词:药物合成反应教学;反应机理思维;教学改革;问题现状
中图分类号:G642.0 文献标志码:A 文章编号:1674-9324(2015)32-0126-02
一、引言
从药物合成反应教学现状之中,可以分析出传统教学模式构建过程存在很多不足,对学生反应机理思维方式培养较少,而思维引导与启发的艺术性不能得到充分体现。同时教学模式固定化导致教学开展途径较为单一,对学生参与积极性的调动难度较大。针对这几方面的问题进行具体的改革,烘托出学生反应机理思维方式的重要性,并且将其思维培养的艺术性有效提升,促使思维能力的引导过程作为教学模式构建的主体,积极调动学生参与积极性,对教学质量、效果的提升是有力的保障。
二、药物合成反应教学中存在的问题
1.对学生反应机理思维方式培养重视程度不高。药物合成反应教学是以有机化学为根本,对药物合成所产生的反应进行深入的研究,探索出药物合成的具体方法。从当今高校药物合成反应教学的具体现状出发,教学过程中对与学生化学变化所经由的基元反应思维方式的培养相对较少,主要还是停留在理论强化层面,实际反应过程的根本原理以及原理形成的原因并不能进行实际探索,难以形成切实有效的反应机理思维方式。教学应从药物合成反应教学的内在实质角度出发,目标在于使学生反应机理的运用能力不断提升,药物合成的基本原理以及方法能够有效掌握,实际运用能力能够得到充分体现。而传统药物合成反应教学并不能有效培养反应机理思维方式,学生对于药物合成反应掌握过程较为死板,因此实际应用能力很难得到体现。这是由药物合成反应教学思想的侧重点所决定的,因此这一方面是主观因素之一。
2.教学中思维能力的培养缺乏艺术性特征。思维能力的培养并不是靠单纯的硬性规定就能够达到理想的效果,需要在思维引导的基础上逐步形成一种固定而又特有的思维模式,而思维引导则是一种具有艺术色彩的思维探索与发现的过程。在药物合成反应教学过程之中,课堂教师对于学生思维能力的培养往往依靠硬性强化,对学生提出较高的要求,学生则是被动的完成课堂教学任务,思维能力的培养过程往往会变成任务的硬性完成过程,这对学生的思维能力并不能达到有效地引导。在这种背景下,学生思维能力的形成往往具有一定的单一性和刻板性,而思维的灵活性很难得到保障。教学中的思维能力培养的自然艺术性特征不能体现,课堂气氛较为沉闷,对学生思维能力的启发、诱导、形成过程不能形成良好的环境,思维能力培养过程则成为了一种硬性灌输过程。
3.课堂教学模式化,学生参与积极性很难调动。课堂教学模式化在于课堂教学风格具有一定的固定性,对于人才能力的培养方向以及手段较为统一,形成模式化发展格局。而药物合成反应教学特点在于对学生思维运用强度较大,思维灵敏性要求较高,为此,基本模式教学并不能满足药物合成反应教学的内在需求。在药物合成反应教学中,学生思维灵敏性的有效提高,关键在于对教学气氛进行不断地优化,促使学生思维运转速度不断增强,有效激发学生的思维能力,促使教学效果能够达到最佳目标。在现阶段合成反应教学中,教学过程模式化现象较为严重,学生课堂参与中思维的灵敏性以及有效的激发过程并没有充分实现,导致了学生对教学内容并没有强劲的学习兴趣,参与积极性调动难度较大,课堂教学效果并不能良好的体现,不利于药物合成反应教学的未来发展。
4.课堂讨论缺乏针对性,反应机理难以深入探索。在药物合成反应教学中,反应机理讨论环节所具有的广泛性较强,虽然对相关反应进行了具体的讨论过程,但针对主要反应机理的讨论相对较少。这样所导致的结果就是课堂教学主体的研究过程并没有成为重点,学生对反应机理的思维方式培养过程较少,而自身思维观点的交换有效性并不强烈,课堂讨论所具有的内在价值体现程度不高,同时反应机理的纵向研究深度并不能得到有效加强。这是当今药物合成反应教学存在的基本现状之一,而这一现状所体现出的则是药物合成反应教学存在的又一不足,即对于学生思维能力、思考方向、思维探索的培养作用较弱,学生自身思维观点的交换价值较低,课堂教学效果难以达到预期目标。
以上几个方面是药物合成反应教学中存在的重点问题,也是导致学生思维能力、思维意识以及惯性思维难以形成的重要原因,对药物合成反应教学中的反应机理的纵向研究产生消极影响。对此针对上述具体问题进行具体改革,改革总体思路如下。
三、药物合成反应教学改革的几点思考
1.转变传统应试教育思想,提高教学灵活性与适用性。应试教育思想的形成主体并不只是在于教师方面,学生也是药物合成反应教学应试思想形成的第二主体。从教师层面而言,对于教学思想的转变关键在于教学发展方向,而从学生层面而言,应试思想的转变在于自身社会应用能力的有效提高。针对于教师课堂教学而言,需要教师对教学过程进行有机优化,将反应机理思维方式作为教学发展的核心,对学生化学变化所经由的基元反应思维方式进行多样化培养,以思维引导为主体,强调思维方式形成的应用性能,提升学生反应机理思维的灵活性。而对于学生而言,应根据药物合成反应的基本原理,对相关反应机理进行有效探索,使得反应机理之间的内在联系的紧密性不断加强,探究出一条更适合学生本身的反应机理思维。学生和教师的反应机理思维的灵活性与应用性不断提升,将对教学效果以及学生未来发展产生积极、有效的帮助作用。
2.对学生反应机理的思维方式进行积极培养。对于学生反应机理的思维方式培养,关键在于对学生思维方向进行有效的引导和启发,促使学生能够以基本的、固有的思维方式为主体,逐步向教师引导方向有效靠拢,提升反应机理的思维方式的有效性及准确性。从药物合成反应教学特点出发,学生自身的思维构成具有一定的差异性,而在进行学生反应机理的思维方式的引导过程中,需结合学生所具有的具体思维方式差异,对其思维能力进行有针对性的引导,使得不同学生的反应机理思维构成特点能够具有较强的适应性与独特性。针对反应机理思维形成较为持久的学生,教师应结合其他学生力量进行侧面辅助引导,发挥出学生之间所具有的带动作用,使得个别学生能够克服思维形成的障碍。这是药物合成反应教学对学生反应机理思维方式进行积极培养的核心,同时也是有效探索出适合当代学生反应机理思维方式的重要途径,会对药物合成反应教学改革产生积极有效的推动作用。
3.注重课堂教学艺术性色彩,提升思维能力艺术价值。反应机理思维的培养,注重教师对学生思维的引导过程。而在思维引导过程中的沟通过程则是有效的传播途径,应以思想、意识的启发作为必备条件,为此学生反应机理思维的培养应体现出艺术性以及艺术价值。在这样的思维培养环境中,对学生思维的启迪能够产生强烈的推动作用,并且对于学生思维形成的特点能够得到更为有效的了解,引导方式能够实现个性化、具体化,发挥出药物合成反应教学反应机理思维培养的艺术价值及艺术特征。这是对传统药物合成反应教学理念的颠覆,体现出课堂教学的魅力,能够切合学生思维形成的具体特征进行有针对性的思维培养,艺术性以及培养过程的艺术价值油然而生,与传统药物合成反应教学理念形成鲜明地对比。在这一基础上药物合成反应教学改革所具有的先进性能够得到充分体现,同时课程教学发展方向逐步由单一模块化教学向艺术性教学转变,应试教育思想也能够向探究教育培养迈进。
4.结合课堂实际,有效开展课堂专题化讨论。从反应机理思维的培养角度来看,学生思维的引导与启发关键在于课堂讨论教学环节的有效性,使学生之间能够对思维构成的主要因素进行意见的交换,从中促使学生思维的培养过程更为明显化、直接化。而对于教师而言,则可以对课堂讨论的具体环节有效掌握,对学生反应机理思维形成状况也能够及时、有效的了解。根据课堂实际教学,对课堂讨论的中心进行有针对性的明确,这样教师对于不同知识点学生反应机理思维的具体形成过程能够全面掌控,为学生反应机理思维的启发、引导起到外在的支持作用,而课堂专题化讨论所具有的意义、价值也能够得到更为有效地发挥。
以上几个方面作为实现药物合成反应教学改革的重要组成因素,结合当今药物合成反应教学的基本现状进行具体研究,改革总体思路以现状之间形成了相互作用,以此对转变现状产生相应的作用,不断提升药物合成反应教学发展目标。
四、结语
药物合成反应教学改革的重心并不仅仅在于表面的教学模式,更重要的则是教学中心以及教学思想的转变。从思想层面来看,对学生反应机理思维的有效培养,能够促使学生对化学变化所经由的基元反应思维方式得到正确培养,促使学生药物合成的具体原理及途径的认识不断提升,能够对教学效果的有效转变产生积极的影响作用。而对于课堂教学艺术性的有效加深,可以促使反应机理思维培养环境能够得到有效优化,使学生的参与积极性不断提高,充分培养思维方式的灵活性以及敏捷性,对教学效果的提升形成促进作用。
参考文献:
[1]李西安.浅析多媒体技术在有机化学教学中的应用[J].延安大学学报(自然科学版),2004,(03).
关键词:Diels-Alder反应;有机合成;应用
有机化学是化学科学的一个分支,是一门研究有机化学的科学,它发现的时间不长,但与国民的生活息息相关。高效、高选择性、环境友好的绿色化学,已成为现代有机化学发展的趋势。Diels-Alder反应是有机化学中一个具有里程碑意义的成环反应,这个反应是共轭二烯烃特有的性质,它是合成六元环状化合物的一个重要方法。它通过共轭二烯烃与带有吸电子基团的烯烃作用成环,且产率也很高,也可使杂原子成环。DA反应在合成六元碳环和杂环化合物中以及立体化学领域里有着不可或缺的地位,实现了环烃合成领域的突破,尤其在结构复杂的活性天然产物全合成中应用最广泛。
DA环合反应可在路易斯酸作用下完成,是形成碳碳键的有效手段之一,也是现代有机合成中最常见、应用最广泛的反应类型之一。因为它是没有中间体,只有过渡态的协同反应,它没有离子的参加,故常见的酸或碱对它无任何作用。该反应具有较好的立体专一性和区域选择性。所谓立体专一性是指那些立体结构不同的起始原料,反应后分别得到立体异构不同的产物,这样就能够有计划的控制反应的产物。例如,顺-1,3丁二烯分别与顺型及反型丁烯二酸二甲酯发生双烯合成反应,反应后共轭二烯和亲二烯体的构型仍保留在产物内,即分别得到顺型及反型环己烯-4,5-二甲酸二甲酯。该反应方法合成环状化合物具有操作简单、产率高、原子经济性、材料易得、适用性广等优点,也使得这一合成策略在有机合成中的应用更为重要。
有机合成与推断是高考中有机化学考查的重点题型,本着社会需要科技型和技术型培养人才为原则。从高考的命题趋势上,有机推断题向着培养能力、新信息的方向发展,题材常以新试剂、新药物、新染料及食品添加剂的合成过程为主,从中体验科研的乐趣。特别是有些药物,自然界是不存在的,但是具有特定的性质,为了满足人类的特殊需要,不得不在实验室进行人工合成,这就对学生以后的探究性学习奠定了坚实的基础,而且有利于选择高效、低毒、低污染、零排放、廉价易得的药物,这就涉及所得到的有机物产率问题,都会嵌入试题中。近几年的高考有机化学主要考点有:(1)有多个物质发生多米诺式化学反应,合成具有一定结构的产物。(2)会运用题中所给新信息加以推导和应用。(3)如,将高中教材没有学习过的内容加入,便是信息给予题,把与学过的基础知识综合起来设计为新形式试题,全面提高学生素质,培养学生能力。因此近几年高考不断出现新信息模式嵌入试题中,以下针对DA反应在高中有机合成推断题中的应用进行举例。
根据有机物结构决定性质、性质反应结构的特点,有机物种类繁多,必须要找准关系,按一定的反应顺序和规律引入官能团,不能前后颠倒以免相互干扰影响产率。阅读好所给新信息并能很好运用,用已有基础化学知识解决实际问题及在问题中巩固知识,导出最佳合成路线是做好有机推断及合成题的关键。
参考文献:
[1]曾绍琼.有机化学:上册.3版.北京:高等教育出版社,1993.
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[4]张薇.α-乙炔基二硫缩烯酮类化合物与芳香基亚胺合成喹啉化合物的杂Diels-Alder反应[D].东北师范大学,2007.
关键词:高分子化学;教学研究;有机化学;融通应用
中图分类号:G642 文献标识码:B 文章编号:1002-7661(2013)33-002-01
有机化学(Organic Chemistry)是一个名词,由瑞典化学家贝采里乌斯(Berzelius)在1806年提出的。当时是与无机化学相对立而命名的。同时,又被称为碳化合物的化学,其主要是研究有机化合物的结构、性质以及制备的一门学科,是化学中十分重要的一个分支。其中,含碳化合物被称为有机化合物,这是由于原先的化学家们认为含碳物质一定要由生物(有机体)才能制造,然而,1828年德国化学家弗里德里希・维勒(Friedrich Whler),在实验室中第一次成功合成尿素(一种生物分子),从此以后,有机化学便脱离传统所定义的范围,扩大为含碳物质的化学。
一、高分子化学
高分子化学主要包括高分子化学、高分子物理和高分子工艺,它是高分子科学的三大领域之一。高分子化学主要就是研究高分子化合物合成、化学反应、物理化学、加工成型以及应用等方面的一门综合性学科。在内容上,高分子化学和有机化学以及物理化学有直接关系,所以,我们必须学好这门学科,这对学生掌握有机化学知识的理解十分有利,同时,又为以后的学习打下一个坚实的基础。从而,我们要注意将有机化学知识融入到高分子化学的学习中,提高学生的学习兴趣,进而对学生的创新思维进行培养,学会融会贯通。
二、有机化学分类
对于有机化学我们可以从两方面进行不同分类。
1、有机化合物的碳原子结合的基本结构不同
(1)链状化合物,主要是其化合物分子中的碳原子连接成链状,最开始是在脂肪中发现的,因此可成为脂碳环化合物。
(2)碳环化合物,主要是其化合物分子中含有碳原子组成的环状结构,所以称之碳环化合物,其可以分为脂环族化合物以及芳香族化合物两大类,前者是和脂肪族化合物相似的碳环化合物;后者是其分子中还有苯环、稠苯体系的化合物。
(3)杂环化合物,在这类化合物中除了碳原子以外,还有其他元素的原子,所以就叫做杂环化合物。
2、依据官能团分类
官能团就是决定某一类化合物性质的主要原子、原子团。含有相同官能团的化合物,其化合物的基本性质相同。如下图:
三、高分子有机化学的反应
1、聚合反应
由有机小分子(单体)经过聚合反应制成的就是高分子化合物。聚合反应主要分为两类:
(1)缩聚反应
经过缩聚反应产生的缩聚物,如涤纶,学名聚对苯二甲酸乙二醇酯,它主要是对苯二甲酸和乙二醇合成的。这些都是官能团单体之间多次缩合小分子而成的。
(2)加聚反应
经过加聚反应产生的聚合物,如苯乙烯合成聚苯乙烯等,都是由于烯类单体的双键加成聚合成的。
在有机化学中,我们要通过学习熟练地掌握聚合反应的性质、特点。聚合反应中的缩聚反应和加聚反应是不同性质的,他们的结构、性能也不尽相同。缩聚是为了平衡反应通过官能团(二个或以上)的单体的缩合反应,并去掉某些小分子而成,这种情况属于逐步聚合,要有大于98%的高的基团反应程度才能得到高分子化合物并伴有副反应。加聚是烯类单体通过双键断裂相互加成并且在引发剂、光照等的作用下的聚合反应,在反应中没有生成小分子,这种情况属于连锁聚合,万一发生的话可以很快形成高分子化合物。但必须加快反应的转化率,同时,所得聚合物多属于碳链聚合物。
2、电子效应与位阻效应
电子效应与位阻效应作为有机化学中的重要内容,是高分子化学中的一个非常重要的体现,它涉及到化合物的稳定性以及反应机理的选择等多个方面。如单体对聚合机理的选择性直接影响着分子结构中的电子效应。又因为电子效应中包含着共轭效应以及诱导效应,正因为共轭和诱导作用,可以进行阴、阳离子和自由基聚合。单体中取代基的位阻效应影响着聚合动力学的影响,取代基中的多种效应(共轭效应、极性效应以及位阻效应等)影响了聚合中单体、自由基的活性,但是影响程度并不一样。
3、合成与改性高分子化合物
作为高分子化学中的教学内容,高分子化合物的改性十分重要,它是以高分子材料的性能与引入功能制备新的聚合以及扩大应用范围为主要目的。通常有共聚化学改性以及聚合物化学改性等改性方法。它融入了很多相关的有机化学知识,使其在高分子化学教学中得到融通实践。
综上所述,将有机化学知识融入到高分子化学教学中,不仅使学生的学习兴趣提高了,更加有效的保证了教学效果。
参考文献:
关键词:有机推断 框图题 突破口
中图分类号:G634.8 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2014)10(c)-0192-01
在框图推断题中,常以书写有机物结构简式、书写反应方程式、判断反应类型、分析所含官能团和判断同分异构体作为考查内容。在熟练地掌握基础知识的前提下,还需要找准“突破口”,从反应条件、转化关系和断键位置三方面入手,可较快地理解题意,理清思路。
1 以反应条件为突破口
有机反应中反应的条件与生成的产物息息相关,所以首先从反应条件入手,初步判断生成物的结构种类。下面列出几例常见的反应条件与对应反应类型的关系。
(1)NaOH/乙醇卤代烃的消去反应;(2)NaOH/水卤代烃的水解反应或酯的水解反应;(3)H2SO4 170 ℃(或)醇的消去反应;(4)H2SO4醇与羧酸的酯化反应;(5)浓溴水酚的取代反应;(6)O2/Cu醇的催化氧化反应。
再以一。个具体的例子来加深认识:已知(1)R-X+NaCNR-CN+NaX;②R-CN +H2OR-COOH。某高效、低度的农药K合成路线(部分无机物已省略)。
该题应从氯气参加的两步反应入手,氯气的反应条件十分典型:Fe催化,和光照催化。前者是苯环被卤素取代的反应,后者是烷基被卤素取代的反应,由此可以推断出在合成路线(Ⅰ)中C7H8一定是甲苯,且通过观察E的结构可知,B一定是对氯甲苯,然后根据题给信息可以知道C、D的结构,这道题的突破口就打开了。
2 以转化关系为突破口
有机框图推断题主要考查的内容为烃、卤代烃、醇、醛、羧酸、酯之间的相互转化。这些转化关系中有的具有很强的典型性,被认为是有机物的特征反应。如:消去、酯化、氧化再氧化,这些转化只可能发生在某些特定的有机物之间。要用系统化的眼光来看有机转化和有机合成,站在有机物自身特征反应的角度,入手研究有机物之间的转化关系,这样就是抓住了做题的“突破口”。
如已知A、B、C、D四物质间有如图1关系。
立即可推出A为一种醇,而B、C为对应的氧化产物醛和羧酸,D是醇A与酸C酯化的产物。这是因为能连续发生两步氧化的物质只有醇(伯醇)。再结合题中的其他信息,可以确定A、B、C、D具体为何物质。
再以一个具体例子来说明如何从转化关系找到“突破口”。
如图2、3为有机物A,B经一系列反应制取X,Y的转化关系。
已知:A,B,X都符合通式CnH2nOn/2-1,X和Y互为同分异构体,又是同类有机物,B分子结构中不具有支链。写出A,B,X,Y的结构简式。
由题目中所提供的信息,A先氧化成D再氧化成E可知A应该为烯烃或醇中的一种,由因为A可以和水反应,推断出A应为烯烃,再通过题中所给通式推断出A一定是乙烯。其余物质可由“X、Y是同类有机物”结合醇与酸发生的酯化反应推出:
A:CH2=CH2
B:CH3CH2CH2CHO
X:CH3CH2CH2COOCH2CH3
Y:CH3COOCH2CH2CH2CH3
3 以断键位置为突破口
有一类推断题为信息给予题,题上给出几个课本上没有出现过的方程式,这时就需要从断键位置入手,抓住有机反应的本质,认清断键和成键位置与官能团性质的密切关系。
如已知在一定条件下,醇和醛能发生如下反应:
聚乙烯醇(C2H4O)n与甲醛反应可生成含有六元环状结构的维尼纶(C5H8O2)n。写出化学方程式(有机物写结构简式)。
这道题属于信息题,突破口应锁定在题中所给方程式上。对于课本中没有出现过的方程式,对它们的讨论应从有机物断键和成键位置入手,从断键成键的特点得到方程式的类型。只有把所给方程式的反应类型确定了,才能更好地应用题意来解决问题。
题目中所给的方程式是醇和醛发生的反应,观察断键成键位置可以发现,醇中的羟基加到了醛中与O直接相连的C上,而R基加到了醛基中的O上。综上知该反应的机理与加成反应相似。
2+nHCHO
+2nH2O
4 结语
全面熟悉各类有机物官能团的性质及特征反应是做好有机推断题的基础,而在此基础上,面对框图推断题时更要善于综合运用以上三种方法来寻找解题的“突破口”。只有充分的理解题意,抓住“题眼”,逐步突破,才能在题海之中游刃有余。
参考文献
[1] 张顺清,舒中强.联想是突破高考有机框图推断题的金钥匙[J].化学教育,2010(2):48-52.
首先,有机化学不像数学那样具有严密的逻辑性与规律性,又不像物理学科那样贴近生活并具有完整的系统性,有机化合物种类繁多、反应复杂、副产物多、分子式及结构复杂,再加上中职学生薄弱的化学基础,使得学生在学习有机化学时,头绪混乱,并产生“繁杂”、“模糊”的感觉。
其次,高中教学模式和初中有较大差别,有机化学内容和初中科学跨度很大,因此很多学生在学习时没有掌握学习要领,理不清有机化学内容的头绪与脉络。在学习有机化学性质时,对结构与性质的对应关系也没有把握好。
因此,帮助学生理清有机化学知识脉络,构建起有机化学的知识框架,十分必要。
一、归纳有机化学中的常见官能团,掌握其对应性质
有机化合物结构复杂,种类繁多,反应千变万化,但归根结底,有机化合物的性质主要取决于其所拥有的官能团。在中职有机化学教材中,最主要的官能团主要有碳-碳双键、三键、羟基、羰基、羧基等十几种,它们的具体性质如表1 所示。
在有机化合物的学习过程中,官能团及其性质十分重要,只有把官能团及其对应性质烂熟于心,才能在有机化学学习中举一反三,即使遇到一些陌生的有机化合物,也能依据其所拥有的官能团而大概推测其性质。
二、抓重要的有机化学反应类型
有机化合物反应复杂,类型众多,但最主要、最常用的还是以下六类反应。
1.取代反应
取代反应是有机化合物分子中的某些原子或原子团被其他原子或原子团所代替的反应,取代反应是有机化学反应中最常见的反应,取代主要分为三种类型:亲电取代、亲核取代和自由基取代。从具体的取代方式上,主要包含以下几种情况:
(1)一个原子被另外一个原子所替代,如甲烷中的氢被卤素所取代;
(2)一个原子被另一个原子团所替代,例如醇分子间的脱水反应,事实上就是醇羟基中的氢被烷基所取代;
(3)一个原子团被另外一个原子或原子团所替代,例如酯脱水生成酸和醇的反应等;
(4)几个原子或原子团被其他一个原子或原子团替代。
2.加成反应
有机物分子里不饱和的碳原子和其他原子或原子团直接结合生成更趋饱和的别的化合物的反应叫加成反应。加成反应从反应机理上说主要有四种:亲电加成、亲核加成、带有吸电子基加成、自由基加成。从反应具体形式看,加成反应主要有以下三种情形:
(1)不同分子间的加成反应,如烯烃和卤素加成生成卤代烃;
(2)相同分子间的加成反应,如聚乙烯的合成即加聚反应;
(3)分子内加成,如葡萄糖中1号碳原子和5号碳原子之间的加成。
3.消去反应
有机化合物在适当的条件下,从一个分子脱去一个小分子(如水、卤化氢等分子),而生成不饱和(双键或三键)化合物的反应,叫做消去反应。例如醇类和卤代烃都能发生消去反应。消去反应一般有两种情况,即对称消除和不对称消除。发生消去的前提是和羟基、卤素相连的碳的相邻那一个碳必须要有氢。
4.氧化反应
氧化反应很多,例如有机化合物的燃烧就属于氧化反应。一般来说,加氧或者去氢的反应都是氧化反应。
5.还原反应
加氢或者去氧的反应属于还原反应,如炔烃加氢生成烯烃、烷烃。
6.聚合反应
高分子材料的合成大都属于聚合反应,一般有缩聚和加聚两种类型。
事实上,有机化学中的很多反应都可以归纳到上述六大类反应中。譬如,羧酸衍生物的生成实际上是取代反应,三大高分子材料的合成属于聚合反应,氨基酸可由羧酸中的氢被氨基取代而得,油脂的硬化属于加成反应,有机物的燃烧都是氧化反应等。在日常的教学中,如果能有意识地引导学生对反应进行归类,将有利于学生对整个有机化学教材当中的大部分化学反应形成一个知识框架,有利于学生对各类反应的记忆并深入理解。
三、把握每类有机化合物的知识脉络
有机化学教材中各章节,各类有机化合物的知识脉络一般遵循一定规律。
对于烃类,一般的内容安排有如下规律:
概念结构―通式―同分异构体―分类及命名―物理性质―化学性质―主要的有机化合物及用途―制法(实验室及工业制法)。
对于烃以后的有机化合物的学习,一般按以下规律进行:
概念―结构―分类及命名―物理性质―化学性质―主要的有机化合物及用途―制法(实验室及工业制法)。
对于物理性质,主要是颜色、状态、气味、溶解性、密度、毒性等。
如果在教学过程中,反复强调这样的学习顺序与方法,引导学生有意识地去进行强化,经过一段时间的训练,学生学习有机化合物时思绪就会比较清晰。
四、理清两条知识线
在有机化学教材中,有两条非常重要的知识线。
1.关于烃的知识线
2.关于烃的衍生物的知识线
在中职有机化学的教学中,烃及烃的衍生物是重中之重,两条知识线的形成,可以帮助学生清晰烃与的衍生物之间的相互关系,形成较为系统的知识脉络。
五、关注乙烯、醇、苯、羧酸四个中心
乙烯、醇、苯、羧酸是烃及烃的衍生物中非常重要的化合物,以它们为中心可以合成大量的有机化合物,因此,掌握这四个核心化合物,然后以此为中心进行发散,有助于对烃及其衍生物的学习与理解。
1.以乙烯为中心
乙烯是有机化学合成中非常重要的原料,从乙烯出发,通过不同的途径,几乎可以合成极大部分的有机化合物。例如,烯烃加氢还原可以得到烷烃,失去氢可以得到更加不饱和的炔烃,烯烃和卤素或氢卤酸加成可以得到卤代烃,和水加成则得到醇,工业制取乙醇经常用乙烯水合法,乙烯氧化可以制取甲酸,乙烯聚合则可以得到聚乙烯。因此,乙烯是有机合成工业和石油化学工业的重要原料,就像钢铁产量可以反映一个国家的重工业水平一样,世界上以乙烯的产量来衡量一个国家石油化工的生产水平,事实上,以乙烯为原料可以合成很多有机化合物,所以乙烯在有机合成中扮演着非常重要的角色。
2.以苯为中心
苯是芳香族化合物的母体,苯环特殊的结构及其中的大π键,决定了苯独特的性质。苯环上最主要的反应是取代反应,常见的取代反应有苯硝化生成硝基苯,磺化生成苯磺酸,卤化则可以得到卤代苯。苯还可以被烷基化,在苯环上引入烷基,如常用的洗涤剂里面的主要成分十二烷基苯磺酸纳,就可以通过苯环烷基化得到。重氮盐、染料中的苯胺、偶氮化合物等也可以通过苯来制得。
事实上,依据苯环上取代基定位规律,苯环上的氢可以继续被其他取代基所取代,从而形成了成千上万的芳香类化合物。
3.以醇为中心
乙醇是最重要的烃的含氧衍生物,从醇开始可以合成醛、酮、羧酸、醚等含氧衍生物及卤代烃、硫醇等。例如,乙醇氧化可以得到乙醛,继续氧化则得到乙酸;醇和乙酸能进行酯化反应生成酯;乙醇分之间脱水得到乙醚,分之内脱水则得到乙烯;醇与卢卡斯试剂反应得到卤代烃,醇蒸汽与硫化氢混合后反应制得硫醇等。因此,醇是烃的含氧衍生物中最核心的一种,它是连接烃、卤代烃、烃的含氧衍生物之间的重要纽带。
4.以羧酸为中心
羧酸是羧酸衍生物的核心,羧酸卤化可以得到酰卤,和醇发生酯化反应可以得到酯,氨化可以制得酰胺,分子间脱水可以得到酸酐。反之,酯、酸酐、酰卤、酰胺等水解均可以得到羧酸。羧酸及羧酸衍生物之间的关系可以用图1表示。
总之,有机化学虽然对中职学生来说学起来有一定难度,有机化合物及化学反应虽然复杂且变化无穷,但是有机化学有其内在的规律,如果能帮助学生理清脉络,构建起有机化学比较完整的知识框架,那么有机化学也将不再那么难学。
(作者单位:浙江省绍兴市技工学校)
关键词:信息技术;有机化学;必要性;结构;实验
信息技术与课程的整合就是通过课程把信息技术与学科教学有机地结合起来,从根本上改变传统教与学的概念以及相应的学习目标、方法和评价手段。而这种整合对学科教学来说也是必要的。随着教学要求的进一步提高,教学目标的不断提升和深化,信息技术进入学科课堂教学已是必然。
对化学学科教学来说,合理适当地运用信息技术不仅能够大幅度提高学生的学习兴趣,更重要的是能够将学科知识呈现得更加直观、形象,甚至能将一部分传统教学手段无法呈现的内容以精彩的形式展示出来,使得学生容易理解接受,大大增强了教学效果。对有机化学课程教学来说,笔者认为主要表现为以下几个方面。
直观地展示有机物结构
有机物分子的空间结构比较复杂,也很抽象,如果学生对有机物的空间结构缺乏想象力,那么仅凭教师的讲解,是很难想象出有机化合物的空间结构的。比较简单的有机物如甲烷、乙烯、乙炔、苯等小分子可以借助模型来展示其结构。但是那些结构复杂的有机物就不适合于使用模型了,当有机物中原子个数较多、连接方式较复杂时,模型难以真实再现其空间结构。并且有的模型制作较困难,如多元醇、醛类、羧酸、氨基酸、卤代烃等原子种类和个数较多的分子模型,在保存、使用过程中都会受到一定程度的限制。
若是利用信息技术中的三维图形功能,则可以轻易解决化学模型的不足。在教学中可以借助一些优秀的软件来达到应有的效果,如Flash,在绘制化学分子结构模型时可以将二维平面结构转化为三维立体结构。例如,卤代烃分子、葡萄糖分子的球棍模型和比例模型,可制作出任意旋转的三维分子结构,从不同角度清楚观察有机物三维立体结构的外观,并将结构中的不同原子赋予其不同的颜色,这样不仅将有机物的结构直观地呈现在学生面前,还给学生以美的享受,枯燥的分子立即变得活灵活现,能大大激发学生的学习兴趣。这些是传统的教学手段所无法达到的。
形象地演示有机反应原理
学生在学习有机化学时,感受最深刻的就是有机化学反应方程式难书写、有机反应历程过于复杂抽象。大多数有机化学反应历程都涉及原子的断键及重新成键的过程,如碳碳双键的断键加成反应,苯的加成反应和取代反应,乙醇的消去反应和氧化反应,乙醛的氧化反应和还原反应,乙酸的酯化反应,酯和油脂的水解反应,葡萄糖的各种反应,其中都有比较复杂的断键成键过程,比较抽象,要将其变化过程表述清楚需要教师做大量的讲解和板书。
若运用信息技术将这些过程制作成动画,向学生展示其微观演变过程,通过形象化的手段进行直观性模拟展现,学生会真实地“看到”原子的变化过程,利于学生更清晰地掌握反应机理。此外,加成、加聚、消去、酯化、水解、催化氧化等典型有机反应类型,做成动画演示其反应机理,让学生直观看到反应时物质内部所发生的变化,从而更好掌握典型有机反应的原理,而且可以节省大量的板书设计。
例如,乙烯发生加聚反应生成聚乙烯。这个过程应用了乙烯的加成反应原理,但是要想把生成聚乙烯的过程完整地展现给学生,在有限的黑板板面上是不容易的。此时我们可以借助信息技术,制作一个关于加聚反应的动画视频。若干个乙烯分子一字排开,动画演示每一个乙烯分子的断键过程,慢慢地过渡到断开的化学键重新结合成新的化学键,这样,多个乙烯分子最后相互之间“手拉手”,形成了一条长长的直链——聚乙烯。由聚乙烯的结构进一步分析其结构特点,得出聚乙烯的结构简式,从而顺利书写其化学方程式。这段动画的播放,比起教师的板书和讲解效果要好得多。
生动地模拟有机物性质实验
化学是一门以实验为基础的自然科学,以实验促教学是提高化学教学质量的关键。课堂演示实验是化学课堂教学中最常用的教学辅助手段,所以演示实验的成功与否对课堂教学质量有着至关重要的影响。但是,很多实验因为各种条件的限制往往达不到理想效果。譬如,有些演示实验,教师只能在讲台上演示,这就导致只有前面几排的学生才看得清楚实验现象,后面很多学生都看不清楚,这样的演示实验就不能很好地发挥其应有的作用;而且现在教材中的某些演示实验,由于种种原因存在一定的缺陷,如现象不明显、不安全、药品用量大、污染严重、操作复杂费时等。教材上有些实验的可操作性差,实验中产生一些有毒气体,而目前大多数学校班级不具备通风的条件。例如,制取乙炔的实验中因副反应产生的H2S、PH3等气体,制乙烯时副反应产生的SO2气体,溴苯的制取试验中会发出的液溴和苯的蒸气,这些有毒物质都会直接影响学生的身体健康和课堂教学。
而利用多媒体可展示课堂演示实验无法演示的有毒的、微观的、极慢的或极快的化学过程。例如,有机化学中甲烷与氧气的爆炸性实验,演示起来具有一定危险性。若这些爆炸性实验做成动画,配上爆炸响声进行模拟播放,既可以避免在实验过程中可能造成的危险,确保了师生的安全,又因为有视频和音频的呈现,生动活泼、惟妙惟肖,教学效果极好,很大程度地调动了学生的学习兴趣和积极性。
当然,多媒体实验是对课堂演示实验的一种补充。信息技术的应用不能完全代替化学实验操作,只能作为化学实验的补充和延伸。因为通过化学实验可以来培养学生的动手能力、观察能力、分析问题和解决问题的能力,即使是失败的实验,也可以从中学到不少相关的知识。
如何在有机化学课堂中对信息技术进行整合,使之最大程度地发挥优势,是每一位化学教师需要认真思考的问题。在教学中只有深入研究和实践如何充分而恰当地设计、开发、运用信息技术,使之与其他手段有机结合,优化课堂教学,力求最大限度地提高效率,才能体现出信息技术辅助教学的真正价值。
总之,信息技术与有机化学教学的整合,不仅仅是一种教学方法的更新,更重要的是把信息资源引入化学教学活动中,合理、机动地运用信息技术的辅助功能,给学生提供视觉和听觉感受,有效地培养学生自主学习、主动发展的意识和能力,把学习空间还给学生,充分挖掘学生的创造潜能和对信息的获取、分析、加工、创新、应用能力。
信息技术与学科课程整合不是一朝一夕能完成的,但只要持之以恒,大胆把信息技术当成工具用于教学中,一定能取得不错的教学效果。
参考文献:
[1]田文涛.试论高中化学多媒体教学的辅助作用[J].高等函授学报(哲学社会科学版),2005(8).
关键词: 有机合成与推断 思路 方法
有机推断与合成是高考中有机化学考查的重点题型,要想做好此类,学生首先要掌握好书本的知识,掌握好各种官能团的特征反应;其次要掌握好各类物质之间的相互联系,也就是要建立系统的知识网络体系。近几年的高考主要考点有以下几个。
1.综合应用各类有机化合物(烷烃、烯烃、炔烃、芳香烃、乙醇、溴乙烷、苯酚、乙醛、乙酸、乙酸乙酯、脂肪酸、甘油酯、多羟基醛酮、氨基酸、蛋白质等)的性质,进行推导未知物的结构简式,或是相关的问题。
2.组合多个化合物的化学反应,合成具有指定结构简式的产物。
一、有机物推断
(一)一般思路
1.顺(逆)推法。以有机物结构,性质和实验现象为主线,(逆)正向思维得出正确经验。如顺推法可图解为:
2.分离法。根据题意,分离出已知条件与未知条件,再据已知条件对未知条件一一求解。
(二)常用推断方法
1.通式推断法。具有相同通式的物质类别可以归纳如下:CnH:烯烃、环烷烃;CnH:炔烃、二烯烃、环烯烃;CnHO:醇、醚;CnHO:醛、酮、烯醇;CnHO:羧酸、酯、羟醛;CnHO:芳香醇、芳香醚。
2.化学反应环境联想法。环境联想可以分解为官能的特征反应,有机反应的条件,有机物的结构简式和分子组成的变化,等等。对于有机推断题首先要熟悉各种官能团的性质,其次对各类有机反应的条件要记牢。
(三)寻找解答有机推断题的题眼
题眼通常是我们所说的解题的突破口,教师应教会学生根据反应条件、根据组成和结构的变化,特别是官能团的变化等方面来寻找突破口。下面就是寻找题眼的具体的方法。
1.根据物质的性质推断官能团
如:能使溴水反应而褪色的物质含碳碳双双键、三键“―CHO”和酚羟基;能发生银镜反应的物质含有“―CHO”;能与钠发生置换反应的物质含有“―OH”;能分别与碳酸氢钠液和碳酸钠溶液反应的物质含有“―COOH”;能水解产生醇和羧酸的物质是酯,等等。
2.根据性质和有关数据推知官能团个数
如:―CHO2AgCuO;2―OHH;2―COOH(CO)CO
3.根据某些反应的产物推知官能团的位置如:(1)由醇氧化得醛或羧酸,―OH一定连接在有2个氢原子的碳原子上;由醇氧化得酮,―OH接在只有一个氢原子的碳原子上。
(2)由消去反应产物可确定“―OH”或“―X”的位置。
(3)由取代产物的种数可确定碳链结构。
(4)由加氢后碳的骨架,可确定“C=C”或“CC”的位置。
二、有机合成
(一)有机合成的实质
学生通过有机化学反应或题目提供信息,使有机物增长或缩短碳链,或碳链和碳环之间相互转变,或在碳链和碳环上引入、转换各种官能团,以制备不同有机物。要求学会设计有机合成题的正确路线和简捷的途径。首先分析要合成的有机物属于何种类型,带有什么官能团,与哪些信息有关。其次是根据现有原料、信息和有关反应规律,尽可能合理地把目标有机物解剖成若干片断;或寻找官能团的引入、转换方法,或设法将各小分子拼接衍变,尽快找出合成目标有机物的关键和突破点。
(二)有机合成遵循的原则
1.起始原料要一般为规定的原料(实际合成中要选用廉价、易得、低毒、低污染的原料),通常是四个碳以下的单官能团或单取代苯。
2.应尽量选择步骤最少的合成路线。为了减少合成步骤,应尽量选择与目标化合物结构相似的原料。步骤越少,产率越高。
3.合成路线要符合“绿色、环保”的要求。
(三)解题思路
1.正确判断需要合成的有机物的类别,它含有哪些官能团,与哪些知识和信息有关。
2.根据现有的原料、信息和有关的反应规律,尽量能合理地把目标化合物分成若干个片断,或者寻找官能团的引入,转换、保护方法,或者是设法将各个片断拼接衍变,尽快找出合成目标化合物的关键。
3.将正向推导和逆向推导得出的若干个合成路线加以综合比较,选择出最佳的合成方案。
其解题思路可简要列表如下:
(四)合成的具体方法
1.官能团的引入和转换
(1)碳碳双键的形成主要有:一元卤代烃在强碱的醇溶液中消去HX;醇在浓硫酸存在的条件下消去HO;烷烃的热裂解和催化裂化。
(2)碳碳三键的形成主要有:二元卤代烃在强碱的醇溶液中消去两分子的HX;一元卤代烯烃在强碱的醇溶液中消去HX;实验室制备乙炔原理的应用。
(3)卤素原子的引入方法:①烷烃的卤代(主要应用与甲烷);②烯烃、炔烃的加成(HX、X);③芳香烃苯环上的卤代;④芳香烃侧链上的卤代;⑤醇与HX的取代;⑥芳香烃与X的加成。
(4)羟基的引入方法:①烯烃与水加成;②卤代烃的碱性水解;③醛的加氢还原;④酮的加氢还原;⑤酯的酸性或碱性水解。
(5)醛基或羰基的引入方法:①醇的催化氧化;②烯烃的催化氧化;③炔烃与水的加成;④烯烃的臭氧氧化分解。
(6)羧基的引入方法:①醛的催化氧化;②苯的同系物被酸性高锰酸钾溶液氧化;③酯的水解;④肽、蛋白质的水解。
(7)酯基的引入方法:①酯化反应的发生;②酯交换反应的发生。
(8)硝基的引入方法:硝化反应的发生。
2.官能团的消除
消除不饱和双键和叁键,可以通过加成反应;经过酯化、氧化、与氢卤酸、消去等反应,可以消去羟基;通过加成和氧化可以消去醛基;通过水解可以消去酯基或是肽键。
3.缩短碳链的方法
(1)苯的同系物被酸性高锰酸钾溶液氧化。
(2)烷烃的催化裂化。
(3)烯烃、炔烃被酸性高锰酸钾溶液氧化。
4.成环(信息题)
(1)形成碳环:双烯成环。
(2)形成杂环:通过酯化反应形成环酯。
一.知识准备
1.第一维度――有机化学反应的主要类型。
常见的有机反应类型有取代反应(酯化、水解)、加成反应、消去反应、聚合反应(加聚、缩聚)、氧化反应、还原反应等。考试说明中重点强调的是取代反应、加成反应、消去反应和聚合反应。
(1)取代反应:有机化合物分子中的某些原子或原子团被其他原子或原子团代替的反应。条件是具有极性单键。比如:
①烷烃与X2的反应(x表示卤素原子)。
②芳香烃的取代反应(苯的卤代、硝化、磺化反应)。
③烯烃、炔烃、醛、酮、羧酸等α氢的取代反应。
④羧酸与醇的酯化反应。
⑤卤代烃、酯类、蛋白质的水解反应(重点考查酯类)。
(2)加成反应:有机化合物分子中的不饱和键两端的原子与其他原子或原子团结合,生成新化合物的反应。条件是具有不饱和键。比如:
2.第二维度――常考官能团及其性质(苯基不是官能团)。
官能团是指有机化合物分子中,比较活泼、容易发生反应并反映着某类有机化合物共同特性的原子或原子团,代表着某一类有机物的化学性质。要想解答有机化学推断题,必须灵活掌握以下常考官能团的性质。
(1)碳碳双键、碳碳三键。
①加成反应、加聚反应。
②烯烃与酸性KMnO4溶液反应(因双键碳上的氢原子个数不同分三种情况)。
(2)醇羟基。
①跟活泼金属反应产生H2。
②跟卤化氢或浓氢卤酸反应生成卤代烃。
③脱水反应(140°C分子间脱水成醚、170°C分子内脱水生成烯)。
④催化氧化为醛或酮。
⑤与酸反应生成酯。
(3)酚羟基。
①弱酸性。
②与浓溴水发生取代反应生成沉淀。
③遇FeCl3呈紫色。
④不稳定,易被氧化。
(4)卤素原子。
①与NaOH水溶液共热发生取代反应生成醇(无醇得醇)。
②与NaOH醇溶液共热发生消去反应生成烯(有醇得烯)。
(5)羧基。
①具有酸的通性。
②酯化反应时一般断裂羧基中的碳氧单键,碳氧双键不能与H2加成。
③能与含一NH2物质反应缩去水生成酰胺(肽键)。
(6)醛基。
①与H2、HCN等加成为醇。
②被氧化剂(O2、斐林试剂、酸性高锰酸钾溶液等)氧化为羧酸。
③与弱氧化剂如银氨溶液、新制的Cu(OH)2悬浊液发生加氧氧化。
(7)酯基。
①发生水解反应生成羧酸和醇。
②发生醇解反应生成新酯和新醇。
(8)氨基。
①能与酸反应。
②缩聚反应。
(9)醚键。
性质稳定,一般不与酸、碱、氧化剂反应。
3.第三维度――典型颜色变化。
(1)苯酚与三氯化铁溶液反应呈紫色。
(2)酸性KMnO4溶液的褪色。
(3)溴水的褪色。
(4)淀粉遇碘单质变蓝色。
(5)蛋白质遇浓硝酸变黄。
4.第四维度――常考典型条件。
二.解题基本步骤解答有机化学推断题,主要是寻找突破口,上述知识准备中“五个维度”是我们的主要突破要点。下面是做题的基本步骤:
1.仔细读题,审清题意,重点观察题目给予的新信息,题干中相关数据、结构的限制、物质性质等。
2.寻找典型反应条件,从“五个维度”进行分析(官能团的特征反应、颜色的变化),挖掘隐含条件。
3.分析反应条件(官能团的衍变关系、颜色变化反应的实质),确定官能团,进而预测出物质。
4.正向推导、逆向推导、正逆综合、知识迁移,甚至必要的计算等方法得出初步结论,并且要注意全面考虑、整体把握。
5.书写规范、正确表达,按照题目的要求作答。
三,典例赏析
例1.席夫碱类化合物G在催化、药物、新材料等方面有广泛应用。合成G的一种路线如下:
回答下列问题:
(1)由A生成B的化学方程式为
反应类型为 。
(2)D的化学名称是,由D生成E的化学方程式为。
(3)G的结构简式为
。
(4)F的同分异构体中含有苯环的还有――种(不考虑立体异构)。其中核磁共振氢谱中有4组峰,且面积比为6:2:2:1的是――。(写出其中一种的结构简式)
(5)由苯和化合物C经如下步骤可合成N一异丙基苯胺。
反应条件1所选用的试剂为,反应条件2所选用的试剂为,I的结构简式为――。
随着社会的发展与进步,人类面临巨大的环境问题,可持续发展非常重要。绿色化学的观念符合人类可持续发展的要求,近十年来发展迅速。绿色化学涉及有机合成、工业催化、分析化学、生物化学等领域与学科,其中有机合成对于人类具有不可估量的意义。从早期的有机试剂、药物、塑料到近代的维生素、激素、色素、抗生素、高分子材料以及各种具有特殊性能的现代材料都是有机合成的产物,当今国计民生的各个方面都离不开有机合成产品。在有机合成中应用绿色化学的思想,能够节约资源并防止环境污染,从根本上改变传统的有机合成理念。
二、有机合成教学现状
我国大学教育不断发展,各高等院校化学系专业划分得更细,培养人才的综合素质更高。高等院校的有机合成课程是化学、生物、药学等专业的专业必修课之一,是最能体现绿色化学思想的一门课程。1998年中国科技大学首先把绿色化学单独作为一门课程[1],现在开设绿色化学课程的高校越来越多,但是作为绿色化学课程最重要组成部分的绿色有机合成化学的教学发展缓慢。目前大多高等院校使用的教材没有根本性的改革,依然使用在传统教材基础上改版的教材,缺少绿色化学的思想。现行各种教材反映的内容只是从有机合成的合理性、简便性方面考虑,并没有注意反应的原料、催化剂、溶剂和最终产品是否无毒无害,反应过程中的废弃物是否尽可能少等绿色化学原则。Anastas等[2]提出12条关于绿色化学的原则,用来评价实验过程、生产过程、最终产物是否绿色,其中最基本的原则就是原子经济性原则;采用无公害的原料;无公害的反应条件;终产物环境友好。绿色化的有机合成化学教学正是我国教育发展最需要的教学,在教学中贯穿绿色化学的思想,让每个学生都有绿色化学与可持续发展的概念。绿色化学新技术在教学中的应用,能培养适合我国发展现状的绿色化学工作者,并为以后我国的可持续发展输送高素质的人才。
三、有机合成绿色化教学的策略
(一)贯穿原子经济性原则
在有机合成课程课堂教学过程中,会讲到许多基本有机反应,这时就应该培养学生绿色化学的思想,首先要在基本的合成反应中体现原子经济性原则。原子经济性就是反应分子中的原子全部进入最终产品,没有任何副产物[3]。原子经济性与有机合成反应产率不同,产率是目标反应产物的生成量和原料中某一组分加入量的比值。当原料和产物由几个组分组成时,某一产品的产率再高,它仍存在其它副产品,没有达到废物“零排放”的要求。例如,Wittig反应产率较高,一般可达80%以上,但Wittig试剂的较少部分被利用到产物中,其余都成为副产物。所以,Wittig反应的原子利用率低,原子经济性很差。可见,应使用产率和原子经济性两个概念作为评估标准,才能实现更“绿色化”,更有效的化学合成反应。
有机反应中最常见的主要包括4类:重排反应,取代反应、消除反应和加成反应等,重排反应和加成反应基本属于原子经济反应,而有些反应,如取代反应和消除反应的原子经济性则不一定高,另外,成键周环反应,如Diels-Alder反应,[2+2]、[3+2]环加成反应属于原子经济性的,而氧化-还原反应类型很多,不能用“原子经济性”来衡量,只是化学氧化还原反应一般有毒,而电氧化-还原反应对环境更友好。除了对这些学过的反应进行归纳总结外,还可向同学们介绍一些绿色新反应,如:Ene反应(双烯合成)类似Diels-Alder反应,反应通式为:
X=Y=C=C,C=O,C=S,N=O,N=N等。
金属复分解反应(RCM 反应)是一种过渡金属催化反应,反应通式为:
R=芳香基、烷基、芳香杂环;
R1=H,COOR,烷基
X=O,NCOOR,NTs,NSO2PH
DO(DEt)2,SO2PH,SO3PH,SOPH
EWG=吸电子基,如-COR,-CHO,-CN,-COOR
以上的各反应都是绿色化学的基本反应,在讲课的过程中就应该贯穿绿色化学的基本思想,让学生在对比中明白绿色化学的概念,让学生在今后的工作学习中都有绿色化学的概念,在合成某些产品时尽量用原子经济性来衡量整个反应过程。
(二)原料与产物无公害
1.尽量用无毒无害的原料
绿色化学基本原则中包括原料无公害,在设计有机合成实验时就应该寻找安全有效的反应原料,进而得到功效卓著而无毒无害的产品。例如:合成聚氨酯时,传统的方法一般要采用光气作为原料,而光气是可致命的剧毒气体。新的绿色化学合成方法则完全不使用光气,不仅消除了剧毒原料光气的使用,并且反应产生的副产物是水,对环境无污染,同时解决了两方面的问题,整个聚氨酯合成的实验更加接近绿色化学。
如:亚氨基二乙酸二钠的合成也可以改变原料,避免使用甲醛、氢氰酸紫等剧毒原料。
NH3+2HCHO+2HCN NCCH2NHCH2CN
由以上反应方程式可以看出,传统方法合成亚氨基二乙酸二钠的步骤要繁琐,要用到HCHO、HCN剧毒物质,还要用到NH3,并且产物不能转化完全,对环境的污染较大。新的合成方法简单,只需要在铜催化剂的条件下就能直接合成出亚氨基二乙酸二钠,副产物是H2,对环境的污染也较小。在讲课过程中可以将多种有机合成方法进行对比分析,找出最符合绿色化学标准的合成原料与产物,让学生充分的理解绿色化学的基本原则。在学生动手实践的过程中,要应用最绿色的有机合成方法,降低实验室对环境的污染与对学生身体的危害。
2.利用可再生资源为原料
在实验室教学过程中,利用可再生的原料可以减少对环境的污染并符合经济与环境的可持续发展。例如:用氧化法合成己二酸(ADA),传统方法合成已二酸的实验通常用致癌物质苯或苯酚作原料,在原料上就不符合绿色化学的标准,对学生的身体健康有一定的危害。新的合成工艺可以直接用葡萄糖合成出,并且葡萄糖能够通过植物的光合作用直接得到,使原料的成本降低,并且合成的工艺简化对环境污染减少。这种符合绿色化学标准的新合成方法可以应用在有机化学实验教学中。
3.设计更安全的产品
有机合成实验的设计阶段就应该考虑合成出产物是否有毒,尽量通过通过改变和修饰有毒物质的结构,消除其“致毒反应”[4]。例如:联苯胺是很好的染料中间体,但具有极强的致癌作用,可以对其分子结构加以改造,变为二乙基联苯胺,既保持了染料的功能,又消除了致癌性。
在设计具有特定功能的化学产品时,还应考虑它能否降解,要使其降解,也可通过在分子结构中入特殊功能团来促使其降解。通过水解或者光解使大分子结构变成可以生物降解的基团。
(三)研究安全有效的反应条件
在有机合成的基本反应中,除了考虑反应原料及产物的绿色化外,还要注意反应过程中所用的催化剂和溶剂的绿色化。通过催化剂与溶剂的改变,改善整个反应条件,使整个合成反应安全有效。
1.寻找安全有效的催化剂
在常见的有机合成反应中所用的催化剂大多为硫酸、三氯化铝,三氟化石朋等酸性催化剂,这类酸催化反应都是在均相条件下进行,对设备腐蚀作用大,并且容易形成酸雾、废酸液污染环境,危害人体健康。目前解决的方法是使酸催化剂负载化或均相催化剂的多相化。在工业中可以采用的方法是用固体酸如酸性白土、混合氯化物、分子筛等代替液体酸,尽量减少酸雾的形成,并且通过一定的方法对固体酸回收,用该催化剂取代传统的三氯化铝,催化剂用量降为原来的1/10,废弃物氯化氢的排放量减少了3/4,而产率增大到了70%。
2.寻找安全有效的反应介质
传统的反应介质大都是有毒的有机溶剂二氯甲烷,乙腈,甲醇等不仅危害人体健康,而且对环境污染严重。超临界流体(SCF)特别是超临界二氧化碳(scCO2),超临界(SCW,scCO2)以及水作溶剂;符合绿色化学的要求,有不少反应已大量使用此介质,Pinacol(频那醇)零排反应原在液相中需要强酸作催化剂,而且催化剂的寿命较短,反应速度和选择性很低,现在此条件下超临界水中不加任何催化剂下反应,速度比蒸馏条件下快100倍。Cannizzaro反应在传统的工业生产反应条件中需使用大量的碱作催化剂,后处理步骤多,且产物纯度较差。
一、有机化学教学内容的精选
为了培养矿物分选加工和矿产资源综合应用领域的工程技术人才,有机化学的教材内容应以培养学生的科学思维方法,分析问题、解决问题的能力和创新能力为目标,突出矿物加工工程专业特点,着力拓宽学生知识面。据此,本课程选择的是获得第三届国家教委优秀教材一等奖,由徐寿昌主编的《有机化学》,该教材按照官能团系统分类,每一个章节介绍一类有机化合物,而每一章节又按照结构、制备方法、物理和化学性质为主线,便于学生归纳总结和综合应用。但是在2011年我校在本科生培养方案的调整中,将矿物加工工程专业有机化学的教学课时由64学时缩减为48学时,有机化学的教学内容必须做出相应的调整。首先,我们贯彻“少而精”的原则,对教学内容进行了优化处理,在缩减课时的情况下,精选本学科中最基本、最重要、最精华的部分作为重点教学内容。例如,教材中烷烃、烯烃、炔烃、脂环烃、芳烃、卤代烃、醇和醚、酚和醌、醛和酮、羧酸、胺、杂环化合物等每一个章节都包含有机化合物的分类和命名,而很多学生在高中阶段对这些内容略有掌握,因此我们在第一章有机化合物的分类中,补充有机化合物的命名,将有机化合物按照官能团命名方法进行归纳和总结,后面的章节中就不再介绍。教材中某种有机化合物的制备反应和另一种有机化合物的化学反应前后重复介绍,可以将这一部分内容合并简化。以醇制备卤烃为例,教材第九章卤烷的制备方法中介绍了醇与氢卤酸作用,而第十章醇的化学性质又详细介绍了卤烃的生成,将这两部分内容整合有助于学生的理解,避免了重复。教材中立体化学的内容比较抽象,对学生的空间想象力有一定的要求,而立体化学和矿物加工的专业知识关联较少,我们将其内容适当简化删减。其次,为了强调矿物加工专业特色,激发学生对专业的兴趣,有机化学的教学内容必须重点讲授一些和专业相关的内容。例如,我们学校的矿物加工专业主要是面对煤炭行业,学生必须对煤的相关知识了解透彻。煤是由有机质和矿物质组成,煤中的有机质又是由苯环、脂环、杂环和一系列的含氧、硫、氮的官能团组成,要认清煤的大分子结构,必须掌握好有机化学中芳烃、环烷烃、酚和杂环化合物这些章节的内容,另外煤经常发生的一些化学反应,如氧化反应、裂解反应、芳构化反应、加氢反应、缩聚反应、脱氧反应和磺化反应等也渗透在有机化学各章节中。煤的浮选过程中浮选药剂分为捕收剂、起泡剂和调整剂三种,这些药剂大多是有机化合物。捕收剂主要是煤油、轻柴油等,它们是石油裂解的馏分产品,主要是C11-C16的烷烃,在有机化学烷烃的学习中可以介绍;起泡剂包含天然起泡剂松醇油(α-萜烯醇),工业副产品起泡剂杂醇和仲辛醇,人工起泡剂醚醇类化合物,在有机化学萜类、醇类和醚类化合物的讲授中介绍;调整剂主要是一些乳化剂和絮凝剂,涉及有机化学中高分子聚合物的知识。水煤浆是一种新型的煤基流体燃料,由煤70%、水30%和少量添加剂经一定工艺流程加工而成,添加剂起着关键作用。水煤浆添加剂中主要是分散剂和稳定剂,分散剂是磺酸盐、羧酸盐、聚烯烃类化合物,稳定剂是高分子表面活性剂、聚丙烯酸盐类化合物,这些涉及羧酸和高分子聚合物的相关知识。目前,多学科交叉、渗透、融合,以基础知识与专业知识密切结合为切入点,将相互具有内在联系的有机化学、煤化学、选矿学的教学内容融合,将打破过去有机化学、煤化学和选矿学在课程设置上过于独立、缺乏联系的局面,整合原有课程内容,拓展学生知识结构。
二、有机化学教学方法的改革
传统教学方法以教师在课堂上的“填鸭式”教学模式为主,往往忽略了学生的主体性,不利于学生自主学习和创新能力的培养。为了培养学生的自学能力和思考能力,提高教学效率和质量,我们在教学中采用了灵活多样的教学方法,通过启发式、互动式和讨论式等多种教学方法,引导学生课堂上积极思考,独立解决问题。在教学过程中我们增加一些教科书上没有列出的反应及其具体应用实例,将同类型的反应随时进行总结,既可提高学生的学习兴趣和积极性,又可开拓学生的视野和扩大知识面。例如,水煤浆添加剂中普遍用到的分散剂是萘磺酸盐,在萘磺酸盐的制备过程中涉及我们所学有机化学中萘的磺化反应,萘在165℃时与浓硫酸反应的主要产物是β-萘磺酸,β-萘磺酸经过与甲醛发生缩合反应后与碱中和即可得到我们所需的产品萘磺酸盐。学生通过这个实例的学习,将会加深对萘的磺化反应的认识,同时拓宽了知识面,还与所学的专业知识也联系起来。FS-201作为一种浮选剂在很多选煤厂使用,它的药剂用量比煤油低30%左右。这种药剂的主要成分是轻质烷基苯。这种药剂的合成涉及有机化学中最著名的傅克烷基化反应。它的合成是烯烃与苯在三氯化铝的催化作用下进行傅克烷基化反应,反应物经碱洗、水洗再经脱苯、精馏,截取255℃以前的馏分。课本中一个普通的化学反应在工业上得到应用,学生将会印象深刻。通过这些实例的学习,学生发现有机化学课程并不是完全和自己所学的专业没有关系,专业知识也并不是深奥难懂,基础课程和专业课程相辅相成,融会贯通。
三、有机化学教学手段的更新
随着计算机的发展,多媒体教学成为课堂的主流教学手段,它增加了课程容量,提高了课堂效率,使有机化学中抽象的内容变得形象生动化。但是多媒体教学在有机化学的教学中也存在一些弊端,如学生觉得幻灯片的变换太快,知识内容太多,难以领悟,学生在课堂上看得多,思考得少。因此我们在教学过程中将多媒体技术与传统教学手段结合起来,每次课堂前十分钟,通过板书的方式回忆上一次课堂内容,这样就能巩固和复习旧的知识点。在课堂上我们还增加了一些课练习,让同学上讲台演示做法,大大提高了学生的兴趣。为了让多媒体生动形象,教师根据教学大纲的要求,对原有的扫描的方程式和图表采用ChemOffice软件重新制作,使课件更加美观,内容更加饱满。ChemOffice是英国剑桥公司出版的世界上优秀的桌面化学软件,包括ChemDrawUltra、Chem3DUltra、ChemFinderUltra等一系列完整的软件。它可以将化合物名称直接转为结构图,省去绘图的麻烦;也可以对已知结构的化合物命名,给出正确的化合物名称;还能够绘制化合物的3D分子轮廓图及对分子轨道特性进行分析。与此同时,我们还引导和鼓励学生自学掌握ChemOffice软件的使用,课后作业用软件完成,上交电子作业。学生对于这些基本工具的掌握,将对未来毕业论文(设计)中化合物的书写,以及发表学术论文有很大的帮助。模具教学也是我们有机化学的重要辅助手段,有机化学中的分子、原子、各种基团以及化合物的构型是肉眼看不见和摸不着的,学生对有机化合物的立体结构、反应机理感到抽象和难以理解,我们通过购买的模具演示,学生更易接受和理解,加深印象。总之,多种教学手段的结合,将发挥各自的优势,取长补短,各种教学手段的使用恰到好处,使课堂教学更加丰富,充满活力和吸引力。
作者:张军王启宝王立艳单位:中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院
【论文摘要】: 无机化学是化学学科里其它各分支学科的基础学科,在近年来取得较突出的进展,主要表现在固体材料化学、配位化学等方面。未来无机化学的发展特点是各学科交叉纵横相互渗透,用以解决工业生产与人民生活的实际问题。文章就当代无机化学研究的前沿与未来发展趋势做了简要阐述。
当前无机化学的发展趋向主要是新型的无机化合物的合成和应用,以及新的研究领域的开辟和建立。因此21世纪理论与计算方法的运用将大大加强理论和实验更加紧密的结合。同时各学科间的深入发展和学科间的相互渗透,形成许多学科的新的研究领域。例如,生物无机化学就是无机化学与生物学结合的边缘学科;固体无机化学是十分活跃的新兴学科;作为边沿学科的配位化学日益与其它相关学科相互渗透与交叉。
根据国际上最新进展和我国的具体情况,文章就“无机合成与制备化学研究进展”和“我国无机化学最新研究进展”两个方面进行阐述:
一、无机合成与制备化学研究进展
无机合成与制备在固体化学和材料化学研究中占有重要的地位, 是化学和材料科学的基础学科。发展现代无机合成与制备化学, 不断地推出新的合成反应和路线或改进和绿化现有的陈旧合成方法, 不断地创造与开发新的物种, 将为研究材料结构、性能(或功能) 与反应间的关系、揭示新规律与原理提供基础。近年来无机合成与制备化学研究的新进展主要表现为以下几个方面:
(一) 极端条件合成
在现代合成中愈来愈广泛地应用极端条件下的合成方法与技术来实现通常条件下无法进行的合成, 并在这些极端条件下开拓多种多样的一般条件下无法得到的新化合物、新物相与物态。超临界流体反应之一的超临界水热合成就是无机合成化学的一个重要分支。
(二) 软化学合成
与极端条件下的合成化学相对应的是在温和条件下功能无机材料的合成与晶化, 即温和条件下的合成或软化学合成。由于苛刻条件对实验设备的依赖与技术上的不易控制性, 减弱了材料合成的定向程度。而温和条件下的合成化学——即“软化学合成”, 正是具有对实验设备要求简单和化学上的易控性和可操作性特点, 因而在无机材料合成化学的研究领域中占有一席之地。
(三) 缺陷与价态控制
缺陷与特定价态的控制是固体化学和固体物理重要的研究对象, 也是决定和优化材料性能的主要因素。材料的许多性质如发光、导电、催化等都和缺陷与价态有关。晶体生长行为和材料的反应性与缺陷关系密切, 因此, 缺陷与价态在合成中的控制显然成为重要的科学题。缺陷与特定价态的生成和变化与材料最初生成条件有关, 因此,可通过控制材料生成条件来控制材料中的缺陷和元素的价态。
(四) 计算机辅助合成
计算机辅助合成是在对反应机理有了了解的基础上进行的理论模拟过程。 国际上一般为建立与完善合成反应与结构的原始数据库, 再在系统研究其合成反应与机理的基础上, 应用神经网络系统并结合基因算法、退火、Mon te2Carlo 优化计算等建立有关的合成反应数学模型与能量分布模型, 并进一步建立定向合成的专家决策系统。
(五) 组合化学
组合化学是利用组合论的思想和理论, 将构建单元通过有机/无机合成或化学法修饰, 产生分子多样性的群体(库) , 并进行优化选择的科学。组合化学用于合成肽组合库, 也称组合合成、组合库和自动合成法。组合方法同时用n 个单元与另外一组n′个单元反应, 得到所有组合的混合物, 即n+ n′个构建单元产生n×n′批产物。
(六) 理想合成
理想合成是从易得的起始物开始, 经过一步简单、安全、环境友好、反应快速、100% 产率获得目标产物。趋近理想合成策略之一是开发一步合成反应,如富勒烯及相关高级结构的合成, 从易得的石墨出发, 只需一步反应即得到目标产物, 产率44%。趋近理想合成策略之二为单元操作。相对复杂的分子, 如药物、天然产物的合成, 需要多步反应完成。在自然界里, 生物采取多级合成的策略, 在众多酶的作用下, 用前一步催化反应的产物作为后续反应的起始物, 直至目的产物的生成。
(七) 仿生合成
仿生合成无论从理论还是从应用上都将具有非常诱人的前景。无机合成与制备化学在生物矿化、有机/无机纳米复合、无机分子向生物分子转化等研究领域发挥重要作用。用一般常规方法难于进行的非常复杂的合成如何利用生物合成将其变为高效、有序、自动进行的合成。例如生物体对血红素的合成可以从最简单的酪氨酸经过一系列酶的作用很容易地合成出结构极为复杂的血红素。因此,仿生合成将成为21 世纪合成化学中的前沿领域。
二、我国无机化学研究最新进展
近几年我国无机化学基础研究取得突出进展,成果累累,主要在以下几个方面取得了令人瞩目的成绩:
(1) 中科大钱逸泰、谢毅研究小组在水热合成工作的基础上,在有机体系中设计和实现了新的无机化学反应,在相对低的温度下制备了一序列非氧化物纳米材料。溶剂热合成原理与水热合成类似,以有机溶剂代替水,在密封体系中实现化学反应。他们在苯中280度下将GaCl3和Li3N反应制得纳米GaN的工作发表在Science上。
(2) 吉林大学冯守华、徐如人研究组应用水热合成技术,从简单的反应原料出发成功地合成出具有螺旋结构的无机-有机纳米复合材料,M(4,4'-bipy)2(VO2)2(HPO4)4(M=Co;Ni)。在这两个化合物中,PO4四面体和VO4三角双锥通过共用氧原子交替排列形成新颖的V/P/O无机螺旋链。
(3) 南京大学熊仁根、游效曾等在光学活性类沸石的组装及其手性拆分功能研究方面设计和合成具有手性与催化功能的无机有机杂化多维结构,他们改性了光学活性的天然有机药物(奎宁),以它作为配体同金属离子自组装构成了一个能进行光学拆分消旋 2-丁醇和3-甲基-2-丁醇,拆分率达 98?以上的三维多孔类沸石。
(4) 中国科学院福建物质结构研究所洪茂椿,吴新涛等在纳米材料和无机聚合物方面的工作引起国内外同行的广泛重视。他们成功地合成纳米金属分子笼(nanometer-sized metallomolecular cage),还成功的构筑了一个新型的具有纳米级孔洞的类分子筛[{Zn4(OH)2(bdc)3}.4(dmso)2H2O]n,其中孔洞的大小近一纳米。在金属纳米线和金属-有机纳米板的合成和结构的研究成果斐然。设计合成了一些金属纳米线,金属-非金属纳米线和金属有机纳米板。
(5) 北京大学高松研究小组在磁分子材料的研究方面取得了突出成果。在水溶液中以1:1:1的摩尔比缓慢扩散K3[M(CN)6](M=Fe3+,Co3+),bpym(2,2'-bipyrimidine)和Nd(NO3)3,合成了第一例氰根桥联的4f-3d二维配位高分子[NdM(bpym)(H2O)4(CN)6]。3H2O,24个原子形成的二维拓扑结构。
(6) 清华大学李亚栋研究组在新型一维纳米结构的制备、组装方面取得了突出的进展。李亚栋课题组首次发现了由具有准层状结构特性的金属铋形成的一种新型的单晶多壁金属纳米管,有关研究成果在美国化学会志上(J.Am.Chem.Soc.123(40),9904-9905,2001)报道。这是国际上首例由金属形成的单晶纳米管,铋纳米管的发现为无机纳米管的形成机理和应用研究提供了新的对象和课题。
面对生命科学、材料科学、信息科学等其他学科迅速发展的挑战和人类对认识和改造自然提出的新要求,化学在不断地创造出新的物质和品种来满足人民的物质文化生活,造福国家,造福人类。当前,资源的有效开发利用、环境保护与治理、社会和经济的可持续发展、人口与健康和人类安全、高新材料的开发和应用等向我国的科学工作者提出一系列重大的挑战性难题,迫切需要化学家在更高层次上进行化学的基础研究和应用研究,发现和创造出新的理论、方法和手段,并从学科自身发展和为国家目标服务两个方面不断提出新的思路和战略设想,以适应21世纪科学发展的需求。
参考文献
[1] 徐如人, 庞文琴. 无机合成与制备化学 [M]. 北京:高等教育出版社. 2001.
[2] 冯守华, 徐如人. 无机合成与制备化学研究进展[J]. 化学进展 ,2000(12).