同分异构体数目判断的思维模型构建与应用

广东

有机物同分异构体数目判断是高中化学知识体系中的一个重点，也是每年各地高考命题热点。既能锻炼学生思维的有序性和周密性，又培养学生的“证据推理和模型认知”等化学学科核心素养。然而，在面对这样的一个高频考点时，学生却容易陷入思维困境，常因写漏或写重而造成同分异构体数目判断错误。基于这样的背景，本文尝试通过对相关基础知识进行梳理，并用分类思想构建出该类题目常见的思维模型，同时结合典型例题进行解析，逐步引导学生理解不同思维模型的应用，意在提高学生对该类题目的分析能力，帮助学生有效突破知识难点。

一、基础知识梳理

1.不饱和度

不饱和度又称缺氢指数，是有机物分子不饱和程度的量化标志，用希腊字母Ω表示。一般链状烷烃的不饱和度为0，而当与链状烷烃相同碳数的其他有机物结构中增多一个双键或形成一个环时，会减少2个氢原子，则会增多一个不饱和度。

高中阶段常见有机物类型的不饱和度Ω计算过程如下：烃CxHy的不饱和度Ω=(2x+2-y)/2，卤代烃CxHyXn的不饱和度Ω=(2x+2-y-n)/2，烃的含氧衍生物CxHyOm的不饱和度Ω=(2x+2-y)/2。现将常见基团的不饱和度整理如表1所示。

表1 常见基团的不饱和度

2.等效氢

等效氢是指有机物分子中位置等同的氢原子。通常有三种情况：①同一个碳上的氢原子是等效的，如CH4中的4个H是等效的，即有1种等效氢；②同一个碳上所连甲基上的氢原子是等效的，如C(CH3)4中的12个H是等效的，即有1种等效氢；③处于镜面对称位置上的氢原子是等效的，如CH3-CH2-CH3为左右对称结构，故首尾6个H、中间2个H分别是等效的，即共有2种等效氢。

3.常见性质描述和可能结构的对应关系

结构决定性质，性质反映结构。试题中常通过提供有机物化学性质来考查学生对其结构的认知水平。这就要求学生能熟练掌握有机物结构和性质间的关系。现将常见性质描述和可能结构的对应关系整理如表2所示。

表2 常见性质描述和可能结构的对应关系

二、思维模型构建与应用

1.“等效氢法”思维模型构建与应用

“等效氢法”的关键在于先根据题目信息确定有机物的重要参数，如不饱和度Ω、各原子数、官能团类别；其次根据有序的书写原则写出除官能团外剩下碳原子数可能的形成的碳链结构；再分析出各结构中等效氢数目，即为一元取代物同分异构体数目。构建的“等效氢法”思维模型如图1所示。

图1 “等效氢法”思维模型

该模型的适用范围：题目中直接给出有机物分子式或结构，没有其他性质条件的限制，要求判断一元取代物同分异构体数目。卤代烃、醇、醛、羧酸都可看作是烃的一元取代物。

【典例1】(2016·全国卷Ⅰ·9·节选)下列关于有机化合物的说法正确的是

( )

C.C4H9Cl有3种同分异构体

【答案】C错误

【变式1】(2015·全国卷Ⅱ·11·改编)分子式为C5H10O2且属于羧酸的有机物有(不含立体异构)

( )

A.3种 B.4种 C.5种 D.6种

【答案】B

2.“定一移一法”思维模型构建与应用

首先根据题目信息确定官能团，写出除官能团外剩下碳数可能的碳链结构，分析等效氢数目；其次固定一个官能团在不同等效氢处，即得一元取代物，其同分异构体数目为等效氢数目；接着分析各一元取代物等效氢数目；然后再移动另一官能团在不同等效氢处，即得二元取代物，特别注意要扣除重复结构，即可得二元取代物同分异构体数目。具体思维模型如图2所示。

图2 “定一移一法”思维模型

该模型的适用范围：题目中直接给出有机物分子式或结构，没有其他性质条件的限制，要求判断二元或二元以上取代物同分异构体数目。取代基可以是—X、—OH、—CHO 或—COOH。

( )

B.b、d、p的二氯代物均只有三种

【答案】B错误

【变式2】(2016全国卷Ⅱ，10)分子式为C4H8Cl2的有机物共(不含立体异构)

( )

A.7种 B.8种 C.9种 D.10种

【答案】C

3.“基团组装法”思维模型构建与应用

“基团组装法”一般先根据题目已知有机物确定相关重要参数，如不饱和度Ω、各原子数，再根据性质条件限制确定特定结构和基团，接着用“等效氢法”或“定一移一法”将各基团组装成符合题意的有机物，从而判断同分异构体数目。具体思维模型如图3所示。

图3 “基团组装法”思维模型

该模型的适用范围：适用于题目除了给出有机物分子式或结构，还有相关性质条件的限制，要求判断同分异构体数目。有机物中的官能团可以是—X、—OH、—CHO或—COOH。

【典例3】(2018·天津卷·8·节选)化合物N具有镇痛、消炎等药理作用，其合成路线如下：

(4)C的同分异构体W(不考虑手性异构)可发生银镜反应；且1 mol W最多与2 mol NaOH发生反应，产物之一可被氧化为二元醛。满足上述条件的W共有________种。

【答案】5

【变式3】(2017·全国卷Ⅱ·36·节选)化合物G是治疗高血压的药物“比索洛尔”的中间体，一种合成G的路线如下：

(6)L是D的同分异构体，可与FeCl3溶液发生显色反应，1 mol的L可与2 mol的Na2CO3反应，L共有________种。

【答案】6

三、备考建议