跟隨科學(xué)家的腳步

梅溪

摘要：《研究有機化合物的一般方法》一課教學(xué)，以屠呦呦研究青蒿素為背景，帶領(lǐng)學(xué)生跟隨科學(xué)家的腳步，逐步再現(xiàn)有機物研究的各個步驟，引導(dǎo)學(xué)生分析原因，總結(jié)經(jīng)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(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：高中化學(xué);《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(xué)家們就意識到，一片嶄新的化學(xué)領(lǐng)域——有機化學(xué)，已經(jīng)在他們眼前打開了大門。時至今日，科學(xué)家們又是如何研究有機物的呢？教學(xué)2019年版人教版高中化學(xué)選擇性必修3《有機化學(xué)基礎(chǔ)》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(guān)教學(xué)素材，以“屠呦呦研究青蒿素”為背景，與學(xué)生一起跟隨科學(xué)家的腳步，體驗真實的有機物研究過程。

一、教學(xué)背景

隨著科學(xué)技術(shù)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(xué)生在高中的化學(xué)學(xué)習(xí)中，卻很少有機會接觸這類先進的實驗儀器，導(dǎo)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(jì)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(xué)，一方面，能讓學(xué)生逐步了解現(xiàn)代儀器和技術(shù)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(jié)出研究有機物的基本步驟和方法，并通過真實的化學(xué)研究過程的體驗，培育化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

二、教學(xué)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(jié)構(gòu)的方法→總結(jié)研究有機物的一般步驟和方法。

據(jù)此，結(jié)合屠呦呦研究青蒿素的過程，設(shè)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(wù)→《肘后備急方》的記載→屠呦呦成功分離出無色針形結(jié)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(xué)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(jié)合計算，得到青蒿素結(jié)構(gòu)。

問題主線：如果你研制治療瘧疾藥物，第一步準(zhǔn)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(xué)式？→如何確定青蒿素的分子結(jié)構(gòu)？→研究有機物的一般步驟和方法是什么？

活動主線：學(xué)習(xí)活動1——尋找藥物→學(xué)習(xí)活動2——提取藥物→學(xué)習(xí)活動3——確定有機物結(jié)構(gòu)。

三、教學(xué)過程

（一）引入教學(xué)主題

師截至2020年10月28日，新型冠狀病毒已經(jīng)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(jīng)在神州大地上肆虐，但科學(xué)家屠呦呦“橫空出世”，經(jīng)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(xué)獎。今天，我們就跟隨科學(xué)家的腳步，一起去體驗他們是如何研究有機物的。

[設(shè)計意圖：結(jié)合新冠肺炎疫情，回顧青蒿素的作用，加深學(xué)生對化學(xué)與人類健康關(guān)系的理解，自然引入科學(xué)家研究有機物的教學(xué)主題。]

（二）學(xué)習(xí)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(wù)，你第一步準(zhǔn)備做什么？

生閱讀文獻、走訪專家。

師科學(xué)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(nèi)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(xué)研究需要不斷地嘗試，不可能一帆風(fēng)順，只有堅持才有可能成功。

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

（三）學(xué)習(xí)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(zhǔn)備怎樣從青蒿溶液中提取有效成分？

生蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)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(jié)構(gòu)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(shè)計意圖：結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，讓學(xué)生通過青蒿素的分子結(jié)構(gòu)去分析其性質(zhì)，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(rèn)知的核心素養(yǎng)。]

2.明確分離提純方法的細(xì)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(zhǔn)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(chǎn)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(jié)晶。

生不能蒸發(fā)，剛才我們已經(jīng)討論過了，青蒿素受熱結(jié)構(gòu)會被破壞，所以應(yīng)該在低溫下結(jié)晶。

師那么結(jié)晶只需要完成一次，還是需要重復(fù)多次？為什么？

生重復(fù)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(chǎn)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(jié)晶得到青蒿素粗晶物，再用乙醇重結(jié)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(zhì)或化學(xué)性質(zhì)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(chǎn)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(jīng)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(jié)，得到表2。）

[設(shè)計意圖：提供數(shù)據(jù)，讓學(xué)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(chǎn)相印證，體現(xiàn)化學(xué)與社會的聯(lián)系。]

（四）學(xué)習(xí)活動3——確定有機物結(jié)構(gòu)

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(jié)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(xué)結(jié)構(gòu)的分析工作。如果你是研究小組的成員，準(zhǔn)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(xué)院林啟壽教授的指導(dǎo)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(chǎn)物，濃硫酸增重19.8 g，再用堿石灰吸收剩余產(chǎn)物，堿石灰增重66 g，未有含氮物質(zhì)生成，求青蒿素的實驗式。學(xué)生計算得到青蒿素的實驗式為：C15H22O5。）

2.化學(xué)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(xué)式，還需要知道有機物的相對分子質(zhì)量，這就需要用到質(zhì)譜法。（出示圖2、圖3）這是質(zhì)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(zhì)量的多種碎片離子和中性粒子。它們在磁偏轉(zhuǎn)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(zhì)荷比分離。分離后的離子依次進入接受系統(tǒng)，經(jīng)計算機處理，繪制成質(zhì)譜圖。某有機物的化學(xué)式為C8H8O2，（出示圖4）這是它的質(zhì)譜圖，我們?nèi)绾螐馁|(zhì)譜圖的數(shù)據(jù)中得出有機物的相對分子質(zhì)量？

生質(zhì)荷比最大的值等于該有機物的相對分子質(zhì)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(zhì)量，也就是質(zhì)譜圖中質(zhì)荷比最大的峰（最右側(cè)的峰）。而青蒿素最大質(zhì)荷比的峰，數(shù)值為282，說明青蒿素的化學(xué)式即為C15H22O5。

[設(shè)計意圖：從燃燒法得到實驗式，通過質(zhì)譜圖分析得到化學(xué)式，體現(xiàn)了有機物結(jié)構(gòu)分析的路徑以及化學(xué)儀器對有機物分析的巨大推動作用。]

3.分子結(jié)構(gòu)的確定。

師那如何確定青蒿素的分子結(jié)構(gòu)呢？

生通過化學(xué)反應(yīng)確定其含有的官能團。

師中國中醫(yī)科學(xué)院中藥研究所1972年底從中藥青蒿中分離到不同的結(jié)晶，1973年便通過化學(xué)反應(yīng)確證其無雙鍵。你覺得科學(xué)家們是通過什么化學(xué)反應(yīng)確認(rèn)青蒿素?zé)o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(xué)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(zhì)量為282，推斷青蒿素可能是一種倍半萜內(nèi)酯。

師用紅外線照射有機物分子時，分子中的化學(xué)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(zhì)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(guān)信號。處于不同化學(xué)環(huán)境中的氫原子因產(chǎn)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(xué)生比較。）

師結(jié)合剛才的學(xué)習(xí)，請總結(jié)不同實驗方法對確定有機物結(jié)構(gòu)的作用。

（學(xué)生總結(jié)，得到表3。）

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

4.概括總結(jié)。

師上述研究方法，屠呦呦在研究青蒿素結(jié)構(gòu)的過程中均運用過。但完整的、確切的青蒿素結(jié)構(gòu)最后是由中國科學(xué)院生物物理所李鵬飛、梁麗等人在化學(xué)結(jié)構(gòu)推斷的基礎(chǔ)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(xué)技術(shù)的進步，人類探索有機物結(jié)構(gòu)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(jīng)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(jié)構(gòu)檢測，你準(zhǔn)備怎么做？請大家提出自己的想法，并在課后查閱相關(guān)的資料予以驗證。

[設(shè)計意圖：重現(xiàn)屠呦呦研究青蒿素的過程，讓學(xué)生自主總結(jié)“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(xué)知識，嘗試提出檢測新型冠狀病毒的分子結(jié)構(gòu)，則是培育學(xué)生證據(jù)推理與模型認(rèn)知、科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任等核心素養(yǎng)的良好途徑。]

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