基于证据推理的有序思维在有机推断复习中的应用

冯洪明 骆无忌

摘要：以浙江选考有机推断题为例，阐述了基于证据推理的有序思维在有机推断上的应用，具体包括快速准确地推断有机结构和书写同分异构体的方法，并对有序思维的一般思维步骤进行了概括和归纳，有助于学生养成良好的思维习惯应对高考。

关键词：有序思维;有机推断;证据推理

中图分类号：G633.8   文献标识码：A   文章编号：1992-7711（2018）09-0116

一、有序思维

所谓有序思维，不同文献[1][2]中的表述有所不同，但其核心观点是一致的，即按一定的逻辑顺序和规律，整合有效信息、逐步思考问题直至解决问题的思维方法和过程。这种思维的优势在于复杂情境中快速、准确地解决问题，避免用经验解题造成的随机性和无序性。特别是在高三化学复习考试中，不少学生存在忽高忽低的得分现象，与其归因于考试的运气、做题的感觉这些虚无缥缈的因素，倒不如说是因为题海战中形成的经验有没有在考题中重复出现。

化学中的“序”，即化学的学科思想。文献[3][4]指出，学科思想就是指对学科发展和学习具有核心价值作用的思想观念，并从化学学科思想方法的高度对高考命题的思路和落脚点进行了分析解读。随着对学科核心价值的深入研究，化学学科的13个子思想方法被重组、整合成五大化学学科的核心素养。高考化学试题正是以化学学科知识与技能为载体，来考查学生化学学科的核心素养。

二、有序思维在有机推断复习中运用

浙江选考有机大题以反应的多样性、结构的复杂性、条件的隐蔽性、信息的新颖性为广大选考考生设置了很好的区分度，也是难度最大的题型之一。主要考查了学生是否具有证据意识，能否根据物质组成、结构及其变化提出可能假设，通过分析推理加以证实或证伪。笔者（本文第一作者，下同）以2017年浙江选考32题为例，运用有序思维准确、快速地进行解题，并建立了有序思维的一般模型。

1. 试题呈现

（2017年11月浙江选考32题 节选）某研究小组按下列路线合成药物胃复安：

2. 试题解析

该题共有5个设问，可分为基于有机推断的前四个小题（共7分），和不基于有机推断的同分异构体书写（共3分），可以说浙江有机32题集中考查了学生是否具有证据意识，根据有机物组成或结构变化、反应条件、反应类型、断键与成键等信息进行合理推断。整道有机大题思维容量相当之大，既有对《有机化学基础》教材的全面考查，又有对有机新信息的接收、分析和整合能力的考查。文献[5]指出：有机化学将主要从“宏观辨识与微观探析”“证据推理与模型认知”“实验探究与创新能力”等三个维度综合考查学生的核心素养。从本题来看，在宏观辨识与微观探析上，要求学生知晓结构与性质之间的联系，根据有机物的结构推断其所具有的性质、根据分子组成和反应条件推断反应类型和有机物结构的变化;在证据推理与模型认知上，要求学生运用类比、归纳、演绎等方法判断、推理有机物的结构和性质，利用核磁图谱和红外光谱的数据推理有机物的碳架结构和官能团等;在实验探究与创新能力上，要求学生能对新合成的物质进行结构分析，设计步骤少、转化率高、条件温和为特征的新型绿色合成路线。虽然三大核心素养均有所体现，但从题型特征上来看可以认为侧重考查证据推理。

下面以F的结构简式推断和E的同分异构体书写为例，阐述基于证据推理的有序思维具体方法和过程。

任务一：有机结构简式F的推断

提取信息1：F到胃复安的反应条件为H₂O。

问题表征1：哪些反应或过程需要水？这些反应或过程在结构上有何变化？

穷举法1：加成反应或水解反应。

排除法1：加成反应后产物里有-OH，而胃复安中没有。

阶段性结论1：该反应为水解反应。

问题表征2：哪些官能团能发生水解？水解反应前后有机物在结构上有何变化？

穷举法2：能水解的官能团有酯基、肽键、卤素原子。

排除法2：卤素原子水解后有羟基、酯基水解后有羟基或羧基，而胃复安中没有。

阶段性结论2：该反应是从肽键变成氨基，即F的结构简式为：

以上推理过程可概括为四个步骤，即“提取信息→问题表征→阶段性结论→问题解决”，其中问题表征的方法一般可以采用穷举法和排除法相结合，问题解决不是一蹴而就的，有时只能得到阶段性结论。正如本道试题，需要学生将阶段性结论1作为信息继续进行推理，运用结构决定性质思想确定F的大部分结构（R-还没有确定），以此阶段性结论2再次作为信息进行推理：对比E、F的组成，可分解出E的完整結构为NH₂CH₂CH₂N（C₂H₅）₂，有-NH₂。

提取信息3：已知信息中-NH₂和酯基反应生成肽键，且E有-NH₂、F有肽键。

问题表征3：F有几个肽键？哪个肽键是D+E生成的？

穷举法3：F有两个肽键。

排除法3：根据E的位置可确定位于甲氧基邻位的肽键是D+E生成的。

阶段性结论3：D分子中甲氧基邻位有酯基，结构简式大致为：

提取信息4：D的分子式C₁₁H₁₂ClNO₄和D的大致结构简式。

问题表征4：结构简式和分子式相比少了哪些原子？R-和R₁-基团由哪些反应得来？

穷举法4：-R和-R₁合起来为C₂H₆，有且只有三种情况-R为-H、-R₁为-C₂H₅;-R为-CH₃、-R₁为-CH₃;-R为-C₂H₅、-R₁为-H。

排除法4：A到B为取代反应提供一个甲氧基-OCH₃，B到C为取代反应，提供一个乙酰基-COCH₃，可知前两步反应后的结构中存在两个甲基，没有乙基。

问题解决：-R和-R₁均为-CH₃。

至此，F的结构简式已经推出。其余结构简式读者可自行运用有序思维进行推理。

有序思维的一般模型是：

有的时候，用穷举法时情况太多，这就需要分类讨论，例如同分异构体的书写。

任务二：E的同分异构体

穷举法1：尝试书写几个同分异构体，发现根本写不完，于是运用分类思想，分析题给条件，发现N-H键最難控制，最多4个N-H键，最少1个N-H键，据此可分为四大类情况：A4个N-H键，B3个N-H键，C₂个N-H键，D1个N-H键。

排除法1：A即为两个-NH₂，分子组成为C₆H₁₂（NH₂）₂，可看成己烷分子中两个H被-NH₂所代替，画出碳骨架，分别用两个-NH₂去取代，只有一个结构符合三种氢的要求，即（CH₃）₃C-C（NH₂）₂-CH₃，但不符合条件②，排除;B即为一个-NH₂和一个-NH-，剩下来-C₆H₁₃不可能只有一种氢（最对称的己基有三种氢），排除。

阶段性结论1：只剩下C、D两种情况。

提取信息2：C大类中两个N-H键。

穷举法2：两个N-H键在同一个氮（标为C₁情况），即一个-NH₂和一个叔氮原子;两个N-H键在不同氮上（标为C₂情况），即两个亚氨基（-NH-）。

排除法2：C₁情况，尝试书写几个结构简式，发现不对称的结构中氢原子种类远多于三种，排除。

阶段性结论2：C₁情况中的分子结构必须非常对称。

穷举法3：为了使分子尽量对称（越对称H种类越少），这两个氮原子必须在对称轴上，设轴上碳原子数为x，轴两边每边碳原子数为y，则x+2y=6且y≠0，有且只有三组整数解。

排除法3：以叔氮原子与氨基连线为对称轴，分别画出结构，排除多于三种H的结构。

阶段性结论3：x=0、y=3时的一种结构符合题意，即NH₂-N（CH（CH₃）₂）₂。

排除法4：C₂情况，可以看成原有碳骨架中“插入”-NH-，用数学排列组合中的“插空法”，尝试书写几个结构简式，可以发现不对称地插入两个亚氨基（-NH-）会破坏原有碳骨架的对称轴，导致氢原子种类远多于三种，排除。

阶段性结论4：C₂情况中两个亚氨基（-NH-）必须对称插入。

穷举法5：用“减碳法”写出己烷C₆H₁₄的所有碳骨架，分别根据对称轴插入两个亚氨基（-NH-）。

排除法5：原有己烷骨架中H种类多于3种的，插入-NH-后H原子种类必定多于三种，排除。

阶段性结论5：2，3-二甲基丁烷原有两种H，在中间位置对称插入两个-NH-时，刚好为三种H。即（CH₃）₂CH-NH-NH-CH（CH₃）₂

提取信息6：D大类有1个N-H键和1个叔氮原子。

穷举法6：尝试书写若干个结构简式。

排除法6：发现不对称的结构中氢原子种类远多于三种，排除。

阶段性结论6：这两个氮原子必须在对称轴上。

穷举法7：以两个氮原子的连线为对称轴，设轴上碳原子数为x，轴两边每边碳原子数为y，则x+2y=6且x≥1、y≥1（否则N-H键多于一个，重复讨论），共两组解。

排除法7：y=2时H原子种类多于三种。

阶段性结论7：x=4、y=1时有一种结构符合题意，即（CH₃）₂N-NH-C（CH₃）₃。

这样，E的所有符合条件的三个同分异构体的结构简式分别为即NH₂-N（CH（CH₃）₂）₂、（CH₃）₂CH-NH-NH-CH（CH₃）₂和（CH₃）₂N-NH-C（CH₃）₃。

3. 试题反思

笔者在引导学生分析试题的时候，发现学生运用有序思维时主要存在两大问题：一是知识储备不足，例如说不全能发生水解反应的官能团、说不全能与羧基反应的官能团……需要进一步通过习题引导学生自行小结;二是分类讨论时分类不能达到“非此即彼”的效果，例如C大类直接认为是两个亚氨基而忽略了另一种情况，笔者用“男人、女人”的分类和“男人、非男人”的分类类比了这一问题，学生会心一笑，知道了分类讨论要避免想当然，要审查分类依据在逻辑上的严密性。

往近了看，考生只有勤练有序思维，才能在题海中重思维而轻经验、重方法而轻结果，逐步形成证据意识，建立观点、结论和证据之间的联系，在选考中脱颖而出;往远了看，储存、记忆和计算终将被机器所代替，而良好的思维方法却终生受用。在分类讨论中根据分类方法的不同，思维过程和阶段性结论也会不同，更重要的是，在有序思维的有序循环中，思考者在不停地审视逻辑上的严密性，这就为创新思维的迸发提供了契机，而后者也正是新时代社会对人才的必然要求。

参考文献：

[1] 陈志远.有序思维规律与高三化学教学[J].化学教学，2007（11）.

[2] 朱海成.有序思维在有机化学解题中的应用[J].中学化学教学参考，2007（7）.

[3] 邱慧芬.基于学科思想方法的高考化学命题[J].中学化学教学参考，2015（9）.

[4] 王后雄，孙建明.基于学科思想方法整合的高考化学命题研究[J].课程教材教法，2014（3）.

[5] 单旭峰.高考中有机化学考查方式的变迁与展望[J].中学化学教学参考，2017（6）.