一道競賽試題的巧解及答案校正

徐汪華

(安慶師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院 安徽安慶246011)

1 試題

本文選用的試題為1998年全國化學(xué)競賽初賽第9題，試題內(nèi)容如下:

1932年捷克人Landa等人從南摩拉維亞油田的石油分餾物中發(fā)現(xiàn)一種烷(代號A)，次年借X射線技術(shù)證實了其結(jié)構(gòu)，竟是由一個叫Lukes的人早就預(yù)言過的。后來A被大量合成，并發(fā)現(xiàn)它的胺類衍生物具有抗病毒、抗震顫的藥物活性，開發(fā)為常用藥。下圖給出3種已經(jīng)合成的由2，3，4個A為基本結(jié)構(gòu)單元“模塊”像搭積木一樣“搭”成的較復(fù)雜籠狀烷［1］。

(1)請根據(jù)這些圖形畫出A的結(jié)構(gòu)，并給出A的分子式。

(2)圖中B、C、D 3種分子是否與A屬于一個同系列中的4個同系物?為什么?

(3)如果在D上繼續(xù)增加一“塊”A“模塊”，得到E，給出E的分子式。E有無異構(gòu)體?若有，給出異構(gòu)體的數(shù)目，并用100字左右說明你得出結(jié)論的理由，也可以通過作圖來說明。

2 答案

(2)是同系列。A、B、C、D在結(jié)構(gòu)上具有相同的特征，在組成上總是相差一個(—C4H4)級差，可以用通式C4n+6H4n+12(n=1，2，3，4……)來表示，符合同系列的定義，因此它們是一個同系列中的同系物。

(3)E的分子式為C26H32，有異構(gòu)體。A共有4個六元環(huán)(全是椅式結(jié)構(gòu))，完全相等;D中的六元環(huán)可分為互不相同的3組［2-3］，因此，E有3種異構(gòu)體(圖1)。

3 解析

盡管本題是20世紀90年代末化學(xué)競賽的老題，但至今依然是一道考察學(xué)生空間想像能力和邏輯推理能力的好題。令人遺憾的是:每次考試，此題的得分都很低;更令人遺憾的是，很多學(xué)生(化學(xué)專業(yè)的本科生)即使對照答案也弄不明白。為此，本人查閱了大量的資料。在一般的參考書上沒有詳細的解題過程，只是直接給出了A的結(jié)構(gòu)式、該類化合物的通式和E的異構(gòu)體。有些參考書上即使有解題過程，也沒有實質(zhì)性的方法指導(dǎo)，使學(xué)生很難弄懂A的結(jié)構(gòu)式和該類化合物的通式究竟是怎樣推演出來的以及E為什么有3種異構(gòu)體。在實際教學(xué)中，本人采用“加減法”和“編號法”對此題進行講解，效果較好。對此介紹如下。

圖1 在D上繼續(xù)增加一“塊”A“模塊”得到E的示意圖

綜上可以發(fā)現(xiàn):B、C、D在分子結(jié)構(gòu)上具有相同的特征，在分子組成上每一項與它前一項的差等于同一個常數(shù)(C4H4)。由此可以推知:A、B、C、D、……各項排列構(gòu)成一個“等差數(shù)列”，該“等差數(shù)列”的公差為，即C4H7-3=C4H4。

圖2 D分子的結(jié)構(gòu)式

(3)為了方便起見，將D中各碳原子進行編號，如圖2。D分子“外部”含有10個六元環(huán)，可分為3組(見表1)。其中a、b、c、d 4個六元環(huán)是等同的，記做α型;e、f、g、h 4個六元環(huán)是等同的，記做β型;i、j 2個六元環(huán)是等同的，記做γ型。

表1 D中的六元環(huán)分類

因此，如果在D上繼續(xù)增加一“塊”A“模塊”，則得到3種E的同分異構(gòu)體。即:如果在D的α型六元環(huán)上繼續(xù)增加一“塊”A“模塊”，得到“α型”E;如果在D的β型六元環(huán)上繼續(xù)增加一“塊”A“模塊”，得到“β型”E;如果在D的γ型六元環(huán)上繼續(xù)增加一“塊”A“模塊”，得到“γ型”E(圖3)。

另外，D分子“內(nèi)部”含有3個六元環(huán)，可分為2組。代號為k和l的兩個六元環(huán)是等同的，記做δ型;代號為m的六元環(huán)記做ε型(表1)。

由此可見，整個D分子中含有13個六元環(huán)，可分為互不相同的5組。

所以，原答案“D中的六元環(huán)可分為互不相同的3組”是不對的。應(yīng)該說:D中“表面”的六元環(huán)可分為互不相同的3組。

圖3 E分子的3種結(jié)構(gòu)式

［1］張祖德，倪其道，張保忠，等.金牌奧林匹克叢書-化學(xué)素質(zhì)強化訓(xùn)練.合肥:安徽科學(xué)技術(shù)出版社，2000

［2］莫海洪，殷志學(xué)，林加明，等.奧賽金牌之路-高二化學(xué).桂林:廣西師范大學(xué)出版社，2002

［3］任學(xué)寶，李蓉，嚴業(yè)安，等.沖刺金牌奧林匹克競賽輔導(dǎo)-高中化學(xué).長春:吉林教育出版社，2002