排列組合思維在同分異構(gòu)中的運(yùn)用

吳蔚

摘 要：俗話說(shuō)“數(shù)、理、化”不分家，學(xué)科之間的相互滲透越來(lái)越多，化學(xué)學(xué)科在與理綜的兄弟學(xué)科物理、生物之間在實(shí)際問(wèn)題上聯(lián)系的同時(shí)，也經(jīng)常用到數(shù)學(xué)思維。數(shù)學(xué)是理科的基礎(chǔ)科目，化學(xué)中有許多問(wèn)題要用到數(shù)學(xué)知識(shí)來(lái)解決，所以在教學(xué)中可以引用數(shù)學(xué)中的一些思維方式來(lái)滲透到化學(xué)中來(lái)，學(xué)以至用，達(dá)到雙贏的高度。

關(guān)鍵詞：同分異構(gòu)；排列；組合；思維；運(yùn)用

有機(jī)化學(xué)同分異構(gòu)體由于涉及到對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，空間立體構(gòu)型等概念，比較抽象難以理解，歷來(lái)都是學(xué)生感到困感的一類(lèi)問(wèn)題。在這介紹用排列的思維來(lái)解決有機(jī)化學(xué)同分異構(gòu)體問(wèn)題，在解題的實(shí)踐中用這種思維方式解題可以達(dá)到事半功倍的效果。

首先來(lái)了解一下有機(jī)化學(xué)中有關(guān)同分異構(gòu)的相關(guān)規(guī)則。

1 同分異構(gòu)遵循的原理

1.1 “價(jià)鍵數(shù)”原理

在常見(jiàn)有機(jī)物分子中碳原子的價(jià)鍵數(shù)為4，氧原子和硫原子的價(jià)鍵數(shù)為2，氮原子的價(jià)鍵數(shù)為3，氫原子和鹵原子的價(jià)鍵數(shù)為1，不足或超過(guò)這些價(jià)鍵數(shù)的結(jié)構(gòu)一般是不存在的。

如圖1中，最中間CH2的這個(gè)碳原子的價(jià)健數(shù)為5，是不可能存在的。

1.2 “等效碳” 和“等效氫”原則

具有對(duì)稱(chēng)位置的碳原子互為“等效碳”，連在同一種碳上相同碳原子也互為“等效碳”，當(dāng)然連在互為“等效碳”的氫就稱(chēng)為“等效氫” 。在計(jì)算同分異構(gòu)體時(shí)不能重復(fù)計(jì)算。本文采用碳鏈?zhǔn)綄?duì)“等效碳” 和“等效氫”進(jìn)行分析：

在圖2中，7個(gè)碳原子由于存在對(duì)稱(chēng)關(guān)系，1與1'，2與2' 3與3'互為“等效碳”， 其實(shí)只有四種碳原子，每個(gè)碳沒(méi)滿四根鍵，即有四種氫原子；如果有一個(gè)氯原子要取代其中一個(gè)氫原子有幾種方式呢？就像數(shù)學(xué)排列組合里1個(gè)小球放入4個(gè)不同盒子有幾種放法 —— 有4種情況。

再如圖3：6個(gè)碳原子中連在2號(hào)C的相同C有3個(gè)，即三個(gè)1號(hào)C為“等效碳”，但是2號(hào)C上已經(jīng)四根鍵，不能連氫原子，所以有四種碳，只有三種氫；如果一個(gè)氯原子要取代其中一個(gè)氫原子有幾種方式呢？就像數(shù)學(xué)排列組合里1個(gè)小球放入四個(gè)不同盒子有幾種放法， 但是2號(hào)盒子放滿了——有3種情況。

接下來(lái)了解一下有機(jī)化學(xué)中的同分異構(gòu)現(xiàn)象的原因。

2 同分異構(gòu)的幾種類(lèi)型

2.1 碳鏈異構(gòu)

例1 分子式為C7H16有多少種同分異構(gòu)體。

解析并判斷，C7H16為烷烴。

第一步：寫(xiě)出最長(zhǎng)碳鏈：C—C—C—C—C—C—C， 只有 1種。

第二步：去掉最長(zhǎng)碳鏈中一個(gè)碳原子作為支鏈（即1個(gè)甲基），余下6個(gè)碳原子作為主鏈，如圖4所示：甲基不能放端點(diǎn)，也就是不能放1號(hào)和1' 號(hào)位置，那只有在2和3號(hào)位置選其一，故有 2種。

第三步：去掉最長(zhǎng)碳鏈中的兩個(gè)碳原子可作為支鏈，余下5個(gè)碳原子作為主鏈，如圖5所示。

（1）兩個(gè)碳原子可作為兩個(gè)支鏈（即2個(gè)甲基），甲基不能放端點(diǎn)也就是1號(hào)和1'號(hào)位置可以選擇2，2或2，3或2，2'或3，3組合，有 4種。

（2）兩個(gè)碳原子也可作為一個(gè)支鏈（即1個(gè)乙基），乙基只能選3號(hào)位置，只有 1種。

第四步，可以去掉最長(zhǎng)碳鏈中的三個(gè)碳原子作為三個(gè)支鏈，余下4個(gè)碳原子作為主鏈，如圖6所示。三個(gè)碳子可為3個(gè)支鏈（3個(gè)甲基），只能選擇2，2，2'一種組合，所以只有 1種。

三個(gè)碳子也可為兩個(gè)支鏈（1個(gè)甲基和2個(gè)乙基），由于沒(méi)有3號(hào)碳，這種情況是不存在的。

所以C7H16總共有9種同分異構(gòu)體。

對(duì)于同分異構(gòu)體而言，碳鏈異構(gòu)是最基本的，也是學(xué)習(xí)其他同分異構(gòu)體的基石。

2.2 官能團(tuán)位置異構(gòu)

要注意每種官能團(tuán)有其位置的特殊性，如羧基、醛基只能在端點(diǎn)；雙鍵、三鍵要相鄰的兩個(gè)碳原子都有足夠的鍵才能連；而鹵原子和羥基則只要碳原子上的連接鍵沒(méi)滿4根就能連。

例2 分子式為C6H12的烯烴有多少種？

經(jīng)分析上述的有機(jī)物均為6個(gè)碳，我們可以先寫(xiě)出如圖7所示的6個(gè)碳的碳鏈結(jié)構(gòu)。

烯烴含有C=C，其實(shí)也就是C-C上再加一根連接鍵，只要相鄰兩個(gè)碳的連接鍵都沒(méi)滿4根，則都可以換成C=C。

由于圖7中①式?jīng)]有碳原子滿4根，可以選擇1，2或2，3或3，3放置C=C， 有 3種。

由于圖7中②式?jīng)]有碳原子滿4根，可以選擇1，2或2，3或3，4放置C=C，有3種。

由于圖7中③式?jīng)]有碳原子滿4根，可以選擇1，2或2，3或3，4或4，5放置C=C，故有4種。

由于圖7中④式?jīng)]有碳原子滿4根，可以選擇1，2或2，2放置C=C，有 2種。

由于圖7中⑤式2號(hào)碳原子滿4根，不能用2號(hào)碳，那只能選擇3，4放置C=C，只有1種。

所以C76H12的烯烴總共有13種同分異構(gòu)體。

2.3 官能團(tuán)類(lèi)型異構(gòu)

如表1所示主要有：?jiǎn)蜗N與環(huán)烷烴；二烯烴與炔烴；醇和醚；醛與酮；羧酸與酯等。

3 排列組合思維在同分異構(gòu)中的運(yùn)用

例3 萘的二氯代物有多少種？

3.1 排列法

先編號(hào)，如圖8所示，中間有2個(gè)碳原子上已滿4根鍵，未進(jìn)行編號(hào)。

萘的1，4，5，8等效，2，3，6，7等效。兩個(gè)氯原子可以分（1，4，5，8）和（2，3，6，7）兩組來(lái)排列。注意：圖8中所編的8個(gè)碳原子都已有3根鍵都不能再連兩個(gè)氯原子。

首先將1個(gè)氯原子固定在1號(hào)（或4，5，8），另1個(gè)氯原子可選擇情況如下：

接下將1個(gè)氯原子固定在2號(hào)（或3，6，7），另1個(gè)氯原子不能再出現(xiàn)（1，4，5，8）：

所以萘的二氯代物共有10種同分異構(gòu)體。

3.2 組合法

先編號(hào)如圖9，中間有2個(gè)碳原子上已滿4根，鍵未進(jìn)行編號(hào) 。

萘環(huán)上只有兩種不同的氫原子：a-和b-，二氯取代物的組合有3種情況：a-a：3種，a-b：4種，b-b：3種，共10種同分異構(gòu)體。

3.3 分步排列法

考題中官能團(tuán)的類(lèi)型異構(gòu)通常結(jié)合碳鏈異構(gòu)和官能團(tuán)位置異構(gòu)，像羧酸與酯的同分異構(gòu)體是?？嫉念}型，也是學(xué)生普遍覺(jué)得難度比較大的問(wèn)題。雖然有機(jī)化合物的官能團(tuán)是一個(gè)整體，但是我們?cè)谟?jì)算時(shí)可以按數(shù)學(xué)里的先分步，再整合的方法來(lái)得出結(jié)論。

例4 C6H10O2的同分異構(gòu)體中屬于酸類(lèi)和酯類(lèi)的共有多少種？

首先還是先寫(xiě)出6個(gè)碳的碳鏈結(jié)構(gòu)，如圖7所示。

酸的官能團(tuán)為 ，酯的官能團(tuán)為 。

酸和酯官能團(tuán)雖然不同，但相同的部分都可以拆開(kāi)成一個(gè)C先連=O鍵再連—O，不過(guò)酸必須—O上連一個(gè)氫，所以這個(gè)C要在端點(diǎn)上；而酯要—O上連C，所以這個(gè)C不能在端點(diǎn)上。

我們按這種方法來(lái)計(jì)算同分異構(gòu)體：

由于圖7中①式?jīng)]有碳原子滿4根，可以選擇1或2或3號(hào)放置C=O，有3種放法，如圖10。

然后—O可以放在C=O的左邊或右邊，所以總共酸和酯有3×2=6種，如圖11。

由于圖7中②式3號(hào)碳原子滿3根，可以選擇1或2或4號(hào)放置C=O，有3種放法。

然后—O可以放在C=O的左邊或右邊，所以總共酸和酯有3×2=6種。

由于圖7中③式2號(hào)碳原子滿3根，可以選擇1或3或4或5號(hào)放置C=O，有4種放法。

然后—O可以放在C=O的左邊或右邊，所以總共酸和酯，有4×2=8種。

由于圖7中④式2號(hào)碳原子滿3根，只能選擇1號(hào)放置C=O，只有1種放法。

然后—O可以放在C=O的左邊或右邊，所以總共酸和酯有1×2=2種。

由于圖7中⑤式2號(hào)碳原子滿4根，可以選擇1或3或4號(hào)放置C=O，有3種放法。

然后—O可以放在C=O的左邊或右邊，所以總共酸和酯有3×2=6種。

最終結(jié)果，C6H10O2的同分異構(gòu)體中屬于酸和酯類(lèi)有28種。

3.4 排列與組合相結(jié)合

將酸和酯的相同部分—COO—作為中間部分，而另五個(gè)碳可分為0與5，1和4，2和3三種情況去放在—COO—左或右，可得到以下6種情況，再根據(jù)烷基的種類(lèi)進(jìn)行組合計(jì)算。

常見(jiàn)烷基的種類(lèi)：C5H11—8種、C4H9—4種、C3H7—2種、C2H5—1種、H—1種。

HCOOC5H11或C5H11COOH 共1×8×2 = 16種

CH3COOC4H9或C4H9COO CH3 共1×4×2 = 8種

C2H5COOC3H7或C3H7COO C2H5 共1×2×2 = 4種

通過(guò)排列的方式可以讓學(xué)生對(duì)同分異構(gòu)體有更深的認(rèn)識(shí)，能夠有序的去思維，計(jì)算時(shí)就不容易遺漏。當(dāng)然在教學(xué)中要調(diào)動(dòng)學(xué)生的認(rèn)知和情感需求，還可以搭建實(shí)物模型，啟發(fā)學(xué)生思維，再通過(guò)模型分析，讓學(xué)生掌握同分異構(gòu)體的概念和類(lèi)型，學(xué)會(huì)最基本書(shū)寫(xiě)同分異構(gòu)體的規(guī)律，再層層推進(jìn)，引出位置異構(gòu)，以至官能團(tuán)異構(gòu)，最后由練習(xí)帶動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，上升為理論。這樣做既掌握了同分異構(gòu)現(xiàn)象，又深化異構(gòu)的種類(lèi)，提高了學(xué)生動(dòng)手組合能力，又培養(yǎng)空間思維，也教給了學(xué)生學(xué)習(xí)的方法，真正授之于漁。在教學(xué)中，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的主體地位，增加了學(xué)生動(dòng)手能力，使原本枯燥的理論學(xué)習(xí)更富有活力，活躍了學(xué)生的思維，提高了學(xué)生的素質(zhì)。