建立本源模型,推導(dǎo)芳香族化合物的同分異構(gòu)體

但世輝 陳莉莉

（湖北省襄陽(yáng)東風(fēng)中學(xué)）

高考試題關(guān)于同分異構(gòu)體的考查，主要集中在含苯環(huán)的有機(jī)物上，涉及的同分異構(gòu)體類型包括苯環(huán)上的位置異構(gòu)、苯環(huán)側(cè)鏈上的異構(gòu)、官能團(tuán)異構(gòu)等.由于含苯環(huán)的芳香族化合物變化形式多樣，這無(wú)疑增加了試題的難度.為突破該類型試題，可采用以下策略進(jìn)行書寫.

1 建立基本技能

1.1 不飽和度（Ω）的計(jì)算

不飽和度又稱缺氫指數(shù)或者加環(huán)指數(shù)，是有機(jī)物分子不飽和程度的量化標(biāo)志，用希臘字母Ω表示，其計(jì)算方法通常有兩種.

1)根據(jù)分子式(CnHm)進(jìn)行計(jì)算

由于有機(jī)物所含元素種類不同，其化學(xué)式種類繁多，比如烴(CnHm)、鹵代烴(CnHmXz)、含氧衍生物(CnHmOz)、含氮衍生物(CnHmNz)等，具體計(jì)算時(shí)可把上述不同類型的化學(xué)式統(tǒng)一為含氧衍生物CxHyOa(NH)b，不飽和度不用考慮氧原子和氮原子個(gè)數(shù)，倘若分子式中有鹵素原子，則視作氫原子進(jìn)行計(jì)算，倘若有硫原子則視作氧原子計(jì)算.比如C20H31O2N3可轉(zhuǎn)化為C20H28O2(NH)3，代入公式可計(jì)算不飽和度

2)根據(jù)有機(jī)物所含化學(xué)鍵種類進(jìn)行計(jì)算

不飽和度Ω＝雙鍵數(shù)＋三鍵數(shù)×2＋環(huán)數(shù).比如苯的不飽和度＝3＋0×2＋1＝4，即苯環(huán)可看成是3個(gè)雙鍵和1個(gè)環(huán)的結(jié)構(gòu)形式，依此類推，烷烴的不飽和度為0，丙烯的不飽和度為1，乙炔的不飽和度為2，環(huán)己酮的不飽和度也為2.

1.2 不飽和度的應(yīng)用

確定物質(zhì)的不飽和度，便可推知整個(gè)物質(zhì)或其側(cè)鏈構(gòu)成“碎片”(碳碳雙鍵、碳氧雙鍵、環(huán)等)的個(gè)數(shù)，便于后期進(jìn)行“碎片”的二次組裝.若Ω＝0，說(shuō)明分子是飽和鏈狀結(jié)構(gòu).若Ω＝1，說(shuō)明分子含有1個(gè)雙鍵或1個(gè)環(huán).若Ω＝2，說(shuō)明分子含有2個(gè)雙鍵或1個(gè)三鍵；或者含有1個(gè)雙鍵和1個(gè)環(huán)；或者含有2個(gè)環(huán)，依此類推.

1)替代法的應(yīng)用

替代的原理是有機(jī)物中構(gòu)成“碎片”(原子、原子團(tuán)、化學(xué)鍵等)的對(duì)稱性，具有“對(duì)稱性”的“碎片”在有機(jī)物的構(gòu)成上是等效的，即當(dāng)這些等效的“碎片”被其他原子或原子團(tuán)替代后得到的新物質(zhì)是同一種物質(zhì).替代法可有效防止推斷同分異構(gòu)體時(shí)出現(xiàn)重復(fù).因此，替代法的前提是找到對(duì)稱即等效的“碎片”，其基本原則有3條：1)同一個(gè)碳原子上的氫原子是等效的.2)同一個(gè)碳原子上所連的甲基是等效的.3)處于同一面對(duì)稱位置上的氫原子是等效的.在利用這3條原則使用替代法的時(shí)候，要注意以下方法的靈活應(yīng)用.

方法1直接替代法

該方法適用于所要替代的“碎片”本身不含碳原子，比如一氯代物、一羥基代物等.以推斷C4H9Cl的同分異構(gòu)體為例，先找出其碳架結(jié)構(gòu)的2種形式(如圖1和圖2)，根據(jù)對(duì)稱性原則標(biāo)出等效碳共有4種，使用替代法用氯原子替換氫原子并連在4種等效碳上，很容易找出其一氯代物有4種.

方法2減碳替代法

該方法適用于所要替代的官能團(tuán)本身含有碳原子，比如醛基、酯基、羧基等，這些官能團(tuán)本身已經(jīng)含有1個(gè)碳原子，進(jìn)行替換的時(shí)候其“母體”應(yīng)該就要少1個(gè)碳原子，否則碳原子總數(shù)就會(huì)多出1個(gè).以推斷C5H10O2的羧酸類同分異構(gòu)體為例，由于羧基本身含有1個(gè)C，因此該物質(zhì)的“母體”碳架依然是4個(gè)C，構(gòu)成方式有2種(圖1和圖2)，等效碳有4種，再將羧基連在4種碳上，即可找出該物質(zhì)羧酸類同分異構(gòu)體有4種.

圖1

圖2

2)插入法的應(yīng)用

所謂插入法，就是把有機(jī)物的構(gòu)成“碎片”(插入基)嵌入已知的“母體”中，構(gòu)成完全符合題意的結(jié)構(gòu)體.插入的位置往往集中在化學(xué)鍵上，比如碳碳鍵、碳?xì)滏I等.以例1為例進(jìn)行說(shuō)明.

例1寫出滿足下列條件的E的一種同分異構(gòu)體的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式.

a)分子式中含有2個(gè)苯環(huán).

b)分子中含有3種不同化學(xué)環(huán)境的氫.

分析根據(jù)E的結(jié)構(gòu)可以計(jì)算出其不飽和度Ω＝9，由于E已經(jīng)含有2個(gè)苯環(huán)(Ω＝8)，則剩余“碎片”的不飽和度為1，由于剩余“碎片”中包括3個(gè)C、3個(gè)O和若干個(gè)氫，可推知這些原子必定要形成一個(gè)雙鍵.根據(jù)條件b)，可知該分子很對(duì)稱，此雙鍵是一個(gè)碳氧雙鍵，并且形成一條對(duì)稱軸(如圖3)，上下和左右沿著虛線對(duì)稱，等效碳有3種.

圖3

現(xiàn)在只用將余下的碎片(2個(gè)—CH3和2個(gè)—O—)使用插入法嵌入即可，嵌入的原則是必須對(duì)稱即保證等效碳依然為3種，2個(gè)—CH3只能接在3號(hào)碳上，2個(gè)—O—只能按照?qǐng)D4箭頭標(biāo)注的2種方式對(duì)稱性地嵌入，找出滿足題意的同分異構(gòu)體(如圖5和圖6).

圖4

圖5

圖6

2 建立本源模型

烴的衍生物可以看成是烴中氫原子被其他原子或者原子團(tuán)替代所得，如醇、醛、酸等，或者烴類物質(zhì)中的碳碳鍵或碳?xì)滏I之間插入其他原子或原子團(tuán)衍生所得，如醚、酯等.因此可以說(shuō)烴是烴的衍生物的本源.同理，芳香族化合物也可看成是由苯或者苯的簡(jiǎn)單同系物衍生所得，苯或其簡(jiǎn)單同系物便是所有芳香族化合物的本源，利用苯的簡(jiǎn)單同系物進(jìn)行建模，在對(duì)稱性原則的前提下，確定苯的簡(jiǎn)單同系物的等效碳和等效碳碳鍵的模型，在此基礎(chǔ)上靈活運(yùn)用基本技能(不飽和度、替代法、插入法等)推斷芳香族化合物的同分異構(gòu)體.

2.1 對(duì)C7H8進(jìn)行建模

C7H8為甲苯，只有1種同分異構(gòu)體，根據(jù)對(duì)稱性原則，其等效碳為4種，等效碳碳鍵為1種，建模如圖7所示.

圖7

2.2 對(duì)C8H10進(jìn)行建模

C8H10有4種常見同分異構(gòu)體，可以建成4種模型，具體如表1.

表1 C8H10的4種模型

2.3 對(duì)C9H12進(jìn)行建模

C9H12的同分異構(gòu)體數(shù)目受苯環(huán)上支鏈數(shù)的影響，若苯環(huán)上只有1條支鏈，其同分異構(gòu)體有2種；若苯環(huán)上接2條支鏈，則有3種同分異構(gòu)體；若苯環(huán)上接3條支鏈，則有3種同分異構(gòu)體.可以對(duì)不同的同分異構(gòu)體進(jìn)行建模，以苯環(huán)上有2條支鏈的同分異構(gòu)體為例，具體建模情況如表2所示.

表2 苯環(huán)上有2條支鏈的C9H12建模情況

3 建模應(yīng)用題型

在解題過(guò)程中，可遵循如下思路(如圖8).在已經(jīng)建模的基礎(chǔ)上，靈活應(yīng)用不飽和度、替代法、插入法等各種技能，快速準(zhǔn)確地找到同分異構(gòu)體.

圖8

例2(2019年全國(guó)Ⅱ卷，節(jié)選)有機(jī)物B的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式為，同時(shí)符合下列條件的同分異構(gòu)體共有( )種.

a)屬于芳香族化合物并且苯環(huán)上的一氯代物只有2種；

b)能夠發(fā)生水解反應(yīng)；

c)能夠與FeCl3溶液發(fā)生顯色反應(yīng).

分析根據(jù)B的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式列出其側(cè)鏈(除開苯環(huán))的主要參數(shù)：不飽和度為1；2個(gè)C和3個(gè)O.根據(jù)限制條件b)和c)可知側(cè)鏈上的有機(jī)“碎片”為2種官能團(tuán)(酚羥基、—COO—)和1個(gè)—CH3.此時(shí)可將—COO—作為插入基暫時(shí)不分析.為滿足條件a)，以苯環(huán)連上酚羥基和—CH3進(jìn)行建模，其母體為C8H10的第4種情況(見表1)，只有此時(shí)才能滿足限制條件a)“苯環(huán)上有2種一氯代物”，酚羥基和—CH3處于對(duì)位，再利用插入法，將—COO—作為插入基構(gòu)建出部分結(jié)構(gòu)(如圖9).在插入—COO—的時(shí)候有2種插法：正插(—COO—)和反插(—OOC—)，在①處插入時(shí)正插和反插均滿足條件，共有2種同分異構(gòu)體，在②處只能采用反插法(—OOC—)，只有1種同分異構(gòu)體(若正插則為羧酸類物質(zhì)，不能水解不符合條件)，合計(jì)滿足3個(gè)限制條件的同分異構(gòu)體有3種.

圖9

采用建立本源模型的方法書寫芳香族化合物的同分異構(gòu)體，相當(dāng)于建立了一套解題公式，學(xué)生將本源模型理解并識(shí)記在腦海中，可以大大減少學(xué)生的思維量，便于快速解題.同時(shí)，對(duì)于教師的教學(xué)而言，提煉出本源模型進(jìn)行解題，既能培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)中的“模型認(rèn)知”能力，又能攻克教學(xué)中的重、難點(diǎn).