尹求元 何亞璋

摘要：提出了對稱性結(jié)構(gòu)同分異構(gòu)體書寫思路，針對各步書寫中的思維障礙進行了分類，并通過研究發(fā)現(xiàn)：學業(yè)優(yōu)秀生主要存在思維有序性障礙，學業(yè)中等生主要存在類別異構(gòu)障礙和思維有序性障礙，學業(yè)較差生的思維障礙在各個階段都存在。突破思維障礙的策略為：掌握“二價基團”，突破不飽和度計算障礙;形成對稱結(jié)構(gòu)觀，突破對稱性結(jié)構(gòu)尋找障礙;形成分類觀，突破類別缺失障礙;掌握替氫、堵氫基團使用方法，突破位置異構(gòu)尋找障礙;結(jié)構(gòu)與性質(zhì)全面檢驗，突破慣性思維障礙。

關(guān)鍵詞：對稱性結(jié)構(gòu)同分異構(gòu)體;思維障礙;突破策略

文章編號：1008-0546（2022）09-0035-05中圖分類號：G632.41文獻標識碼：B

一、問題的提出

限制條件同分異構(gòu)體書寫是每年高考題有機的必考題型。同分異構(gòu)體書寫從碳骨架來看，可分為：鏈狀結(jié)構(gòu)、環(huán)狀結(jié)構(gòu);從對稱性來看，可分為：對稱性結(jié)構(gòu)和非對稱性結(jié)構(gòu)。分析浙江省從2016年10月到2021年6月選考卷中同分異構(gòu)體書寫題目，考查頻次統(tǒng)計見表1。

從表1可以看出，對稱性結(jié)構(gòu)同分異構(gòu)體的考查是?？紗栴}。在高三的教學過程中，發(fā)現(xiàn)學生在書寫對稱性結(jié)構(gòu)同分異構(gòu)體時，很多同學處于思維混亂的狀態(tài)，容易出現(xiàn)錯寫、漏寫，甚至有的同學直接放棄這類的題目。

對稱性結(jié)構(gòu)同分異構(gòu)體的書寫具體存在哪些思維障礙，又怎樣引導學生突破這些思維障礙呢？筆者結(jié)合教學實際，作了初步的探究。

二、對稱性結(jié)構(gòu)同分異構(gòu)體書寫思路及障礙分析

基克等人將問題的解決過程分為四個階段，分別為問題表征階段、設計解題計劃階段、執(zhí)行解題計劃階段和監(jiān)控評價階段。[1]根據(jù)基克的理論，對稱性同分異構(gòu)體書寫可分為4步，見圖1。

1.分析：先計算總的不飽和度，明確限定條件后的結(jié)構(gòu)特點。

2.假設：依據(jù)除主體結(jié)構(gòu)后剩余的碳原子、氮原子、氧原子的數(shù)目及不飽和度，尋找對稱性的主體結(jié)構(gòu)以及可能的類別異構(gòu)。

3.組裝：再次依據(jù)除主體結(jié)構(gòu)后剩余碳原子、氮原子、氧原子的數(shù)目及不飽和度，利用位置異構(gòu)進行組裝嘗試。

4.檢驗：結(jié)合等效氫數(shù)目和性質(zhì)對所書寫結(jié)構(gòu)進行檢驗。若合適，就保留;若不合適，就需舍去，并重新組裝或重新假設。

思維障礙顧名思義，就是人腦在進行思維過程中由于受到某種來自外界或自身思維程序的阻斷而產(chǎn)生的，導致自身思維過程被迫中止、思維陷入混亂等現(xiàn)象的過程。結(jié)合對稱性結(jié)構(gòu)同分異構(gòu)體書寫思路，主要思維障礙表現(xiàn)在解決過程的四個階段，思維障礙共分為8類，如表2所示。

三、對稱性結(jié)構(gòu)同分異構(gòu)體書寫障礙調(diào)查研究

本研究主要采用測驗法，研究學業(yè)優(yōu)秀生、學業(yè)中等生和學業(yè)較差生在對稱性結(jié)構(gòu)同分異構(gòu)體書寫中存在的思維障礙的主要特點與差異。

1.被試

本次研究對象為浙江省嘉興市某普通中學的高三選考化學的30名學生，已完成“有機化學基礎”的學習。根據(jù)30名被試在實驗前高二期末考試和高三的二次市統(tǒng)一考試中的化學成績的平均分進行排名，按照統(tǒng)計學的分類值進行劃分將學生分為3類，前27%的學生為學業(yè)優(yōu)秀生，后27%的學生為學業(yè)較差生，中間46%的學生為學業(yè)中等生。

2.測試材料

本研究從浙江省各地市選考模擬試題中選擇了6道試題進行測試。測試題1、2、3考查的是只含苯環(huán)的對稱性結(jié)構(gòu)。其中1、2主要考查苯環(huán)上的位置異構(gòu)，包括軸對稱和中心對稱，第3題是類別異構(gòu)、位置異構(gòu)相關(guān)聯(lián)的考查。測試題4、5考查的是含氮原子或氧原子雜環(huán)的對稱性結(jié)構(gòu)問題。其中第4題主要考查含氮原子雜環(huán)的位置異構(gòu)問題，第5題主要考查含雜環(huán)時類別異構(gòu)、位置異構(gòu)相關(guān)聯(lián)問題。測試題6考查的是既含苯環(huán)又有雜環(huán)結(jié)構(gòu)的類別異構(gòu)、位置異構(gòu)相關(guān)聯(lián)問題。

3.統(tǒng)計分析

將每道試題可能存在的思維障礙進行分析，針對學生的答題情況，統(tǒng)計出各類學生某種思維障礙出現(xiàn)的頻次，結(jié)果如表3所示。

從上述統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)：

（1）學業(yè)優(yōu)秀生的思維障礙主要是在第三個階段組裝時存在位置有序書寫障礙和創(chuàng)新結(jié)構(gòu)書寫障礙。

（2）學業(yè)中等生的思維障礙主要是在第二階段假設時的類別異構(gòu)障礙和第三階段組裝時存在思維有序性障礙。

（3）學業(yè)較差生的思維障礙在各個階段都存在。在第一階段的分析時知識性障礙和計算不飽和度障礙就有一半的學生存在，導致后續(xù)步驟無法進行或錯誤進行。

四、對稱性結(jié)構(gòu)同分異構(gòu)體書寫突破障礙的策略

1.掌握“二價基團”方法，突破不飽和度計算障礙

不飽和度是有機物分子不飽和程度的量化指標，用希臘字母“Ω”表示。有機物中的氫原子數(shù)與飽和鏈烴中的氫原子數(shù)相比，每少兩個氫原子就增加一個不飽和度。不飽和度的計算主要兩種方法：

（1）從分子式計算。若分子式中含有氧原子可不考慮，因為氧原子（-O-）是成兩個鍵（即二價基團），可以插入分子中，不影響氫原子數(shù)，所以可不考慮。因此利用二價基團規(guī)則，若分子中含有氮原子，則將氮原子改寫為-NH-。如分子式為CxHyOzNp，則改寫

（2）從有機物結(jié)構(gòu)計算。Ω=雙鍵數(shù)+三鍵數(shù)×2+單鍵環(huán)數(shù)+…注意：硝基（-NO2）Ω=1;亞硝基（-NO）Ω=1。

2.構(gòu)建對稱結(jié)構(gòu)模型，突破對稱結(jié)構(gòu)認識障礙在限制條件同分異構(gòu)體的書寫中，對稱性結(jié)構(gòu)的考查頻率最高。從上述測試題的考查來看，總的來說，學生對苯環(huán)的對稱性結(jié)構(gòu)掌握較好，但對其他環(huán)狀結(jié)構(gòu)、碳碳雙鍵的對稱性掌握較差。

其中主要考查的有苯環(huán)的軸對稱和中心對稱。如圖2所示：

學生對苯環(huán)上軸對稱圖①、圖②和③掌握較好，對圖④中心對稱的掌握較差。

碳碳雙鍵的對稱性和四元環(huán)的對稱性考查如下圖所示。學生不能全面掌握圖⑤⑥中碳碳雙鍵的兩種對稱方式，也不能很好地掌握圖⑦⑧中的兩種對稱方式。

3.形成分類觀，突破類別異構(gòu)分析障礙

在解決限制性條件同分異構(gòu)體書寫問題時，在第二步做出可能結(jié)構(gòu)的假設時，就需要學生從整體上進行構(gòu)思分類，尋找解題的方向。我們一般可以從不飽和度、物質(zhì)性質(zhì)或成鍵方式這三個角度思考分類方式。

（1）從不飽和度角度進行分類

例1：【2020年1月浙江選考第31題（5）】從除苯環(huán)外的一個不飽和度出發(fā)，結(jié)合2C、2O、1N分為碳氧雙鍵（羧酸類、酯類、酰胺類等）、碳碳雙鍵、碳氮雙鍵等。

（2）從性質(zhì)角度進行分類

例2：【2020年1月浙江選考第31題（5）變式】寫出化合物C8H9O2N的所有同分異構(gòu)體的結(jié)構(gòu)簡式（不考慮立體異構(gòu)）：

①1HNMR譜顯示不同化學環(huán)境的氫原子數(shù)目比為2∶2∶2∶3;

②除苯環(huán)外沒有其他環(huán)狀結(jié)構(gòu);③1mol該同分異構(gòu)體可與2molNaOH反應。

經(jīng)過第一步分析發(fā)現(xiàn)其中一個限制性條件是1mol該同分異構(gòu)體可與2molNaOH反應，結(jié)合含有苯環(huán)和含有兩個氧原子，可以做出分類假設（見圖4）：

（1）可能含有一個酚酯基。

（2）可能含有兩個酚羥基。

然后在各類別中考慮剩余的原子數(shù)目和剩余的不飽和度，進行組裝嘗試，最后檢驗。

（3）從成鍵方式角度進行分類

例3：【2019年4月浙江選考第32題（4）】寫出分子式為C6H13NO2同時符合下列條件的同分異構(gòu)體的結(jié)構(gòu)簡式。

①分子中有一個六元環(huán)，且成環(huán)原子中最多含2個非碳原子;

②1HNMR譜和IR譜檢測表明分子中有4種化學環(huán)境不同的氫原子。有N-O鍵，沒有過氧鍵（-O-O-）。

經(jīng)過第一步分析發(fā)現(xiàn)其中一個限制性條件是分子中有一個六元環(huán)，且成環(huán)原子中最多含2個非碳原子，結(jié)合不飽和度為1和碳、氮、氧原子數(shù)目，可以做出分類假設（見圖5）：

然后在各類別中考慮剩余的原子數(shù)目和剩余的不飽和度，進行組裝嘗試，利用等效氫進行檢驗。

4.掌握替氫、堵氫基團使用方法，突破位置有序書寫障礙

在第三步組裝時，學生對左右兩個對稱位置基團平移形的位置異構(gòu)掌握較好，但在單個基團位置異構(gòu)時會出現(xiàn)遺漏情況。這時就需要掌握替氫基團、堵氫基團的使用方法了。

（1）掌握替氫基團的使用方法

例如：在上述2019年4月浙江選考第32題（4）的解題過程你會發(fā)現(xiàn)不是在第二步假設時類別異構(gòu)中少寫了這種環(huán)上含一個氧原子的情況，而是在檢驗時發(fā)現(xiàn)寫出來的結(jié)構(gòu)多了一種氫原子而舍去了。這時其實如果具有利用原結(jié)構(gòu)中的一種替氫基團去替換另外只有一個氫原子即是一種氫的位置，也是可以減少一種氫原子的思維方法，就可寫出合適的結(jié)構(gòu)。如圖6所示，左邊化各物3號位置只有一個氫原子，且是五種氫中的一種，因此可以用原結(jié)構(gòu)中的甲基去替換3號位置的那一個氫原子，就可寫出圖6中右邊2種只含四種氫原子的結(jié)構(gòu)簡式。

（2）掌握堵氫基團的使用方法

例4：寫出化合物C11H14NOCl同時符合下列條件的同分異構(gòu)體的結(jié)構(gòu)簡式

①1HNMR譜顯示分子中共有5種H;

②分子中有兩個六元環(huán)，其中一個是苯環(huán)，環(huán)上最多含一個非碳原子，兩個環(huán)無共用邊。

在找到如圖7所示的兩種結(jié)構(gòu)主體后，會發(fā)現(xiàn)這兩種主體結(jié)構(gòu)都有6種氫原子，比限制條件多一種，因此這時就可使用堵氫基團-Cl，找到只有一個氫原子即為一種氫原子的位置。在主體結(jié)構(gòu)1中，只有1號位置符合堵氫，在主體結(jié)構(gòu)2中1號和4號位置符合。在解這道測試題時，發(fā)現(xiàn)學業(yè)優(yōu)等生常常會出現(xiàn)遺漏的情況。尤其是在主體結(jié)構(gòu)2的情況下，沒有意識到1號和4號位置從堵氫角度來看是等價的。

限定條件的同分異構(gòu)體類型復雜，思維容量大。因此應用合適的思維模型，有利于培養(yǎng)學生思維的有序性、縝密性和系統(tǒng)性。了解學生的思維障礙點，有助于針對性地開展教學;從根本上形成對稱觀、分類觀、不飽和度觀等有助于問題的解決。

5.結(jié)構(gòu)與性質(zhì)全面檢驗，突破監(jiān)控反思障礙

在進行最后一步檢驗時，習慣性地從等效氫角度進行檢驗，而不能從性質(zhì)角度進行監(jiān)控反思從而導致錯誤。如上述例2，題目限制性條件要求有：

①1HNMR譜顯示不同化學環(huán)境的氫原子數(shù)目比為2∶2∶2∶3;

②除苯環(huán)外沒有其他環(huán)狀結(jié)構(gòu);③1mol該同分異構(gòu)體可與2molNaOH反應。

在酚酯基類別中可能寫出如圖8所示的兩種結(jié)構(gòu)，若只是習慣性地從結(jié)構(gòu)等效氫的數(shù)目進行檢驗的話，會發(fā)現(xiàn)這兩種結(jié)構(gòu)都符合;但如果再結(jié)合性質(zhì)進行檢驗就會發(fā)現(xiàn)右圖結(jié)構(gòu)不符合條件③，與NaOH溶液反應會消耗3molNaOH。所以經(jīng)過結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的全面檢驗后，只有左圖結(jié)構(gòu)在酚酯基這一類別中符合要求。

五、小結(jié)

經(jīng)過教學實踐的檢驗發(fā)現(xiàn)，上述突破思維障礙的策略具有良好的可操作性，學生不再懼怕該類問題，提高了學生對此類問題的分析與解題能力，思維的有序性、縝密性和系統(tǒng)性都得以提升。但不足在于限制條件同分異構(gòu)體書寫中非對稱結(jié)構(gòu)的問題還有待研究。

參考文獻

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