楊明岸 李俊

摘要： 選取匹配高中生學(xué)習(xí)能力并體現(xiàn)科學(xué)前沿的學(xué)術(shù)論文為素材，命制一道以“合成抗癌藥物Glivec”為情境的綜合性有機(jī)化學(xué)原創(chuàng)模擬題。對解題過程與命題特色進(jìn)行分析，選取真實(shí)的情境作為測試載體，注重信息整理能力的考察，展現(xiàn)化學(xué)科學(xué)的社會功能。

關(guān)鍵詞： 抗癌藥物Glivec; 原創(chuàng)試題; 模擬試題解析

文章編號： 1005-6629（2021）02-0075-07

中圖分類號： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

在深入研讀《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》的基礎(chǔ)上[1]，精心設(shè)計了一道有機(jī)化學(xué)原創(chuàng)題，為高中學(xué)業(yè)水平等級性考試服務(wù)。以瑞士諾華公司推出的抗癌藥物Glivec的新工藝合成路線為背景[2～4]，檢測學(xué)生的信息整合與化學(xué)語言表達(dá)能力，挖掘?qū)W生身上的創(chuàng)造性潛質(zhì)以實(shí)現(xiàn)有效的分層考核?；诨瘜W(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的測試宗旨，在真實(shí)的情境中設(shè)計進(jìn)階的測試任務(wù)，發(fā)揮學(xué)科獨(dú)特的育人功能，以期為教師教學(xué)思路的拓寬與學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)產(chǎn)生積極的影響。

1? 原創(chuàng)試題

Glivec在治療慢性粒細(xì)胞白血病和胃腸道間質(zhì)瘤上的顯著療效，引起了科學(xué)界的極大關(guān)注。有關(guān)Glivec的一種合成路線如下圖1所示。

已知：

① 化合物E不能被弱氧化劑氧化

② 芳甲基位的氫與（NBS）可發(fā)生取代

反應(yīng)，其產(chǎn)物為α-溴代物

③ （a） R1NH2+R2COXR1NHCOR2+HX

（b） R1NH2+R2COOR3R1NHCOR2+R3OH

（c）? ?BrO? OH+NH3

NH2O? OH

回答下列問題：

（1） 對于化合物K，下列說法正確的是（不定項(xiàng)）

a. 可以在酸性或堿性的條件下發(fā)生水解反應(yīng)

b. 屬于合成高分子化合物

c. 既能發(fā)生取代反應(yīng)，也能發(fā)生加成反應(yīng)

d. 分子內(nèi)存在手性碳原子

（2） E中所含的官能團(tuán)有? ? ? ? ，由G生成H的反應(yīng)類型是? ? ? ? 。

（3） 含C、 H、 O三種元素的未知物P經(jīng)氯化、水解和?；炔襟E后，得到收率高、純度高的產(chǎn)物I，經(jīng)元素分析儀測定該未知物P中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為78.64%，推測P的化學(xué)名稱為? ? ? ? 。由H與I生成J的化學(xué)方程式為? ? ? ? ? ? ? ? 。

（4） G的結(jié)構(gòu)簡式為? ? ? ? ，由B生成C的化學(xué)方程式為? ? ? ? ? ? ? ? （需注明具體的試劑）。

（5） 已知C比未知物W的相對分子質(zhì)量小28， W的同分異構(gòu)體中能同時滿足以下條件的結(jié)構(gòu)簡式為? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 。

① 1H-NMR有5種類型氫原子的吸收峰，峰面積之比為2∶2∶2∶1∶1

② 1mol的化合物W理論上最多能消耗2mol NaOH，與NaOH完全反應(yīng)后，所得到的有機(jī)物中氫原子的種類完全相同

③ 不能發(fā)生銀鏡反應(yīng)，但能與飽和NaHCO3溶液反應(yīng)放出CO2

④ 遇FeCl3溶液不顯示特征顏色

（6） 由G生成H的反應(yīng)可用Pd/C作催化劑加氫，但工藝制備常在水合肼（NH2—NH2）、 80℃的條件下進(jìn)行，試從工藝生產(chǎn)的角度簡述主要原因：? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?。

（7） 根據(jù)專利報道，Glivec（甲磺酸伊馬替尼）的α或β晶型（經(jīng)X射線衍射儀測定）可用以下幾種溶劑組合來制備（見表1）。

（a） 已知不同的溶劑對于不同晶型的形成會有一定的影響，由此試推測Glivec β晶型形成的原因。

（b） 上述結(jié)晶條件均可順利制備得到Glivec的晶型，但都存在殘留溶劑偏高的現(xiàn)象，試分析引起的原因。

表1? 溶劑組合與結(jié)晶條件對Glivec晶型形成的影響

序號溶劑組合結(jié)晶條件概述晶型

1丙酮在丙酮中成甲磺酸伊馬替尼，回流20分鐘左右，降溫至20～30℃攪拌結(jié)晶α

2丙酮和水在丙酮和水混合溶液中成鹽，加熱溶解，活性炭脫色，過濾，降溫至0～20℃結(jié)晶β

3甲醇和丙酮在甲醇中成鹽，加熱溶解，活性炭脫色，過濾，加入丙酮，降溫至0～10℃結(jié)晶β

4乙腈

（CH3CN）乙腈中成鹽，加熱至60℃，保溫30分鐘左右，活性炭脫色，降溫過濾，減壓濃縮，加入晶種攪拌結(jié)晶6小時左右α

（8） 結(jié)合本題合成路線和已知信息②、③，以對甲基苯甲酸甲酯和NNNNH2為原料制備Glivec，設(shè)計合成路線（其他試劑任選）。

2? 解題思路

（1） 化合物K中存在肽鍵，在加熱的條件下可與強(qiáng)酸或強(qiáng)堿發(fā)生水解反應(yīng);有機(jī)高分子化合物按來源可分為天然高分子化合物和合成高分子化合物，相對分子質(zhì)量一般高達(dá)104～106，明顯K的相對分子質(zhì)量不處于該數(shù)量級中，故不屬于合成高分子化合物;K分子中苯環(huán)上的氫原子可以發(fā)生取代反應(yīng)，含碳碳雙鍵、碳氧雙鍵可發(fā)生加成反應(yīng)（如加氫還原）;K中不存在同時滿足sp3雜化且連有四個不同基團(tuán)的碳原子，不存在手性碳原子。故ac兩項(xiàng)正確。

（2） 根據(jù)E的分子式可計算出不飽和度Ω=5，由已知信息①可得E中不含有羥基或醛基，由E→F可知，E中含有吡啶環(huán)。還缺一個不飽和度，故碳與氧之間形成雙鍵，且剩余的兩個碳原子必須處在同一鏈上，形成酮基，據(jù)此推出E的結(jié)構(gòu)式為NO，所含的官能團(tuán)為碳碳雙鍵、（酮）羰基、吡啶環(huán);對NH2—NH2的價鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，不難推出NH2—NH2具有較強(qiáng)的還原性，可使G發(fā)生還原反應(yīng)[為合理控制難度，該題在第（6）小題的題干信息“催化加氫”中有一定的暗示。該反應(yīng)實(shí)際上是由—NO2→—NH2的過程，屬于還原反應(yīng)，這是本題尤其需要注意的地方]。

（3） 綜合已知信息③-（c）、 K的結(jié)構(gòu)式、以及I中含有氯原子等信息，通過“切割法”與正逆推斷結(jié)合的方式可知J的結(jié)構(gòu)簡式為。I的不飽和度Ω=5，可根據(jù)其分子式以及J推測出I中含有苯環(huán)與碳氧雙鍵，且苯環(huán)上有兩個處于對位的取代基，得到I為。由元素的組成以及碳原子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可判斷出P的分子式為C8H10O，不飽和度Ω=4，即苯環(huán)取代基上的碳與氧只能形成單鍵，綜合來看，P為;由信息③-（a）以及逆合成分析法，可得H為。

（4） G→H發(fā)生還原反應(yīng)，H中含有特征官能團(tuán)“—NH2”，根據(jù)中學(xué)階段涉及到的知識范圍并綜合整個合成路線的線索來看，可相應(yīng)地推出G中含有—NO2，結(jié)構(gòu)式為（G的推導(dǎo)思路不唯一，亦可從A順推至D后再結(jié)合F、 H，采用正、逆推斷結(jié)合法對已知分子進(jìn)行“切割”與“嵌入”，但這種方法對學(xué)生的知識水平以及推斷能力要求較高，故此方法僅供參考）。

（5） 根據(jù)A的分子式，可計算出其不飽和度Ω=4，即A為。結(jié)合NH2OH、 D的結(jié)構(gòu)簡式，可推知A→B為引入氨基的過程，發(fā)生鄰位取代的氨基化反應(yīng)，B為NH2。G的苯環(huán)上連有硝基，觀察后發(fā)現(xiàn)A→B， C→D， D+F→G均無明顯引入硝基的“痕跡”，B→C可能為課內(nèi)所學(xué)的硝化反應(yīng)。綜合來看，該假設(shè)與整個合成反應(yīng)所搭建的基本骨架相吻合，故試劑為硝酸、濃硫酸，產(chǎn)物C為NH2NO2，分子式為C7H8N2O2。W比C的相對分子質(zhì)量大28，恰好相差了一個碳原子與一個氧原子，可確定W的分子式為C8H8N2O3，不飽和度Ω=6。據(jù)條件，W中含有苯環(huán)、酰胺基（肽鍵）和羧基，不含有醛基或（酚）羥基。由1H-NMR的峰面積之比可推出分子具有一定的對稱性，苯環(huán)上的兩個取代基處于對位，最后確定W為。

（6） 氫氣在Pd/C作為催化劑的條件下還原有機(jī)物對設(shè)備的要求較高，投入的成本也高。且氫氣屬于易燃易爆的氣體，操作過程需格外謹(jǐn)慎。改用水合肼后，不需要?dú)錃庾鳛樵希⒏纳屏朔磻?yīng)條件（80℃，利用低溫共沸的原理），在經(jīng)濟(jì)效益與生產(chǎn)安全兩方面都體現(xiàn)出優(yōu)勢。

（7） （a） 通過表格內(nèi)容可知，溶劑組2和3形成β晶型，溶劑組1和4形成的是α晶型。從共性來看，前三組溶劑均含有丙酮，區(qū)別在于組2中的水和組3中的甲醇均含有羥基。從溶劑的角度進(jìn)行推測，羥基結(jié)構(gòu)有助于β晶型的形成。若要驗(yàn)證該推測，可通過乙醇和丙酮的組合來檢驗(yàn)。

（b） 從“微粒間相互作用與物質(zhì)性質(zhì)”的角度出發(fā)，每組溶劑分子中均含有像O、 N這樣電負(fù)性大、半徑小的“特殊”原子，而溶質(zhì)分子Glivec中存在較多含氫的N原子，在成鹽結(jié)晶的過程中易與溶劑分子之間發(fā)生締合作用（弱相互作用），即形成分子間氫鍵，進(jìn)而造成殘留溶劑的含量偏高。

（8） 參考本題的合成路線，要制得Glivec的關(guān)鍵點(diǎn)是合成化合物K，結(jié)合題干所給的原料之一和已知信息②③，根據(jù)逆合成分析法與“切斷法”，可逐步倒推出對甲基苯甲酸甲酯，基本骨架如下圖2所示。

3? 參考答案

（1） ac

（2） 碳碳雙鍵、（酮）羰基（其他官能團(tuán)不作要求，可不答）;還原反應(yīng)

（3） 對甲基苯甲醇（對甲基芐醇、4-甲基苯甲醇、4-甲基芐醇均可）

（條件可寫“加熱”）

（4）

（5）

（6） 在降低成本的同時，又提高了反應(yīng)的安全性。

（7） （a） 溶劑組2與3中除了均有丙酮外，還分別含有水和甲醇。水和甲醇中均含有羥基，羥基的結(jié)構(gòu)有助于β晶型的形成。

（b） Glivec分子中有含氫的N原子，在成鹽結(jié)晶過程中會與溶劑發(fā)生分子間的締合作用，形成分子間氫鍵。

（8）

本設(shè)計題完整的合成路線如圖3所示。

4? 命題思路

本題的解答

需要學(xué)生在仔細(xì)觀察分子結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，全面理解命題特色并有效整合相關(guān)的信息，對學(xué)生思維的整體性以及處理信息的靈活性提出了較高的要求[5];相比較于傳統(tǒng)有機(jī)化學(xué)題目的設(shè)計，具有素養(yǎng)、情境、問題和知識四個要素，充分展現(xiàn)化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的導(dǎo)向作用。在嚴(yán)格遵循課標(biāo)的基本要求上進(jìn)行設(shè)計，知識覆蓋面廣，創(chuàng)新程度高，能為中學(xué)未來面對高中學(xué)業(yè)水平等級考試的備考或命題提供參考。

4.1? 梯度適中，具備選拔功能

高中學(xué)業(yè)水平等級考試面向的對象是選擇化學(xué)作為計入高校招生錄取總成績的學(xué)生，除了必修內(nèi)容外，還需要修習(xí)選擇性必修課程全部模塊的內(nèi)容。在命制題目時合理、科學(xué)地調(diào)控各小題的難度，是整個設(shè)計過程的重要環(huán)節(jié)之一。前面問題的設(shè)置難度適中，讓大多數(shù)學(xué)生能夠快速入手以適應(yīng)題目的節(jié)奏，確保這一模塊的基本分。進(jìn)而有序地過渡到高階的題目，注重考察學(xué)生的基礎(chǔ)知識、思維能力與創(chuàng)新意識，有利于基礎(chǔ)扎實(shí)且具備化學(xué)素養(yǎng)的學(xué)生脫穎而出。該合成路線給出了起始物A與E的分子式、產(chǎn)物Glivec未成鹽前的結(jié)構(gòu)式及部分特征信息，這樣的精心設(shè)計有助于兼顧大部分學(xué)生的實(shí)際能力，讓大家都有一個良好的開端。部分題目要求學(xué)生有意識地綜合相關(guān)信息，作出深層次的判斷與推理。以第（7）小題為例，本題借鑒了2019年全國Ⅲ卷第36題（4）的設(shè)計思想，解答的關(guān)鍵點(diǎn)在于梳理出四組溶劑分子在結(jié)構(gòu)上的共性及與Glievc結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)。把題干中所給的有效信息加以歸納，目標(biāo)問題轉(zhuǎn)換成熟悉的關(guān)聯(lián)問題，將所學(xué)的課內(nèi)知識進(jìn)行遷移，串起兩者間的線索，看起來較為復(fù)雜的題目便迎刃而解。試題的區(qū)分度高，學(xué)生想得高分比較困難，但基本一分不得的極端情況難以發(fā)生，整體趨向于高斯分布。涉及的考查情境、考查內(nèi)容與考查要求見表2[6]。

4.2? 打破模塊間界限，凸顯知識間交叉

在理科綜合模式下的高考，全國卷化學(xué)中“物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”與“有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)”作為選考模塊，學(xué)生只需“二選一”作答即可。因此命題者需要格外注意模塊之間的獨(dú)立性，否則容易產(chǎn)生超綱的現(xiàn)象，影響試題的信度。而在新高考模式下，這兩個模塊都被納入化學(xué)必考的內(nèi)容中，屬于考綱范圍之內(nèi)。此外，物質(zhì)結(jié)構(gòu)中理論知識的指導(dǎo)作用，有助于拓寬認(rèn)識有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)的基本角度與思路，深化“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”的化學(xué)觀念，加強(qiáng)學(xué)生高階思維能力的培養(yǎng)。本次命制的有機(jī)

題在保留傳統(tǒng)高考命題風(fēng)格的基礎(chǔ)上，巧妙地融合了化學(xué)與社會發(fā)展、微粒間的相互作用與物質(zhì)的性質(zhì)兩個主題的部分內(nèi)容，豐富了考察內(nèi)容的層次性。在聚焦學(xué)科關(guān)鍵能力的同時，突出了化學(xué)思維與科學(xué)方法的重要作用以及化學(xué)知識點(diǎn)之間的交叉與融合。測試問題的各項(xiàng)內(nèi)容如表3所示[7， 8]。

4.3? 立足課標(biāo)，關(guān)注新增的修訂重點(diǎn)

本次命制的題目滲透了2017年版新課標(biāo)在“有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)”模塊的主要修改變化，具體闡釋如下： 增強(qiáng)從化學(xué)鍵與極性的角度解釋與預(yù)測有機(jī)化合物的相關(guān)性質(zhì)，明確對氨基、酰胺基等官能團(tuán)的認(rèn)識，彰顯化學(xué)與生命科學(xué)的聯(lián)系。當(dāng)前，新型儀器技術(shù)是研究有機(jī)

題號知識內(nèi)容認(rèn)知類型核心素養(yǎng)類型核心素養(yǎng)水平描述學(xué)業(yè)質(zhì)量水平

（1） 有機(jī)物的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)領(lǐng)會

（2） ①官能團(tuán)辨認(rèn)

（2） ②反應(yīng)類型辨認(rèn)

宏觀辨識與微觀探析

證據(jù)推理與模型認(rèn)知能從宏觀與微觀結(jié)合的視角對物質(zhì)及其變化進(jìn)行分類和表征;能描述或預(yù)測物質(zhì)的性質(zhì)和在一定條件下可能發(fā)生的化學(xué)變化

能運(yùn)用化學(xué)符號描述和表征常見簡單物質(zhì)

能從宏觀和微觀結(jié)合上收集證據(jù)，能依據(jù)證據(jù)從不同視角分析問題，推出合理結(jié)論2-1

2-1

（3） ①命名

（3） ②化學(xué)方程式

（4） ①結(jié)構(gòu)式

（4） ②化學(xué)方程式

（5） 同分異構(gòu)體領(lǐng)會、推理宏觀辨識與微觀探析能運(yùn)用化學(xué)符號描述和表征常見簡單物質(zhì)

推理宏觀辨識與微觀探析、證據(jù)推理與模型認(rèn)知能依據(jù)物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，描述或預(yù)測物質(zhì)的性質(zhì)和在一定條件下可能發(fā)生的化學(xué)變化;能依據(jù)各類物質(zhì)及其反應(yīng)的不同特征尋找充分的證據(jù)能解釋證據(jù)與結(jié)論之間的關(guān)系

推理、分析宏觀辨識與微觀探析能從宏觀與微觀結(jié)合的視角對物質(zhì)及其變化進(jìn)行分類和表征3-1

（6） 化學(xué)與技術(shù)應(yīng)用、分析科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任具有理論聯(lián)系實(shí)際的觀念，能依據(jù)實(shí)際條件并運(yùn)用所學(xué)的化學(xué)知識和方法解決生產(chǎn)、生活中簡單的化學(xué)問題;能依據(jù)“綠色化學(xué)”思想對某一個化學(xué)過程進(jìn)行分析，權(quán)衡利弊3-4

（7） 分子間相互作用（氫鍵）應(yīng)用、綜合宏觀辨識與微觀探析能依據(jù)物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，評估某種解釋或預(yù)測的合理性;能從宏觀與微觀結(jié)合的視角對物質(zhì)及其變化進(jìn)行分類和表征4-1

（8） 合成路線綜合、評價科學(xué)探究與創(chuàng)新意識、證據(jù)推理與模型認(rèn)知、宏觀辨識與微觀探析能對已有結(jié)論進(jìn)行反思，提出新的設(shè)想;能依據(jù)各類物質(zhì)及其反應(yīng)的不同特征尋找充分的證據(jù);

能對復(fù)雜的化學(xué)問題情境中的關(guān)鍵要素進(jìn)行分析以建構(gòu)相應(yīng)的模型;能描述或預(yù)測物質(zhì)的性質(zhì)和在一定條件下可能發(fā)生的化學(xué)變化4-14-3

注：“（2）①”代表第（2）小題的第一個空，以此類推;學(xué)業(yè)質(zhì)量水平編號的具體意義可參考《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》第五章（二）。

化學(xué)的基本工具，新課標(biāo)規(guī)定“知道紅外光譜、核磁共振等現(xiàn)代儀器分析方法應(yīng)用于有機(jī)物分子結(jié)構(gòu)的測定”這一要求，但不涉及譜圖的定量分析，因此沒有刻意針對儀器本身單獨(dú)命題，而是將其融入已知信息或題干中起到點(diǎn)睛的作用，側(cè)重于表層定性的功能。補(bǔ)充從氧化還原反應(yīng)認(rèn)識有機(jī)反應(yīng)的視角，傳統(tǒng)的有機(jī)化學(xué)題多為考察常見的取代反應(yīng)、加成反應(yīng)和消去反應(yīng)，加強(qiáng)氧化還原的教學(xué)是對必修核心概念的銜接與呼應(yīng)，與重視有機(jī)合成在人類生活生產(chǎn)實(shí)際中的應(yīng)用價值。人工合成的具有特殊功能的有機(jī)物在提高生活質(zhì)量促進(jìn)社會發(fā)展中作出了卓越的貢獻(xiàn)，其合成路線的精髓在于碳骨架的建立、官能團(tuán)的轉(zhuǎn)化與結(jié)構(gòu)的比較。綜上所述，本題在設(shè)計上旨在引導(dǎo)學(xué)生建立起“結(jié)構(gòu)—性質(zhì)—應(yīng)用”的認(rèn)識框架，進(jìn)而理解和掌握高中有機(jī)化學(xué)的核心問題。

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