基于学科理解的“醛酮”教学设计实践与反思

2024-06-30黄燕

中学化学 2024年3期

黄燕

一、教学主题内容分析

课程标准要求基于官能团、化学键的特点与反应规律分析和推断含有醛基的有机化合物的化学性质，以此完成有机推断与合成路线的设计。对于醛酮，从知识层面看，它是构建有机化学知识体系及官能团之间转化的知识结构的关键环节；从学科功能上看，它具有承载烃的不饱和含氧衍生物认识方法的功能；从学科价值上看，它承担着建构认识不饱和极性有机物的结构与性质思维方式的重任。怎样对“醛酮”内容进行学科理解？

1.本原性方式

有机物由碳骨架和官能团构成，官能团是决定有机物特性的原子或原子团，因此官能团是认识有机物的重要视角。羰基是烃的含氧衍生物的基础性官能团，是认识醛基、羧基、酯基、酰胺基等官能团结构特征的基础。因此在对“醛酮”一节进行教学设计时，立足于羰基才能发挥羰基的化学学科功能，对羰基的结构特征的分析具有迁移功能。

化学键是认识有机物结构特征的重要视角，如何从化学键的角度认识羰基呢？从化学学科理解来看，羰基是由电负性不同的碳、氧2种元素构成，表现出较强的极性；羰基属于不饱和键（双键或三键），碳氧之间形成的π键体现了羰基的不饱和性。所以羰基的学科功能价值是构建不饱和极性键的认识思路。同样含有羰基，醛酮放在一个节学习，但又不属于同一类别的物质，那醛酮之问必然有一定的联系和差异，由此“如何基于不饱和极性键认识羰基的结构与性质”“如何基于羰基的结构认识醛酮的性质”“如何基于键的极性认识羰基与邻近基团的相互影响”抽提为本节课的学科本原性问题。

2.结构化方式

有机物数量众多，教材编排顺序为什么从烃到烃的衍生物？而对于烃的衍生物，为什么从卤代烃、醇酚、醛酮到羧酸及其衍生物？因为学生通过烯烃、炔烃等不饱和烃性质的学习，构建起了认识有机物化学键的空间结构特征的重要视角——轨道间的相互作用；通过卤代烃和醇的性质学习，构建起认识有机物化学键电子对是否偏移的重要视角——极性；通过苯的同系物及苯酚的性质学习，构建起影响有机物化学键极性的重要视角——邻近基团的推（拉）电子效应。为什么有机模块是放到高中阶段最后一个版块学习？因为有机物性质的学习需要有结构模块和原理模块知识和思维作为基础。

醛酮结构的相似性在于羰基，结构决定了两者发生在羰基上的反应是相似的；差异性在于与羰基所连的是氢原子还是烃基，所以两者性质的差异性主要体现在与羰基相连的原子或者基团上。醛酮性质的学习，本质上是对前面有机物性质学习中构建起来的认识视角和思路的深化与综合运用，同时也为羧酸及其衍生物等物质的学习提供认识思路和模型。

通过对学科知识及其思维方式的本原性、结构化系统性的认识后，从中抽提出学科本原问题，在学科理解本原性问题的驱动下，聚焦学科思维，学生在分析与解决真实情境下的复杂问题的过程中，自主构建起基于键的饱和性和极性预测有机物性质的思维模型。

二、教学过程

活动一认识羰基

[展示]生活中有特殊香味的物质，如香草醛、肉桂醛、茉莉酮、樟脑酮、乙酸、乙酸异戊酯等。羰基是烃的含氧衍生物的基础性官能团。

[师]从轨道重叠方式（即键的饱和性）和共用电子对偏移（键的极性）2个角度分析羰基的结构，并预测其性质。

[生1]羰基中碳原子为sp2杂化，碳和氧的电负性差值较大，碳氧键是强极性键，所以羰基中碳氧双键中的π键比碳碳双键的更容易断裂。

[生2]碳碳双键是不饱和非极性键，易与H2、Br2等非极性试剂加成。羰基是不饱和极性键，羰基中共用电子对会强烈偏向于氧，使氧呈负电性，碳呈正电性。所以羰基的结构决定了它更愿意与极性试剂加成。

设计意图：“哪儿想”“怎么想”，是基于学科理解的化学学科思维方式内涵的2个重要方面一学生在新知识的学习与知识背景、逻辑认知和学习经验中认识羰基，形成新知识的结构体系，更深刻认识知识间的逻辑关系。

活动二认识醛酮的加成反应

[师]乙醛和丙酮分子中都有羰基，请预测两者发生在羰基上的反应。

[生1]教材上说乙醛、丙酮均能与H2加成，预测出问题了？

[生2]我们预测的是更愿意，也没说不反应啊。碳氧双键毕竟是不饱和键，苯的大π键那么稳定，在一定条件下都能与H，加成呢！所以乙醛或丙酮与H，的加成应该会比烯烃难。

[师]说得很好。烯烃加氢可在低压和室温下进行，醛酮中羰基加氢则往往需要加压和加热。

[提问]HCN是极性试剂，预测乙醛、丙酮与HCN的反应，并说明理由（如图1所示）。

[师]反应生成的α-羟基腈是很有用的中间体，在酸性条件下水解得到α-羟基酸。

[评价]设计以丙酮为原料制取有机玻璃的单体——2-甲基丙烯酸甲酯的合成路线。

[师]H2O也是极性、试剂，请预测甲醛、乙醛、丙酮与H2O的反应。

[生]加成产物中2个羟基连在同一个碳上不稳定，又会重新转化为醛基或者酮羰基。

[师]两者存在平衡关系，根据牛津大学Jona-than Clayden等教授编写的《ORGANIC CHEMIS-TRY》教材中的K值数据，请分析以下反应的K值并解释原因。

[生]醛酮能与水发生加成反应，但程度不同。羰基的极性受到与其相连的基团的影响。烃基是推电子基，羰基碳连接了烃基后，减弱了碳氧双键的极性，使其相对不易与极性试剂加成。

[师]若将乙醛换成氯酮，将丙酮换成六氟丙酮，与水反应的化学方程式为：

请预测K4和K2，K5和K3的相对大小并说明原因。以上反应K值的大小，给你什么启发。

[生]K>K2，K5>K3，CI和F都是拉电子基，增强碳氧双键的极性，使其更易与H2O发生加成反应。

[启发]羰基中碳氧键的极性会受到邻近基团的影响。

[师]分析合理。《ORCANIC CHEMISTRY》教材中给出的数据是K4=2000，K5=1.2×106。

[展示]一瓶葡萄糖溶液，溶液中存在着链状和环状葡萄糖之间的平衡，其中绝大部分葡萄糖为环状结构（如图2所示）。请解释环状葡萄糖是如何形成的。

[生]含有羟基的物质（比如醇）也是极性试剂，链状葡萄糖中的5号碳上的羟基与羰基加成形成稳定的六元环。

[师]甲醛的水溶液（又称福尔马林），具有杀菌、防腐性能，其原理是什么呢？

[生]蛋白质分子中的酰胺基、氨基（以R-NH，表示）等也是极性分子，甲醛分子小，进入细胞后与R-NH，的反应（如图3所示），从而使蛋白质失去活性。

[师]纯净的乙醛中没有单个乙醛分子，且其相对分子质量测出来比分子式显示的要大，这是因为乙醛分子中的α-H具有一定的活泼性，在一定条件下会与羰基发生加成反应。绘图并说明理由（如图4所示）。

[生1]受羰基吸电子作用的影响，羰基邻位的C-H键极性增强，易断裂。

[生2]β-羟基醛脱水后形成更稳定的单双键交替的共轭结构。

[师]像分子内含有α-H的醛（或酮）在一定条件下发生上述反应的，被称为羟醛缩合反应，是一种常见的增长碳链的方法，在有机合成中有非常重要的作用。

[评价]请设计以乙烯为原料合成正丁醇的合成路线。

[提问]苯甲醛分别与丙酮和3-戊酮反应的化学方程式和结果如下。请分析两者反应差异的原因。

实验1：两者混合后在室温下反应15min得到产品，产率达80%；

实验2：两者混合后60C反应1h，几乎没有得到目标产物。

[生]丙酮中α-H的活性大于3-戊酮的。3-戊酮中α-C上有烷基取代基，推电子效应增强，α-C上C-H键的极性减小，不易断裂，表现为α-H活性降低。

[总结归纳]谈谈你对醛酮发生在羰基上的反应的认识。

[生1]羰基易与极性试剂发生加成反应，极性试剂中呈正电性的原子或原子团连接在氧原子上，负电性的原子或原子团连接在碳原子上。

[生2]羰基的极性也会受到邻近基团的推电子或拉电子效应的影响。

[生3]羰基增强了α-H的活性，而α-H的活性又会受到邻近基团的影响。

设计意图：当把HCN分子抽提为“极性试剂”时，就产生了学科本原性问题：极性试剂只有HCN吗？其他极性试剂能否与羰基加成？羰基与极性试剂的反应就成为了认识视角，承载着素养功能。课堂活动中创设解释类活动，是促进学生学科理解的有效方式。为了寻求合理解释，学生调用化学学科特有的知识和思维对数据和实验条件进行分析，从化学视角去探究、分析和解决问题，体验丰富的化学内涵和本质，促进了知识的结构化，培养了科学思维。

活动三认识醛酮的氧化反应

[师]醛和酮发生在羰基上的反应是相似的，但与羰基相连的原子或基团不同，会导致它们的性质有哪些差异呢？

[演示实验]

实验1：教材实验[实验3-7]

实验2：将[实验3-7]中的乙醛换成丙酮

实验3：教材实验[实验3-8]

实验4：将[实验3-8]中的乙醛换成丙酮

[师]请对实验1和2，实验3和4的现象进行对比，写出反应的化学方程式，并从化学键的角度分析反应原理。

[生1]醛基上的C-H本身是极性键，且受羰基的影响，即氧的拉电子作用，使得羰基碳的电子云密度降低，吸引带正电的氢的能力下降，所以这条碳氢键易断裂。发生氧化反应时，氧原子插入到碳氢键之间，形成羧基。

[生2]丙酮中羰基碳连接的碳碳键虽受羰基的影响，但它是非极性键，相对不易断裂。银氨溶液和新制氢氧化铜的氧化性不够强，不能使其断键氧化。但是我觉得由于氧的拉电子效应，这条碳碳键的电子云密度是不均衡的，更偏向于羰基碳。所以相对于烷烃基上的碳碳键来说是更容易断裂的，如果给它足够强的氧化剂，应该会被氧化。

[师]分析合理。确实如此，醛基易被氧化，而酮需要使用强氧化剂（如重铬酸钾和浓硫酸，或者过氧酸）才能将其氧化。

[归纳总结]醛和酮的结构中均有羰基，能与极性试剂加成，所以放在同一节教材中学习。但两者也有差异性，如醛基易被氧化，而酮不易被氧化。所以不属于同一类别的物质。