用分類思想提升有機物同分異構體書寫效率的教學研究

云南

沈艷華

有機物同分異構體數目的判斷及書寫是高中有機化學教學中的重點和難點，教學中應注意落實分類思想和順序意識，以提升教學效率。本文將有機物同分異構體的分類、判斷及書寫方法歸納如下。

一、有機物同分異構體的分類

二、有機物同分異構體構造異構的判斷及書寫方法

1.烷烴(只存在碳鏈異構)

書寫步驟：主鏈由長到短；支鏈由整到散；位置由心到邊；排布鄰間對。

例如寫出分子式符合C7H16的所有同分異構體：

(1)主鏈由長到短：最長碳鏈最多含7個碳原子，依次減少一個碳原子，有A、B、C、D如下四種。

C—C—C—C—C—C—C C—C—C—C—C—C

A B

C—C—C—C—C C—C—C—C

C D

(2)支鏈由整到散：對于A，所有碳原子已用盡，沒有支鏈；對于B，主鏈用去6個碳原子，還剩余1個碳原子，可以以甲基的形式作為支鏈；對于C，主鏈用去5個碳原子，還剩余2個碳原子，可以以一個乙基或兩個甲基的形式作為支鏈；對于D，主鏈用去4個碳原子，還剩余3個碳原子，可以以一個乙基和一個甲基或三個甲基的形式作為支鏈。

(3)位置由心到邊，排布鄰間對：取代基的位置由碳鏈中心開始掛，依次向左(或向右)移動。由于有了對稱性的輔助，這樣的書寫不會造成重復。

故分子式符合C7H16的所有同分異構體有9種,具體結構簡式如下：

2.一取代鏈狀非烷烴類

炔烴、芳香烴、鹵代烴、醇、醛、羧酸、酯等的構造異構可能存在碳鏈異構、官能團種類異構和官能團位置異構。

書寫步驟：通常先找出官能團種類異構，在同一類官能團異構體中，再寫碳鏈異構。在同一類碳鏈異構體中，再找官能團位置異構。但將官能團(或特殊原子團)按照“可連接基團的數目”分類，可發現官能團(或特殊原子團)可分為一價基團和二價基團兩類，因此同分異構體的書寫也可再細分為兩類：

(1)一價官能團，如飽和一元鹵代烴、飽和一元醇、飽和一元醛、飽和一元羧酸類的同分異構體的書寫：

由于一價官能團必然出現在鏈端，故可將之視為取代基來思考。先將除官能團以外的碳鏈異構體寫出，然后根據“等效氫法”，看官能團可能有多少種不同的掛法，則其同分異構體就有幾種。

例如寫出分子式為C4H8O的屬于醛類的同分異構體：

當然，我們也可以先找出除官能團以外的烷基異構體，則其同分異構體也就知道了。

(2)二價基團如單炔、飽和一元醚、飽和一元酮、飽和一元酯類的同分異構體的書寫：

由于它們的官能團(或特征原子團)必然出現在主鏈中，因此，可先將其官能團(或特征原子團)寫出，然后看剩余的碳原子在官能團(或特征原子團)的兩邊可形成幾種不同的烷基，根據數學上的“乘法原理”，相乘即可知同分異構體數目。

例如請寫出分子式為C5H10O2的酯類的同分異構體：

左邊碳原子數烷基同分異構體數0(即氫原子)1種1(即甲基)1種2(即乙基)1種3(即丙基)2種COO右邊碳原子數烷基同分異構體數結構簡式4(即丁基)4種HCOOCH2CH2CH2CH3HCOOCH(CH3)CH2CH3HCOOCH2CH(CH3)2HCOOC(CH3)33(即丙基)2種CH3COOCH2CH2CH3CH3COOCH(CH3)22(即乙基)1種CH2CH2COOCH2CH31(即甲基)1種CH3CH2CH2COOCH3(CH3)2CHCOOCH3

其同分異構體數目為1×4+1×2+1×1+2×1=9種。

3.多取代鏈狀非烷烴類

(1)定位移動法：

對有機物二元取代同分異構體數目的尋找常用此法。

解題步驟如下：

①先找出該有機物一元取代的各同分異構體，假設有X、Y、Z三種;

②在第一種同分異構體X中，用“等效氫法”再找一元代物的種類，假設有a種；

③在第二種同分異構體Y中，先將X的等效位置在Y上占位，然后再用“等效氫法”找出二元代物的種類，假設有b種；

④在第三種同分異構體Z中，先將X、Y的等效位置在Z上占位，然后再用“等效氫法”找出二元代物的種類，假設有c種；

⑤該有機物的二元代物同分異構體數為a+b+c種。

再如：苯環上的多元取代同分異構體數目的尋找，也可用“定位移動法”分析，從而得到如下結論：

在上述結論的基礎上做題，可以迅速得到答案。

例如：分子式為C9H10O2、含有一個苯環和三個取代基的羧酸同分異構體有_______種。

解：因為C9H10O2分子的不飽和度為5，故為苯環上帶兩個甲基和一個羧基，屬于苯環上的“AAB型”取代，所以共6種。

2017年的全國卷三套均考查了苯環上的取代：

(2)換元法：

對有機多元取代同分異構體數目的尋找常用此法。

若有機物分子中一共有m個氫原子可以被取代，且a+b=m，則a元代物的異構體數目=b元代物的異構體數目。

例如：甲烷的一氯取代也可視為三氫取代，因此其一元取代有一種產物也就意味著三元取代同樣只有一種產物。