梅溪

摘要：《研究有機化合物的一般方法》一課教學，以屠呦呦研究青蒿素為背景，帶領學生跟隨科學家的腳步，逐步再現(xiàn)有機物研究的各個步驟，引導學生分析原因，總結經驗，最終通過自主探究，獲得研究有機物的一般方法。在此過程中，培育學生的化學學科核心素養(yǎng)。

關鍵詞：高中化學;《研究有機化合物的一般方法》;核心素養(yǎng)

從1824年維勒人工合成尿素開始，科學家們就意識到，一片嶄新的化學領域——有機化學，已經在他們眼前打開了大門。時至今日，科學家們又是如何研究有機物的呢？教學2019年版人教版高中化學選擇性必修3《有機化學基礎》第一章第二節(jié)《研究有機化合物的一般方法》時，筆者充分發(fā)掘相關教學素材，以“屠呦呦研究青蒿素”為背景，與學生一起跟隨科學家的腳步，體驗真實的有機物研究過程。

一、教學背景

隨著科學技術的發(fā)展，現(xiàn)代的有機化合物研究，主要依靠于各種先進的實驗儀器。但學生在高中的化學學習中，卻很少有機會接觸這類先進的實驗儀器，導致他們很難感受到真實的有機化合物的研究過程。

屠呦呦開始研究青蒿素的時間，大約是20世紀70年代，那時的研究條件還很艱苦。屠呦呦研究青蒿素的過程，見證了我國有機物研究手段不斷更新的歷程，也因此成為研究有機物的最好實例。以“屠呦呦研究青蒿素”為背景開展教學，一方面，能讓學生逐步了解現(xiàn)代儀器和技術在有機化合物研究中的重要作用，另一方面，也能讓他們總結出研究有機物的基本步驟和方法，并通過真實的化學研究過程的體驗，培育化學學科核心素養(yǎng)。

二、教學主線

本節(jié)課的知識主線為：初步了解有機物研究的第一步——文獻研究→有機物分離和提純的方法→確定有機物元素組成的方法→確定有機物分子結構的方法→總結研究有機物的一般步驟和方法。

據(jù)此，結合屠呦呦研究青蒿素的過程，設計情境主線和問題主線、活動主線：

情境主線：屠呦呦接到研制治療瘧疾藥物的任務→《肘后備急方》的記載→屠呦呦成功分離出無色針形結晶青蒿素→屠呦呦小組對青蒿素做元素分析→中國中醫(yī)科學院中藥研究所對青蒿素做四大光譜測定→通過四圓X射線衍射，結合計算，得到青蒿素結構。

問題主線：如果你研制治療瘧疾藥物，第一步準備做什么？→如何從青蒿溶液中提取有效成分？→如何確定青蒿素的元素組成？→如何確定青蒿素的化學式？→如何確定青蒿素的分子結構？→研究有機物的一般步驟和方法是什么？

活動主線：學習活動1——尋找藥物→學習活動2——提取藥物→學習活動3——確定有機物結構。

三、教學過程

（一）引入教學主題

師截至2020年10月28日，新型冠狀病毒已經在全球造成了4400余萬人感染，116萬余人死亡，令人嘆惋。就在幾十年前，另一種疾病——瘧疾，也曾經在神州大地上肆虐，但科學家屠呦呦“橫空出世”，經過艱苦的努力，從植物黃花蒿中提取出青蒿素，挽救了無數(shù)人的生命，她也因此獲得了諾貝爾醫(yī)學獎。今天，我們就跟隨科學家的腳步，一起去體驗他們是如何研究有機物的。

[設計意圖：結合新冠肺炎疫情，回顧青蒿素的作用，加深學生對化學與人類健康關系的理解，自然引入科學家研究有機物的教學主題。]

（二）學習活動1——尋找藥物

師如果你是屠呦呦，國家交給你研制治療瘧疾藥物的任務，你第一步準備做什么？

生閱讀文獻、走訪專家。

師科學家也是這么做的，請看資料。

（出示資料：“屠呦呦和她的小組翻閱歷代本草醫(yī)籍，四處走訪老中醫(yī)，最后從兩千多種藥方中整理出一張包括青蒿在內計有六百四十多種草藥的《抗瘧單驗方集》。只是在初期的動物實驗中，青蒿的效果并不理想，這使她們的研究一度陷入困窘?！保?/p>

師科學研究需要不斷地嘗試，不可能一帆風順，只有堅持才有可能成功。

[設計意圖：從屠呦呦研究青蒿素過程中的挫折出發(fā)，提醒學生：在科學研究中要有不怕失敗、越挫越勇的精神。]

（三）學習活動2——提取藥物

1.發(fā)現(xiàn)蒸發(fā)濃縮法的弊端。

師1971年，屠呦呦終于在《肘后備急方》中讀到“青蒿一握，以水一升漬，絞取汁，盡服之”的記載，深受啟發(fā)。如果你是屠呦呦，你準備怎樣從青蒿溶液中提取有效成分？

生蒸發(fā)濃縮、冷卻結晶。

師你們的想法和屠呦呦是一致的。然而，她發(fā)現(xiàn)，水煎（蒸發(fā)濃縮）青蒿得到的溶液對瘧疾無效。（出示圖1）請你根據(jù)青蒿素的分子結構分析原因。

生青蒿素含有酯基，難溶于水;還含有過氧基（鍵），所以受熱不穩(wěn)定。

[設計意圖：結構決定性質，讓學生通過青蒿素的分子結構去分析其性質，發(fā)現(xiàn)蒸發(fā)濃縮法無效的原因，同時發(fā)展他們宏觀辨識與微觀探析、證據(jù)推理與模型認知的核心素養(yǎng)。]

2.明確分離提純方法的細節(jié)。

師（出示下頁表1）這是青蒿素、水、乙醇和乙醚的熔沸點。另外，青蒿素幾乎不溶于水，可溶于乙醇和乙醚，易溶于氯仿、丙酮、乙酸乙酯和苯。根據(jù)這些資料，你準備如何提取青蒿素？

生將青蒿粉碎，然后用乙醚低溫冷浸，得到青蒿素的乙醚溶液。

師如何從青蒿素的乙醚溶液中再分離出青蒿素呢？

生可能青蒿素在乙醇或者其他有機溶劑里溶解度更大，可以用其他有機溶劑萃取。

師（出示資料：“青蒿素的現(xiàn)代生產工藝一：取一定量的青蒿枝葉干粉，用稀乙醇浸泡 24 h，得到乙醇提取液，將其注入連續(xù)萃取裝置，用含苯和乙酸乙酯的汽油萃取。”）得到青蒿素的萃取液后，如何從中得到青蒿素晶體呢？請大家小組討論。

生可以蒸發(fā)濃縮、冷卻結晶。

生不能蒸發(fā)，剛才我們已經討論過了，青蒿素受熱結構會被破壞，所以應該在低溫下結晶。

師那么結晶只需要完成一次，還是需要重復多次？為什么？

生重復多次，這樣才能得到較為純凈的青蒿素晶體。

（教師出示資料：“青蒿素的現(xiàn)代生產工藝二：青蒿素萃取液用活性炭脫色，過濾，回收溶劑得到濃溶液，再冷卻結晶得到青蒿素粗晶物，再用乙醇重結晶得到青蒿素成品?！保?/p>

師除此之外，分離青蒿素的有機溶液，還可以采用層析的方法。所謂層析，就是利用混合物中各組分物理性質或化學性質的差別，使其以不同速度的流動相移動，從而達到分離的目的。

[出示資料：“青蒿素的現(xiàn)代生產工藝三：將干燥粉碎的黃花蒿植物材料用提取溶劑（V石油醚∶V95%乙醇=2∶8）浸泡后，濕法裝入層析柱中，靜置1 h后，青蒿素吸附在層析柱上。再用提取溶劑沖洗層析柱，將青蒿素重新溶解收集。此方法的青蒿素提取率可達到95%以上?！盷

師從屠呦呦的研究經歷中，我們發(fā)現(xiàn)分離與提純有機物的一般方法有——

（師生總結，得到表2。）

[設計意圖：提供數(shù)據(jù)，讓學生小組討論，自主分析得到分離與提純青蒿素的方法，再和實際工業(yè)生產相印證，體現(xiàn)化學與社會的聯(lián)系。]

（四）學習活動3——確定有機物結構

1.元素組成的確定。

師屠呦呦小組成員鐘裕蓉，采用硅膠柱對抽提物進行層析，于1972年11月8日成功分離出無色針形結晶青蒿素。獲得青蒿抗瘧有效單體后，研究小組即著手其化學結構的分析工作。如果你是研究小組的成員，準備如何確定青蒿素的元素組成？

生可以通過燃燒法確定青蒿素的元素組成。

師研究小組在北京醫(yī)學院林啟壽教授的指導下，對青蒿素做了元素分析。

（教師出示題目：實驗提取28.2 g青蒿素，在足量氧氣中燃燒后，用足量的濃硫酸吸收所得到的產物，濃硫酸增重19.8 g，再用堿石灰吸收剩余產物，堿石灰增重66 g，未有含氮物質生成，求青蒿素的實驗式。學生計算得到青蒿素的實驗式為：C15H22O5。）

2.化學式的確定。

師通過元素分析只能獲得有機物的實驗式，要得到化學式，還需要知道有機物的相對分子質量，這就需要用到質譜法。（出示圖2、圖3）這是質譜儀的工作原理圖。離子源是使試樣分子在高真空條件下離子化的裝置。電離后的分子因接受了過多的能量會進一步碎裂成較小質量的多種碎片離子和中性粒子。它們在磁偏轉器中加速電場的作用下獲取具有相同能量的平均動能，而后按質荷比分離。分離后的離子依次進入接受系統(tǒng)，經計算機處理，繪制成質譜圖。某有機物的化學式為C8H8O2，（出示圖4）這是它的質譜圖，我們如何從質譜圖的數(shù)據(jù)中得出有機物的相對分子質量？

生質荷比最大的值等于該有機物的相對分子質量。

師對，有機物M失去一個電子后形成M+離子，從式量上來說，就等于該分子的相對分子質量，也就是質譜圖中質荷比最大的峰（最右側的峰）。而青蒿素最大質荷比的峰，數(shù)值為282，說明青蒿素的化學式即為C15H22O5。

[設計意圖：從燃燒法得到實驗式，通過質譜圖分析得到化學式，體現(xiàn)了有機物結構分析的路徑以及化學儀器對有機物分析的巨大推動作用。]

3.分子結構的確定。

師那如何確定青蒿素的分子結構呢？

生通過化學反應確定其含有的官能團。

師中國中醫(yī)科學院中藥研究所1972年底從中藥青蒿中分離到不同的結晶，1973年便通過化學反應確證其無雙鍵。你覺得科學家們是通過什么化學反應確認青蒿素無雙鍵的？

生青蒿素不能使溴的四氯化碳溶液褪色。

師中藥所的科學家對青蒿素做了四大光譜的測定，明確其分子式為C15H22O5，相對分子質量為282，推斷青蒿素可能是一種倍半萜內酯。

師用紅外線照射有機物分子時，分子中的化學鍵或官能團能選擇性地吸收某些波長的紅外線，檢測紅外線被吸收的情況即可得到物質的紅外吸收光譜。（出示圖5、圖6）比較乙醇和乙酸的紅外光譜圖的異同，并嘗試分析圖像不同的原因。

生乙醇中含有羥基，乙酸中含有羧基，官能團不同，所以吸收了不同波長的紅外線。

師氫原子核具有磁性，如用電磁波照射氫原子核，它能通過共振吸收電磁波能量，發(fā)生躍遷，用核磁共振儀可以記錄到有關信號。處于不同化學環(huán)境中的氫原子因產生共振時吸收的電磁波的頻率不同，在譜圖上出現(xiàn)的位置也不同，且吸收峰的面積與氫原子數(shù)成正比。（出示圖7、圖8）請比較乙醇和二甲醚核磁共振氫譜的異同。

（學生比較。）

師結合剛才的學習，請總結不同實驗方法對確定有機物結構的作用。

（學生總結，得到表3。）

[設計意圖：青蒿素分子結構的確定，充分體現(xiàn)了實驗儀器在有機物結構分析中的重要作用。研究有機物結構的過程，既是有機物“結構決定性質”的具體體現(xiàn)，也說明了“證據(jù)推理”的重要性。]

4.概括總結。

師上述研究方法，屠呦呦在研究青蒿素結構的過程中均運用過。但完整的、確切的青蒿素結構最后是由中國科學院生物物理所李鵬飛、梁麗等人在化學結構推斷的基礎上，利用四圓X射線衍射儀，測得了一組青蒿素晶體的衍射強度數(shù)據(jù)后，通過計算機計算得到的。隨著科學技術的進步，人類探索有機物結構所運用的儀器和手段早已超越了屠呦呦的時代，但探索有機物的基本步驟與思路，卻是一脈相承的。（出示圖9）我們這節(jié)課，也經歷了這樣研究有機物的過程。在新冠肺炎疫情這場全人類的浩劫中，作為掌握了一定有機物研究知識的你，如果參與新型冠狀病毒的分子結構檢測，你準備怎么做？請大家提出自己的想法，并在課后查閱相關的資料予以驗證。

[設計意圖：重現(xiàn)屠呦呦研究青蒿素的過程，讓學生自主總結“研究有機化合物的一般方法”，充分發(fā)展歸納、整理、提煉知識的能力。而運用所學知識，嘗試提出檢測新型冠狀病毒的分子結構，則是培育學生證據(jù)推理與模型認知、科學態(tài)度與社會責任等核心素養(yǎng)的良好途徑。]

參考文獻：

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