建構思維模型,消除同分異構體的易錯點

趙均娜 王民會

同分異構現象是有機物種類繁多的原因,同分異構體概念貫穿于有機化學的始終．高考試題以有機物結構為載體,考查同分異構體數目和結構簡式的書寫,體現了“證據推理與模型認知”的核心素養.解題過程中需要考生從復雜的化學問題中提取要素進行分析,建構相應的模型,特別是多官能團同分異構體數目的判斷和結構簡式的書寫,如果學生思維無序,則可能導致重復書寫或漏寫．本文結合實例進行分析,采取行之有效的方法,幫助同學們攻克這些易錯點．

1 問題轉化,回歸模型;思維有序,避免遺漏

多官能團同分異構體數目判斷是高考試題中的難點,學生解題時習慣利用碳鏈異構和官能團位置異構相互兼顧分析試題,往往出現考慮不周,遺漏數目且分析時間較長等問題,其本質原因是學生無法兼顧碳鏈異構和官能團位置異構,即思維無序,沒有形成穩固簡捷的思維模型．這就需要我們首先圍繞題干信息,分析同分異構體之間的結構特征,找出同分異構體中含有的官能團(或取代基),構建多官能團(取代基)同分異構體數目判斷模型,使解題步驟化．

多官能團(取代基)同分異構體數目判斷步驟如下.

第1步:書寫碳鏈異構.

第2步:官能團1位置異構 (先確定限制條件多的官能團,如碳碳雙鍵、—COOH、—CHO等,可以減少碳鏈(或碳環)的個數,減輕思維負擔).

第3步:官能團2位置異構.

……

例1(2019年天津卷,節選) 化合物B(結構簡式為CH3C≡CCOOC(CH3)3)滿足以下條件的同分異構體(不考慮手性異構)數目為________．

① 分子中含有碳碳三鍵和乙酯基(—COOCH2CH3).

② 分子中有連續4個碳原子在一條直線上,寫出其中碳碳三鍵和乙酯基直接相連的同分異構體的結構簡式________．

解析 由題意可知,化合物B分子式為C8H12O2,同分異構體分子中含有的官能團和取代基為碳碳三鍵和—COOCH2CH3,排除取代基中的碳原子,主鏈還余5個碳原子．根據多官能團(取代基)同分異構體數目判斷模型,判斷步驟如下.

第1步:碳鏈異構,有3種情況.

第2步:碳碳三鍵位置異構,有3種情況.

第3步:取代基—COOCH2CH3位置異構,根據題意,要求分子中有連續4個碳原子在一條直線上(即碳碳三鍵兩端連接碳原子)，有以下幾種情況.

故滿足條件的B的同分異構體有5種,其中碳碳三鍵和乙酯基直接相連的同分異構體的結構簡式為

第1步:寫碳鏈:CH3—C—C—C—C—CH3.

第2步:碳碳三鍵位置異構,有2種情況.

第4步: —O—(用↑表示)位置異構如下.

綜上,符合條件的X的同分異構體共有6種,結構簡式如下(學生任意寫3種即可).

2 排除等位碳,避免重復判斷

有機物結構式中,處于對稱位置(軸對稱和中心對稱)的碳原子叫作等位碳．學生在判斷同分異構體數目時,常常多于實際值,原因是加官能團時沒有正確排除等位碳,導致重復．通常有2種情況:1)加官能團時沒有先考慮等位碳;2) 2個官能團相同時,加第2個官能團前,沒有將已經連過取代基的碳原子及與其等位的碳原子排除．

解析 由題意可知F的分子式為C6H10O4, 7.3 g F的物質的量為0.05 mol, 0.05 mol F與足量飽和NaHCO3溶液反應可釋放出2.24 L二氧化碳(標準狀況)，可知1個F分子中含2個—COOH,剩余C4H8,此時就可以把問題轉化成“丁烷的二取代物有幾種(2個取代基相同)”．根據多官能團(取代基)同分異構體數目判斷模型,判斷步驟如下.

第1步:碳鏈異構,有2種情況:

第2步:第1個—COOH(用—A表示)位置異構

第3步:另一個—COOH(用↓表示)位置異構,由于2個取代基相同,在向第②和第④ 2個碳鏈上添加—COOH時,要先將已經連過—COOH的碳原子以及與其等位的碳原子圈出來排除,如圖1所示.

圖1

綜上,符合條件的F的同分異構體共有9種．

第1步:第1個—Cl位置異構,先排除等位碳,再加—Cl,有2種情況,如下所示.

第2步:另一個—Cl位置異構(用序號表示),結構乙在加—Cl前,要先將已經連過—Cl的碳原子以及和其等位的碳原子圈出來排除．如下所示.

綜上所述,萘的二氯代物有10種．

3 巧用核磁共振氫譜,突破同分異構體結構簡式的書寫

單苯環同分異構體結構簡式的書寫歷來是高考有機推斷題中的熱點,該題往往融合了核磁共振氫譜、對稱性分析等信息,題目綜合性強,有些學生感到無從下手,其主要原因還是思維無序，可以構建此類題型的解題模型進行分析．

第1步:根據分子式和官能團的特征反應確定有機物中含有的官能團．

第2步:根據核磁共振氫譜數據,確定不同峰值對應的結構片段(或官能團)的種類和數目,例如，峰面積為3的倍數時,可能的結構片段為—CH3．

第3步:根據單苯環結構的對稱性,確定有機物的最終結構．

①含有苯環；

②有三種不同化學環境的氫，個數比為6∶2∶1；

③1 mol X與足量金屬Na反應可生成2 g H2．

解析 第1步:由X與D互為同分異構體、D分子式為C8H9O2I 可知，X中含有1個—I;由條件①可知支鏈中含2個C原子;由條件③ 可知X 中含有2個—OH．

第2步:由條件②可知，X分子具有對稱性,且含2個—CH3．

① 能發生銀鏡反應;

② 核磁共振氫譜有三組峰,且峰面積比為3∶2∶1．

解析 第1步:由E的二氯代物分子式可知,化合物結構中含2個—Cl;由“芳香化合物”和條件①可知，結構中含有1個苯環和1個—CHO．

第2步:由條件②可知，分子具有對稱性,且含有1個—CH3．

第3步:根據對稱性可得出1個—CHO,1個—CH3,2個—Cl都與苯環直接相連,滿足條件的芳香化合物的結構簡式為

總之,我們在判斷多官能團同分異構體數目及書寫同分異構體的結構簡式時,既要學會問題轉化,回歸模型,又要做到思維有序,避免判斷遺漏,特別要注意排除等位碳,避免重復判斷,還要學會利用核磁共振氫譜的信息和結構的對稱性,正確書寫出有機物的結構簡式．