例談有機化合物同分異構(gòu)體數(shù)目的判斷方法

黃碧蕓 林建芬

摘要： 結(jié)合近4年高考真題涉及的同分異構(gòu)體知識的題目，對書寫同分異構(gòu)體的有序性思維、判斷技巧和記憶推理模型進行歸納總結(jié)，便于學(xué)生快速、有效地解答同分異構(gòu)體數(shù)目判斷問題，同時對同分異構(gòu)體書寫方法的教學(xué)提出建議。建議教師在教學(xué)過程中要關(guān)注學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)和學(xué)科能力的培養(yǎng)，通過學(xué)生動手制作模型、歸納官能團轉(zhuǎn)化方法、完成進階式和分層次的例題訓(xùn)練，讓學(xué)生對同分異構(gòu)體書寫問題形成合理的認(rèn)識角度、分析思路和認(rèn)識能力。

關(guān)鍵詞： 同分異構(gòu)體數(shù)目;化學(xué)高考;有序性思維;判斷技巧;記憶推理模型

文章編號： 10056629（2018）3007705 中圖分類號： G633.8 文獻標(biāo)識碼： B

1 研究背景

在高中有機化學(xué)知識的教學(xué)中，同分異構(gòu)體是一個重要的概念 [1]，在人教版必修2 [2]和選修5 [3]都涉及同分異構(gòu)概念和同分異構(gòu)體書寫的教學(xué)。同時，同分異構(gòu)體也是高考化學(xué)全國卷命題的熱點之一，是高考備考復(fù)習(xí)教學(xué)的重難點。2017年化學(xué)全國卷考綱 [4]在必考內(nèi)容部分要求學(xué)生了解有機物的同分異構(gòu)現(xiàn)象，能正確書寫簡單有機化合物的同分異構(gòu)體;在選考內(nèi)容部分關(guān)于“有機化學(xué)基礎(chǔ)”模塊強調(diào)能正確書寫有機化合物的同分異構(gòu)體（不包括手性異構(gòu)體）。

近4年高考化學(xué)全國卷主要考查同分異構(gòu)體概念辨析、同分異構(gòu)體數(shù)目判斷和限制條件下同分異構(gòu)體的書寫，考查難度適中，可見同分異構(gòu)體考點是區(qū)分度較高的題型。但大部分學(xué)生由于缺乏有序性思維 [5～8]，在判斷同分異構(gòu)體數(shù)目上存在困難，不能根據(jù)題目信息快速、完整地找出滿足要求的所有同分異構(gòu)體的結(jié)構(gòu)簡式，經(jīng)常出現(xiàn)漏寫、錯寫等問題。因此，筆者認(rèn)為有必要對書寫同分異構(gòu)體的有序性思維和快速判斷同分異構(gòu)體數(shù)目的技巧進行歸納總結(jié)，便于學(xué)生能快速有效地解答關(guān)于同分異構(gòu)體的問題。

2 書寫同分異構(gòu)體的有序性思維

很多學(xué)生在書寫和判斷同分異構(gòu)體時，順序混亂，經(jīng)常出現(xiàn)漏寫、錯寫等錯誤，這是因為學(xué)生思維缺乏有序性，無法按照一定的思路思考，因此歸納總結(jié)出一套書寫同分異構(gòu)體的有序性思維顯得尤其重要。首先，應(yīng)先思考給定的分子式是否符合一定的通式，該通式是否有常見的官能團異構(gòu)，接著從其中一類官能團的異構(gòu)體出發(fā)，先變化碳鏈骨架，后移動官能團位置確定同分異構(gòu)體的數(shù)目;一類官能團的異構(gòu)體討論完，再換另一類官能團，還是按照先變化碳鏈骨架再移動官能團位置的思路來討論這類同分異構(gòu)體的數(shù)目。以上的思考方式就是按“官能團異構(gòu)→碳鏈異構(gòu)→位置異構(gòu)”的有序性思維進行同分異構(gòu)體的書寫。

常見的官能團異構(gòu)見表1，熟記一些分子組成通式的官能團類別異構(gòu)。碳鏈異構(gòu)常用的方法是“減碳法” [9]，即主鏈由長到短（短不過三），支鏈由整到散，位置由中心到邊（但不到端）以及多個取代基的排布方式。位置異構(gòu)就是將官能團放進碳鏈中，并按順序依次移動位置，要注意避免結(jié)構(gòu)重復(fù)。

下面以C 5H 10為例說明如何利用有序性思維書寫同分異構(gòu)體。

首先，根據(jù)表1確定符合C 5H 10的官能團類別異構(gòu)有單烯烴和環(huán)烷烴。下面分別就兩類異構(gòu)體進行討論。

對于C 5H 10的單烯烴異構(gòu)，先找出其碳鏈異構(gòu)。為了簡便，所寫結(jié)構(gòu)式省略氫原子。

第一，將分子中所有碳原子連成直鏈作為主鏈CCCCC;

第二，從主鏈取1個碳原子作為支鏈，依次連接在主鏈中心對稱軸一側(cè)的碳原子上，但不到鏈端處，為避免支鏈重新變成主鏈CCCCC;

第三，從主鏈取2個碳原子作為支鏈，2個碳原子相連（整）成乙基，或分開（散）成2個甲基，依次連在剩下主鏈中心對稱軸一側(cè)的碳原子上。由于第二號碳上接乙基，會使支鏈變主鏈，所以排除乙基作支鏈。剩下2個甲基作支鏈，只剩下對稱排布的情況CCCCC。

接著，將碳碳雙鍵依次安在以上3種碳鏈異構(gòu)的碳鏈上，注意對稱位置不重復(fù)，第3種碳鏈異構(gòu)無法安雙鍵。

至此，符合C 5H 10的單烯烴結(jié)構(gòu)（共5種）已討論完，接著討論環(huán)烷烴的結(jié)構(gòu)。因為環(huán)烷烴沒有官能團，不存在位置異構(gòu)，只需要討論碳鏈異構(gòu)。為了簡便，所有結(jié)構(gòu)寫成鍵線式。

第一，將分子中所有碳原子連成環(huán)狀作為主鏈;

第二，從主鏈取1個碳作支鏈連在以4個碳成環(huán)的主鏈上，環(huán)丁烷結(jié)構(gòu)對稱，支鏈只有1種情況;

第三，從主鏈取2個碳原子作支鏈，2個碳原子相連（整）成乙基，或分開（散）成2個甲基，依次連在剩下3個碳原子成環(huán)的主鏈上。由于環(huán)丙烷結(jié)構(gòu)對稱，乙基作支鏈只有1種情況;同樣，2個甲基作支鏈也只有1種情況，所以符合C 5H 10的環(huán)烷烴共4種。通過按照有序性思維的分析過程，分子式C 5H 10的同分異構(gòu)體數(shù)目共有5+4=9種。

但是，如果每個分子式的同分異構(gòu)體的數(shù)目判斷都需要經(jīng)過有序性思維分析，步驟多又耗時，不利于學(xué)生在考試中的作答，因此必須提供便捷的判斷技巧幫助學(xué)生思考分析。

3 快速判斷同分異構(gòu)體數(shù)目的技巧梳理

3.1 等效氫法

等效氫是指有機物分子中位置等同的氫原子。等效原則為： （1）同一個碳原子上的氫原子是等效的;如CH 3的3個氫原子、CH 2的2個氫原子;（2）同一個碳原子所連的甲基上的氫原子是等效的，如新戊烷[C（CH 3） 4]的四個甲基上的氫原子;（3）處于對稱位置的氫原子是等效的，如正丁烷（CH 3CH 2CH 2CH 3）結(jié)構(gòu)左右對稱，因此只有兩種等效氫。等效氫法可用在判斷某種結(jié)構(gòu)的一元取代的同分異構(gòu)體數(shù)目。如： 2014年Ⅱ卷第8題“四聯(lián)苯的一氯代物有多少種”，四聯(lián)苯有5種等效氫，四聯(lián)苯的一氯代物就有5種。

熟練判斷某物質(zhì)結(jié)構(gòu)的等效氫種類有利于快速判斷該物質(zhì)一元取代的同分異構(gòu)體數(shù)目。

3.2 基元法

基元法的“基元”強調(diào)的是烷烴基，烷烴基是指烷烴失去1個氫原子后剩余的原子團?；ㄊ歉鶕?jù)烷烴基的同分異構(gòu)體數(shù)目，快速判斷其與一價基團結(jié)合后的同分異構(gòu)體數(shù)目。如： 2016年Ⅰ卷第9題C選項“C 4H 9Cl有3種同分異構(gòu)體”，把C 4H 9Cl看成丁基與氯原子結(jié)合，丁基結(jié)構(gòu)有4種，推斷C 4H 9Cl有4種，就可快速判斷出C選項是錯誤的。又如： 2015年Ⅱ卷第11題“分子式為C 5H 10O 2并能與飽和NaHCO 3溶液反應(yīng)放出氣體的有機物有多少種（不含立體異構(gòu)）”，根據(jù)官能團的特征反應(yīng)，推理出能與飽和NaHCO 3溶液反應(yīng)放出氣體的物質(zhì)一定含有COOH，題目實際是考查戊酸同分異構(gòu)體數(shù)目，戊酸可看成丁基與羧基結(jié)合，丁基有4種就推斷戊酸的同分異構(gòu)體有4種。

牢記常見烷烴基同分異構(gòu)體數(shù)目，可快速判斷烷烴基與一價基團結(jié)合后的同分異構(gòu)體數(shù)目。此方法適用判斷飽和一元鹵代烴、一元醇、一元醛和一元羧酸等同分異構(gòu)體數(shù)目。

3.3 定一移一法

定一移一法是當(dāng)有機物的取代基有2個時，在有機物中按等效氫法先固定1個取代基的位置，后對另外一個取代基的位置進行討論。當(dāng)2個取代基為同一種結(jié)構(gòu)時，在討論時要注意排除重復(fù)結(jié)構(gòu)。例如： 2016年Ⅱ卷第10題“分子式為C 4H 8Cl 2的有機物共有多少種（不含立體異構(gòu)）”，屬于丁烷的二元取代問題，進一步延伸題目，將二元取代分為同種結(jié)構(gòu)取代和不同種結(jié)構(gòu)取代進行討論。先討論二元取代為同一種結(jié)構(gòu)，用A和A來表示，按照有序性思維書寫，先碳鏈異構(gòu)再位置異構(gòu)。丁烷的碳鏈異構(gòu)有兩種，在此基礎(chǔ)上安第1個取代基A的位置有4種，在這4種異構(gòu)體的基礎(chǔ)上再安第2個取代基A，實際上只有前3種異構(gòu)體有第2個取代基A的位置，第Ⅳ種異構(gòu)體再安A跟第⑧種重復(fù)，因此共有9種情況。

（Ⅰ） （Ⅱ） （Ⅲ） （Ⅳ）

當(dāng)二元取代是不同結(jié)構(gòu)時用A、 B表示。丁烷的碳鏈異構(gòu)有2種，在此基礎(chǔ)上安取代基A的位置有4種，在這4種異構(gòu)體的基礎(chǔ)上再安取代基B，總共有12種情況。

（Ⅰ） （Ⅱ） （Ⅲ） （Ⅳ）

二元取代問題解決了，遇到三元取代怎么辦？參照定一移一的思路變換成定二移一。題目經(jīng)常涉及苯環(huán)的三元取代問題，這里一并討論。三元取代分成3種情況： （1）3個取代基為同一個結(jié)構(gòu)，用A、 A和A表示;（2）3個取代基為兩種結(jié)構(gòu)，用A、 A和B表示;（3）3個取代基各不相同，用A、 B和C表示。

（1） 當(dāng)苯環(huán)上的取代基都是A時，先定兩個取代基A的位置，共有3種異構(gòu)體，且第Ⅲ種異構(gòu)體再取代1個A，與前面第②種重復(fù)。因此當(dāng)苯環(huán)上三元取代都為同種結(jié)構(gòu)時，同分異構(gòu)體數(shù)目有3種。

（Ⅰ） （Ⅱ） （Ⅲ）

（2） 當(dāng)苯環(huán)上的取代基為A、 A和B時，先定兩個相同取代基A的位置，共有3種異構(gòu)體，結(jié)構(gòu)對稱便于討論第3個取代基的位置，再安取代基B。因此當(dāng)苯環(huán)上的三元取代有2種結(jié)構(gòu)時，同分異構(gòu)體數(shù)目有6種。

（Ⅰ） （Ⅱ） （Ⅲ）

（3） 當(dāng)苯環(huán)上的取代基為A、 B和C時，任選兩個取代基（如A、 B）定好位置，共有3種異構(gòu)體，再安取代基C。因此當(dāng)苯環(huán)上的三元取代有3種結(jié)構(gòu)時，同分異構(gòu)體數(shù)目有10種。

（Ⅰ） （Ⅱ） （Ⅲ）

定一移一法或定二移一法適用于討論一個有機物的取代基有2個或3個的情況下的同分異構(gòu)體的數(shù)目。

3.4 換元法

換元法 [10]是指當(dāng)取代產(chǎn)物中某2種原子滿足一定數(shù)量關(guān)系時，互換這兩種原子的位置，取代產(chǎn)物的同分異構(gòu)體數(shù)目不變，即存在如下一般規(guī)律： 有機物C xH y形成的C xH y-aR a與C xH aR y-a具有相同數(shù)目的同分異構(gòu)體。比如C 4H 8Cl 2的同分異構(gòu)體數(shù)目為9，則C 4H 2Cl 8的同分異構(gòu)體數(shù)目也為9。如： 2014年Ⅱ卷第38題“（6）立方烷經(jīng)硝化可得到六硝基立方烷，其可能結(jié)構(gòu)有多少種”，立方烷分子式為C 8H 8，六硝基立方烷分子式為C 8H 2（NO 2） 6，六硝基立方烷是立方烷的六元取代，討論六元取代比較繁瑣，根據(jù)換元法可變換成討論二元取代。立方烷的二元取代利用定一移一法找出3種同分異構(gòu)體，所以六硝基立方烷的同分異構(gòu)體就有3種。

換元法適合用于討論一個有機物取代基數(shù)目比較多的情況下的同分異構(gòu)體數(shù)目，根據(jù)換元法變換成思考取代基數(shù)目較少情況下的同分異構(gòu)體數(shù)目，有效地做到化繁為簡。

3.5 插入法

插入法是將官能團單獨提出來，寫出剩余部分的碳鏈結(jié)構(gòu)，再利用對稱規(guī)律找出可以插入官能團的位置，將官能團插入。注意，對稱位置不可重復(fù)插入。如： 判斷分子式C 5H 10O 2能與NaOH溶液反應(yīng)的同分異構(gòu)體數(shù)目，根據(jù)官能團性質(zhì)結(jié)合分子式含2個氧原子，推出該結(jié)構(gòu)是帶有羧基（COOH）或帶有酯基（COOR）。這2種官能團可統(tǒng)一看成帶有COO

結(jié)構(gòu)，因此分子式提出COO結(jié)構(gòu)，碳鏈?zhǔn)Ｏ翪 4H 10，相當(dāng)于在丁烷結(jié)構(gòu)中插入COO。首先，先確定丁烷的同分異構(gòu)體——正丁烷和異丁烷;其次，明確丁烷可以插COO的位置，碳碳單鍵之間可插入，碳?xì)鋯捂I之間也可插入，因此要找到正丁烷和異丁烷中所有不同碳碳單鍵和碳?xì)鋯捂I，共3種不等效的碳碳單鍵（①②⑤）和四種不等效的碳?xì)鋯捂I（③④⑥⑦）。最后，確定同分異構(gòu)體數(shù)目，一般一個單鍵位置可以插COO，也可以插入OOC，得到兩種不同結(jié)構(gòu)，但對稱中心的碳碳單鍵（如②）只有一種情況，插入COO或OOC，結(jié)果都是相同結(jié)構(gòu)的酯，所以分子式C 5H 10O 2符合酸或酯的結(jié)構(gòu)有13種。

（Ⅰ） （Ⅱ）

當(dāng)有機物中的官能團可以提出來并插入到碳碳單鍵或碳?xì)鋯捂I中，就可以利用插入法來分析同分異構(gòu)體。此方法適用于烯、炔、酸、酯、醚、酮等同分異構(gòu)體的書寫。

3.6 同分異構(gòu)體的記憶推理模型

運用上述多種技巧可幫助學(xué)生判斷同分異構(gòu)體數(shù)目，但步驟繁瑣耗時長，是否有更省時快速的方法？筆者總結(jié)一套記憶推理模型，通過提取信息快速判斷同分異構(gòu)體數(shù)目。

（1） 對烷烴基與一價基團結(jié)合后的同分異構(gòu)體數(shù)目判斷，或是烷烴一元取代的同分異構(gòu)體數(shù)目判斷，熟記常見烷烴基的同分異構(gòu)體數(shù)目（見表2），其同分異構(gòu)體數(shù)目就一目了然。

表2 記憶推理模型1： 常見烷烴基的同分異構(gòu)體數(shù)目

烷烴基同分異構(gòu)體數(shù)目

甲基（CH 3）1

乙基（C 2H 5）1

丙基（C 3H 7）2

丁基（C 4H 9）4

戊基（C 5H 11）8

（2） 烷烴的二元取代是高頻考點，分別歸納丙烷和丁烷的二元取代同分異構(gòu)體數(shù)目（見表3）。

表3 記憶推理模型2： 常見烷烴二元取代的同分異構(gòu)體數(shù)目

烷烴二元類型同分異構(gòu)體數(shù)目

丙烷

A、 A4

A、 B5

丁烷

A、 A9

A、 B12

在前面（3.3）討論的一道高考題： 2016年Ⅱ卷第10題“分子式為C 4H 8Cl 2的有機物共有多少種（不含立體異構(gòu)）”，雖然利用“定一移一”的方法可以按部就班地解決丁烷的二元相同取代基的同分異構(gòu)體數(shù)目問題，但如果利用表3記憶推理模型——丁烷的AA型取代，可以快速得出答案。

（3） 苯環(huán)上的取代是高頻考點，下面歸納出苯環(huán)的二、三元取代同分異構(gòu)體數(shù)目（見表4）。

表4 記憶推理模型3： 苯環(huán)二元、三元取代的同分異構(gòu)體數(shù)目

苯類型同分異構(gòu)體數(shù)目

二元取代

A、 A3

A、 B3

三元取代

A、 A、 A3

A、 A、 B6

A、 B、 C10

例如： 2017年Ⅱ卷第36題“（6）L是D的同分異構(gòu)體，可與FeCl 3溶液發(fā)生顯色反應(yīng)，1mol的L可與2mol的Na 2CO 3反應(yīng)，L共有 種”。從題目所給信息可以分析出L是含有苯環(huán)的結(jié)構(gòu)，而且苯環(huán)結(jié)構(gòu)上有三個取代基，分別是OH、 OH和CH 3，利用表4記憶推理模型——苯環(huán)的AAB型取代，答案立馬呈現(xiàn)出來。

4 教學(xué)建議

由于同分異構(gòu)體類型復(fù)雜、思維容量較大，若教師采用題海戰(zhàn)術(shù)和實施知識解析的教學(xué)方式，以解題+訓(xùn)練模式進行教學(xué)，則學(xué)生會缺乏認(rèn)識角度與合理思路，有序性、綜合性和系統(tǒng)性思維較差。建議教師要關(guān)注學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)和學(xué)科能力的發(fā)展 [11]（見圖1），引導(dǎo)學(xué)生動手制作結(jié)構(gòu)模型，發(fā)展學(xué)生的形象思維。讓學(xué)生通過官能團的轉(zhuǎn)化熟練掌握常見有機物之間的相互轉(zhuǎn)化，發(fā)展聚合思維和類比遷移能力。教師還可以通過進階式問題情境，即系列、分層例題，對學(xué)生進行同分異構(gòu)體書寫問題的分析思路與推理方法的訓(xùn)練，培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生的發(fā)散思維和綜合能力，強化限制條件下同分異構(gòu)體的書寫技能，讓學(xué)生對同分異構(gòu)體書寫問題形成合理的認(rèn)識角度、分析思路和認(rèn)識能力，讓高中教學(xué)飽含化學(xué)學(xué)科意義和思維之美 [12]。

圖1 在同分異構(gòu)體教學(xué)過程中倡導(dǎo)促進學(xué)生核心素養(yǎng)發(fā)展的教學(xué)

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