碎片組合法有序應(yīng)對同分異構(gòu)體數(shù)目問題

劉海波

(湖北省宜昌市三峽高級中學(xué))

同分異構(gòu)體的數(shù)目問題一直是高考有機大題中的熱點與難點——每年都考、得分不高。主要難在物質(zhì)陌生、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、信息多樣;涉及碳架異構(gòu)、官能團異構(gòu)、位置異構(gòu)、立體異構(gòu)、等效氫、不飽和度、結(jié)構(gòu)式與分子式等,考查的必備知識高度綜合,學(xué)生往往很好入手,但也經(jīng)常數(shù)不全或數(shù)重復(fù)。思維無序是解決此類問題的最大障礙。

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》(2017年版2020年修訂)在選擇性必修3模塊中對同分異構(gòu)體的“內(nèi)容要求”表述為“認(rèn)識有機化合物存在構(gòu)造異構(gòu)和立體異構(gòu)等同分異構(gòu)現(xiàn)象”;對同分異構(gòu)體的“學(xué)業(yè)要求”表述為“能辨識同分異構(gòu)現(xiàn)象,能寫出符合特定條件的同分異構(gòu)體,能舉例說明立體異構(gòu)現(xiàn)象”。

以下,本文將從必備知識與能力、解題策略與方法步驟和真題解析三方面來闡述同分異構(gòu)體的數(shù)目問題。其中在真題解析部分,筆者將以碎片組合法來理清幾道真題的內(nèi)在邏輯,旨在引導(dǎo)學(xué)生逐步建立解決同分異構(gòu)體問題的有序思維。

一、必備知識與能力

(一)熟悉同分異構(gòu)體的分類

(二)確定不飽和度

(1)碳碳雙鍵、碳氧雙鍵、環(huán)的不飽和度為1;

(2)碳碳三鍵的不飽和度為2;

(3)苯環(huán)的不飽和度為4。

(三)確定官能團

能根據(jù)紅外光譜、有機物性質(zhì)、元素種類數(shù)目和不飽和度等信息確定官能團。

(四)確定碳架

能根據(jù)分子式(不飽和度)、物質(zhì)性質(zhì)、核磁共振氫譜、等效氫等信息確定是含苯環(huán)、脂肪環(huán)還是僅為碳鏈。

1.苯環(huán)上的取代

一取代1種。

二取代3種(鄰、間、對),詳見圖1。

圖1

三取代:

①思維順序——先二取代,然后在三種二取代結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上分別找等效氫,以AAA取代為例,詳見圖2。

圖2

②記憶——ABC三取代10種;AAB三取代6種;AAA三取代3種(鄰偏均),詳見圖3。

AAB三取代6種的找法

ABC三取代10種的找法

2.脂肪環(huán)上的取代

當(dāng)碳架的不飽和度為1時,除了碳碳雙鍵還可能成環(huán),且環(huán)上sp3雜化的碳原子最多連2個氫,可以進(jìn)行同一個碳上的二取代,而苯環(huán)上的碳只能進(jìn)行一取代。

3.碳鏈異構(gòu)

①思維順序:主鏈長→短,支鏈整→散,位置中間→兩邊;

②一取代烷基數(shù)目記憶:—CH3(1種)、—C2H5(1種),—C3H7(2種),—C4H9(4種);

③二取代烷基記憶:—CH2—(1種);—C2H4—(2種);

④兩個不同的部分取代時A—C3H6—B(5種)(思維順序如圖4:先碳架異構(gòu),后分別依據(jù)等效氫尋找B可能取代的位置,即3+2=5種);

圖4

⑤兩個相同的部分取代時A—C3H6—A(4種)(思維順序如圖5:先碳架異構(gòu),然后將兩個A放在碳架中間的碳上,依次往邊上挪,即4種)。

圖5

【例1】以下是分子式為C7H16主鏈有5個碳的同分異構(gòu)體,請補充完整。

(五)確定位置

經(jīng)過1～3步,我們就將有機物分成了官能團或特定結(jié)構(gòu)和碳架2個部分,接下來就是運用等效氫的基本知識將官能團或特定結(jié)構(gòu)取代到碳架中。

(1)在苯環(huán)上取代:詳見[(四)1]。

(2)在含脂肪環(huán)或鏈狀碳架上單取代:即為等效氫數(shù)目。

【例3】若只考慮氟的位置異構(gòu),則化合物F的同分異構(gòu)體有________種。

(3)在含脂肪環(huán)或鏈狀碳架上二取代,例如:

①相同基團二取代,如A—C3H6—A,將兩個A基團同時放在中間碳上、逐一向兩邊挪動;

②不同基團二取代,如A—C3H6—B,先寫出C3H7A的同分異構(gòu)體,后根據(jù)等效氫由B進(jìn)行取代。

(4)留意立體異構(gòu)(順反異構(gòu)會辨認(rèn)、手性異構(gòu)會找手性碳)。

(5)思考對稱性。根據(jù)核磁共振氫譜、等效氫等對稱性信息提示,結(jié)合氫原子總數(shù),進(jìn)而尋找其對稱H、對稱甲基等特殊結(jié)構(gòu)。

【例2】7

【例3】5

二、解題策略與方法步驟

(一)解題策略

思維有序是解決有機物同分異構(gòu)體數(shù)目問題的關(guān)鍵。

首先,要熟練掌握前文中的必備知識與能力。

其次,總體上一般按照“收集并分析相關(guān)信息→確定分子式和特殊結(jié)構(gòu)→官能團異構(gòu)→碳架異構(gòu)→位置異構(gòu)”的順序依次進(jìn)行。在分析具體問題時,要按照樹狀分類法的順序從大類別到小類別依次尋找,分得越嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致,找得越準(zhǔn)。

最后,留意是否包含本身、是否考慮立體異構(gòu)以及基于等效氫或核磁共振氫譜的對稱性問題。

筆者認(rèn)為,同分異構(gòu)體數(shù)目問題就是根據(jù)信息結(jié)合所學(xué)基礎(chǔ)知識確定分子碎片(分子式)進(jìn)而分析其可能的結(jié)構(gòu),然后將多個碎片組合進(jìn)而分析可能的組合即可。因此筆者將該方法命名為“碎片組合法”。

(二)“碎片組合法”的解題方法

(1)找全碎片并推測結(jié)構(gòu):結(jié)合題目信息,初步確定具有特定結(jié)構(gòu)的碎片,進(jìn)而根據(jù)剩余原子(除H原子外)的種類、數(shù)目及不飽和度推測其他碎片可能的結(jié)構(gòu)。

(2)確定各碎片組合方式:分析碎片可能的結(jié)構(gòu),進(jìn)而確定各種可能的已知結(jié)構(gòu)碎片的組合。

(3)確定各組合連接方式:分析上述每種組合,進(jìn)而確定碎片與碎片的連接方式,即得同分異構(gòu)體。

(4)注意事項:①是否減去本身1種;②1個不飽和度可能是雙鍵或環(huán);③甲酸、甲酸某酯等兼具另一種官能團性質(zhì)的特殊結(jié)構(gòu);④是否考慮立體異構(gòu)(順反異構(gòu)或手性異構(gòu))……

三、真題解析

a.10 b.12 c.14 d.16

其中,核磁共振氫譜顯示4組峰,且峰面積比為2∶2∶1∶1的同分異構(gòu)體結(jié)構(gòu)簡式為________。

【解析】

2.確定各碎片組合方式及各組合連接方式:

苯環(huán)上的取代:

(1)苯環(huán)若為三取代(—Cl、—NO2和—CH3),即有10種,減去本身一種,有9種;

(2)苯環(huán)若為二取代,則有組合①—CH2Cl和—NO2,3種;組合②—CH2NO2和—Cl,3種;

(3)苯環(huán)若為一取代,則有1種—CHCl(NO2);

綜上所述,共計16種。

①能發(fā)生銀鏡反應(yīng);②遇FeCl3溶液顯紫色;③含有苯環(huán)。

其中,核磁共振氫譜顯示為五組峰、且峰面積比為2∶2∶2∶1∶1的同分異構(gòu)體的結(jié)構(gòu)簡式為________。

【解析】

2.確定各碎片組合方式及各組合連接方式:

苯環(huán)上的取代:

(1)苯環(huán)若為三取代(—OH、—CHO和—CH3),有10種;

(2)苯環(huán)若為二取代,即—CH2CHO和—OH,有3種;

綜上所述,共計13種。

①含有手性碳;②含有三個甲基;③含有苯環(huán)。

其中,核磁共振氫譜顯示為6組峰,且峰面積比為3∶3∶3∶2∶2∶1的同分異構(gòu)體的結(jié)構(gòu)簡式為________。

【解析1】

(1)將2個—CH3都放在苯環(huán)上,即苯環(huán)AAB三取代,有6種;

(2)將2個—CH3一個連在氧上,另一個連在苯環(huán)上,即苯環(huán)二取代,有3種;

綜上所述,共計9種。

【解析2】

(2)將2個—CH3取代對稱位置時,還有(2,2、3,3)共2種;

(3)將2個—CH3取代2、3位置時,有2種情況(相鄰或相對),(1)中只算了一種,還有一種;

綜上所述,共計9種。

【答案】7 (CH3)3CCH2OH

【解析】

2.確定各碎片組合方式及各組合連接方式:

綜上所述,共計8種,減去本身1種,即為7種。