一道競賽題的巧解妙法

方芳徐汪華

(1程集中學(xué) 安徽宿松246521;2安慶師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院 安徽安慶246011)

題目(第23屆國際奧林匹克化學(xué)競賽預(yù)備題有機(jī)化學(xué)第16題):在瀝青的氣體中，存有稠環(huán)芳烴，其中一些可視為萘(A)、芘(B)和蒽并蒽(C)的同系物，同樣原子增加還可以有D、E等等。

①試推測該系列化合物中，碳的最大含量?

②A+H2可能有多少個產(chǎn)物生成?它們之中哪個是熱力學(xué)最穩(wěn)定的?

③設(shè)氫化反應(yīng)在相鄰的位置上進(jìn)行，試推測B+2H2的反應(yīng)中，哪個產(chǎn)物是最穩(wěn)定的?

解析:本題雖是20世紀(jì)國際奧林匹克化學(xué)競賽預(yù)備題，但至今依然是考察學(xué)生觀察能力和分析能力的一道好題。要推測該系列化合物中碳的最大含量，必須先求出該系列化合物的分子式通式。由結(jié)構(gòu)式求通式這類題型的一般解法是:先根據(jù)結(jié)構(gòu)式寫出分子式，再用等差數(shù)列法求出通式。這種方法的第一步稍不注意就會把分子式弄錯，分子式一錯則后面全錯。這種方法的第二步受數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的制約，若數(shù)學(xué)基礎(chǔ)不好就難以用等差數(shù)列法求出通式。在實際教學(xué)中，若嘗試用“加減法”來解此類題則簡便快捷，答案準(zhǔn)確。

(1)第一步:求“最小重復(fù)單元”。把該系列中任意相鄰兩項的后一項減去前一項得“最小重復(fù)單元 ”(將前一項平移與后一項部分重疊，再將重疊部分去掉后，剩余部分即表1中各項示意式中的涂黑部分)，即C6H2(1、2、3、4、5、6號位各有1個C共6個C，1、6號位各有1個H共2個H。除位于邊界的“最小重復(fù)單元”外，其余“最小重復(fù)單元”的2、3、5號位上均沒有H;所有“最小重復(fù)單元”的4號位上均沒有H)。

第二步:求“主體”。該系列中第1項有1個“最小重復(fù)單元”(表1中第1項示意式中涂黑部分，下同);第2項有2個“最小重復(fù)單元”;第3項有3個“最小重復(fù)單元”;……;第n項有n個“最小重復(fù)單元”，即第n項的主體為“(C6H2)n”。

表1 題目求解示意圖

第四步:寫“通式”。第n項的“左邊”+“主體”+“右邊”=“通式”，即C4H3+(C6H2)n+H3=C6n+4H2n+6。

第五步:求碳的最大含量。該系列化合物中，碳的含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為:

當(dāng)n→∞時，碳的最大含量為:

(2)萘分子()為平面結(jié)構(gòu)，有兩條處于分子平面內(nèi)的C2軸a、b。處于對稱位置的氫原子等價，所以萘分子中的氫原子可分為兩組:1、4、5、8位置的4個氫原子等效為一組;2、3、6、7位置的4個氫原子等效為一組。

1mol萘與1mol H2發(fā)生加成反應(yīng)時，生成的“1，2加成產(chǎn)物”為(1，2)(表示兩個H加到1和2號位置所得到的產(chǎn)物，以下類同)、(2，3)、(1，9)、(9，10)，它們的結(jié)構(gòu)式分別為生成的“1，4加成產(chǎn)物”為(1，4)、(1，7)、(2，10)，它們的結(jié)構(gòu)式分別為生成的“1，6加成產(chǎn)物”為(1，5)、(2，6)，它們的結(jié)構(gòu)式分別為其中，1，2-二氫化萘中含有苯環(huán)且苯環(huán)與雙鍵形成一個共軛體系，在所有生成物中其熱力學(xué)穩(wěn)定性最高。

(3)當(dāng)氫化反應(yīng)在相鄰的位置上進(jìn)行時，B+2H2的反應(yīng)可以生成很多產(chǎn)物，其中最穩(wěn)定的產(chǎn)物是

練習(xí)(1998年高考化學(xué)測試題第21題):下面是苯和一組稠環(huán)芳香烴的結(jié)構(gòu)式:

(1)寫出化合物②～⑤的分子式:①C6H6，②________，③________，④________，⑤________。

(2)這組化合物的分子式通式是C________H________(請以含n的表示式填在橫線上，n=1，2，3，4，5，…)。

(3)由于取代基的位置不同，產(chǎn)生的異構(gòu)現(xiàn)象稱為官能團(tuán)位置異構(gòu)。一氯并五苯有________(填數(shù)字)個異構(gòu)體;二氯蒽有________(填數(shù)字)個異構(gòu)體。

答案:(1)C10H8，C14H10，C18H12，C22H14。(2)4n+2，2n+4。(3)4，15。提示:“最小重復(fù)單元”為，即C4H2(1、2、3、4號位各有1個C，共4個C;1、4號位各有1個H，共2個H。除位于邊界的“最小重復(fù)單元”外，其余“最小重復(fù)單元”的2、3號位上均沒有H);“左邊”為，即C2H2(5、6號位均有1個C和1個H，共2個C和2個H;1、4號位的C和H在“最小重復(fù)單元”中已經(jīng)記數(shù)，不能重復(fù)計算);“主體”為(C4H2)n;“右邊”為2個H(寫作H2)(2、3號位各有1個H，這2個H并不包括在位于邊界的“最小重復(fù)單元”中);“通式”為C2H2+(C4H2)n+H2=C4n+2H2n+4。

像求“通式”這類型的題目，用“減法”找出“最小重復(fù)單元”后即可直接用“加法”寫“左邊”+“主體”+“右邊”=“通式”，快速高效。用“加減法”和“編號法”不僅提高了解題速度和解答的正確性，更重要的是能提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力，開發(fā)學(xué)生的智力。

［1］南京大學(xué)化學(xué)系有機(jī)化學(xué)教研室編.有機(jī)化學(xué)(上冊).北京:高等教育出版社，1984

［2］邢其毅，徐瑞秋，周政.基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)(上、下冊).北京:高等教育出版社，1987