“有機物分子中原子共平面”復(fù)習(xí)指導(dǎo)

洪茲田 陳女婷

分析近5年全國卷中有關(guān)有機物分子中原子共平面的考查情況（見表1），發(fā)現(xiàn)近5年每年都有涉及有機物分子中原子共平面的考查，并且有逐年增加的趨勢。從給出的有機物來看，絕大多數(shù)為陌生有機物（一般為小分子或苯環(huán)加上一些小分子）。從考查題型來看，除了2015年為填空題（涉及選考題）外，其余年份均為選擇題（涉及必考題）。從考查的選項看，主要集中在以下三種表達(dá)：（1）所有原子是否可能共平面;（2）所有碳原子是否可能共平面;（3）最多多少個原子共平面。從命題的特點來看，試題以教材基本模型（甲烷型、乙烯型、乙炔型、苯型）為基礎(chǔ)，注意化學(xué)與數(shù)學(xué)的組合，考查運用立體幾何的有關(guān)知識及靈活的組合方式，解決有機物分子中原子共平面的問題。

文章在探討典型有機物分子和不同結(jié)構(gòu)的基團連接后的原子的共線、共面情況的基礎(chǔ)上，歸納解決此類問題的思維程序和注意事項。以近5年全國卷中的此類試題為例進(jìn)行典例剖析和變式訓(xùn)練，希望為有機物分子中原子共平面的復(fù)習(xí)教學(xué)提供指導(dǎo)。

一、典型有機物分子中原子的共線、共面分析

1. 甲烷型分子。

甲烷分子為正四面體結(jié)構(gòu)（鍵角為109.5°），所有原子不可能共平面，任意3個原子共平面。以甲烷為母體，可衍變成其他結(jié)構(gòu)。但無論什么原子（或原子團）與C原子相連，都相當(dāng)于取代原來甲烷中H原子的位置，構(gòu)成四面體結(jié)構(gòu)。例如，CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、CCl4等都是四面體結(jié)構(gòu)（CCl4是正四面體結(jié)構(gòu)）。因此，飽和碳結(jié)構(gòu)（四面體結(jié)構(gòu)），其分子中所有原子不可能共平面，最多有3個原子共平面。

2. 乙烯型分子。

乙烯分子為平面圖形（鍵角為120°），所有原子都在同一個平面內(nèi)。當(dāng)乙烯分子中某H原子被其他原子或原子團取代時，則取代該H原子的原子一定在乙烯型分子的平面內(nèi)。因此，烯烴結(jié)構(gòu)中6個原子均在同一個平面內(nèi)。

3. 乙炔型分子。

乙炔分子為直線型（鍵角為180°），所有原子都在同一條直線上內(nèi)。當(dāng)乙炔分子中某H原子被其他原子（或原子團）取代時，則取代該H原子的原子一定在乙炔型分子的直線上。因此，炔烴結(jié)構(gòu)中4個原子在同一條直線上（共線必共平面）。

4. 苯型分子。

苯分子為平面六邊形（鍵角為120°），所有原子都在同一個平面內(nèi)。當(dāng)苯分子中的一個H原子被其他原子（或原子團）取代時，代替該H原子的原子一定在苯型分子所在的平面內(nèi)。因此，苯環(huán)結(jié)構(gòu)中12個原子共平面。同時，苯環(huán)結(jié)構(gòu)中處于對角線位置的4個原子在同一條直線上（共線）。

5. 甲醛型分子。

甲醛（■）分子為平面三角形，所有原子都在同一個平面內(nèi)。當(dāng)甲醛分子中的一個H原子被其他原子（或原子團）取代時，代替H氫原子的原子一定在甲醛型分子所在的平面內(nèi)。因此，甲醛型結(jié)構(gòu)中4個原子共平面。（甲醛型分子中原子的共面情況作為拓展，不作要求）

二、不同結(jié)構(gòu)的基團連接后的原子共線、共面分析

1. 單鍵、雙鍵和叁鍵的旋轉(zhuǎn)思想。

單鍵可繞鍵軸自由旋轉(zhuǎn)，從數(shù)學(xué)角度看，即兩個平面共有一條直線，兩個平面可能重合，也可能不重合。而雙鍵、叁鍵不能繞鍵軸自由旋轉(zhuǎn)。

2. 不同類型的組合情況分析。

以基本模型（甲烷型、乙烯型、乙炔型、苯型等）為母體，根據(jù)單鍵的旋轉(zhuǎn)思想和立體幾何知識，將不同的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行組合，整體判斷共線和共面的原子個數(shù)。常見的組合方式有以下幾種：

（1）直線與平面連接。

直線結(jié)構(gòu)中如果有2個原子（或者一個共價鍵）與一個平面結(jié)構(gòu)共用，則直線在這個平面上。例如，CH2=CH-C≡CH，其空間結(jié)構(gòu)為 ■，中間兩個C原子既在乙烯平面上，又在乙炔直線上，所以直線在平面上，所有原子共平面。

（2）平面與平面連接。

若兩個平面結(jié)構(gòu)通過單鍵相連，則由于單鍵的旋轉(zhuǎn)性，兩個平面不一定重合，但可能重合。例如，苯乙烯（■）分子中共平面原子至少12個，最多16個。

（3）立體（或三角錐）與平面連接。

若甲基（-CH3）與平面結(jié)構(gòu)通過單鍵相連，則由于單鍵的旋轉(zhuǎn)性，甲基（-CH3）的一個H原子可能暫時處于該平面上。例如，丙烯分子（■）中，共面原子至少6個，最多7個。又如，甲苯中的7個C原子（苯環(huán)上的6個C原子和甲基上的1個C原子），5個H原子（苯環(huán)上的5個H原子）這12個原子一定共平面。此外，甲基上的1個H原子也可旋轉(zhuǎn)到該平面上，其余2個H原子分布在平面的兩側(cè)。因此，甲苯分子中最多有13個原子共平面。

（4）多種結(jié)構(gòu)連接。

直線、平面與立體連接。如圖1所示，某復(fù)雜有機物分子中共平面原子至少12個，最多19個。分析時應(yīng)注意以下兩點：

①觀察大分子的結(jié)構(gòu)，先找出甲烷、乙烯、乙炔和苯分子的“母體”，再將甲烷“正四面體”、乙烯“平面型”、乙炔“直線形”和苯“平面型”等分子構(gòu)型知識遷移過來即可;

②苯環(huán)以單鍵連接在6號不飽和碳原子上，不管單鍵如何旋轉(zhuǎn)，8號和9號C原子總是處于乙烯平面上。不要忽視8號C原子對位上的9號C原子。

■

三、解決“有機物分子中原子共線、共面”問題的思維程序和注意事項

1. 思維程序。

（1）將題目所給有機物分子的鍵線式（或結(jié)構(gòu)簡式）展開為空間結(jié)構(gòu)式;

（2）將有機物分子的空間結(jié)構(gòu)式進(jìn)行拆分，拆分為幾個典型的基本結(jié)構(gòu)模型（甲烷型、乙烯型、乙炔型、苯型等）;

（3）根據(jù)有機物分子中單鍵（碳碳單鍵、碳?xì)鋯捂I、碳氧單鍵等）均可繞鍵軸自由旋轉(zhuǎn)，確定哪些原子可以旋轉(zhuǎn)到不同的位置。

（4）根據(jù)立體幾何知識，將不同的基本結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行組合，整體判斷不同基本結(jié)構(gòu)模型中共面和共線的原子個數(shù)。其中原子共線的判斷以乙炔（或苯環(huán)對位上的原子）為標(biāo)準(zhǔn);原子共面的判斷以乙烯（或苯）為標(biāo)準(zhǔn)。

2. 注意事項。

（1）注意題目的隱含條件和特殊規(guī)定

審題時應(yīng)特別注意“可能”“不可能”“一定”“最多”“最少”“所有原子”“碳原子”等關(guān)鍵詞和限制條件。

（2）熟記常見共線、共面的官能團

①與叁鍵直接相連的原子共直線。例如，—C≡C—、

—C≡N;

②與雙鍵和苯環(huán)直接相連的原子共平面，如 ■、■。

（3）較復(fù)雜的有機物分子的空間關(guān)系確定

在解題時遇到較復(fù)雜的有機物分子，可通過幾種典型的空間結(jié)構(gòu)的組合來分析其空間關(guān)系（基本結(jié)構(gòu)+連接方式=空間關(guān)系）。

四、“有機物分子中原子共平面”典例剖析

【例1】（2015·全國Ⅰ卷，T38，節(jié)選）異戊二烯（■）分子中最多有_____個原子共平面。

解析：異戊二烯（即2-甲基-1，3-丁二烯）可視為2個乙烯型（碳碳雙鍵）和1個甲烷型結(jié)構(gòu)的組合。異戊二烯分子中兩個碳碳雙鍵（平面型）形成的平面可以共面，旋轉(zhuǎn)碳碳單鍵，甲基中的1個H原子可以處于碳碳雙鍵形成的平面內(nèi)，故共平面的原子最多有11個。

【例2】（2016·全國Ⅲ卷，T10）已知異丙苯的結(jié)構(gòu)簡式如圖2所示，下列說法錯誤的是（ ?）

A. 異丙苯的分子式為C9H12

B. 異丙苯的沸點比苯高

C. 異丙苯中碳原子可能都處于同一平面

D. 異丙苯的和苯為同系物

解析：由異丙苯的鍵線式，可知分子式為C9H12，故A正確;異丙苯的相對分子質(zhì)量比苯大，因此異丙苯沸點比苯高，故B正確;苯環(huán)是平面結(jié)構(gòu)，當(dāng)異丙基中間的碳原子為飽和碳結(jié)構(gòu)（四面體結(jié)構(gòu)），該C原子連接3個C原子和1個H原子，形成4條共價鍵，因此所連接3個C原子中最多有2個C原子都在一個平面，故C錯誤;異丙苯和苯結(jié)構(gòu)相似，在分子組成上相差3個CH2原子團，二者為同系物，故D正確。答案：C。

【例3】（2017·全國Ⅰ卷，T9）已知■（b）、■（d）、■（p）的分子式均為C6H6，下列說法正確的是（ ?）

A. b的同分異構(gòu)體只有d和p兩種

B. b、d、p的二氯代物均只有三種

C. b、d、p均可與酸性高錳酸鉀溶液反應(yīng)

D. b、d、p中只有b的所有原子處于同一平面

解析：b（■）的同分異構(gòu)體有多種，不止d和p兩種，故A錯誤;d分子中H原子分為2類，根據(jù)“定一移一”可知d的二氯代物是6種，故B錯誤;b（■）、p（■）分子中不存在碳碳雙鍵，不與酸性KMnO4溶液發(fā)生反應(yīng)，故C錯誤;b（■）是平面六邊形，所有原子共平面，b（■）、p（■）中均含有飽和碳原子，飽和碳結(jié)構(gòu)中所有原子不可能共平面，故D正確。答案：D。

【例4】（2018·全國Ⅰ卷，T11）環(huán)之間共用一個碳原子的化合物稱為螺環(huán)化合物，螺[2，2]戊烷（■）是最簡單的一種。下列關(guān)于該化合物的說法錯誤的是（ ?）

A. 與環(huán)戊烯互為同分異構(gòu)體

B. 二氯代物超過兩種

C. 所有碳原子均處同一平面

D. 生成1 mol C5H12至少需要2 mol H2

解析：螺[2，2]戊烷和環(huán)戊烯的分子式均為C5H8，但結(jié)構(gòu)不同，因此互為同分異構(gòu)體，故A正確;螺[2，2]戊烷（■）的二氯化物中兩個Cl原子可能位于1號C原子上、可能位于1號和2號C原子上、可能位于1號和3號C原子上、可能位于2號和4號C原子上，所以其二氯化物超過2種，故B正確;螺[2，2]戊烷（■）中間的碳原子為飽和碳原子，該C原子連接4個C原子，飽和碳結(jié)構(gòu)（四面體結(jié)構(gòu)）中所有原子（C原子）不可能處在同一平面上，故C錯誤;戊烷（C5H12）比螺[2，2]戊烷（C5H8）多4個H原子，所以生成1 mol C5H12至少需要2 mol H2，故D正確。答案：C。

【例5】（2019·全國Ⅰ卷，T8）關(guān)于化合物2-苯基丙烯（■），下列說法正確的是（ ?）

A. 不能使稀高錳酸鉀溶液褪色

B. 可以發(fā)生加成聚合反應(yīng)

C. 分子中所有原子共平面

D. 易溶于水及甲苯

解析：2-苯基丙烯含碳碳雙鍵，能使稀高錳酸鉀溶液褪色，能發(fā)生加成聚合反應(yīng)，故A錯誤、B正確;2-苯基丙烯含飽和碳原子，飽和碳結(jié)構(gòu)（四面體結(jié)構(gòu)）分子中不可能所有原子共平面;2-苯基丙烯不含—OH、—CHO、—COOH等親水性基團，根據(jù)相似相溶原理，其難溶于水和易溶于甲苯，故D錯誤。答案：B。

【例6】（2019·全國Ⅲ卷，T8）下列化合物的分子中，所有原子可能共平面的是（ ?）

A. 甲苯 B. 乙烷 C. 丙炔 D. 1，3-丁二烯

解析：甲苯、乙烷、丙炔中均含有飽和碳原子，飽和碳結(jié)構(gòu)（四面體結(jié)構(gòu)）中所有原子不可能共平面，故A、B、C錯誤。1，3-丁二烯可視為2個乙烯型（碳碳雙鍵）結(jié)構(gòu)的組合。1，3-丁二烯分子中的兩個碳碳雙鍵（平面型）形成的平面可以共面，故D正確。

答案：D。

五、“有機物分子中原子共平面”變式訓(xùn)練

1. 下列化合物分子中的所有碳原子不可能處于同一個平面的是（ ?）

A. 甲苯 B. 硝基苯 C. 2—甲基丙烯 D. 2—甲基丙烷

解析：甲苯、硝基苯中的碳原子都在苯環(huán)的平面上，2—甲基丙烯中的所有碳原子都在雙鍵的平面上，而2—甲基丙烷中連接甲基（—CH3）的碳原子（即2號碳）為飽和碳原子，該C原子連接3個C原子和1個H原子，形成四面體結(jié)構(gòu)，因此所連接的3個C原子中最多有2個C原子共面，因此2—甲基丙烷中的所有碳原子不可能共面。

答案：D

2. 已知甲醛（■）分子中的4個原子是共平面的，下列分子中所有原子不可能同時存在同一平面上的是（ ?）

A. ■ B. ■ C. ■ D. ■

解析：苯型分子是平面結(jié)構(gòu)，乙烯型分子是平面結(jié)構(gòu)，兩個平面通過單鍵相連，由于單鍵的旋轉(zhuǎn)性，兩個分子的平面有可能共平面，故A錯誤。苯型分子是平面結(jié)構(gòu)，甲醛型分子是平面結(jié)構(gòu)，兩個平面通過單鍵相連，由于單鍵的旋轉(zhuǎn)性，兩個分子的平面有可能共平面，故B錯誤。苯型分子是平面結(jié)構(gòu)，甲醛型分子是平面結(jié)構(gòu)，兩個平面通過單鍵相連，由于單鍵的旋轉(zhuǎn)性，兩個分子的平面有可能共平面;同時，甲烷型分子是四面體結(jié)構(gòu)，C原子與四個頂點不可能在一個平面內(nèi)，因此由苯型的平面結(jié)構(gòu)、甲醛型的平面結(jié)構(gòu)和甲烷型的四面體結(jié)構(gòu)構(gòu)成的有機物分子中所有原子無法共平面，故C正確。苯型分子是平面結(jié)構(gòu)，甲醛型是分子平面結(jié)構(gòu)，羥基及苯基分別取代甲醛的1個H原子，因此分子中所有原子可能同時存在同一平面上，故D錯誤。

答案：C

3.（2018·東莞）化合物■（甲）、■（乙）、■（丙）的分子式均為C8H8，下列說法正確的是（ ?）

A. 甲的同分異構(gòu)體只有乙和丙兩種

B. 甲、乙、丙的氯代物種數(shù)最少的是丙

C. 甲、乙、丙均可與溴的CCl4溶液反應(yīng)

D. 甲中所有原子一定處于同一平面

解析：甲的同分異構(gòu)體可能為鏈狀不飽和烴，則同分異構(gòu)體不止有乙和丙，故A錯誤;甲的二氯代物多于6種，乙的二氯代物有7種，丙的二氯代物中2個Cl可位于面上相鄰、相對及體心的相對位置，則丙的二氯代物有3種，則它們二氯代物的同分異構(gòu)體數(shù)目最少的是丙，故B正確;丙不含雙鍵、叁鍵等，只有單鍵，不能與溴的CCl4溶液反應(yīng)，故C錯誤;苯環(huán)、雙鍵為平面結(jié)構(gòu)，且直接相連，但苯環(huán)與雙鍵相連的碳碳單鍵可旋轉(zhuǎn)，甲中所有原子不一定共平面，故D錯誤。

答案：B

責(zé)任編輯 李平安