同分異構體數(shù)目判斷的思維模型構建與應用

廣東

有機物同分異構體數(shù)目判斷是高中化學知識體系中的一個重點，也是每年各地高考命題熱點。既能鍛煉學生思維的有序性和周密性，又培養(yǎng)學生的“證據(jù)推理和模型認知”等化學學科核心素養(yǎng)。然而，在面對這樣的一個高頻考點時，學生卻容易陷入思維困境，常因寫漏或寫重而造成同分異構體數(shù)目判斷錯誤?；谶@樣的背景，本文嘗試通過對相關基礎知識進行梳理，并用分類思想構建出該類題目常見的思維模型，同時結合典型例題進行解析，逐步引導學生理解不同思維模型的應用，意在提高學生對該類題目的分析能力，幫助學生有效突破知識難點。

一、基礎知識梳理

1.不飽和度

不飽和度又稱缺氫指數(shù)，是有機物分子不飽和程度的量化標志，用希臘字母Ω表示。一般鏈狀烷烴的不飽和度為0，而當與鏈狀烷烴相同碳數(shù)的其他有機物結構中增多一個雙鍵或形成一個環(huán)時，會減少2個氫原子，則會增多一個不飽和度。

高中階段常見有機物類型的不飽和度Ω計算過程如下：烴CxHy的不飽和度Ω=(2x+2-y)/2，鹵代烴CxHyXn的不飽和度Ω=(2x+2-y-n)/2，烴的含氧衍生物CxHyOm的不飽和度Ω=(2x+2-y)/2。現(xiàn)將常見基團的不飽和度整理如表1所示。

表1 常見基團的不飽和度

2.等效氫

等效氫是指有機物分子中位置等同的氫原子。通常有三種情況：①同一個碳上的氫原子是等效的，如CH4中的4個H是等效的，即有1種等效氫；②同一個碳上所連甲基上的氫原子是等效的，如C(CH3)4中的12個H是等效的，即有1種等效氫；③處于鏡面對稱位置上的氫原子是等效的，如CH3-CH2-CH3為左右對稱結構，故首尾6個H、中間2個H分別是等效的，即共有2種等效氫。

3.常見性質描述和可能結構的對應關系

結構決定性質，性質反映結構。試題中常通過提供有機物化學性質來考查學生對其結構的認知水平。這就要求學生能熟練掌握有機物結構和性質間的關系?，F(xiàn)將常見性質描述和可能結構的對應關系整理如表2所示。

表2 常見性質描述和可能結構的對應關系

二、思維模型構建與應用

1.“等效氫法”思維模型構建與應用

“等效氫法”的關鍵在于先根據(jù)題目信息確定有機物的重要參數(shù)，如不飽和度Ω、各原子數(shù)、官能團類別；其次根據(jù)有序的書寫原則寫出除官能團外剩下碳原子數(shù)可能的形成的碳鏈結構；再分析出各結構中等效氫數(shù)目，即為一元取代物同分異構體數(shù)目。構建的“等效氫法”思維模型如圖1所示。

圖1 “等效氫法”思維模型

該模型的適用范圍：題目中直接給出有機物分子式或結構，沒有其他性質條件的限制，要求判斷一元取代物同分異構體數(shù)目。鹵代烴、醇、醛、羧酸都可看作是烴的一元取代物。

【典例1】(2016·全國卷Ⅰ·9·節(jié)選)下列關于有機化合物的說法正確的是

( )

C.C4H9Cl有3種同分異構體

【答案】C錯誤

【變式1】(2015·全國卷Ⅱ·11·改編)分子式為C5H10O2且屬于羧酸的有機物有(不含立體異構)

( )

A.3種 B.4種 C.5種 D.6種

【答案】B

2.“定一移一法”思維模型構建與應用

首先根據(jù)題目信息確定官能團，寫出除官能團外剩下碳數(shù)可能的碳鏈結構，分析等效氫數(shù)目；其次固定一個官能團在不同等效氫處，即得一元取代物，其同分異構體數(shù)目為等效氫數(shù)目；接著分析各一元取代物等效氫數(shù)目；然后再移動另一官能團在不同等效氫處，即得二元取代物，特別注意要扣除重復結構，即可得二元取代物同分異構體數(shù)目。具體思維模型如圖2所示。

圖2 “定一移一法”思維模型

該模型的適用范圍：題目中直接給出有機物分子式或結構，沒有其他性質條件的限制，要求判斷二元或二元以上取代物同分異構體數(shù)目。取代基可以是—X、—OH、—CHO 或—COOH。

( )

B.b、d、p的二氯代物均只有三種

【答案】B錯誤

【變式2】(2016全國卷Ⅱ，10)分子式為C4H8Cl2的有機物共(不含立體異構)

( )

A.7種 B.8種 C.9種 D.10種

【答案】C

3.“基團組裝法”思維模型構建與應用

“基團組裝法”一般先根據(jù)題目已知有機物確定相關重要參數(shù)，如不飽和度Ω、各原子數(shù)，再根據(jù)性質條件限制確定特定結構和基團，接著用“等效氫法”或“定一移一法”將各基團組裝成符合題意的有機物，從而判斷同分異構體數(shù)目。具體思維模型如圖3所示。

圖3 “基團組裝法”思維模型

該模型的適用范圍：適用于題目除了給出有機物分子式或結構，還有相關性質條件的限制，要求判斷同分異構體數(shù)目。有機物中的官能團可以是—X、—OH、—CHO或—COOH。

【典例3】(2018·天津卷·8·節(jié)選)化合物N具有鎮(zhèn)痛、消炎等藥理作用，其合成路線如下：

(4)C的同分異構體W(不考慮手性異構)可發(fā)生銀鏡反應；且1 mol W最多與2 mol NaOH發(fā)生反應，產(chǎn)物之一可被氧化為二元醛。滿足上述條件的W共有________種。

【答案】5

【變式3】(2017·全國卷Ⅱ·36·節(jié)選)化合物G是治療高血壓的藥物“比索洛爾”的中間體，一種合成G的路線如下：

(6)L是D的同分異構體，可與FeCl3溶液發(fā)生顯色反應，1 mol的L可與2 mol的Na2CO3反應，L共有________種。

【答案】6

三、備考建議