对称性结构同分异构体书写思维障碍及突破策略初探

尹求元 何亚璋

摘要：提出了对称性结构同分异构体书写思路，针对各步书写中的思维障碍进行了分类，并通过研究发现：学业优秀生主要存在思维有序性障碍，学业中等生主要存在类别异构障碍和思维有序性障碍，学业较差生的思维障碍在各个阶段都存在。突破思维障碍的策略为：掌握“二价基团”，突破不饱和度计算障碍;形成对称结构观，突破对称性结构寻找障碍;形成分类观，突破类别缺失障碍;掌握替氢、堵氢基团使用方法，突破位置异构寻找障碍;结构与性质全面检验，突破惯性思维障碍。

关键词：对称性结构同分异构体;思维障碍;突破策略

文章编号：1008-0546（2022）09-0035-05中图分类号：G632.41文献标识码：B

一、问题的提出

限制条件同分异构体书写是每年高考题有机的必考题型。同分异构体书写从碳骨架来看，可分为：链状结构、环状结构;从对称性来看，可分为：对称性结构和非对称性结构。分析浙江省从2016年10月到2021年6月选考卷中同分异构体书写题目，考查频次统计见表1。

从表1可以看出，对称性结构同分异构体的考查是常考问题。在高三的教学过程中，发现学生在书写对称性结构同分异构体时，很多同学处于思维混乱的状态，容易出现错写、漏写，甚至有的同学直接放弃这类的题目。

对称性结构同分异构体的书写具体存在哪些思维障碍，又怎样引导学生突破这些思维障碍呢？笔者结合教学实际，作了初步的探究。

二、对称性结构同分异构体书写思路及障碍分析

基克等人将问题的解决过程分为四个阶段，分别为问题表征阶段、设计解题计划阶段、执行解题计划阶段和监控评价阶段。[1]根据基克的理论，对称性同分异构体书写可分为4步，见图1。

1.分析：先计算总的不饱和度，明确限定条件后的结构特点。

2.假设：依据除主体结构后剩余的碳原子、氮原子、氧原子的数目及不饱和度，寻找对称性的主体结构以及可能的类别异构。

3.组装：再次依据除主体结构后剩余碳原子、氮原子、氧原子的数目及不饱和度，利用位置异构进行组装尝试。

4.检验：结合等效氢数目和性质对所书写结构进行检验。若合适，就保留;若不合适，就需舍去，并重新组装或重新假设。

思维障碍顾名思义，就是人脑在进行思维过程中由于受到某种来自外界或自身思维程序的阻断而产生的，导致自身思维过程被迫中止、思维陷入混乱等现象的过程。结合对称性结构同分异构体书写思路，主要思维障碍表现在解决过程的四个阶段，思维障碍共分为8类，如表2所示。

三、对称性结构同分异构体书写障碍调查研究

本研究主要采用测验法，研究学业优秀生、学业中等生和学业较差生在对称性结构同分异构体书写中存在的思维障碍的主要特点与差异。

1.被试

本次研究对象为浙江省嘉兴市某普通中学的高三选考化学的30名学生，已完成“有机化学基础”的学习。根据30名被试在实验前高二期末考试和高三的二次市统一考试中的化学成绩的平均分进行排名，按照统计学的分类值进行划分将学生分为3类，前27%的学生为学业优秀生，后27%的学生为学业较差生，中间46%的学生为学业中等生。

2.测试材料

本研究从浙江省各地市选考模拟试题中选择了6道试题进行测试。測试题1、2、3考查的是只含苯环的对称性结构。其中1、2主要考查苯环上的位置异构，包括轴对称和中心对称，第3题是类别异构、位置异构相关联的考查。测试题4、5考查的是含氮原子或氧原子杂环的对称性结构问题。其中第4题主要考查含氮原子杂环的位置异构问题，第5题主要考查含杂环时类别异构、位置异构相关联问题。测试题6考查的是既含苯环又有杂环结构的类别异构、位置异构相关联问题。

3.统计分析

将每道试题可能存在的思维障碍进行分析，针对学生的答题情况，统计出各类学生某种思维障碍出现的频次，结果如表3所示。

从上述统计分析发现：

（1）学业优秀生的思维障碍主要是在第三个阶段组装时存在位置有序书写障碍和创新结构书写障碍。

（2）学业中等生的思维障碍主要是在第二阶段假设时的类别异构障碍和第三阶段组装时存在思维有序性障碍。

（3）学业较差生的思维障碍在各个阶段都存在。在第一阶段的分析时知识性障碍和计算不饱和度障碍就有一半的学生存在，导致后续步骤无法进行或错误进行。

四、对称性结构同分异构体书写突破障碍的策略

1.掌握“二价基团”方法，突破不饱和度计算障碍

不饱和度是有机物分子不饱和程度的量化指标，用希腊字母“Ω”表示。有机物中的氢原子数与饱和链烃中的氢原子数相比，每少两个氢原子就增加一个不饱和度。不饱和度的计算主要两种方法：

（1）从分子式计算。若分子式中含有氧原子可不考虑，因为氧原子（-O-）是成两个键（即二价基团），可以插入分子中，不影响氢原子数，所以可不考虑。因此利用二价基团规则，若分子中含有氮原子，则将氮原子改写为-NH-。如分子式为CxHyOzNp，则改写

（2）从有机物结构计算。Ω=双键数+三键数×2+单键环数+…注意：硝基（-NO2）Ω=1;亚硝基（-NO）Ω=1。

2.构建对称结构模型，突破对称结构认识障碍在限制条件同分异构体的书写中，对称性结构的考查频率最高。从上述测试题的考查来看，总的来说，学生对苯环的对称性结构掌握较好，但对其他环状结构、碳碳双键的对称性掌握较差。

其中主要考查的有苯环的轴对称和中心对称。如图2所示：

学生对苯环上轴对称图①、图②和③掌握较好，对图④中心对称的掌握较差。

碳碳双键的对称性和四元环的对称性考查如下图所示。学生不能全面掌握图⑤⑥中碳碳双键的两种对称方式，也不能很好地掌握图⑦⑧中的两种对称方式。

3.形成分类观，突破类别异构分析障碍

在解决限制性条件同分异构体书写问题时，在第二步做出可能结构的假设时，就需要学生从整体上进行构思分类，寻找解题的方向。我们一般可以从不饱和度、物质性质或成键方式这三个角度思考分类方式。

（1）从不饱和度角度进行分类

例1：【2020年1月浙江选考第31题（5）】从除苯环外的一个不饱和度出发，结合2C、2O、1N分为碳氧双键（羧酸类、酯类、酰胺类等）、碳碳双键、碳氮双键等。

（2）从性质角度进行分类

例2：【2020年1月浙江选考第31题（5）变式】写出化合物C8H9O2N的所有同分异构体的结构简式（不考虑立体异构）：

①1HNMR谱显示不同化学环境的氢原子数目比为2∶2∶2∶3;

②除苯环外没有其他环状结构;③1mol该同分异构体可与2molNaOH反应。

经过第一步分析发现其中一个限制性条件是1mol该同分异构体可与2molNaOH反应，结合含有苯环和含有两个氧原子，可以做出分类假设（见图4）：

（1）可能含有一个酚酯基。

（2）可能含有两个酚羟基。

然后在各类别中考虑剩余的原子数目和剩余的不饱和度，进行组装尝试，最后检验。

（3）从成键方式角度进行分类

例3：【2019年4月浙江选考第32题（4）】写出分子式为C6H13NO2同时符合下列条件的同分异构体的结构简式。

①分子中有一个六元环，且成环原子中最多含2个非碳原子;

②1HNMR谱和IR谱检测表明分子中有4种化学环境不同的氢原子。有N-O键，没有过氧键（-O-O-）。

经过第一步分析发现其中一个限制性条件是分子中有一个六元环，且成环原子中最多含2个非碳原子，结合不饱和度为1和碳、氮、氧原子数目，可以做出分类假设（见图5）：

然后在各类别中考虑剩余的原子数目和剩余的不饱和度，进行组装尝试，利用等效氢进行检验。

4.掌握替氢、堵氢基团使用方法，突破位置有序书写障碍

在第三步组装时，学生对左右两个对称位置基团平移形的位置异构掌握较好，但在单个基团位置异构时会出现遗漏情况。这时就需要掌握替氢基团、堵氢基团的使用方法了。

（1）掌握替氢基团的使用方法

例如：在上述2019年4月浙江选考第32题（4）的解题过程你会发现不是在第二步假设时类别异构中少写了这种环上含一个氧原子的情况，而是在检验时发现写出来的结构多了一种氢原子而舍去了。这时其实如果具有利用原结构中的一种替氢基团去替换另外只有一个氢原子即是一种氢的位置，也是可以减少一种氢原子的思维方法，就可写出合适的结构。如图6所示，左边化各物3号位置只有一个氢原子，且是五种氢中的一种，因此可以用原结构中的甲基去替换3号位置的那一个氢原子，就可写出图6中右边2种只含四种氢原子的结构简式。

（2）掌握堵氢基团的使用方法

例4：写出化合物C11H14NOCl同时符合下列条件的同分异构体的结构简式

①1HNMR谱显示分子中共有5种H;

②分子中有两个六元环，其中一个是苯环，环上最多含一个非碳原子，两个环无共用边。

在找到如图7所示的两种结构主体后，会发现这两种主体结构都有6种氢原子，比限制条件多一种，因此这时就可使用堵氢基团-Cl，找到只有一个氢原子即为一种氢原子的位置。在主体结构1中，只有1号位置符合堵氢，在主体结构2中1号和4号位置符合。在解这道测试题时，发现学业优等生常常会出现遗漏的情况。尤其是在主体结构2的情况下，没有意识到1号和4号位置从堵氢角度来看是等价的。

限定条件的同分异构体类型复杂，思维容量大。因此应用合适的思维模型，有利于培养学生思维的有序性、缜密性和系统性。了解学生的思维障碍点，有助于针对性地开展教学;从根本上形成对称观、分類观、不饱和度观等有助于问题的解决。

5.结构与性质全面检验，突破监控反思障碍

在进行最后一步检验时，习惯性地从等效氢角度进行检验，而不能从性质角度进行监控反思从而导致错误。如上述例2，题目限制性条件要求有：

①1HNMR谱显示不同化学环境的氢原子数目比为2∶2∶2∶3;

②除苯环外没有其他环状结构;③1mol该同分异构体可与2molNaOH反应。

在酚酯基类别中可能写出如图8所示的两种结构，若只是习惯性地从结构等效氢的数目进行检验的话，会发现这两种结构都符合;但如果再结合性质进行检验就会发现右图结构不符合条件③，与NaOH溶液反应会消耗3molNaOH。所以经过结构和性质的全面检验后，只有左图结构在酚酯基这一类别中符合要求。

五、小结

经过教学实践的检验发现，上述突破思维障碍的策略具有良好的可操作性，学生不再惧怕该类问题，提高了学生对此类问题的分析与解题能力，思维的有序性、缜密性和系统性都得以提升。但不足在于限制条件同分异构体书写中非对称结构的问题还有待研究。

参考文献

[1]中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2]张亚玲.化学平衡类问题解题中的思维障碍及思维过程研究[J].中学化学教学参考，2020，4：13-15.