高中有機化合物同分異構體的書寫

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高中有機化合物同分異構體的書寫

谷中明1，丁永萍1， 郭玉瑋1，李建雄2 *

(包頭師范學院1.化學學院，2.繼續(xù)教育學院, 內蒙古 包頭014030)

摘要：同分異構體是有機化學中的一個重要概念，在歷年化學高考中都占有重要地位,同分異構體的書寫試題仍將是今后高考的熱點和難點。綜述了高中有機化合物同分異構體的書寫方法、同分異構體數(shù)目的判斷及書寫同分異構體應注意的問題，更好的解決在化學試卷中遇到的有關同分異構體的問題。

關鍵詞：高中化學；有機物；同分異構體；書寫方法

同分異構體是有機化學中的一個重要概念。同分異構體知識雖然在高中化學教材中只占較少的篇幅，但它貫穿整個有機化學的每一個章節(jié)，在高中有機化學中占有十分重要的地位。同分異構體知識起點低，但綜合性強，難度大。從有機物結構、性質的推導，直至計算，無處不與同分異構體的知識緊密相連。從近幾年高考命題特點來看，高中有機化合物同異構體的書寫、推導與判斷，仍將是今后高考的熱點，同時也是高中有機化學教學的重點，更是同學們學習有機化學的一個難點。同分異構體類試題能有效實現(xiàn)高考考試大綱對考生思維品質和能力的測試要求，可以較好的考查學生有序思維和空間想象能力，此類試題常見主要類型有同分異構體的書寫、判斷及同分異構體數(shù)目的確定等。為了加深同學們對同分異構體概念的理解和應用，提高分析問題和解決問題的能力，筆者現(xiàn)依據(jù)高考化學考試大綱有關要求及考題特點，結合同學們在學習過程中的薄弱環(huán)節(jié)，特制定本課題，并將同分異構體的書寫規(guī)律作出總結，以便同學們更好地學習。

該文綜述了高中有機化合物同分異構體的概念、分類、書寫方法、同分異構體數(shù)目的判斷、書寫同分異構體應注意的問題及實例分析解答同分異構體的技巧。

1高中有機化合物同分異構體的書寫方法

上面講述了高中有機化合物的分類,下面本文將就高中有機化合物主要是烴和烴的衍生物的同分異構體的書寫規(guī)律和書寫方法作詳細闡述。

1.1　烴類同分異構體的書寫

在書寫烴類有機化合物之前，我們要首先明確烴的概念。我們知道，在有機化合物中，有一大類物質是只由碳和氫兩種元素組成的，我們把這類物質總稱為烴，也叫碳氫化合物。可以簡記為“只含碳氫稱為烴”。根據(jù)烴分子中碳碳之間的成鍵類型和排列方式不同，我們把烴分為飽和烴和不飽和烴。飽和烴有烷烴(也稱鏈烴)；不飽和烴有烯烴、炔烴和芳香烴。不飽和度是區(qū)分飽和烴和不飽和烴的一個重要概念，也是作為書寫有機化合物同分異構體的重要原則。不飽和度是烴分子中按照鏈烴分子的成鍵方式所能連接的最多氫原子數(shù)減去現(xiàn)有氫原子數(shù)再除以二的結果。這就要求在書寫不飽和度相同的烴時要充分考慮非同系物之間的烴的同分異構體，這樣才能不漏掉同分異構體。在這里我們先介紹幾種高中常見烴的不飽和度，碳碳雙鍵不飽和度Ω=1、碳碳三鍵不飽和度Ω=2、碳環(huán)不飽和度Ω=1、苯環(huán)不飽和度Ω=4。明確了以上幾個烴的重要概念，我們再進一步對烴類有機化合物同分異構體作深入的探究。

1.1.1烷烴同分異構體的書寫

甲烷(CH4)是最簡單的有機物，也是最簡單的烷烴。除甲烷外，還有一系列跟它很相似的烴，如乙烷(C2H6)、丙烷(C3H8)、丁烷(C4H10)等。在這些烴的分子里，碳原子和碳原子之間都以單鍵結合成鏈狀，跟甲烷一樣，碳原子剩余的價鍵全部和氫原子相結合。這樣的結合使得每個碳原子的化合價都已被充分利用，都達到“飽和”。具有這種結構的鏈烴叫做飽和鏈烴，也稱烷烴。通式是CnH2n+2。

在高中階段，一般只需掌握烷烴的碳架異構體，即碳鏈異構體。烷烴同分異構體的書寫是其他有機化合物同分異構體書寫的基礎，其書寫規(guī)則可歸納如下：“成直鏈，一線串；從頭摘，掛中間；往邊排，不到端；摘兩碳，乙基安；二甲基，同、鄰、間；最長碳鏈不減半。”即烷烴同分異構體的書寫要“主鏈從長到短，支鏈從簡到繁，排布由心向端。”當摘取支鏈碳原子數(shù)目多時應注意烷基的書寫，在安排烷基支鏈在主鏈上的位置時，要考慮周全，內部每個主鏈碳原子上最多連接兩個烷基，切記不能使支鏈最長碳原子數(shù)超過主鏈。

例如：C7H16的碳架異構體書寫為：主鏈 n=71種

主鏈 n=62種

主鏈 n=55種

主鏈 n=4 1種

所以：C7H16的碳架異構體共有9種。

1.1.2烯烴同分異構體的書寫

烴分子里含有碳碳雙鍵的不飽和烴叫做烯烴。乙烯((C2H4)是最簡單的烯烴。通式是CnH2n。

烯烴類有機化合物的通式為CnH2n，含有一個碳碳雙鍵，是官能團，不飽和度為1。其書寫方法與烷烴同分異構體的書寫方法一致，不同的是，在書寫滿足此類通式的同分異構體時，首先要考慮碳鏈由長到短，然后再移動官能團在主鏈碳上的位置，形成官能團位置異構體。其次，再依次減少主鏈碳原子數(shù)，被摘下的碳原子作為支鏈，再接到主鏈碳上，形成同一位置的官能團的支鏈異構。最后，烯烴的通式和環(huán)烷烴的通式相同，不飽和度值相等，彼此構成不同類別的同分異構體。在書寫此類異構體時，環(huán)應由大到小，減下碳原子后，作為支鏈再連接到環(huán)上，其余書寫規(guī)則與烷烴異構體相同。

例如：C4H8的同分異構體：

C4H8不飽和度Ω=1 滿足要求的類型有烯烴和環(huán)烷烴：

1、烯烴：在4個碳的骨架結構上,把雙鍵加在不同位置,產生三種烯烴結構：

2、環(huán)烷烴：

所以：綜上所述C4H8共有5種同分異構體(不考慮順反異構)。

1.1.3炔烴同分異構體的書寫

炔烴是分子中含有碳碳三鍵的烴，碳碳三鍵是炔烴的官能團，不飽和度為2。乙炔(C2H2)是最簡單的炔烴。炔烴類同分異構體的書寫相對比較復雜，首先，要考慮官能團的位置異構，即要考慮碳碳三鍵在主鏈上的位置不同形成的位置異構。其次，再依次減少主鏈碳原子，作為支鏈接到主鏈上構成的碳架異構，其書寫方法與烯烴位置異構體書寫方法相同。最后，還要考慮到非同系物之間的不同類別的同分異構體。由于炔烴的不飽和度為2，二烯烴和環(huán)烯烴的不飽和度值也為2，即要把這兩類所具有的同分異構體也補寫上去，才能正確寫出所有的同分異構體。在這里我們不再贅述，但要注意的是在二烯烴里，我們一般不能把一個碳原子同時連接兩條雙鍵，因為其極不穩(wěn)定，可以不予考慮。

例如：C4H6的同分異構體的書寫如下:

①炔烴：三鍵位置不同異構體；

②二烯烴類異構體：

③環(huán)烯烴類；

所以：C4H6的同分異構體有6種。

1.1.4芳香烴同分異構體的書寫

芳香烴是分子中含有一個或多個苯環(huán)的烴，有單環(huán)芳香烴和稠環(huán)芳香烴。芳香烴的不飽和度較高。另外，稠環(huán)芳香烴的同分異構體高中不做要求。在這里，我們主要講述單環(huán)芳香烴的同分異構體的書寫。單環(huán)芳香烴主要有苯基烷烴、苯基烯烴和苯基炔烴三類。在書寫單環(huán)芳香烴的同分異構體時，我們首先要寫出分子中的苯環(huán)，然后再把剩余的部分按要求分別寫出，其書寫方法與烷烴、烯烴和炔烴類似，遵循碳數(shù)從長到短，支鏈從少到多，然后再把碳鏈連接到苯環(huán)上，當苯環(huán)上連接兩個支鏈時，還要寫出支鏈在苯環(huán)上的位置異構，即鄰、間、對三種。

若苯環(huán)上連有3個取代基時，分三種情況討論：

若取代基x=y=z時，有三種。如三甲基苯

若取代基x=y≠z時，有6種。如氯代二甲基苯

若取代基x≠y≠z時，有10種。如氯溴代甲基苯

1.2　醇和醚的同分異構體的書寫

醇是分子中羥基(-OH)取代烴分子中氫原子的烴的衍生物。醚是烴分子中含有(-O-)的官能團的烴的衍生物。醇和醚有飽和與不飽和之分。包括烷醇、烯醇、炔醇、芳香醇(酚類另外)、烷基醚、烯基醚、炔基醚、芳香醚類。

烷醇、烯醇、炔醇的同分異構體書寫相對比較簡單，先把羥基單摘出作為官能團，再寫出剩余部分的同分異構體，最后把羥基取代不同的等效氫原子即得同分異構體，只是在書寫時應注意當碳原子數(shù)較多(烷醇碳原子數(shù)>2、烯醇碳原子數(shù)>3、炔醇碳原子數(shù)>3)時應考慮相同碳原子數(shù)的醇類和醚類的同分異構體，它們互為官能團異構體。

例如：乙醇與甲醚

C—C—OHC—O—C

2-丙烯醇與甲基乙烯基醚

C=C—C—OHC—O—C=C

芳香醇的同分異構體除了考慮醇類同分異構體外，還要考慮除去苯環(huán)外，碳數(shù)相同的部分能夠形成芳香醚和酚，對于酚類有機化合物的同分異構體還要考慮苯環(huán)上的位置異構體，即鄰、間、對位異構體。

例如：C7H8O同分異構體有：

所以：C7H8O屬于芳香族化合物的同分異構體共有上述5種。

對于醚類有機化合物，主要考查除去(-O-)外的部分的烴基的同分異構體，其書寫方法與前面講述的烴的支鏈的同分異構體書寫方法相同，只是牢記碳原子數(shù)相同的醇和醚互為官能團同分異構體。

1.3　醛和酮的同分異構體的書寫

醛是分子中醛基(-CHO)取代烴分子中氫原子的烴的衍生物。酮是分子中含有羰基的烴的衍生物。這兩類物質的同分異構體主要是碳架異構體，考查主要是支鏈的書寫。

醛類物質的同分異構體書寫首先把醛基摘出作為端碳原子和官能團，剩余部分作為長鏈接在醛基上，然后再依次減少主鏈上的碳原子，作為取代基安在含有醛基的主鏈上，取代基由少到多，由短到長，其方法與烷烴同分異構體基本相同。另外，碳原子數(shù)相同的醛和酮互為同分異構體。

例如：C4H8O的醛和酮類物質的同分異構體書寫：

所以：C4H8O的同分異構體有3種(不考慮互變異構體)。

關于酮類物質的同分異構體，首先要考慮羰基在主鏈上的位置異構，其次再依次減少主鏈碳原子作為取代基，安在主鏈上作為支鏈構成酮的碳架異構。其書寫方法與烷烴的書寫方法一致。最后，勿忘碳原子數(shù)相同的醛和酮互為同分異構體。書寫時務必注意。

1.4　羧酸和酯的同分異構體的書寫

羧酸是羧基(-COOH)取代烴分子中氫原子的烴的衍生物。酯是酸和醇分子間或是分子內同時含有羧基和醇羥基的物質在一定的化學反應條件下發(fā)生消去反應，失去水分子后剩余的部分，其分子中含有酯基的有機化合物。

羧酸類有機化合物的同分異構體的書寫與醛類物質同分異構體書寫方法相同，只是官能團不同，這里不再介紹。酯類有機化合物的同分異構體的書寫與酮類物質的同分異構體書寫方法相同，只是羰基變成了酯基。

另外，碳數(shù)相同的羧酸和酯互為官能團異構體，書寫時不能漏掉。利用插入法書寫羧酸和酯的同分異構體比較方便。

例如：C4H8O2的酸和酯類的同分異構體的書寫有：

羧酸的書寫：把羧基當做取代基，把羧基連接在不同的碳原子上，有2種不同的連接方式，得到2種羧酸的同分異構體。

酯的書寫：

①把酯基連接在碳原子上得到甲酸某酯

②把酯基插入到碳鏈中，若左右對稱為一種；左右不對稱則為2種。例如C4H8O2，酯基連在1、2號碳上得到2種，插入碳鏈中得到2種，共4種屬于酯的同分異構體。

2高中有機化合物同分異構體的數(shù)目的判斷

高中有機化合物同分異構體的數(shù)目的判斷，是高考的重要考點，特別是在第二卷考題中的有機推斷中容易出現(xiàn)，結合化學反應機理，推斷物質結構和可能具有的同分異構體，難度相對較大，也是同學們相對失分較多的地方，下面，本文將分類對其進行具體討論：

2.1　等效法判斷同分異構體數(shù)目

所謂等效法判斷有機化合物同分異構體數(shù)目是通過分析有機物中的對稱因素，判斷含有多少種等效氫原子，進而判斷其取代物有多少種同分異構體。此方法特別適合對于一個取代基取代氫原子后的同分異構體的數(shù)目的判斷。

2.2　一鹵代物同分異構體數(shù)目的判斷

對于一鹵代物同分異構體數(shù)目的判斷，應用等效氫法最適宜，其同分異構體數(shù)目即等于有機化合物分子中所含有的等效氫原子種類數(shù)。

2.3　二鹵代物同分異構體數(shù)目的判斷

二鹵代物同分異構體數(shù)目的判斷除了要先寫出取代前有機物的同分異構體外，還要運用定位移位法來確定每一種含有不同碳原子數(shù)目主鏈上的取代位置不同的同分異構體，同時，還要把兩個取代鹵原子按照可能接在能夠同時結合兩個取代基的碳原子上，把以上同分異構體數(shù)目加和，最終求得二鹵代物同分異構體數(shù)目。

2.4　應用對應法判斷同分異構體的數(shù)目

此類題目相對比較簡單，因為在題干敘述中已經告訴答卷人某某有機化合物的某某取代物有多少種同分異構體，問：和它相對應的有機化合物的同分異構體的數(shù)目是多少。在這種情況下，我們一般只需選出題干中提到的同分異構體數(shù)目即可。

3書寫高中有機化合物同分異構體的應注意的問題

首先，同分異構體類試題往往不是簡單的出現(xiàn)在高考試卷中，經常結合推斷題一并出現(xiàn)。這樣同學們在做同分異構體類試題時，首先要分析好題干中的信息，通過已分析事實和化學反應規(guī)律，確定其中的一個同分異構體，然后再按照題中的答題要求，分別寫出有限制條件的或者是無條限制件的同分異構體。這就在無形中加大了同分異構體試題的難度。

第一，應注意寫出同分異構體的條件。

第二，要注意主鏈畫直畫曲無影響。

第三，支鏈接在同一碳上的上面和下面等同。

第四，注意對稱因素的影響，當同分異構體含有對稱因素時,在書寫單個原子或原子團的取代物時只寫出對稱的一半即可。

第五，在把支鏈連接到主鏈時，一定要使支鏈最長碳鏈的碳原子數(shù)小于所連接到的碳原子到主鏈短端的碳原子數(shù)。

4結論

有機化合物同分異構體的書寫有一定的難度，而且高考考查的方式比較靈活，但是，同分異構體書寫類試題都有一定的規(guī)律，只要能按照書寫的原則和規(guī)律，運用有序思維，仔細分析題中的已知條件和隱藏的條件(一般都是限制性的條件，以縮小書寫同分異構體的范圍)，根據(jù)平時學習有機化學反應進行的反應條件和反應規(guī)律，順藤摸瓜，最終寫出正確的答案。

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High School of Organic Compound Isomers

GU Zhong-ming1,DING Yong-ping1,GUO Yu-wei1,LI Jian-xiong2*

(1.Faculty of Chemistry,2.Faculty of Continuing Education, Baotou Teachers College, Baotou 014030)

Abstract:Isomer is an important concept in organic chemistry in college entrance examination in chemistry over the years has played an important role, writing isomers entrance examination questions will remain hot and difficult in future.This paper reviews the senior organic isomers of the concept, classification, writing method, the number of isomers to determine, in writing isomers should pay attention to the problems, a better solution encountered in the chemical papers on isomers of the problem.

Key words:Senior chemistry; Organic matter; Isomers;Writing

中圖分類號：G633.8

文獻標識碼：A

文章編號：1004-1869(2015)02-0097-05

作者簡介：谷中明(1962-)，內蒙古包頭市人，教授，研究方向：有機化學。

基金項目：包頭師范學院教改課題，包頭市科技計劃項目(2012S2005-5-27)。

收稿日期：2014-10-04