“先定后動法”判斷有機(jī)化合物的同分異構(gòu)體
2016-09-21 23:08:32董順
化學(xué)教學(xué) 2016年8期
摘要：在教學(xué)實(shí)踐基礎(chǔ)上，總結(jié)了書寫有機(jī)物同分異構(gòu)體的一種有序化思維方法——先定后動法。該方法按一定的思維順序書寫有機(jī)化合物的同分異構(gòu)體，尤其適用于有機(jī)化合物同分異構(gòu)體種數(shù)的判斷。結(jié)合近年高考試題，介紹了用該方法判斷有機(jī)物同分異構(gòu)體的具體應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：先定后動法；同分異構(gòu)體判斷；思維順序
文章編號：1005–6629（2016）8–0065–05 中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B
分析近年高考化學(xué)試題不難發(fā)現(xiàn)，關(guān)于同分異構(gòu)體的考查幾乎每年必有，重現(xiàn)率極高，主要考查形式有同分異構(gòu)體數(shù)目的判斷和限定條件同分異構(gòu)體的書寫[1]。已有的文獻(xiàn)對同分異構(gòu)體的相關(guān)研究較多，有些是對高考試題的簡單羅列[2]，有些是對某些具體基團(tuán)的同分異構(gòu)體種數(shù)進(jìn)行整理[3]，也有一些是對同分異構(gòu)體的確定策略進(jìn)行研究[4～6]，但鮮有對鏈狀、環(huán)狀、單環(huán)、多環(huán)、單取代、多取代等形式的同分異構(gòu)體書寫給出一種統(tǒng)一的有序化思維方法?！跋榷ê髣臃ā笔菍σ延械母鞣N判斷有機(jī)化合物同分異構(gòu)體方法的一種補(bǔ)充和發(fā)展，較適用于有機(jī)化合物同分異構(gòu)體種數(shù)的判斷，也較易于學(xué)習(xí)者接受。
1 鏈狀有機(jī)化合物同分異構(gòu)體的判斷
1.1 單取代（或單官能團(tuán)）有機(jī)化合物同分異構(gòu)體的判斷
對于鏈狀單取代（為表述方便本文官能團(tuán)也稱為取代基）有機(jī)化合物的同分異構(gòu)體，采用先定碳骨架后動取代基的方法判斷。
例1 （2015新課標(biāo)Ⅱ卷）分子式為C5H10O2并能與飽和NaHCO3溶液反應(yīng)放出氣體的有機(jī)物有（不含立體結(jié)構(gòu)）
A. 3種 B. 4種 C. 5種 D. 6種
解析：能與飽和NaHCO3溶液反應(yīng)放出氣體的物質(zhì)為羧酸，即C4H9COOH，相當(dāng)于C4H10分子中一個H原子被-COOH取代。
先定碳骨架：C4有兩種碳骨架
故有2+2=4種。
答案：選B。
例2 （2012新課標(biāo)卷）分子式為C5H12O且可與金屬鈉反應(yīng)放出氫氣的有機(jī)物有（不考慮立體異構(gòu)）
A.5種 B.6種 C.7種 D.8種
解析：由題意知符合條件的同分異構(gòu)體應(yīng)為醇類，即C5H12分子中的一個H原子被-OH取代。
先定碳骨架：C5有三種碳骨架
故有3+4+1=8種。
答案：選D。
例3 （2015新課標(biāo)Ⅰ卷）寫出與A（C2H2）具有相同官能團(tuán)的異戊二烯的所有同分異構(gòu)體（寫結(jié)構(gòu)簡式）。
解析：異戊二烯的不飽和度為2，與其符合條件的同分異構(gòu)體中除碳碳叁鍵外均為飽和鍵。
先定碳骨架：C5有三種碳骨架
答案：見解析。
例4 分子式為C4H10O的有機(jī)物有（不含立體結(jié)構(gòu)） 種。
解析：由題意知符合條件的同分異構(gòu)體有醇和醚。
醇類：將例1中的羧基換成羥基共4種。
醚類：
先定碳骨架：C4有兩種碳骨架
后動官能團(tuán)：氧原子的位置
故，醚類有2+1=3種，共有4+3=7種。
答案：見解析。
1.2 多取代（或多官能團(tuán)）有機(jī)物同分異構(gòu)體的判斷
對于鏈狀多取代有機(jī)物，采用先定碳骨架，再定一個取代基后動另一個取代基的方法判斷。
例5 （2010新課標(biāo)卷）分子式為C3H6Cl2的同分異構(gòu)體共有（不考慮立體異構(gòu)）
A.3種 B.4種 C.5種 D.6種
解析：
先定碳骨架：C3只有一種碳骨架C—C—C
再定一個氯原子：Cl原子的位置有兩種
故，有3+1=4種。
答案：選B。
例6 （2015新課標(biāo)Ⅱ卷）D[HOOC（CH2）3COOH]的同分異構(gòu)體中能同時滿足下列條件的共有種（不含立體異構(gòu)）。
①能與飽和NaHCO3溶液反應(yīng)產(chǎn)生氣體②既能發(fā)生銀鏡反應(yīng)，又能發(fā)生皂化反應(yīng)其中核磁共振氫譜顯示為3組峰，且峰面積比為6：1：1的是 （寫結(jié)構(gòu)簡式）。
解析：能與NaHCO3溶液反應(yīng)放出CO2，應(yīng)含有羧基，能發(fā)生銀鏡反應(yīng)、皂化反應(yīng)，則應(yīng)為甲酸形成的酯，D中共有5個碳原子，其中1個位于羧基碳，1個位于酯基碳，則羧基和甲酰氧基連在剩余的3個碳原子上。
先定碳骨架：C3只有一種碳骨架C—C—C再定羧基位置：羧基的位置有兩種
后動甲酰氧基：
故符合條件的共有3+2=5種。其中滿足核磁共振氫譜峰面積6：1：1的為含有兩個甲基的
①屬于一元酸類化合物
②苯環(huán)上只有2個取代基且處于對位，其中一個是羥基
答案：見解析。
例8 （2009北京卷改編）殺除根瘤線蟲的農(nóng)藥的分子式為C3H5Br2Cl，其分子中每個碳原子上均連有鹵原子，該農(nóng)藥的同分異構(gòu)體共有 種（包括其自身）。
解析：
先定碳骨架：C3只有一種碳骨架C—C—C
再定兩個溴原子：
故，有3+3+2+1=9種。
答案：9種。
2 環(huán)狀有機(jī)化合物的同分異構(gòu)體的判斷
2.1 含一個苯環(huán)的有機(jī)化合物的同分異構(gòu)體的判斷
2.1.1 單取代苯
苯環(huán)是一個高度對稱的結(jié)構(gòu)，只有一種等效氫。
2.1.2 二取代苯
苯環(huán)上有二個取代基（—X和—Y，兩個取代基可以相同也可以不同）時，先定一個取代基的位置，后動另一個取代基：
2.1.3 三取代苯
（1）三取代苯中有三個相同的取代基（—X、—X、—X）
先定兩個取代基的位置（鄰、間、對三種），后動另一個取代基，共有三種（連、偏、均）：
（2）三取代苯中有兩個相同的取代基（—X、—X、—Y）
先定兩個相同取代基的位置（鄰、間、對三種），后動另一個取代基。
（3）三取代苯中有三個不同的取代基（—X、—Y、—Z）
先定兩個取代基的位置（鄰、間、對三種），后動另一個取代基。
共有4+4+2=10種。
對于苯環(huán)上有4個或更多取代基時，可按照相同的方法書寫。
解析：（1）苯環(huán)上有1個取代基時，按照先定后動的方法有：
—CH2CH2NH2、—CH2NHCH3、—NHCH2CH3、—CH（NH2）CH3、—N（CH3）2等5種，故單取代苯有5種。
（2）苯環(huán)上有2個取代基時，有—NH2和—CH2CH3；—CH3和—CH2NH2；—CH3和—NHCH3三組，故二取代苯有3×3=9種。
（3）苯環(huán)上有3個取代基時，只有—CH3、—CH3、—NH2一組，屬于XXY型有6種。
答案：見解析。
2.2 含有其他形式環(huán)的有機(jī)化合物的同分異構(gòu)體的判斷
2.2.1 含有萘環(huán)的有機(jī)化合物的同分異構(gòu)體的判斷
2.2.1.1單取代萘
萘環(huán)是一個比較對稱的結(jié)構(gòu)，有兩種等效氫。
2.2.1.2二取代萘
（1）二取代萘中有二個相同的取代基（—X、—X）
先定一個取代基的位置（α位和β位兩種），后動另一個取代基。
（α位已被用過，只能連在β位上）
共有7+3=10種。
（2）二取代萘中有二個不同的取代基（—X、—Y）
先定一個取代基的位置（α位和β位兩種），后動另一個取代基（—Y）。
共有7+7=14種。
2.2.2 取代聯(lián)苯同分異構(gòu)體的判斷
2.2.2.1 單取代聯(lián)苯
聯(lián)苯單取代物的判斷可以把一個苯環(huán)當(dāng)成取代基，因此共有三種（鄰、間、對）。
2.2.2.2 二取代聯(lián)苯
（1）兩個相同的取代基
聯(lián)苯中間的碳碳單鍵可以自由旋轉(zhuǎn)，先定一個取代基的位置（有三種），再動另一個取代基。
共有7+4+1=12種。
（2）兩個不同的取代基
聯(lián)苯中間的碳碳單鍵可以自由旋轉(zhuǎn)，先定一個取代基的位置（有三種），再動另一個取代基。
共有7+7+5=19種。
2.2.3 取代立方烷同分異構(gòu)體的判斷
2.2.3.1 單取代立方烷
2.2.3.2 二取代立方烷
立方烷上有二個取代基（—X和—Y，兩個取代基可以相同也可以不同）時，先定一個取代基的位置，后動另一個取代基：兩個取代基可以在同一條棱、同一條面對角線、同一條體對角線兩端三種異構(gòu)體。
例10 （2014新課標(biāo)Ⅱ卷）立方烷硝化可得到六硝基立方烷，其可能的結(jié)構(gòu)有 種。
解析：立方烷分子中共有8個氫原子，故六硝基立方烷，相當(dāng)于二硝基立方烷中的硝基換為氫原子、氫原子換為硝基，故六硝基立方烷與二硝基立方烷種數(shù)相同都為3種。
答案：3種。
2.2.4 取代金剛烷同分異構(gòu)體的判斷
觀察金剛烷的結(jié)構(gòu)，它是由4個六元環(huán)構(gòu)成的立體籠狀結(jié)構(gòu)，其分子中有4個碳原子為三個環(huán)共有。金剛烷的分子中有4個次甲基，6個亞甲基，分子高度對稱。
2.2.4.1 單取代金剛烷
2.2.4.2 二取代金剛烷
（1）兩個相同的取代基
先定一個取代基的位置（有二種），再動另一個取代基。
共有3+3=6種。
（2）兩個不同的取代基
先定一個取代基的位置（有二種），再動另一個取代基。
共有3+5=8種。
參考文獻(xiàn)：
[1]董順.透析有機(jī)化合物同分異構(gòu)體考查視角[J].數(shù)理化學(xué)習(xí)（高一二版），2014，（2）：43～44.
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