高中化学选择性必修3《有机化学基础》核心素养导向下的“有机合成难题多维突破”专题教学设计

高中化学选择性必修3《有机化学基础》核心素养导向下的“有机合成难题多维突破”专题教学设计

一、教学背景与设计理念

（一）教学内容解析【基础】【重要】

本节课为高中二年级化学选择性必修模块《有机化学基础》中“有机合成”单元的专题复习与提升课。有机合成不仅是本模块的核心内容，更是对学生综合能力的集中检验。它要求学生能够融会贯通烃、烃的衍生物、糖类、蛋白质等各类有机物的组成、结构、性质、转化关系，并能灵活运用这些知识设计合成路线、解决实际问题。本专题聚焦于“有机合成难题”，特指那些信息新颖、综合性强、推理要求高、与生产生活或前沿科技紧密联系的复杂问题。这些问题通常不是教材基础知识的简单再现，而是对知识迁移能力、信息处理能力和创新思维的高阶考查。因此，本课时的设计理念是跳出题海战术，回归学科本质，通过模型构建、思维建模和策略优化，帮助学生建立起解决复杂有机合成问题的通用思维框架。

（二）学情分析【重要】

授课对象为已完成《有机化学基础》模块新授课学习的高二学生。他们已经掌握了各类官能团的典型性质与相互转化，具备了基本的正向和逆向合成分析能力，能够解决教材中的基础合成题。然而，在面对信息给予题、真实情境题（如药物合成、材料制备）或需要多步逆向推导的复杂合成时，学生普遍存在以下困难：【难点】1.信息提取与加工能力不足：面对陌生的反应信息（如新试剂、新反应机理），难以快速、准确地理解其实质并有效迁移到合成路线中。2.思维定势与模型缺失：习惯于正向推导，逆向思维不够成熟；缺乏将复杂问题分解为若干简单子问题的策略，面对长路线时容易迷失方向。3.规范表达与评价能力欠缺：在书写合成路线时，常常忽视反应条件、副反应控制，或者对多条合成路线缺乏从产率、原子经济性、环保等角度进行优劣评价的能力。

（三）核心素养聚焦【最高水平】

本节课旨在通过解决“有机合成难题”这一载体，全面落实化学学科核心素养。宏观辨识与微观探析：引导学生从宏观的反应现象深入到微观的断键成键机理，理解官能团转化的本质，为信息迁移题的解决奠定基础。变化观念与平衡思想：通过分析合成路线的每一步反应，理解反应的可逆性、副反应的发生，以及如何通过控制条件（温度、溶剂、催化剂）使平衡向目标产物方向移动。证据推理与模型认知：这是本课时的核心。引导学生从给定的目标产物和已知信息中寻找“证据”（如目标分子的结构特征、官能团、保护信息、题给新反应），运用逆向合成分析（切断法）等思维模型，构建合理的合成路线。并通过典例剖析，建立不同类型难题的解题模型（如信息迁移型、保护与脱保护型、路线优选型）。科学探究与创新意识：鼓励学生对同一目标产物的不同合成路线进行比较、评价和优化，尝试设计更简洁、高效、绿色的合成方案，培养批判性思维和创新精神。科学精神与社会责任：通过展示合成在药物、材料等领域的重大贡献，以及分析合成路线中的“绿色化学”理念（原子经济性、环境保护），引导学生认识化学对社会发展的贡献与责任。

二、教学目标设定

1.通过典型难题的剖析，能够熟练运用逆向合成分析法（切断法）对给定目标化合物进行结构剖析，识别关键官能团、碳骨架特征及潜在的保护位点。【重要】

2.能够从题给的新信息（反应方程式、表格、流程图）中准确提取官能团转化、断键成键位置、反应条件等关键信息，并迁移应用于陌生合成路线的设计与评价。【高频考点】【非常重要】

3.能够基于绿色化学思想（原子经济性、步骤简洁性、条件温和性、原料易得性）对不同的合成方案进行初步的评价与优选，培养解决真实问题的综合能力。【热点】

4.通过小组合作探究和模型构建，形成解决有机合成难题的思维程序：分析目标分子结构——设计逆向切断方案——结合正向反应原理与题给信息——优化完善合成路线——规范表达与评价。

三、教学重难点

【教学重点】

1.逆向合成分析法（切断法）在复杂分子合成中的深化应用，特别是多官能团分子、含杂原子环状分子的切断策略。

2.新信息类有机合成难题的解题模型构建与应用，即“读信息—析机理—找断点—巧迁移”四步法。

3.合成路线的评价与优化维度。

【教学难点】

1.信息处理与迁移能力的培养：如何将题给的新反应信息（尤其是包含反应机理暗示的信息）与已知的官能团化学进行有效对接。

2.保护与脱保护思想的建立：当目标分子中同时含有多个活泼基团（如氨基、羟基）时，如何引入保护基策略来避免副反应。

3.思维模型的灵活运用：面对千变万化的难题，如何引导学生跳出固定模型，进行批判性思考和创造性解决。

四、教学实施过程【核心环节，占绝大部分篇幅】

（一）情境导入：激发认知冲突，明确学习方向（约5分钟）

【教师活动】展示一种临床上广泛使用的抗癌药物——紫杉醇的分子结构式（PPT上呈现其复杂的多环结构）。指出紫杉醇被誉为植物抗癌药中的“黄金”，但其来源极其有限，从红豆杉树皮中提取需砍伐大量树木，严重破坏生态。因此，如何通过化学合成的方法高效、大量地制备紫杉醇，成为几十年来有机化学家们面临的“世纪难题”。今天，我们虽然无法直接挑战合成紫杉醇这样的巨系统，但我们可以从模拟解决一类“有机合成难题”入手，去感受化学家的思维历程，掌握攻克难关的策略与方法。今天，我们就来上一节专题课——有机合成难题多维突破。

【学生活动】观看分子结构，聆听介绍，感受有机合成的巨大魅力和现实挑战，激发探究兴趣。

【设计意图】以真实且有震撼力的科研难题引入，迅速抓住学生注意力，让学生明白本节课学习的不是枯燥的刷题，而是解决真实问题的高级思维，明确本节课的学习价值。

（二）模型建构（一）：逆向合成分析的深化与提升（约15分钟）【重要】

1.回顾基础，引出挑战

【教师活动】提问：什么是逆向合成分析？其核心思想是什么？（引导学生回顾：从目标分子的结构出发，逆向推导其前体，逐步简化，直至得到可得的起始原料。）

展示一个中等复杂度的目标分子：3-苯基丙烯酸乙酯（C6H5-CH=CH-COOC2H5）。提问：请尝试用逆向切断法，设计出可能的合成路线。

【学生活动】思考并尝试设计。可能会出现两种主要思路：一是通过苯甲醛与乙酸乙酯的Claisen缩合？但产物是β-羟基酸酯，需脱水；二是通过Perkin反应？但Perkin反应一般用芳香醛与酸酐。引导学生分析，Perkin反应的产物恰好是芳基丙烯酸，酯化即可。另一条更直接的路线：利用Heck反应（钯催化的芳基卤代物与烯烃的偶联），用溴苯与丙烯酸乙酯在钯催化剂下直接偶联生成目标物。

【教师总结】引导学生对比两条路线。Perkin路线是经典的，但步骤稍多（缩合-脱水-酯化）。Heck路线步骤短，原子经济性高，但需要引入过渡金属催化，属于现代有机合成方法。由此引出：解决难题，既要熟练掌握经典反应，也要具备学习和应用新反应的能力。

2.难点突破：多官能团分子的切断策略

【教师活动】呈现一个更复杂的分子：对氨基苯甲酸乙酯（一种局部麻醉药，俗称苯佐卡因）的合成。分子中含有酯基和氨基两个官能团。提出问题：如果直接合成，需要注意什么？

【学生活动】小组讨论，很快能识别出氨基和酯基的共存问题。回忆知识：氨基（-NH2）亲核性强，酯基在酸性或碱性条件下可水解。若用硝酸、高锰酸钾等氧化剂引入氨基，会破坏酯基。若先引入氨基，再进行酯化，酯化反应本身需要酸催化，氨基可能被质子化，影响反应进行。

【教师引导】非常好！同学们已经发现了第一个【难点】——官能团的兼容性问题。这正是多步合成中必须考虑的。那么，如何解决呢？引出核心策略——【非常重要】保护与脱保护思想。

【师生互动】以苯佐卡因合成为例，共同构建合成方案。

（1）分析目标分子：苯环上有一个对位取代关系，一个是酯基（-COOC2H5），一个是氨基（-NH2）。

（2）逆向切断：酯基可以逆向水解为羧酸和乙醇，氨基由硝基还原得到。那么关键前体就是对硝基苯甲酸。

（3）正向合成思考：如何得到对硝基苯甲酸？可以用对硝基甲苯（甲苯硝化可得对位产物）经高锰酸钾氧化甲基为羧基得到。

（4）提出问题：若先用高锰酸钾氧化甲苯的甲基，再进行硝化，可行吗？引导学生分析，高锰酸钾氧化是在强酸或强碱加热条件下，苯环上无取代基时，硝化可发生在甲基的邻对位。但羧基是间位定位基，若先氧化成羧基再硝化，硝基会进入间位，得不到对位目标产物。

（5）得出结论：必须先硝化，后氧化。因为甲基是邻对位定位基，硝化主要得对硝基甲苯。再用高锰酸钾氧化甲基为羧基，得对硝基苯甲酸。最后，还原硝基为氨基，同时与乙醇发生酯化反应。

（6）再次提出挑战：还原硝基（如用Fe/HCl）时，条件酸性，酯基会水解吗？【高频考点】这是一个非常关键的陷阱！

（7）优化方案：先进行酯化反应。将对硝基苯甲酸与乙醇在浓硫酸催化下酯化，得到对硝基苯甲酸乙酯。然后，再还原硝基为氨基。此时需选择温和的还原剂，避免酯基被还原。如用Pd/C催化加氢，或用硫化钠等选择性地还原硝基。

【教师总结】通过这个案例，我们构建了解决多官能团分子合成的思维模型：1.识别官能团之间的干扰；2.引入“保护”思想（本例中，硝基还原前，酯基本身就是“未保护”的，但需要选择温和的还原条件，可视为“条件控制下的选择性反应”；若遇到更活泼的官能团，如氨基和醛基，则必须引入真正的保护基，如先将氨基乙酰化保护起来，再进行涉及醛基的反应）；3.合理安排反应顺序，有时顺序就是最好的“保护”。【重要等级：非常重要】

（三）模型建构（二）：信息给予题的解题模型（约20分钟）【高频考点】【热点】【非常重要】

1.呈现典型例题

【教师活动】展示一道高考或竞赛难度的有机信息合成题。题目提供如下信息：

信息1：已知反应A(醛)+B(格式试剂)→C(醇)（学生已学知识）。

信息2：新信息卤代烃与氰化钠反应生成腈（R-X+NaCN→R-CN+NaX），腈可以水解生成羧酸（R-CN+2H2O→R-COOH+NH3），或还原生成胺（R-CN+4[H]→R-CH2NH2）。

要求：以环己醇为唯一有机原料（无机试剂任选），合成目标化合物：1-氨基环己烷甲酸（一种重要的医药中间体，结构为C6H10(NH2)-COOH，氨基和羧基在同一碳上）。

2.引导探究，构建模型

【教师活动】提问：拿到这个题，第一步做什么？——仔细阅读信息！不能跳过信息直接想。

【学生活动】阅读信息，初步理解：信息2提供了碳链增长（由卤代烃到腈）和官能团转化（腈可转化为羧酸或胺）的新方法。

【教师引导】第二步，分析目标分子结构。目标分子是1-氨基环己烷甲酸，即环己烷的1号碳上同时连有一个氨基和一个羧基。这是一个α-氨基酸，但碳原子是环上的叔碳（或仲碳，取决于编号）。它的前体可以是什么？

【师生互动】共同应用逆向切断法。

（1）切断1：目标分子可以看作是由一个环己烷环和一个连有氨基和羧基的碳原子（季碳）构成。但碳链没有增长，关键在于如何同时引入氨基和羧基。

（2）联系信息：信息2告诉我们，腈（-CN）既可以水解成羧酸，也可以还原成胺（-CH2NH2）。如果我们在环己烷上引入一个氰基，那么这个氰基碳正好成为那个同时连接氨基和羧基的碳吗？分析：若环己烷上某碳上连有-CN，即C-CN，水解后变成C-COOH，这是羧酸。但还原后变成C-CH2NH2，这得到的是β-胺，氨基与羧基中间隔了一个碳，不是目标。所以，直接用腈不行。

（3）思维突破：如果我们制备的腈，其氰基不是直接连在环上，而是连在环上的一个侧链上？但题给原料只有环己醇。环己醇可以脱水得环己烯，环己烯加HBr（过氧化物条件下）得1-溴环己烷（反马氏规则，溴在末端？不对，过氧化物效应只对HBr有效，且产物是反马氏规则的，环己烯加HBr在过氧化物条件下，会得到1-溴环己烷，溴连在1号碳上，是一个仲溴代物）。但这不是我们想要的。

（4）关键一步：需要构建一个结构，使得氰基水解后羧基和还原后氨基能落在同一个碳上。联想到一种经典策略：利用羰基化合物（酮）与氰化氢的加成反应（氰醇）。如果环己酮与HCN加成，生成氰醇（羟基和氰基在同一碳上）。这个氰醇，如果直接水解，则得到α-羟基酸（羟基和羧基在同一碳）。如果先进行一些转化呢？题目目标需要氨基，不是羟基。

（5）信息再加工与迁移：【非常重要】氰基可以还原成氨基（-CH2NH2）。但这里的氰基连在季碳上，还原后得到的是-CH2NH2？不，氰基（-C≡N）加氢还原，最终产物取决于还原条件。如果用LiAlH4还原腈，得到的是伯胺（R-CH2NH2）。注意：R-基团是整个环加上羟基碳？如果从氰醇还原，R-基是环己基和羟基，产物将是含有羟基的伯胺，仍不是目标。

（6）模型重构与灵感迸发：查阅知识库，或者教师提示：有一种称为“Strecker合成”的反应，正是用来合成α-氨基酸的。醛或酮与氨（或胺）和氰化氢反应，一步得到α-氨基腈，后者水解即得α-氨基酸。题目信息虽未直接给出Strecker反应，但给出了腈的性质（水解成酸，还原成胺）。那么，如果我们能先合成出α-氨基腈，问题就解决了。

（7）逆向推导：α-氨基腈可由酮（环己酮）与氨（NH3）和氰化氢（HCN）反应得到。环己酮如何得到？环己醇氧化即可。

（8）最终合成路线确定：环己醇--（氧化）→环己酮--（NH3,HCN）→1-氨基环己烷甲腈--（酸性水解）→1-氨基环己烷甲酸。

【教师总结】板书构建“信息迁移题解题模型”——“四步法”：

第一步：读信息，抓实质。不仅要知道反应物和产物，更要分析断键成键位置，推测可能涉及的官能团转化。

第二步：析目标，找断点。运用逆向合成分析，将目标分子切成若干合理的碎片，思考这些碎片能通过什么已知或信息给定的反应连接。

第三步：巧结合，架桥梁。将信息提供的“新反应”或“新试剂”作为逆向切断的工具或正向合成的关键步骤，在目标分子结构与起始原料之间架设桥梁。本例中，就是将Strecker反应的思想（虽未直接给出，但可推理出需要“酮+NH3+HCN”这一步）作为关键桥梁。

第四步：验条件，调顺序。检查每一步反应的条件是否与已有官能团兼容，是否需要保护和脱保护，确保合成路线的可行性。

（四）模型应用与能力进阶：合成路线的评价与优化（约15分钟）【热点】【重要】

1.呈现新情境

【教师活动】承接上一个案例，如果我们现在要合成的目标是1-氨基环己烷甲醇（即环己基上连有-CH2OH和-NH2，二者在同一个碳上？还是分别在不同碳上？设定为目标：环己基上连有-CH2NH2和-OH，二者在同碳上？为了体现评价，可设定目标为：环己基甲醇（环己基-CH2OH），这是一个单官能团分子，看似简单。但给出两条不同路线，让学生评价。

路线一：环己烷--（光照氯代）→氯代环己烷--（NaOH水溶液取代）→环己醇--（...多步？）→目标。显然不对。

路线二：环己醇--（PBr3）→溴代环己烷--（Mg/干醚）→环己基溴化镁--（与甲醛反应）→环己基甲醇。

路线三：苯酚--（H2,Ni催化加氢）→环己醇？不行，得环己酮？苯酚加氢可得到环己醇，然后氧化成环己酮？也不行，太复杂。不如直接用苯甲酸？苯甲酸--（酯化，还原）→苯甲醇，但苯环加氢得环己基甲醇？但条件苛刻。

这里需要教师精选一个能体现“评价”的真实案例，例如，合成药物中间体“对硝基苯胺”，给出两条路线让学生评判。

路线A（经典路线）：乙酰苯胺--（混酸硝化）→对硝基乙酰苯胺--（酸/碱水解）→对硝基苯胺。

路线B（直接硝化）：苯胺--（混酸硝化）→对硝基苯胺+大量焦油和间位副产物。

2.学生分组讨论，建立评价指标体系

【教师活动】组织学生以小组为单位，从多个维度对上述两条合成路线进行评价。引导学生思考：评价一条合成路线的好坏，不能只看是否能得到产物。

【学生活动】热烈讨论，逐步提出评价指标。教师在黑板或PPT上汇总，形成“合成路线评价多维量表”（概念性，非表格）：

（1）步骤经济性：步骤越少越好吗？本例中，路线A多了一步保护和脱保护（乙酰化/水解），但产物纯度高；路线B一步到位，但分离困难，产率极低，且易爆炸。

（2）原子经济性：有多少反应物中的原子进入到最终产物中？路线A的乙酰基最终被水解掉，原子经济性不高；路线B引入了硝基，原子经济性高，但产率低。

（3）产率与纯度：总产率如何？产物是否易于分离纯化？路线A总产率高，产物纯；路线B产率低，纯度差。

（4）条件温和性与安全性：反应条件是否苛刻（高温高压）？所用试剂是否安全、无毒、环境友好？路线A的硝化条件相对可控；路线B直接用氨基在强酸下硝化，氨基易被氧化，反应剧烈放热，危险且副产物多。

（5）原料成本与可得性：原料是否便宜易得？两者原料苯胺和乙酰苯胺成本差异不大，但乙酰苯胺更稳定。

（6）绿色化学原则：是否符合“预防污染”、“原子经济”、“减少有毒有害物质的使用”等原则？综合比较，路线A虽然多了一步，但更符合绿色化学理念，因为它避免了危险的直接硝化，减少了废弃物（焦油）的产生，且产品易得，总原子利用率在实际生产中更高。

【教师总结】强调在真实工业生产中，对合成路线的评价是一个多目标优化问题。没有绝对完美的路线，只有根据实际需求（成本、产量、安全、环保）权衡利弊后选择的最佳路线。我们在解决有机合成难题时，也要培养这种批判性、辩证性的思维。一个优秀的合成设计，不仅在于“能合成”，更在于“合成得好”。

（五）课堂小结与思维升华（约5分钟）

【教师活动】带领