多途径确定有机物结构 发展化学学科核心素养

新疆 祝可一

《普通高中化学课程标准(2017年版2020年修订)》(以下简称《课程标准》)中对有机物结构的确定提出了较高的要求，要求学生能辨识有机物分子中的官能团，能结合简单图谱信息分析判断有机化合物的分子结构，能描述和分析各类有机化合物的典型代表物的重要反应。有机物结构的判定方法是发展学生“证据推理与模型认知”核心素养的良好载体。

2017—2021年高考化学非选择题中，对有机物结构的考查方式主要分为三种，即现代仪器分析方法测定结构、特征反应确定结构和信息描述特征结构，考频如表1所示。

表1 2017—2021年高考非选择题中对有机物结构考查情况统计表

续表

由表1分析可知，在20套高考化学题中，三种考查方式的频数分别为16、15、14，其中用现代仪器方法测定结构的考查频率最高，该方法以核磁共振氢谱(1H—NMR)为主要考查角度。对特征反应的考查中，能发生银镜反应考查8次，与FeCl3发生显色反应考查4次，与碳酸氢钠溶液反应考查4次，考频较高。信息描述特征结构中，重点考查碳原子的连接方式，其中对苯环或芳香族化合物描述8次，对手性碳描述5次，考频较高。

一、用现代仪器方法测定结构

《课程标准》在模块3主题1的学业要求中指出，能说出测定有机化合物分子结构的常用仪器分析方法，能结合简单图谱信息分析判断有机化合物的分子结构。人教版《化学选择性必修3 有机化学基础》教材正文中介绍了质谱、红外光谱、核磁共振氢谱和X射线衍射。从红外光谱图可以分析有机物分子中所含有的化学键或官能团信息，核磁共振氢谱可以获得有机物中有几种不同化学环境的氢原子及它们的相对数目等信息。近五年高考题中对核磁共振氢谱一般有两种考查形式：

1.已知峰的数目和峰面积之比推测分子结构

如2021年全国甲卷36题(6)：“核磁共振氢谱显示四组峰，且峰面积之比为3∶2∶2∶1”。结合题给信息可知，该物质是分子式为C8H8O3的B的同分异构体，该物质一个分子中的8个氢原子处于4种不同化学环境，且个数之比为3∶2∶2∶1。其他高考题对此的考查形式稍有差异，但考查的本质相同，如2021年广东省选择性考试第21题“核磁共振氢谱确定分子中有6个化学环境相同的氢原子”，该题只对一种化学环境的氢原子个数进行了描述；又如2020年江苏卷17题“分子中不同化学环境的氢原子数目之比为1∶1”，虽未明确强调核磁共振氢谱这种分析手段，淡化了峰面积之比这一波谱分析专业数据，但仍提供了分子中不同化学环境的氢原子种类和数目。

2.提供分子结构推测吸收峰数目

【参考答案】4

【参考答案】C14H8N2O6Na24 1∶1∶1∶1

二、特征反应确定结构

《课程标准》在模块3主题2的学业要求中指出，能写出烃及其衍生物的官能团，能描述和分析各类有机化合物的典型代表物的重要反应。研究有机物时，化学工作者常用特征反应确定分子结构，高考题据此设问，综合考查有机物性质和官能团的对应关系。

近五年高考题中常考的有：能发生银镜反应、与FeCl3显色反应、与碳酸氢钠溶液反应三个特征反应。它们分别是醛基(—CHO)、酚羟基(—OH)、羧基(—COOH)的特征反应。高考中，对特征反应的考查，有以下角度：

1.考查醛基(—CHO)的特征反应

①能发生银镜反应；

②核磁共振氢谱有三组峰，且峰面积比为3∶2∶1。

2.考查酚羟基(—OH)的特征反应

【参考答案】8

【解析】根据题意，A的同分异构体中至少需要保留一个酚羟基，酚羟基的存在使得分子中必须存在苯环。两个饱和碳原子可以乙基或两个甲基的形式分布在苯环上。当以乙基形式出现时，酚羟基可处于邻、间、对位，如图1中a、b、c所示；两个甲基处于邻位时，酚羟基有2种位置，如图1中 d、e所示；除物质A外，两个甲基处于间位时，酚羟基有2种位置，如图1中f、g所示；两个甲基处于对位时，酚羟基有1种位置，如图1中h所示。因此符合题意的同分异构体为8种。

b

d

e

g

h

3.考查羧基(—COOH)的特征反应

4.1.3 全面业务分析、跨条线数据整合分析、统一平台、升华管理及业务效率和质量，全面展现智慧水务效用

4.常见有机物及官能团的特征反应

高考复习备考过程中，学生熟练掌握常见有机物及官能团的特征反应可以提高解题的准确率和速度。表2梳理了常见有机物及官能团的特征反应。

表2 常见有机物及官能团的特征反应

三、信息描述特征结构

《课程标准》在模块3主题1的内容要求中指出，认识有机化合物的分子结构决定于原子间的连接顺序、成键方式和空间排布，认识有机化合物存在构造异构和立体异构等同分异构现象。近五年高考题中通过信息描述特征结构主要关于苯环结构和手性结构。

1.苯环结构

a.含苯环的醛、酮

b.不含过氧键(—O—O—)

c.核磁共振氢谱显示四组峰，且峰面积比为3∶2∶2∶1

A.2个 B.3个 C.4个 D.5个

【参考答案】C

【解析】信息a要求分子结构包含苯环、一个醛基或酮羰基，信息b要求分子结构包含两个酚羟基，信息c要求一个分子中的8个氢原子处于四种不同化学环境，整个分子对称性较好，其中必然有3个氢原子属于同一个甲基。据此写出符合要求的4种同分异构体如图2所示：

图2 满足题给信息4种B的同分异构结构简式

2.手性结构

人教版《化学选择性必修2 物质结构与性质》教材以示意图的形式介绍了手性分子和手性碳原子，与四个不同集团相连的碳原子称为手性碳原子。对手性结构的考查有两种常见形式：一种是判断某分子中是否存在手性碳原子或手性碳原子的个数，另一种是写出某种物质具有或者不具有手性碳原子的同分异构体。前者难度较低，后者难度较大，分别举例说明。

(1)手性碳原子的辨识

【参考答案】1

(2)书写含有手性碳原子的同分异构体

(a)4 (b)6 (c)8 (d)10

其中，含有手性碳(注：连有四个不同的原子或基团的碳)的化合物的结构简式为________。