同分異構專題復習

同分異構專題復習

◇云南李云芬

縱觀近幾年來的理科綜合統一考試全國卷化學部分(全國Ⅰ卷、Ⅱ卷),同分異構是一個高頻考點,通常要求書寫在給定條件下的同分異構體或判斷其數目,融會和滲透了有機物的結構和性質,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,如何讓考生在這個考點上能拿分,少丟分? 經過分析后筆者認為首先要讓學生了解高考的要求:了解有機化合物存在同分異構現象(中學階段不要求考慮立體異構);了解有機化合物中碳原子的成鍵特征;能按要求書寫簡單的有機化合物的同分異構體和判斷其數目．然后從同分異構體的概念、同分異構體的類別、缺氫指數、同分異構體的判斷與書寫的規律、常見方法以及近幾年高考題解析等方面進行復習．

1回顧同分異構體的概念

請觀察乙醇CH3CH2OH和甲醚CH3—O—CH3的結構特點并指出物質間的關系．

同分異構體:分子式相同而結構不同的有機化合物之間互稱同分異構體．

2認識同分異構體的常見類別

問題: 到目前為止我們已經認識了哪幾類同分異構?現在請大家看看以下各組物質屬于哪類同分異構體,各類同分異構都有什么特點?

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

3要解決的關鍵問題——構建缺氫指數

問題: 如何準確而全面的書寫同分異構體以及判斷同分異構體的數目?新課標教材淡化了各類有機化合物的通式,面對一個陌生的分子式,我們如何知道它可能含有哪些官能團或化學鍵?解決這些問題的關鍵是認識不飽和度,什么是不飽和度?

3.1　缺氫指數

缺氫指數, 也稱為不飽和度,通俗地說,是以烷烴(飽和鏈烴)為標準,其他物質與相同碳原子的烷烴的氫原子數相比,每少2個氫原子,不飽和度為1．

例1寫出丙烯、環丙烷的結構簡式和分子式,并與丙烷相比,你有什么發現?

分析有機物分子中含有1個雙鍵(碳碳雙鍵)或1個環,比相同碳原子的烷烴少2個氫原子,不飽和度為1.

例2寫出2-丁炔和1,3-丁二烯的結構簡式和分子式,并與丁烷相比,你有什么發現?

分析3種有機物含1個碳碳三鍵或2個碳碳雙鍵,不飽和度均為2.

例3寫出丙酸和甲酸乙酯的結構簡式和分子式,并與丙烷相比,你有什么發現?

分析有機物均含有1個碳氧雙鍵,不飽和度為1.

例4寫出乙苯和對二甲苯的結構簡式和分子式并與C8H18相比,你有什么發現?(提示:每個苯環相當于3個雙鍵和1個環．)

分析有機物含有1個苯環,每個苯環的不飽和度為4.

書寫和判斷同分異構體時強調官能團的轉化原則(從不飽和度的視角):1個酯基或1個羧基相當于1個羥基和1個醛基組合或1個羥基和1個羰基組合(均有2個氧原子,1個碳氧雙鍵),不飽和度為1．

3.2不飽和度與有機物的類別、有機物所含官能團之間的關系

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體．如CH3CH2OH和CH3OCH3.

4) 符合通式CnH2nO:不飽和度為1,含有1個醛基或1個羰基或1個碳碳雙鍵或1個環,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)、飽和一元酮和環氧烷烴互為同分異構體,重點了解醛和酮． 如CH3CH2CHO和CH3COCH3.

5) 符合通式CnH2nO2:不飽和度為1,含有1個羧基或1個酯基或1個醛基(或羰基)和1個羥基,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個苯環,側鏈為飽和鏈烴基．例如1,2-二甲苯和乙苯.

7) 符合通式CnH2n-6O:含有1個苯環和1個氧,所以相同碳原子的酚、芳香醇和芳香醚互為同分異構體．例如對甲基苯酚、苯甲醇和苯甲醚.

4書寫與判斷同分異構體的規律和方法

4.1　減碳補氫法

烷烴或烴基只存在碳鏈異構,書寫同分異構體僅考慮碳鏈異構,用減碳補氫法(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請寫出分子式為C7H16的烴的同分異構體．

第1步,所有碳在1條鏈上(1種).

第2步,減1個碳(即1個甲基),先放中間,再往兩邊移(強調不能放兩端碳原子)(2種).

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

第4步,減3個碳,3個甲基放中間的2個碳原子上(1種)．共計9種．

最后根據碳原子四價鍵的原則補充氫原子即可．

4.2　基團連接法

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

例6書寫醇C4H9OH的同分異構體．

寫出丁基的4種結構:

—CH2CH2CH2CH3、—CH2CH(CH3)2、

—CH(CH3)CH2CH3、—C(CH3)3,

再分別連接羥基,所以C4H9OH有4種同分異構體．

變式1判斷戊醛(醛類)、戊酸(羧酸)、C4H9Cl的同分異構體的數目．

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體都有4種．

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

A5種;B6種;C7種;D8種

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

請同學們在理解的基礎上記住丙基(2種)、丁基(4種)、戊基(8種)的異構體數目．

4.3　換位思考法

將有機物分子中的不同原子或基團換位進行思考.

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

假設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構．

變式二氯苯C6H4Cl2有3種結構,四氯苯C6H2Cl4有幾種結構?

二氯苯C6H4Cl2有3種(2個氯原子在分別在苯環的鄰位、間位、對位),四氯苯C6H2Cl4也有3種(2個氫原子原子分別在苯環的鄰位、間位、對位)．特別強調芳香族化合物的同分異構體的書寫要考慮取代基在苯環上的相對位置有鄰、間、對3種．

4.4　等效氫原子法

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

分子中等效氫原子有以下幾種情況:

1) 分子中同一個碳原子上連接的氫原子是等效氫,如CH4.

2) 同一個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個甲基取代了甲烷分子中的4個氫原子),只有1種等效氫．

3) 分子中處于對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體?

C4H10有CH3CH2CH2CH3和(CH3)3CH這2種結構,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共計有4種等效氫,所以C4H10的一溴代物有4種同分異構體．

4.5　移位法

有機物分子中有多個官能團或原子團,書寫同分異構時用移位法,即:先固定一個或幾個官能團,再移動另一個官能團,依此類推．

例9書寫C3H6Cl2的同分異構體有幾種?

先將1個氯原子分別連接在1號和2號碳原子上,再連接第2個氯原子(注意排重),有CHCl2CH2CH3,CH2ClCHClCH3,CH2ClCH2CH2Cl,CH3CCl2CH34種.

變式10.1molC4H6O4與足量的NaHCO3反應生成0.2molCO2,其同分異構體有幾種?

依題意,一分子中有2個羧基,除此以外還有2個碳原子．2個羧基連接在相同碳原子上(1種),2個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,能發生銀鏡反應,苯環有2種不同化學環境的氫原子,寫出符合以上要求的同分異構體．

依題意,由于苯環上的等效氫種類少可知分子的對稱性好;該有機物含有醛基和酚羥基．首先計算出不飽和度為6,苯環用了4個不飽和度,側鏈有2個不飽和度,可以是2個醛基和1個羥基(符合題意的有2種:3個基團分布在苯環的間位即1、3、6號碳原子上或3個基團分布在苯環的1、2、3號碳原子上,其中羥基在2號碳原子上),還可以是1個醛基、1個羰基和1個羥基,羰基和醛基相連處于苯環上酚羥基的對位．共計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,有機物就有多少種同分異構體,書寫與判斷烯烴、炔烴、醚、酮或酯的同分異構體均可用這種方法．

例10C4H8O2屬于酯類的同分異構體有幾種?

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的有機物在酸性條件下可水解為酸和醇,若不考慮立體異構,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目(看烴基的數目).

酯酸的數目/種醇的數目/種H—COO—C4H914CH3—COO—C3H712C2H5—COO—C2H511C3H7—COO—CH321共計58

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

(作者單位：云南省盈江縣第一高級中學)