含氮有机物同分异构体书写试题的类型及推理模型

卓高峰

摘要： 案例分析了含氮有机物同分异构体书写的特点，从不饱和度、物质类别或官能团、性质信息、结构特点四个角度梳理解题基础，根据解题基础，构建此类试题的推理模型。并对含氮有机物同分异构体的书写类型进行合理分类，应用统一的推理模型，解决侧重点略有不同的各类试题，提高学生对此类试题的分析与解题能力，使思维的有序性、缜密性和系统性得以提升。

关键词： 含氮有机物; 同分异构体书写; 推理模型

文章编号： 1005-6629（2018）11-0090-04中图分类号： G633.8文献标识码： B

限定条件下的同分异构体书写是高考的重点与热点之一。黄爱民、夏时君、朱建兵等老师对书写同分异构体的限定条件进行深入分析，提出了相应的解题策略[1～3]。浙江省化学选考试题对限定条件的同分异构体的书写考查，均涉及含氮有机物。氮元素的引入，增大了有机物的陌生度与分析的复杂性，增大了试题难度。本文试从解题基础、推理模型、试题类型三个维度深度梳理限定条件下的含氮有机物同分异构体的书写，提高学生对此类试题的分析与解题能力，培养思维的有序性、缜密性、系统性。

1 解题基础

限定条件的同分异构体书写试题，一方面提供了已知有机物的分子式或结构简式，相当于提供了有机物的不饱和度;另一方面，提供了所求同分异构体的限定信息，限定信息可以分成三类[4]： 类别与官能团、结构特点、性质信息。如何整合试题提供的信息？解题又需要哪些基础呢？

1.1 不饱和度

1.2 物质类别与官能团

试题直接提示有机物分子中的官能团或基团，如“含有醛基、含有苯环、芳香族化合物、分子中含有—COO—结构的基团、含有氰基（—CN）、属酚类化合物”。此类信息直接，只须辩认常见官能团或基团即可。但要注意，若分子中含有—COO—结构的基团，则有机物可能是酯类或羧酸类。

1.3 性质信息

有机物的官能团决定了有机物的化学性质，因此，可以根据有机物的化学性质确定官能团的类型，要学会从性质到官能团的推导。常见有机物的性质信息如表1所示。

1.4 结构特点

试题提供有机物的结构特点信息，通常包括几何特征，如平面、直线、对称性、手性等。特别是结构的对称性分析，是突破此类试题的关键。在结构对称性分析考查中，苯环上只有几种不同化学环境的氢，是最常见的考查方式，举例如下。

讨论1： 苯环一元取代物（X）、二元取代物（XX; XY）、三元取代物（XYY）中，请写出满足下列条件的有机物的结构简式。提示： X、 Y指不同取代基，且X、 Y不能相互连接。

（1） 苯环上只有一种化学环境的氢原子;

（2） 苯环上只有二种不同化学环境的氢原子 ;

（3） 苯环上只有三种不同化学环境的氢原子 。

分析： 一元、二元取代物要注意对称分析，找对称轴或对称中心。三元取代物同分异构体的分析方法是： 先固定两个取代基（若有相同，以两个相同的取代基开始定位讨论，避免重复），再移动其他基团。上述三种情况分析结果如下： （1） XX （2） XXYX

YXYYXY （3） XXXXYYXYYXYYYYX。

熟悉苯环的对称性分析，还要具备快速分析常见烃基氢原子种数的能力，举例如下。

讨论2： 写出只有一种氢原子的烃基（烃基中的碳原子数≤5）。

分析： 只有一种氢原子的简单烃有： CH4、 CH3—CH3、 CH2CH2、 CHCH。从简单烃可衍生出只含一种氢原子的烃基有—CH3、 —C（CH3）3; CH2、 C（CH3）2; CH、 CCH3、 CC（CH3）3。

2 推理模型

例1 （2016·10浙江選考）写出同时符合下列条件的A（CH3NO2）的所有同分异构体的结构简式。

① 红外光谱检测表明分子中含有醛基;

② 1HNMR谱显示分子中含有苯环，且苯环上有两种不同化学环境的氢原子。

分析： （1）根据A的结构简式，得出A的不饱和度： Ω=5。（2）根据限定条件，确定同分异构体中有苯环（Ω=4），醛基（Ω=1），还剩1O、 1N（Ω=0），因此O、 N不能再出现双键。（3）根据结构特点，苯环上只有2种氢原子，推测该苯环有两个取代基，并且处于对位。两个取代基的组合分为三种情况： ①醛基，O与N;②醛基与O， N;③醛基与N， O。其结构简式如下：

梳理解题思路： 第一步，计算不饱和度，根据题目所给有机物的分子式或结构简式求算不饱和度或直接目测有机物的不饱和度;第二，确定碎片，分析时要结合不饱和度找出与限定条件相对应的基团或官能团;第三，组装碎片，要根据结构特点把碎片组装成新物质。组装时，首先要关注结构特点（如平面、直线、对称性、手性等），其次要注意思维的有序性。为了保证思维有序，做到官能团书写由简到繁、基团组合要有序。因此，限定条件的同分异构体书写推理模型归纳为如图1所示：

3 试题类型

对含氮有机物同分异构体的书写考查，试题类型多样，尽管推理模型一致，但考查的侧重点有所不同。

3.1 侧重环状有机物的分析

例2 （2017·4浙江选考）写出同时符合下列条件的C（CH2CN）的所有同分异构体的结构简式。

① 分子中有苯环而且是苯环的邻位二取代物;

② 1HNMR谱表明分子中有6种氢原子;IR谱显示存在碳氮双键（CN）。

分析： （1）根据C的结构简式，除了苯环外，还含有2个不饱和度。（2）根据限定条件，推测同分异构体中有苯环，CN（Ω=1），1个环（Ω=1），不再存在碳碳双键。（3）根据结构特点，同分异构体是苯环的邻位二取代物，可构建五元环、四元环，再根据分子中有6种氢原子，存在碳氮双键，可写出三种结构简式： 、 、 。

例3 （2018·4浙江选考）写出化合物X（C6H14N2O）可能的同分异构体的结构简式。

须同时符合： ①分子中有一个六元环，且成环原子中最多含一个非碳原子;②1HNMR谱显示分子中有5种氢原子;IR谱表明分子中有N—N键，无O—H键。

分析： （1）根据X的分子式，计算得到Ω=1。（2）根据限定条件，分子中有一个六元环，Ω=1，因此有机物不存在其他不饱和键，成环原子中最多含一个非碳原子，其六元环的可能结构为： 、 O、 N。（3）根据结构特点，分子中有5种氢原子;有N—N键，无O—H键，可写出4种结构简式： ONNH2CH3、 ONHNH2CH3、 NNHOCH3、 CH3ONNH2。

3.2 侧重苯环对称性的分析

例4 （2015·10浙江选考）写出化合物D（COHCNH）同时符合下列条件的所有可能的同分异构体的结构简式 。

① 红外光谱检测表明分子中含有氰基（—CN）;

② 1HNMR谱检测表明分子中有苯环，且苯环上有两种不同化学环境的氢原子。

分析： 本题侧重苯环对位对称性的分析，即在对位摆放—CN、 O、 C三种原子或原子团。可以归纳为一种模式： 给苯环对位（）放置三块不同形状的积木（●■▲），以圆形积木为研究对象，分三种情况讨论： ①圆形积木放置左边，右边放置正方形与三角形积木： ●■▲;②圆形与正方形积木组合： ●■▲;③圆形与三角形积木组合： ●▲■。当一侧有两块积木时，要考虑它们位置能否调换。以此模型解决问题，思维有序，不会造成同分异构体的漏写。因此，本题答案为： CH2OHCN、 OHCH2CN、 CH3OCN、 OCH3CN。[例1]分析方法也归属于该推理模式。

例5 （2016·4浙江选考）写出同时符合下列条件的A（CH3NO2）的所有同分异构体。

① 红光光谱标明分子中含有COO结构;

② 1HNMR谱显示分子中含有苯环，且苯环上有三种不同化学环境的氢原子。

分析： 根据A的结构简式可知，有机物除苯环外只含1个不饱和度。其同分异构中存在—COO—结构，因此不存在其他不饱和键。苯环上有三种不同化学环境的氢原子，得出苯环上只一个支链，即苯环的结构为。因此，在—COO—两侧摆放、 N，可写出如下四种结构简式： COONH2、 NHOCOH、 NHCOOH、 OCONH2。

3.3 侧重多氮原子对称性的分析

例6 （2018·1台州市期末卷）写出化合物E（NN）可能的同分异构体的结构简式，须同时符合：

① 1HNMR谱表明分子中有3种氢原子;

② IR谱显示每个N原子都有N—H键存在。

分析： 根据E的结构简式得出，其同分异构体不存在不饱和键，试题无性质信息。因此，含两个氮原子的有机物骨架有六种： ①HN—NH;②HN—C—NH;③HN—C—C—NH;④HN—C—C—C—NH;⑤HN—C—C—C—C—NH;⑥HN—C—C—C—C—C—NH。若为骨架①，5个碳原子，摆放在N原子两侧，碳原子数的分布有三种情况： 0、 5; 1、 4; 2， 3。无论哪种情况，均找不到有3种氢原子的结构。若为骨架②，剩余4個碳原子与中间碳原子相连，满足条件的结构有： NH2NH2、 NH2NH2;两侧氮各连1个碳原子，其结构为NHNH。同理分析骨架③、 ④、 ⑤、 ⑥，其骨架④满足条件的结构为： H2NNH2。

例7 （2017·11浙江选考）写出化合物H2NCH2CH2N（CH2CH3）2可能的同分异构体的结构简式，须同时符合：

① 1HNMR谱表明分子中有3种氢原子，IR谱显示有N—H键存在;

② 分子中没有同一个碳上连两个氮（NCN）的结构。

分析： 分析有机物的结构可知，其同分异构体不存在不饱和键。因此，含两个氮原子的有机物骨架有： ①N—N;②N—C—N（不合题意）;③N—C—C—N……。若为骨架①，6个碳原子，摆放在N原子两侧，碳原子数的分布有四种情况： 0、 6; 1、 5; 2、 4; 3、 3。再根据分子中有3种氢原子，有N—H键存在，符合条件的有： 碳原子数0、 6分布的结构为H2NNCH（CH3）2CH（CH3）2;碳原子数2、 4分布的结构为（CH3）2N—NHC（CH3）3;碳原子数3、 3分布的结构为（CH3）2CHNH—HNCH（CH3）2。同理分析其他骨架，均不存在满足条件的同分异构体。

限定条件的同分异构体类型复杂，思维容量大。若教师采用题海战术和实施知识解析式的教学方式，则学生会缺乏认识角度和合理思路。因此，在“同分异构体书写”的教学中，合理分类同分异构体的类型、应用统一的推理模型，有利于培养学生思维的有序性、缜密性和系统性。

参考文献：

[1][4]黄爱民.对同分异构体书写时限制条件的分析[J].中学化学教学参考， 2011，（10）： 60～61.

[2]夏时君，吴孙富.同分异构体限定条件的解读与应用[J].化学教学， 2015，（5）： 82～86.

[3]朱建兵等.有限制条件的同分异构体书写策略[J].化学教学， 2012，（5）： 63～64.