同分異構(gòu)專題復(fù)習(xí)

◇云南李云芬

縱觀近幾年來的理科綜合統(tǒng)一考試全國卷化學(xué)部分(全國Ⅰ卷、Ⅱ卷),同分異構(gòu)是一個(gè)高頻考點(diǎn),通常要求書寫在給定條件下的同分異構(gòu)體或判斷其數(shù)目,融會(huì)和滲透了有機(jī)物的結(jié)構(gòu)和性質(zhì),能有效地考察考生的邏輯思維能力和空間想象能力,因而受到高考命題專家的青睞.那么,如何讓考生在這個(gè)考點(diǎn)上能拿分,少丟分? 經(jīng)過分析后筆者認(rèn)為首先要讓學(xué)生了解高考的要求:了解有機(jī)化合物存在同分異構(gòu)現(xiàn)象(中學(xué)階段不要求考慮立體異構(gòu));了解有機(jī)化合物中碳原子的成鍵特征;能按要求書寫簡單的有機(jī)化合物的同分異構(gòu)體和判斷其數(shù)目．然后從同分異構(gòu)體的概念、同分異構(gòu)體的類別、缺氫指數(shù)、同分異構(gòu)體的判斷與書寫的規(guī)律、常見方法以及近幾年高考題解析等方面進(jìn)行復(fù)習(xí)．

1回顧同分異構(gòu)體的概念

請(qǐng)觀察乙醇CH3CH2OH和甲醚CH3—O—CH3的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)并指出物質(zhì)間的關(guān)系．

同分異構(gòu)體:分子式相同而結(jié)構(gòu)不同的有機(jī)化合物之間互稱同分異構(gòu)體．

2認(rèn)識(shí)同分異構(gòu)體的常見類別

問題: 到目前為止我們已經(jīng)認(rèn)識(shí)了哪幾類同分異構(gòu)?現(xiàn)在請(qǐng)大家看看以下各組物質(zhì)屬于哪類同分異構(gòu)體,各類同分異構(gòu)都有什么特點(diǎn)?

1)CH3CH2CH2CH2CH3正戊烷，

CH3CH(CH3)CH2CH3異戊烷，

C(CH3)4新戊烷.

2)CH3CH=CHCH2CH3和

CH2=CHCH2CH2CH3.

3)CH3—O—CH3和CH3CH2OH.

4)CH3COOH和HCOOCH3.

5)CH2=CHCH3和環(huán)丙烷.

6)CH3CH2CHO和CH3COCH3.

7) 順-2-丁烯和反-2-丁烯.

8) 1-丁醇和2-丁醇.

答案4類同分異構(gòu): 1)為碳鏈異構(gòu)(碳原子的連接方式不同); 2)、8)均為位置異構(gòu)(官能團(tuán)的位置不同); 3)~6)均為類別異構(gòu)(官能團(tuán)不同或物質(zhì)的類別不同); 7)為順反異構(gòu)．

3要解決的關(guān)鍵問題——構(gòu)建缺氫指數(shù)

問題: 如何準(zhǔn)確而全面的書寫同分異構(gòu)體以及判斷同分異構(gòu)體的數(shù)目?新課標(biāo)教材淡化了各類有機(jī)化合物的通式,面對(duì)一個(gè)陌生的分子式,我們?nèi)绾沃浪赡芎心男┕倌軋F(tuán)或化學(xué)鍵?解決這些問題的關(guān)鍵是認(rèn)識(shí)不飽和度,什么是不飽和度?

3.1　缺氫指數(shù)

缺氫指數(shù), 也稱為不飽和度,通俗地說,是以烷烴(飽和鏈烴)為標(biāo)準(zhǔn),其他物質(zhì)與相同碳原子的烷烴的氫原子數(shù)相比,每少2個(gè)氫原子,不飽和度為1．

例1寫出丙烯、環(huán)丙烷的結(jié)構(gòu)簡式和分子式,并與丙烷相比,你有什么發(fā)現(xiàn)?

分析有機(jī)物分子中含有1個(gè)雙鍵(碳碳雙鍵)或1個(gè)環(huán),比相同碳原子的烷烴少2個(gè)氫原子,不飽和度為1.

例2寫出2-丁炔和1,3-丁二烯的結(jié)構(gòu)簡式和分子式,并與丁烷相比,你有什么發(fā)現(xiàn)?

分析3種有機(jī)物含1個(gè)碳碳三鍵或2個(gè)碳碳雙鍵,不飽和度均為2.

例3寫出丙酸和甲酸乙酯的結(jié)構(gòu)簡式和分子式,并與丙烷相比,你有什么發(fā)現(xiàn)?

分析有機(jī)物均含有1個(gè)碳氧雙鍵,不飽和度為1.

例4寫出乙苯和對(duì)二甲苯的結(jié)構(gòu)簡式和分子式并與C8H18相比,你有什么發(fā)現(xiàn)?(提示:每個(gè)苯環(huán)相當(dāng)于3個(gè)雙鍵和1個(gè)環(huán)．)

分析有機(jī)物含有1個(gè)苯環(huán),每個(gè)苯環(huán)的不飽和度為4.

書寫和判斷同分異構(gòu)體時(shí)強(qiáng)調(diào)官能團(tuán)的轉(zhuǎn)化原則(從不飽和度的視角):1個(gè)酯基或1個(gè)羧基相當(dāng)于1個(gè)羥基和1個(gè)醛基組合或1個(gè)羥基和1個(gè)羰基組合(均有2個(gè)氧原子,1個(gè)碳氧雙鍵),不飽和度為1．

3.2不飽和度與有機(jī)物的類別、有機(jī)物所含官能團(tuán)之間的關(guān)系

3) 符合通式CnH2n+2O:屬于飽和烴的含氧衍生物,所以相同碳原子的飽和一元醇和飽和一元醚互為同分異構(gòu)體．如CH3CH2OH和CH3OCH3.

4) 符合通式CnH2nO:不飽和度為1,含有1個(gè)醛基或1個(gè)羰基或1個(gè)碳碳雙鍵或1個(gè)環(huán),所以相同碳原子的飽和一元醛、烯醇(羥基不能連接在碳碳雙鍵上)、飽和一元酮和環(huán)氧烷烴互為同分異構(gòu)體,重點(diǎn)了解醛和酮． 如CH3CH2CHO和CH3COCH3.

5) 符合通式CnH2nO2:不飽和度為1,含有1個(gè)羧基或1個(gè)酯基或1個(gè)醛基(或羰基)和1個(gè)羥基,所以相同碳原子的飽和一元羧酸、飽一元酯互為同分異構(gòu)體．如CH3COOH和HCOOCH3.

6) 符合通式CnH2n-6(苯和苯的同系物n≥6):不飽和度為4,含有1個(gè)苯環(huán),側(cè)鏈為飽和鏈烴基．例如1,2-二甲苯和乙苯.

7) 符合通式CnH2n-6O:含有1個(gè)苯環(huán)和1個(gè)氧,所以相同碳原子的酚、芳香醇和芳香醚互為同分異構(gòu)體．例如對(duì)甲基苯酚、苯甲醇和苯甲醚.

4書寫與判斷同分異構(gòu)體的規(guī)律和方法

4.1　減碳補(bǔ)氫法

烷烴或烴基只存在碳鏈異構(gòu),書寫同分異構(gòu)體僅考慮碳鏈異構(gòu),用減碳補(bǔ)氫法(口訣:成直鏈,一條線;摘一碳,掛中間;往邊移,不到端;摘兩碳,乙基安;二甲基,同、鄰、間)．

例5請(qǐng)寫出分子式為C7H16的烴的同分異構(gòu)體．

第1步,所有碳在1條鏈上(1種).

第2步,減1個(gè)碳(即1個(gè)甲基),先放中間,再往兩邊移(強(qiáng)調(diào)不能放兩端碳原子)(2種).

第3步,減2個(gè)碳,先組成乙基,放中間(1種);組成2個(gè)甲基,放同一個(gè)碳原子(2種),放不同碳原子上(鄰位、間位共2種).

第4步,減3個(gè)碳,3個(gè)甲基放中間的2個(gè)碳原子上(1種)．共計(jì)9種．

最后根據(jù)碳原子四價(jià)鍵的原則補(bǔ)充氫原子即可．

4.2　基團(tuán)連接法

將有機(jī)物看作由烴基和官能團(tuán)連接而成,也叫殘基法．R—A型,R表示烴基,A表示官能團(tuán),如鹵原子(F、Cl、Br、I)、—OH、—CHO、—COOH、—NO2、—SO3H、—NH2等．這一類型的物質(zhì)可以看成是官能團(tuán)“接”在烴基碳鏈的末端．其同分異構(gòu)體實(shí)質(zhì)上就是烴基的異構(gòu),即烴基有幾種同分異構(gòu),則該有機(jī)物就有幾種同分異構(gòu)體．

例6書寫醇C4H9OH的同分異構(gòu)體．

寫出丁基的4種結(jié)構(gòu):

—CH2CH2CH2CH3、—CH2CH(CH3)2、

—CH(CH3)CH2CH3、—C(CH3)3,

再分別連接羥基,所以C4H9OH有4種同分異構(gòu)體．

變式1判斷戊醛(醛類)、戊酸(羧酸)、C4H9Cl的同分異構(gòu)體的數(shù)目．

丁基有4種,因戊醛、戊酸、C4H9Cl可看作丁基分別與醛基、羧基、氯原子的連接物,所以它們的同分異構(gòu)體都有4種．

變式2分子式為C5H12O且可與金屬鈉反應(yīng)放出氫氣的有機(jī)化合物有(不考慮立體異構(gòu))().

A5種;B6種;C7種;D8種

依題意C5H12O可與金屬鈉反應(yīng)放出氫氣先判斷出該化合物屬于醇,用基團(tuán)連接法．判斷出C5H11—有8種結(jié)構(gòu),所以C5H11OH的同分異構(gòu)體也有8種．答案為D.

請(qǐng)同學(xué)們?cè)诶斫獾幕A(chǔ)上記住丙基(2種)、丁基(4種)、戊基(8種)的異構(gòu)體數(shù)目．

4.3　換位思考法

將有機(jī)物分子中的不同原子或基團(tuán)換位進(jìn)行思考.

例7乙烷分子中共有6個(gè)H原子,若一氯乙烷只有一種結(jié)構(gòu),那么五氯乙烷有多少種結(jié)構(gòu)?

假設(shè)把五氯乙烷分子中的Cl看作H原子,而H原子看成Cl原子,其情況和一氯乙烷完全相同,故五氯乙烷也只有一種結(jié)構(gòu)．

變式二氯苯C6H4Cl2有3種結(jié)構(gòu),四氯苯C6H2Cl4有幾種結(jié)構(gòu)?

二氯苯C6H4Cl2有3種(2個(gè)氯原子在分別在苯環(huán)的鄰位、間位、對(duì)位),四氯苯C6H2Cl4也有3種(2個(gè)氫原子原子分別在苯環(huán)的鄰位、間位、對(duì)位)．特別強(qiáng)調(diào)芳香族化合物的同分異構(gòu)體的書寫要考慮取代基在苯環(huán)上的相對(duì)位置有鄰、間、對(duì)3種．

4.4　等效氫原子法

又稱對(duì)稱法.該方法是先觀察判斷有機(jī)物分子中有幾種等效氫原子,則其一元取代物的同分異構(gòu)體就有幾種．利用等效氫法,可以快速判斷出有機(jī)物的一元取代物的異構(gòu)體數(shù)目．

分子中等效氫原子有以下幾種情況:

1) 分子中同一個(gè)碳原子上連接的氫原子是等效氫,如CH4.

2) 同一個(gè)碳原子上所連接的甲基上的氫原子等效．如新戊烷(可以看作4個(gè)甲基取代了甲烷分子中的4個(gè)氫原子),只有1種等效氫．

3) 分子中處于對(duì)稱位置上的氫原子是等效的,如CH3CH2CH2CH3有2種等效氫原子．

例如, 2,2,3,3-四甲基丁烷的等效氫只有1種,所以它的一氯代物有1種．

例8C4H10的一溴代物有幾種同分異構(gòu)體?

C4H10有CH3CH2CH2CH3和(CH3)3CH這2種結(jié)構(gòu),其中正丁烷有2種等效氫,2-甲基丙烷也有2種等效氫,故C4H10共計(jì)有4種等效氫,所以C4H10的一溴代物有4種同分異構(gòu)體．

4.5　移位法

有機(jī)物分子中有多個(gè)官能團(tuán)或原子團(tuán),書寫同分異構(gòu)時(shí)用移位法,即:先固定一個(gè)或幾個(gè)官能團(tuán),再移動(dòng)另一個(gè)官能團(tuán),依此類推．

例9書寫C3H6Cl2的同分異構(gòu)體有幾種?

先將1個(gè)氯原子分別連接在1號(hào)和2號(hào)碳原子上,再連接第2個(gè)氯原子(注意排重),有CHCl2CH2CH3,CH2ClCHClCH3,CH2ClCH2CH2Cl,CH3CCl2CH34種.

變式10.1molC4H6O4與足量的NaHCO3反應(yīng)生成0.2molCO2,其同分異構(gòu)體有幾種?

依題意,一分子中有2個(gè)羧基,除此以外還有2個(gè)碳原子．2個(gè)羧基連接在相同碳原子上(1種),2個(gè)羧基連接在不同的碳原子上(1種),共2種．

變式2芳香族化合物C8H6O3遇到氯化鐵溶液顯色,能發(fā)生銀鏡反應(yīng),苯環(huán)有2種不同化學(xué)環(huán)境的氫原子,寫出符合以上要求的同分異構(gòu)體．

依題意,由于苯環(huán)上的等效氫種類少可知分子的對(duì)稱性好;該有機(jī)物含有醛基和酚羥基．首先計(jì)算出不飽和度為6,苯環(huán)用了4個(gè)不飽和度,側(cè)鏈有2個(gè)不飽和度,可以是2個(gè)醛基和1個(gè)羥基(符合題意的有2種:3個(gè)基團(tuán)分布在苯環(huán)的間位即1、3、6號(hào)碳原子上或3個(gè)基團(tuán)分布在苯環(huán)的1、2、3號(hào)碳原子上,其中羥基在2號(hào)碳原子上),還可以是1個(gè)醛基、1個(gè)羰基和1個(gè)羥基,羰基和醛基相連處于苯環(huán)上酚羥基的對(duì)位．共計(jì)3種．

4.6　排列組合法

凡是滿足H(R)WR′通式(R、R′表示烴基),R、R′有多少種組合,有機(jī)物就有多少種同分異構(gòu)體,書寫與判斷烯烴、炔烴、醚、酮或酯的同分異構(gòu)體均可用這種方法．

例10C4H8O2屬于酯類的同分異構(gòu)體有幾種?

先將酯基放中間,剩余碳原子分配在酯基的兩邊,即H—COO—C3H7(2種),

CH3—COO—C2H5(1種),

C2H5—COO—CH3(1種),

共有4種酯．

變式分子式為C5H10O2的有機(jī)物在酸性條件下可水解為酸和醇,若不考慮立體異構(gòu),這些醇和酸重新組合可形成的酯共有()種.

A15;B28;C32;D40

通過表格展示形成該酯的酸和醇的數(shù)目(看烴基的數(shù)目).

酯酸的數(shù)目/種醇的數(shù)目/種H—COO—C4H914CH3—COO—C3H712C2H5—COO—C2H511C3H7—COO—CH321共計(jì)58

可知,酸有5種,醇有8種,這些酸與醇之間發(fā)生酯化反應(yīng),形成的酯共計(jì)5×8=40種．

(作者單位：云南省盈江縣第一高級(jí)中學(xué))