構(gòu)建思維模型，巧寫芳香族化合物同分異構(gòu)體

同分異構(gòu)體的書寫體現(xiàn)了化學(xué)核心素養(yǎng)中的變化觀念與平衡思想、證據(jù)推理與模型認(rèn)知能力，以及科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)，在化學(xué)學(xué)習(xí)中占據(jù)重要地位，是高考有機(jī)大題的必考內(nèi)容。本文旨在通過(guò)例題構(gòu)建芳香族化合物同分異構(gòu)體書寫模型，幫助大家快速突破芳香族化合物同分異構(gòu)體的書寫。

一、構(gòu)建同分異構(gòu)體中特殊結(jié)構(gòu)的思維模型

有機(jī)物同分異構(gòu)體的書寫通常會(huì)給幾個(gè)條件或信息，結(jié)合所給條件或信息，我們就能推斷出所含官能團(tuán)的結(jié)構(gòu)。一般常給出的信息見表1。

二、構(gòu)建書寫順序思維模型

（一）側(cè)鏈的數(shù)目

芳香族化合物同分異構(gòu)體的書寫可以從側(cè)鏈數(shù)目由少到多來(lái)書寫，先寫側(cè)鏈數(shù)目為一的同分異構(gòu)體，再寫側(cè)鏈數(shù)目為二、三、四的同分異構(gòu)體。

【例1】寫出分子式為C8H10屬于芳香烴的同分異構(gòu)體。

【解析】根據(jù)化合物的分子式可以算出化合物的不飽和度Ω=4，只含一個(gè)苯環(huán)，根據(jù)側(cè)鏈數(shù)目來(lái)寫芳香族化合物的同分異構(gòu)體。

一個(gè)側(cè)鏈：側(cè)鏈種類為-CH2CH3，同分異構(gòu)體種類為1×1=1（前一個(gè)“1”為側(cè)鏈的種類，后一個(gè)“1”為側(cè)鏈在苯環(huán)上的位置）。

兩個(gè)側(cè)鏈：側(cè)鏈種類為-CH3和-CH3，同分異構(gòu)體種類為3（兩個(gè)側(cè)鏈，苯環(huán)上有鄰、間、對(duì)3種結(jié)構(gòu)）。

綜上，分子式為C8H10屬于芳香烴的同分異構(gòu)體有4種，分別是乙苯、鄰二甲苯、間二甲苯、對(duì)二甲苯。

【例2】寫出分子式為C9H12屬于芳香烴的同分異構(gòu)體。

【解析】一個(gè)側(cè)鏈：-CH2CH2CH3或-CH（CH3）2，同分異構(gòu)體種類為2×1=2（前一個(gè)“2”為側(cè)鏈的種類，后一個(gè)“1”為側(cè)鏈在苯環(huán)上的位置）。

兩個(gè)側(cè)鏈：-CH3和-CH2CH3，同分異構(gòu)體種類為3。

三個(gè)側(cè)鏈：-CH3、-CH3、-CH3，同分異構(gòu)體種類為3（三個(gè)相同的取代基在苯環(huán)上的位置有連、偏、均3種結(jié)構(gòu)）。

綜上，分子式為C9H12屬于芳香烴的同分異構(gòu)體有8種，分別是、、、、、、、

（二）確定等效氫的種類

等效氫是指在有機(jī)物分子中，位置等同的氫原子。芳香族化合物包括芳香烴和烴的衍生物。人教版高中化學(xué)選擇性必修三第三章“烴的衍生物”編排順序?yàn)辂u代烴、醇、酚、醛、酮、羧酸、酯，它們對(duì)應(yīng)的官能團(tuán)分別為碳鹵鍵、（醇）羥基、（酚）羥基、醛基、酮羰基、羧基、酯基。其中碳鹵鍵、羥基、醛基、羧基這四種官能團(tuán)屬于端基原子或是端基原子團(tuán)。書寫同分異構(gòu)體時(shí)，可以先確定有機(jī)物中等效氫的種類，再用端基原子或原子團(tuán)取代氫原子。有機(jī)物中等效氫的種類等于其一元取代化合物同分異構(gòu)體的種類。

【例3】分子式為C7H7Cl屬于芳香族化合物的同分異構(gòu)體有" " " " 種。

【解析】方法一：根據(jù)側(cè)鏈的數(shù)目進(jìn)行求解。

一個(gè)側(cè)鏈：-CH2Cl，同分異構(gòu)體種類為1×1=1（前一個(gè)“1”為側(cè)鏈的種類，后一個(gè)“1”為側(cè)鏈在苯環(huán)上的位置）。

兩個(gè)側(cè)鏈：-CH3和-Cl，同分異構(gòu)體種類為3。

綜上，分子式為C7H7Cl屬于芳香族化合物的同分異構(gòu)體有4種，分別是芐基氯、鄰氯甲苯、間氯甲苯、對(duì)氯甲苯。

方法二：根據(jù)等效氫的種類進(jìn)行求解。

C7H7Cl對(duì)應(yīng)的烴分子式為C7H8，它的結(jié)構(gòu)只有甲苯一種。甲苯的等效氫有4種，所以氯原子可以替換到以上四個(gè)位置，因此，C7H7Cl的同分異構(gòu)體有4種。

【例4】分子式為C7H6ClBr屬于芳香族化合物的同分異構(gòu)體有" " " " 種（不考慮立體異構(gòu)）。

【解析】根據(jù)側(cè)鏈的數(shù)目進(jìn)行求解。

一個(gè)側(cè)鏈：-CHClBr，同分異構(gòu)體種類為1×1=1（前一個(gè)“1”為側(cè)鏈的種類，后一個(gè)“1”為側(cè)鏈在苯環(huán)上的位置）。

兩個(gè)側(cè)鏈：-CH2Cl和-Br或-CH2Br和-Cl，同分異構(gòu)體種類為2×3=6（前一個(gè)“2”為側(cè)鏈的種類，后一個(gè)“3”為側(cè)鏈在苯環(huán)上的位置）。

三個(gè)側(cè)鏈：-CH3、-Br、-Cl，同分異構(gòu)體種類為10。（三個(gè)完全不同的取代基在苯環(huán)上的位置有10種）。

綜上，分子式為C7H6ClBr屬于芳香族化合物的同分異構(gòu)體有17種。

【例5】分子式為C9H10O2，符合下列條件的同分異構(gòu)體共有" " " " 種。

①屬于芳香族化合物

②能發(fā)生銀鏡反應(yīng)

③能發(fā)生水解反應(yīng)

【解析】C9H10O2的不飽和度Ω=5，能發(fā)生銀鏡反應(yīng)，所以含有-CHO或HCOO-。分子又能發(fā)生水解反應(yīng)，所以只能含有HCOO-。HCOO-屬于端基原子團(tuán)，可用等效氫法，先寫C8H10的結(jié)構(gòu)，再找C8H10上有多少種氫原子；也可以先確定側(cè)鏈的數(shù)目和結(jié)構(gòu)，再確定同分異構(gòu)體種類。

方法一：C8H10的結(jié)構(gòu)有4種，分別是乙苯、鄰二甲苯、間二甲苯、對(duì)二甲苯。

上面的等效氫分別是5種、3種、4種、2種。所以C9H10O2符合條件的同分異構(gòu)體共有14種。

方法二：一個(gè)側(cè)鏈：-CH（OOCH）CH3或HCOO-CH2CH2-，同分異構(gòu)體種類為2×1=2。

兩個(gè)側(cè)鏈：-CH2CH3和HCOO-或-CH3和HCOO-CH2-，同分異構(gòu)體種類為2×3=6。

三個(gè)側(cè)鏈：-CH3、-CH3、HCOO-，同分異構(gòu)體種類為2×3=6。

綜上，C9H10O2符合條件的同分異構(gòu)體共有14種。

三、構(gòu)建含氮芳香族化合物同分異構(gòu)體書寫的思維模型

芳香族化合物同分異構(gòu)體的書寫有時(shí)會(huì)出現(xiàn)含氮原子，在書寫含氮的同分異構(gòu)體時(shí)我們可以采用等效碳法。

【例6】分子式為C7H9N含苯環(huán)的同分異構(gòu)體有" " " " 種。

【解析】方法一：根據(jù)側(cè)鏈的數(shù)目進(jìn)行求解。

一個(gè)側(cè)鏈：-CH2NH2或-NHCH3，同分異構(gòu)體種類為2×1=2（前一個(gè)“2”為側(cè)鏈的種類，后一個(gè)“1”為側(cè)鏈在苯環(huán)上的位置）。

兩個(gè)側(cè)鏈：-CH3和-NH2，同分異構(gòu)體種類為1×3=3（前一個(gè)“1”為側(cè)鏈的種類，后一個(gè)“3”為側(cè)鏈在苯環(huán)上的位置）。

綜上，分子式為C7H9N含苯環(huán)的同分異構(gòu)體有5種。

方法二：等效碳法進(jìn)行求解。

C7H9N，氮原子達(dá)到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)需連接三根共價(jià)鍵，碳原子想達(dá)到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)需連接四根共價(jià)鍵，如果用C原子將N原子替換，先寫出用C原子將N原子替換后的同分異構(gòu)體，再用氮原子替換回碳原子（碳原子上有1個(gè)氫原子、2個(gè)氫原子或3個(gè)氫原子的碳可以被氮原子替代）。

將N原子用C原子替換，C7H9N將變?yōu)镃8H10。C8H10的同分異構(gòu)體有4種，用N原子替換C原子，N原子能夠替換的位置為以下5種，所以，C7H9N的屬于芳香族化合物的同分異構(gòu)體有5種。分別是 、、、、

【例7】2014年高考全國(guó)新課標(biāo)卷Ⅰ理科綜合第38題第四問(wèn)F（分子式C8H11N、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式）的同分異構(gòu)體中含有苯環(huán)的還有種（不考慮立體異構(gòu)）。其中核磁共振氫譜為4組峰，且面積比為6∶2∶2∶1的是" " " " （寫出其中的一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式）。

【解析】可以用等效碳法來(lái)寫，F(xiàn)的分子式為C8H11N，如果用C原子替換N原子，分子式會(huì)變?yōu)镃9H12。第一步先寫C9H12的同分異構(gòu)體，再用N原子替換。

F的分子式為C8H11N，用C原子替換后分子式為C9H12。C9H12的同分異構(gòu)體有8種，結(jié)構(gòu)分別為、、、、、、、。

再用N原子替換側(cè)鏈上的碳原子，注意等效碳不要重復(fù)計(jì)算，則氮原子可替換的位置共有20種。除去F本身，還剩19種。

其中核磁共振氫譜為4組峰，且面積比為6∶2∶2∶1。核磁共振氫譜共有四組峰，有四種等效氫，面積之比為6∶2∶2∶1，說(shuō)明含有兩個(gè)-CH3，并且高度對(duì)稱。

結(jié)構(gòu)為：、、 共三種。

為了突破芳香族化合物同分異構(gòu)體的書寫，本文建立了一種思維模型，先考慮側(cè)鏈的結(jié)構(gòu)，再考慮側(cè)鏈在苯環(huán)上的相對(duì)位置。這種方法不僅能提高大家學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，還能幫助大家逐步形成化學(xué)思維，進(jìn)而在考試中得到理想的分?jǐn)?shù)。