同分异构专题复习

同分异构专题复习

◇云南李云芬

纵观近几年来的理科综合统一考试全国卷化学部分(全国Ⅰ卷、Ⅱ卷),同分异构是一个高频考点,通常要求书写在给定条件下的同分异构体或判断其数目,融会和渗透了有机物的结构和性质,能有效地考察考生的逻辑思维能力和空间想象能力,因而受到高考命题专家的青睐.那么,如何让考生在这个考点上能拿分,少丢分? 经过分析后笔者认为首先要让学生了解高考的要求:了解有机化合物存在同分异构现象(中学阶段不要求考虑立体异构);了解有机化合物中碳原子的成键特征;能按要求书写简单的有机化合物的同分异构体和判断其数目．然后从同分异构体的概念、同分异构体的类别、缺氢指数、同分异构体的判断与书写的规律、常见方法以及近几年高考题解析等方面进行复习．

1回顾同分异构体的概念

请观察乙醇CH3CH2OH和甲醚CH3—O—CH3的结构特点并指出物质间的关系．

同分异构体:分子式相同而结构不同的有机化合物之间互称同分异构体．

2认识同分异构体的常见类别

问题: 到目前为止我们已经认识了哪几类同分异构?现在请大家看看以下各组物质属于哪类同分异构体,各类同分异构都有什么特点?

1)CH3CH2CH2CH2CH3正戊烷，

CH3CH(CH3)CH2CH3异戊烷，

C(CH3)4新戊烷.

2)CH3CH=CHCH2CH3和

CH2=CHCH2CH2CH3.

3)CH3—O—CH3和CH3CH2OH.

4)CH3COOH和HCOOCH3.

5)CH2=CHCH3和环丙烷.

6)CH3CH2CHO和CH3COCH3.

7) 顺-2-丁烯和反-2-丁烯.

8) 1-丁醇和2-丁醇.

答案4类同分异构: 1)为碳链异构(碳原子的连接方式不同); 2)、8)均为位置异构(官能团的位置不同); 3)~6)均为类别异构(官能团不同或物质的类别不同); 7)为顺反异构．

3要解决的关键问题——构建缺氢指数

问题: 如何准确而全面的书写同分异构体以及判断同分异构体的数目?新课标教材淡化了各类有机化合物的通式,面对一个陌生的分子式,我们如何知道它可能含有哪些官能团或化学键?解决这些问题的关键是认识不饱和度,什么是不饱和度?

3.1　缺氢指数

缺氢指数, 也称为不饱和度,通俗地说,是以烷烃(饱和链烃)为标准,其他物质与相同碳原子的烷烃的氢原子数相比,每少2个氢原子,不饱和度为1．

例1写出丙烯、环丙烷的结构简式和分子式,并与丙烷相比,你有什么发现?

分析有机物分子中含有1个双键(碳碳双键)或1个环,比相同碳原子的烷烃少2个氢原子,不饱和度为1.

例2写出2-丁炔和1,3-丁二烯的结构简式和分子式,并与丁烷相比,你有什么发现?

分析3种有机物含1个碳碳三键或2个碳碳双键,不饱和度均为2.

例3写出丙酸和甲酸乙酯的结构简式和分子式,并与丙烷相比,你有什么发现?

分析有机物均含有1个碳氧双键,不饱和度为1.

例4写出乙苯和对二甲苯的结构简式和分子式并与C8H18相比,你有什么发现?(提示:每个苯环相当于3个双键和1个环．)

分析有机物含有1个苯环,每个苯环的不饱和度为4.

书写和判断同分异构体时强调官能团的转化原则(从不饱和度的视角):1个酯基或1个羧基相当于1个羟基和1个醛基组合或1个羟基和1个羰基组合(均有2个氧原子,1个碳氧双键),不饱和度为1．

3.2不饱和度与有机物的类别、有机物所含官能团之间的关系

3) 符合通式CnH2n+2O:属于饱和烃的含氧衍生物,所以相同碳原子的饱和一元醇和饱和一元醚互为同分异构体．如CH3CH2OH和CH3OCH3.

4) 符合通式CnH2nO:不饱和度为1,含有1个醛基或1个羰基或1个碳碳双键或1个环,所以相同碳原子的饱和一元醛、烯醇(羟基不能连接在碳碳双键上)、饱和一元酮和环氧烷烃互为同分异构体,重点了解醛和酮． 如CH3CH2CHO和CH3COCH3.

5) 符合通式CnH2nO2:不饱和度为1,含有1个羧基或1个酯基或1个醛基(或羰基)和1个羟基,所以相同碳原子的饱和一元羧酸、饱一元酯互为同分异构体．如CH3COOH和HCOOCH3.

6) 符合通式CnH2n-6(苯和苯的同系物n≥6):不饱和度为4,含有1个苯环,侧链为饱和链烃基．例如1,2-二甲苯和乙苯.

7) 符合通式CnH2n-6O:含有1个苯环和1个氧,所以相同碳原子的酚、芳香醇和芳香醚互为同分异构体．例如对甲基苯酚、苯甲醇和苯甲醚.

4书写与判断同分异构体的规律和方法

4.1　减碳补氢法

烷烃或烃基只存在碳链异构,书写同分异构体仅考虑碳链异构,用减碳补氢法(口诀:成直链,一条线;摘一碳,挂中间;往边移,不到端;摘两碳,乙基安;二甲基,同、邻、间)．

例5请写出分子式为C7H16的烃的同分异构体．

第1步,所有碳在1条链上(1种).

第2步,减1个碳(即1个甲基),先放中间,再往两边移(强调不能放两端碳原子)(2种).

第3步,减2个碳,先组成乙基,放中间(1种);组成2个甲基,放同一个碳原子(2种),放不同碳原子上(邻位、间位共2种).

第4步,减3个碳,3个甲基放中间的2个碳原子上(1种)．共计9种．

最后根据碳原子四价键的原则补充氢原子即可．

4.2　基团连接法

将有机物看作由烃基和官能团连接而成,也叫残基法．R—A型,R表示烃基,A表示官能团,如卤原子(F、Cl、Br、I)、—OH、—CHO、—COOH、—NO2、—SO3H、—NH2等．这一类型的物质可以看成是官能团“接”在烃基碳链的末端．其同分异构体实质上就是烃基的异构,即烃基有几种同分异构,则该有机物就有几种同分异构体．

例6书写醇C4H9OH的同分异构体．

写出丁基的4种结构:

—CH2CH2CH2CH3、—CH2CH(CH3)2、

—CH(CH3)CH2CH3、—C(CH3)3,

再分别连接羟基,所以C4H9OH有4种同分异构体．

变式1判断戊醛(醛类)、戊酸(羧酸)、C4H9Cl的同分异构体的数目．

丁基有4种,因戊醛、戊酸、C4H9Cl可看作丁基分别与醛基、羧基、氯原子的连接物,所以它们的同分异构体都有4种．

变式2分子式为C5H12O且可与金属钠反应放出氢气的有机化合物有(不考虑立体异构)().

A5种;B6种;C7种;D8种

依题意C5H12O可与金属钠反应放出氢气先判断出该化合物属于醇,用基团连接法．判断出C5H11—有8种结构,所以C5H11OH的同分异构体也有8种．答案为D.

请同学们在理解的基础上记住丙基(2种)、丁基(4种)、戊基(8种)的异构体数目．

4.3　换位思考法

将有机物分子中的不同原子或基团换位进行思考.

例7乙烷分子中共有6个H原子,若一氯乙烷只有一种结构,那么五氯乙烷有多少种结构?

假设把五氯乙烷分子中的Cl看作H原子,而H原子看成Cl原子,其情况和一氯乙烷完全相同,故五氯乙烷也只有一种结构．

变式二氯苯C6H4Cl2有3种结构,四氯苯C6H2Cl4有几种结构?

二氯苯C6H4Cl2有3种(2个氯原子在分别在苯环的邻位、间位、对位),四氯苯C6H2Cl4也有3种(2个氢原子原子分别在苯环的邻位、间位、对位)．特别强调芳香族化合物的同分异构体的书写要考虑取代基在苯环上的相对位置有邻、间、对3种．

4.4　等效氢原子法

又称对称法.该方法是先观察判断有机物分子中有几种等效氢原子,则其一元取代物的同分异构体就有几种．利用等效氢法,可以快速判断出有机物的一元取代物的异构体数目．

分子中等效氢原子有以下几种情况:

1) 分子中同一个碳原子上连接的氢原子是等效氢,如CH4.

2) 同一个碳原子上所连接的甲基上的氢原子等效．如新戊烷(可以看作4个甲基取代了甲烷分子中的4个氢原子),只有1种等效氢．

3) 分子中处于对称位置上的氢原子是等效的,如CH3CH2CH2CH3有2种等效氢原子．

例如, 2,2,3,3-四甲基丁烷的等效氢只有1种,所以它的一氯代物有1种．

例8C4H10的一溴代物有几种同分异构体?

C4H10有CH3CH2CH2CH3和(CH3)3CH这2种结构,其中正丁烷有2种等效氢,2-甲基丙烷也有2种等效氢,故C4H10共计有4种等效氢,所以C4H10的一溴代物有4种同分异构体．

4.5　移位法

有机物分子中有多个官能团或原子团,书写同分异构时用移位法,即:先固定一个或几个官能团,再移动另一个官能团,依此类推．

例9书写C3H6Cl2的同分异构体有几种?

先将1个氯原子分别连接在1号和2号碳原子上,再连接第2个氯原子(注意排重),有CHCl2CH2CH3,CH2ClCHClCH3,CH2ClCH2CH2Cl,CH3CCl2CH34种.

变式10.1molC4H6O4与足量的NaHCO3反应生成0.2molCO2,其同分异构体有几种?

依题意,一分子中有2个羧基,除此以外还有2个碳原子．2个羧基连接在相同碳原子上(1种),2个羧基连接在不同的碳原子上(1种),共2种．

变式2芳香族化合物C8H6O3遇到氯化铁溶液显色,能发生银镜反应,苯环有2种不同化学环境的氢原子,写出符合以上要求的同分异构体．

依题意,由于苯环上的等效氢种类少可知分子的对称性好;该有机物含有醛基和酚羟基．首先计算出不饱和度为6,苯环用了4个不饱和度,侧链有2个不饱和度,可以是2个醛基和1个羟基(符合题意的有2种:3个基团分布在苯环的间位即1、3、6号碳原子上或3个基团分布在苯环的1、2、3号碳原子上,其中羟基在2号碳原子上),还可以是1个醛基、1个羰基和1个羟基,羰基和醛基相连处于苯环上酚羟基的对位．共计3种．

4.6　排列组合法

凡是满足H(R)WR′通式(R、R′表示烃基),R、R′有多少种组合,有机物就有多少种同分异构体,书写与判断烯烃、炔烃、醚、酮或酯的同分异构体均可用这种方法．

例10C4H8O2属于酯类的同分异构体有几种?

先将酯基放中间,剩余碳原子分配在酯基的两边,即H—COO—C3H7(2种),

CH3—COO—C2H5(1种),

C2H5—COO—CH3(1种),

共有4种酯．

变式分子式为C5H10O2的有机物在酸性条件下可水解为酸和醇,若不考虑立体异构,这些醇和酸重新组合可形成的酯共有()种.

A15;B28;C32;D40

通过表格展示形成该酯的酸和醇的数目(看烃基的数目).

酯酸的数目/种醇的数目/种H—COO—C4H914CH3—COO—C3H712C2H5—COO—C2H511C3H7—COO—CH321共计58

可知,酸有5种,醇有8种,这些酸与醇之间发生酯化反应,形成的酯共计5×8=40种．

(作者单位：云南省盈江县第一高级中学)