融入有機高分子的“有機合成”教學探微

朱旭文

摘? 要：《有機合成》一課，通過課標研讀、教材比較、學情分析，明確教學目標和教學思路，設計的教學過程為：以環境熱點問題中的有機高分子“微塑料”為情境素材，通過乳酸合成路線的設計和討論，構建有機合成認知模型，并運用該模型合成新的有機高分子，深化認知結構。

關鍵詞：高中化學；有機合成；有機高分子；認知模型

本文系江蘇省教育科學“十四五”規劃課題“高中化學認知模型建構的實踐研究”（編號：D/2021/02/540）、江蘇省中小學教學研究第十四期課題“高中化學學業質量標準的實施策略研究”（編號：2021JY14ZB10）的階段性研究成果。

有機合成是化學研究的熱點，也是高中化學教學的重點與難點。有機合成路線設計更是高考必考題型。教學“有機合成”，筆者先研讀課程標準中相關的內容要求、學業要求和學業質量標準，分析不同版本教材的編排，得到了融入有機高分子的教學思路；接著，分析學情、確定教學目標。由此，進行教學設計。

一、課標研讀與教材比較

（一）課標研讀

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“課標”）中，關于“有機合成”的內容要求［1］如下：

（1） 認識有機合成的關鍵是碳骨架的構建和官能團的轉化，了解設計有機合成路線的一般方法。體會有機合成在創造新物質、提高人類生活質量及促進社會發展方面的重要貢獻……體會“綠色化學”思想在有機合成中的重要意義。

（2） 了解聚合物的組成與結構特點，認識單體和單體單元（鏈節）及其與聚合物結構的關系。了解加聚反應和縮聚反應的特點。

（3） 認識塑料、合成橡膠、合成纖維的組成和結構特點，了解新型高分子材料的優異性能及其在高新技術領域中的應用。

關于“有機合成”的學業要求［2］如下：

（1） 能綜合應用有關知識完成推斷有機化合物、檢驗官能團、設計有機合成路線等任務。

（2） 能對單體和高分子進行相互推斷，能分析高分子的合成路線，能寫出典型的加聚反應和縮聚反應的反應式。

（3） 能舉例說明塑料、合成橡膠、合成纖維的組成和結構特點，能列舉重要的合成高分子化合物，說明它們在材料領域中的應用。

關于“有機合成”的學業質量標準［3］如下：

水平31：能說明物質的組成、官能團和微粒間作用力的差異對物質性質的影響；能從多個角度對化學反應進行分類。

水平32：能根據解決問題的需要設計有機化合物的合成方案。

水平34：認識有機化合物轉化和合成在社會經濟可持續發展、提高生活質量等方面的重要貢獻。

水平42：能基于“綠色化學”理念設計有機化合物合成的方案。

水平44：能依據“綠色化學”思想分析某些化學產品生產和應用存在的問題，提出處理或解決化學問題的方案。

（二）教材比較

高中化學主要有人教版、蘇教版、魯科版三套教材。分析發現，三套教材對有機合成與合成高分子的編排順序有所不同：人教版安排在第三章第五節《有機合成》和第五章《合成高分子》；蘇教版以專題5第三單元《有機合成設計》的形式呈現；魯科版則將“有機合成”與“合成高分子材料”合并為第三章。

三套教材編排的共同點是將有機合成安排在“烴及烴的衍生物”之后，因為有機合成路線的設計不僅是對有機物結構與性質的總結，更能培養學生運用必備知識解決真實問題所需的關鍵能力。人教版和魯科版根據課標，在重點討論碳骨架構建和官能團轉化的基礎上，介紹了設計有機合成路線的一般方法（“逆合成分析法”）；而蘇教版的不同之處在于特別討論了“有機物基團間的相互影響”，如苯環上取代基的定位效應等。

可以看到，無論是課標還是教材，都要求能運用有機合成的方法來合成有機高分子。這既反映了有機合成方法對合成有機高分子的指導作用，也體現了融入有機高分子的合成能夠加深學生對有機合成過程中官能團轉化和碳骨架構建的理解。

二、學情分析與目標確立

有機高分子是由小分子通過聚合反應生成的，學習了聚合反應就打通了從小分子（原料）合成有機高分子的路徑，有機合成的目標得到了拓展，合成的思路也得以延伸。

通過學習，學生已初步掌握烴及其衍生物的結構特點、性質及轉化關系，這為有機合成的學習奠定了扎實的認知基礎。學生能夠基于有機高分子的結構特點，認識合成有機高分子的單體與反應類型，再以單體為合成目標，分析合成單體過程中的碳骨架構建、官能團轉化、化學鍵變化，進而選擇反應條件、比較合成路線，從“綠色化學”的角度選擇最佳合成路線?？梢?，以高分子化合物為載體開展有機合成教學，有利于學生理解有機高分子的知識，既能做到溫故知新、學以致用，又能提升對有機合成分析思路的認知水平。

基于分析，確定本課的教學目標如下：

1.通過對“微塑料”的討論，了解有機高分子的結構以及合成方法，激發學習有機高分子及有機合成的興趣，培養社會責任感。

2.通過對由不同原料合成聚乳酸的討論，了解有機合成的一般思路和方法，增強分析、關聯、整合化學知識的能力，提升模型認知能力。

3.基于結構決定性質、性質決定用途的思維模型，開發功能高分子，進一步鞏固有機合成的方法，感受有機合成的價值，體會化學對創造美好生活的重大貢獻。

三、教學過程與設計意圖

本課以環境熱點問題“微塑料”為教學情境，引導學生梳理合成“微塑料”主要成分的結構和反應類型，討論可降解塑料PLA（聚乳酸）的合成路線，建構有機合成的認知模型，再運用模型設計聚甲基丙烯酸甲酯的合成路線。具體過程如下：

（一）情境引領，鋪墊認知基礎

（播放新聞：科學家在人體血液中發現“微塑料”。）

師? 檢測出的“微塑料”有PE（聚乙烯）、PS（聚苯乙烯）、PET（聚對苯二甲酸乙二酯）。請寫出這三種塑料的單體，判斷由單體生成有機高分子的反應類型。

（學生寫出三種塑料的單體。）

生? PE、PS通過加聚反應合成，PET則通過縮聚反應合成。

師? 這些高分子材料為什么會造成環境問題，甚至進入我們的血液中？

生? 這幾種塑料很難降解。進入血液中的“微塑料”是它們分解成的非常小的碎片。

［設計意圖：通過新聞熱點引入有機高分子，創設真實的情境，形成引領學習的主題，并引起學生對環境問題的關注，鋪墊認知基礎。］

（二）分組合成，積累設計經驗

師? 塑料在20世紀被認為是最偉大的發明之一，現在卻在反噬人類?？山到馑芰匣驅⒊蔀樗芰系某雎?，在我們的生活中已經開始有了這類可降解塑料的身影。比如一種可堆肥化降解塑料，其主要成分有PLA（聚乳酸）、PBAT（聚己二酸/對苯二甲酸丁二醇酯）、ST（淀粉）。

師? 其中，聚乳酸的結構簡式為

HOCOCHCH3OH

。正如我們所期望的那樣，聚乳酸在土壤環境中大約三至六個月后，可完全轉化成CO2和H2O。聚乳酸還可以變身為纖維，如醫用可吸收縫合線，它是一種醫用高分子材料。

師? 請小組討論，如何利用不同的原料制取聚乳酸的單體——乳酸

CH（CH3OHCOOH）。

可選的有機原料有淀粉、丙烯、丙酸（已知：羧酸α-H的鹵代）和乙醇。

（學生書寫合成路線并討論交流。）

生? （展示圖1）以淀粉為原料，合成路線是這樣的。

淀粉催化劑葡萄糖乳酸菌CH

CH3ＯＨＣＯＯＨ

生? （展示圖2）以丙烯為原料，合成路線是這樣的。

ＣＨ2CHCH3

Bｒ2

CH2BｒCHBｒCH3

NａOH水溶液△

CH2OHCHOHCH3

O2Cu，△

CCH3OCHO

O2催化劑，△

CCH3OCOOH

H2Ni，△

CHCH3OHCOOH

生? （展示下頁圖3）以丙酸為原料，合成路線是這樣的。

生? （展示下頁圖4）以乙醇為原料，合成路線是這樣的。

［設計意圖：通過由不同原料合成乳酸的

CH3CH2COOH

Cl2PCl3

CHCH3ClCOOH

1） NaOH水溶液，△2） H+，H2O

CHCH3OHCOOH

CH3CH2OH

O2Cu，△

CH3CHO

HCN催化劑

CH3CHCNOH

H+，H2O△

CHCH3OHCOOH

路線設計和分組討論，了解正、逆合成法，鞏固有機物的轉化關系，引導學生摸索有機合成的一般方法——“對比結構、片段轉化、合理排序”，培養信息遷移能力，積累設計經驗。］

（三）對比歸納，建構認知模型

師? 用不同原料合成乳酸時，需解決的關鍵問題有哪些？請對比評價這四條合成路線。

（學生討論。）

生? 淀粉原料易得，成本較低，轉化率較高。

生? 丙烯涉及官能團的轉化，需要采用適當的條件實現烴及其衍生物之間的轉化關系，但轉化步驟較多。

生? 利用已知信息可得，丙酸也是通過官能團的轉化實現乳酸合成的。

生? 乙醇需要通過官能團的轉化構建碳骨架，但原料HCN有毒。

師? 淀粉發酵法工藝簡單，原料充足，是比較成熟的乳酸生產方法，但生產周期較長，只能間歇或半連續化生產。相較而言，化學合成法可以實現大規模連續生產，但原料價格較高（如丙酸法），且原料一般有毒（如HCN），不符合“綠色化學”要求。我們通過官能團轉化、碳骨架構建、對比原料與目標產物的結構，基于“正向合成”與“逆向合成”設計出了分別由淀粉、丙烯、丙酸、乙醇制備乳酸的合成路線。接著，從“綠色化學”角度對合成步驟、反應條件、反應產率和原料進行了比較，確定了可行的乳酸合成路線。由此，（出示圖5）我們可以得到有機合成的認知模型。

［設計意圖：通過對合成路線的討論，引導學生關注結構對比、官能團轉化和碳骨架構建。通過對合成路線的評價，使學生體會“綠色化學”思想。最終，師生討論，總結出有機合成的認知模型。］

（四）實踐創新，深化認知結構

師? 生活中，我們還可以接觸到很多高分子材

料，如PP（聚丙烯）、PVC（聚氯乙烯）、PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）等。PMMA是一種常見塑料，又稱作亞克力或有機玻璃，它的應用非常廣泛。你能舉例說明嗎？

生? 塑料尺、透明的粉筆盒、擋風玻璃……

師? PMMA經常用作玻璃替代材料，比如用在建筑方面，做透明屋頂、樓梯護板等。其實，它還是第一代硬質角膜塑形鏡的材料，也是人工關節的主要成分。根據它的特殊性能，可用作醫用高分子材料。請以丙酮和甲醇為原料，合成聚甲基丙烯酸甲酯，并指出各步驟的目的。已知：（1）CRHO

HCN催化劑

CRHOHCN；

（2）RCNH+/H２ＯRCOOH。

師? 設計合成路線的關鍵點有哪些？

生? 使用逆合成法，找出單體甲基丙烯酸甲酯，并進一步找到關鍵的中間體——甲基丙烯酸。

生? 應用已知信息，增長碳鏈，增加官能團并轉化，完成由丙酮到甲基丙烯酸的合成。

（學生根據有機合成的認知模型以及關鍵點設計合成路線，得到圖6。）

師? PMMA材料最大的問題就是不透氧，含水量也少。如果想增加其含水量，你有什么建議？如何合成？

生? 在鏈節上接親水基團，如羥基或羧基，可以在醇的部分接羥基。如在合成有機玻璃的路線中，用乙二醇代替乙醇。

師? （出示圖7）根據性質的需要，在聚甲基丙烯酸甲酯的合成步驟中替換部分原料，如將乙醇換成乙二醇，使每個鏈節上都保留一個羥基，從而使其具有新的功能——吸水性，開發出新的功能材料——聚甲基丙烯酸羥乙酯（PHEMA），這是一種重要的醫用高分子材料。我們也得到了有機合成的一種重要思路——根據功能改進結構。

［設計意圖：本環節引導學生發現和提出有價值的問題，依據目的，設計方案，勇于創新。學生通過對比結構，實現片段轉化，多次進行認知模型和合成路線之間的切換，深化對各類有機物及官能團性質與轉化的理解，強化有機合成認知模型。］

參考文獻：

［1］［2］［3］中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）［S］.北京：人民教育出版社，2020：4851，5053，6667.