跟随科学家的脚步

梅溪

摘要：《研究有机化合物的一般方法》一课教学，以屠呦呦研究青蒿素为背景，带领学生跟随科学家的脚步，逐步再现有机物研究的各个步骤，引导学生分析原因，总结经验，最终通过自主探究，获得研究有机物的一般方法。在此过程中，培育学生的化学学科核心素养。

关键词：高中化学;《研究有机化合物的一般方法》;核心素养

从1824年维勒人工合成尿素开始，科学家们就意识到，一片崭新的化学领域——有机化学，已经在他们眼前打开了大门。时至今日，科学家们又是如何研究有机物的呢？教学2019年版人教版高中化学选择性必修3《有机化学基础》第一章第二节《研究有机化合物的一般方法》时，笔者充分发掘相关教学素材，以“屠呦呦研究青蒿素”为背景，与学生一起跟随科学家的脚步，体验真实的有机物研究过程。

一、教学背景

随着科学技术的发展，现代的有机化合物研究，主要依靠于各种先进的实验仪器。但学生在高中的化学学习中，却很少有机会接触这类先进的实验仪器，导致他们很难感受到真实的有机化合物的研究过程。

屠呦呦开始研究青蒿素的时间，大约是20世纪70年代，那时的研究条件还很艰苦。屠呦呦研究青蒿素的过程，见证了我国有机物研究手段不断更新的历程，也因此成为研究有机物的最好实例。以“屠呦呦研究青蒿素”为背景开展教学，一方面，能让学生逐步了解现代仪器和技术在有机化合物研究中的重要作用，另一方面，也能让他们总结出研究有机物的基本步骤和方法，并通过真实的化学研究过程的体验，培育化学学科核心素养。

二、教学主线

本节课的知识主线为：初步了解有机物研究的第一步——文献研究→有机物分离和提纯的方法→确定有机物元素组成的方法→确定有机物分子结构的方法→总结研究有机物的一般步骤和方法。

据此，结合屠呦呦研究青蒿素的过程，设计情境主线和问题主线、活动主线：

情境主线：屠呦呦接到研制治疗疟疾药物的任务→《肘后备急方》的记载→屠呦呦成功分离出无色针形结晶青蒿素→屠呦呦小组对青蒿素做元素分析→中国中医科学院中药研究所对青蒿素做四大光谱测定→通过四圆X射线衍射，结合计算，得到青蒿素结构。

问题主线：如果你研制治疗疟疾药物，第一步准备做什么？→如何从青蒿溶液中提取有效成分？→如何确定青蒿素的元素组成？→如何确定青蒿素的化学式？→如何确定青蒿素的分子结构？→研究有机物的一般步骤和方法是什么？

活动主线：学习活动1——寻找药物→学习活动2——提取药物→学习活动3——确定有机物结构。

三、教学过程

（一）引入教学主题

师截至2020年10月28日，新型冠状病毒已经在全球造成了4400余万人感染，116万余人死亡，令人叹惋。就在几十年前，另一种疾病——疟疾，也曾经在神州大地上肆虐，但科学家屠呦呦“横空出世”，经过艰苦的努力，从植物黄花蒿中提取出青蒿素，挽救了无数人的生命，她也因此获得了诺贝尔医学奖。今天，我们就跟随科学家的脚步，一起去体验他们是如何研究有机物的。

[设计意图：结合新冠肺炎疫情，回顾青蒿素的作用，加深学生对化学与人类健康关系的理解，自然引入科学家研究有机物的教学主题。]

（二）学习活动1——寻找药物

师如果你是屠呦呦，国家交给你研制治疗疟疾药物的任务，你第一步准备做什么？

生阅读文献、走访专家。

师科学家也是这么做的，请看资料。

（出示资料：“屠呦呦和她的小组翻阅历代本草医籍，四处走访老中医，最后从两千多种药方中整理出一张包括青蒿在内计有六百四十多种草药的《抗疟单验方集》。只是在初期的动物实验中，青蒿的效果并不理想，这使她们的研究一度陷入困窘。”）

师科学研究需要不断地尝试，不可能一帆风顺，只有坚持才有可能成功。

[设计意图：从屠呦呦研究青蒿素过程中的挫折出发，提醒学生：在科学研究中要有不怕失败、越挫越勇的精神。]

（三）学习活动2——提取药物

1.发现蒸发浓缩法的弊端。

师1971年，屠呦呦终于在《肘后备急方》中读到“青蒿一握，以水一升渍，绞取汁，尽服之”的记载，深受启发。如果你是屠呦呦，你准备怎样从青蒿溶液中提取有效成分？

生蒸发浓缩、冷却结晶。

师你们的想法和屠呦呦是一致的。然而，她发现，水煎（蒸发浓缩）青蒿得到的溶液对疟疾无效。（出示图1）请你根据青蒿素的分子结构分析原因。

生青蒿素含有酯基，难溶于水;还含有过氧基（键），所以受热不稳定。

[设计意图：结构决定性质，讓学生通过青蒿素的分子结构去分析其性质，发现蒸发浓缩法无效的原因，同时发展他们宏观辨识与微观探析、证据推理与模型认知的核心素养。]

2.明确分离提纯方法的细节。

师（出示下页表1）这是青蒿素、水、乙醇和乙醚的熔沸点。另外，青蒿素几乎不溶于水，可溶于乙醇和乙醚，易溶于氯仿、丙酮、乙酸乙酯和苯。根据这些资料，你准备如何提取青蒿素？

生将青蒿粉碎，然后用乙醚低温冷浸，得到青蒿素的乙醚溶液。

师如何从青蒿素的乙醚溶液中再分离出青蒿素呢？

生可能青蒿素在乙醇或者其他有机溶剂里溶解度更大，可以用其他有机溶剂萃取。

师（出示资料：“青蒿素的现代生产工艺一：取一定量的青蒿枝叶干粉，用稀乙醇浸泡 24 h，得到乙醇提取液，将其注入连续萃取装置，用含苯和乙酸乙酯的汽油萃取。”）得到青蒿素的萃取液后，如何从中得到青蒿素晶体呢？请大家小组讨论。

生可以蒸发浓缩、冷却结晶。

生不能蒸发，刚才我们已经讨论过了，青蒿素受热结构会被破坏，所以应该在低温下结晶。

師那么结晶只需要完成一次，还是需要重复多次？为什么？

生重复多次，这样才能得到较为纯净的青蒿素晶体。

（教师出示资料：“青蒿素的现代生产工艺二：青蒿素萃取液用活性炭脱色，过滤，回收溶剂得到浓溶液，再冷却结晶得到青蒿素粗晶物，再用乙醇重结晶得到青蒿素成品。”）

师除此之外，分离青蒿素的有机溶液，还可以采用层析的方法。所谓层析，就是利用混合物中各组分物理性质或化学性质的差别，使其以不同速度的流动相移动，从而达到分离的目的。

[出示资料：“青蒿素的现代生产工艺三：将干燥粉碎的黄花蒿植物材料用提取溶剂（V石油醚∶V95%乙醇=2∶8）浸泡后，湿法装入层析柱中，静置1 h后，青蒿素吸附在层析柱上。再用提取溶剂冲洗层析柱，将青蒿素重新溶解收集。此方法的青蒿素提取率可达到95%以上。”]

师从屠呦呦的研究经历中，我们发现分离与提纯有机物的一般方法有——

（师生总结，得到表2。）

[设计意图：提供数据，让学生小组讨论，自主分析得到分离与提纯青蒿素的方法，再和实际工业生产相印证，体现化学与社会的联系。]

（四）学习活动3——确定有机物结构

1.元素组成的确定。

师屠呦呦小组成员钟裕蓉，采用硅胶柱对抽提物进行层析，于1972年11月8日成功分离出无色针形结晶青蒿素。获得青蒿抗疟有效单体后，研究小组即着手其化学结构的分析工作。如果你是研究小组的成员，准备如何确定青蒿素的元素组成？

生可以通过燃烧法确定青蒿素的元素组成。

师研究小组在北京医学院林启寿教授的指导下，对青蒿素做了元素分析。

（教师出示题目：实验提取28.2 g青蒿素，在足量氧气中燃烧后，用足量的浓硫酸吸收所得到的产物，浓硫酸增重19.8 g，再用碱石灰吸收剩余产物，碱石灰增重66 g，未有含氮物质生成，求青蒿素的实验式。学生计算得到青蒿素的实验式为：C15H22O5。）

2.化学式的确定。

师通过元素分析只能获得有机物的实验式，要得到化学式，还需要知道有机物的相对分子质量，这就需要用到质谱法。（出示图2、图3）这是质谱仪的工作原理图。离子源是使试样分子在高真空条件下离子化的装置。电离后的分子因接受了过多的能量会进一步碎裂成较小质量的多种碎片离子和中性粒子。它们在磁偏转器中加速电场的作用下获取具有相同能量的平均动能，而后按质荷比分离。分离后的离子依次进入接受系统，经计算机处理，绘制成质谱图。某有机物的化学式为C8H8O2，（出示图4）这是它的质谱图，我们如何从质谱图的数据中得出有机物的相对分子质量？

生质荷比最大的值等于该有机物的相对分子质量。

师对，有机物M失去一个电子后形成M+离子，从式量上来说，就等于该分子的相对分子质量，也就是质谱图中质荷比最大的峰（最右侧的峰）。而青蒿素最大质荷比的峰，数值为282，说明青蒿素的化学式即为C15H22O5。

[设计意图：从燃烧法得到实验式，通过质谱图分析得到化学式，体现了有机物结构分析的路径以及化学仪器对有机物分析的巨大推动作用。]

3.分子结构的确定。

师那如何确定青蒿素的分子结构呢？

生通过化学反应确定其含有的官能团。

师中国中医科学院中药研究所1972年底从中药青蒿中分离到不同的结晶，1973年便通过化学反应确证其无双键。你觉得科学家们是通过什么化学反应确认青蒿素无双键的？

生青蒿素不能使溴的四氯化碳溶液褪色。

师中药所的科学家对青蒿素做了四大光谱的测定，明确其分子式为C15H22O5，相对分子质量为282，推断青蒿素可能是一种倍半萜内酯。

师用红外线照射有机物分子时，分子中的化学键或官能团能选择性地吸收某些波长的红外线，检测红外线被吸收的情况即可得到物质的红外吸收光谱。（出示图5、图6）比较乙醇和乙酸的红外光谱图的异同，并尝试分析图像不同的原因。

生乙醇中含有羟基，乙酸中含有羧基，官能团不同，所以吸收了不同波长的红外线。

师氢原子核具有磁性，如用电磁波照射氢原子核，它能通过共振吸收电磁波能量，发生跃迁，用核磁共振仪可以记录到有关信号。处于不同化学环境中的氢原子因产生共振时吸收的电磁波的频率不同，在谱图上出现的位置也不同，且吸收峰的面积与氢原子数成正比。（出示图7、图8）请比较乙醇和二甲醚核磁共振氢谱的异同。

（学生比较。）

师结合刚才的学习，请总结不同实验方法对确定有机物结构的作用。

（学生总结，得到表3。）

[设计意图：青蒿素分子结构的确定，充分体现了实验仪器在有机物结构分析中的重要作用。研究有机物结构的过程，既是有机物“结构决定性质”的具体体现，也说明了“证据推理”的重要性。]

4.概括总结。

师上述研究方法，屠呦呦在研究青蒿素结构的过程中均运用过。但完整的、确切的青蒿素结构最后是由中国科学院生物物理所李鹏飞、梁丽等人在化学结构推断的基础上，利用四圆X射线衍射仪，测得了一组青蒿素晶体的衍射强度数据后，通过计算机计算得到的。随着科学技术的进步，人类探索有机物结构所运用的仪器和手段早已超越了屠呦呦的时代，但探索有机物的基本步骤与思路，却是一脉相承的。（出示图9）我们这节课，也经历了这样研究有机物的过程。在新冠肺炎疫情这场全人类的浩劫中，作为掌握了一定有机物研究知识的你，如果参与新型冠状病毒的分子结构检测，你准备怎么做？请大家提出自己的想法，并在课后查阅相关的资料予以验证。

[设计意图：重现屠呦呦研究青蒿素的过程，让学生自主总结“研究有机化合物的一般方法”，充分发展归纳、整理、提炼知识的能力。而运用所学知识，尝试提出检测新型冠状病毒的分子结构，则是培育学生证据推理与模型认知、科学态度与社会责任等核心素养的良好途径。]

参考文献：

[1] 余凤高.从金鸡纳到青蒿素——疟疾治疗史[J].世界文化，2016（9）.

[2] 罗嘉玲，李青嵘，张雅文，等.柱层析提取法提取青蒿素的工艺研究[J].华南师范大学学报（自然科学版），2018（2）.

[3] 潘炳力，高嘉屿.青蒿素类化合物的发现过程与研究现状[J].化学教育，2016（6）.

[4] 黎润红，饶毅，张大庆.“523任务”与青蒿素发现的历史探究[J].自然辩证法通讯，2013（1）.