限定条件下同分异构体的书写策略

李灵敏

(浙江省慈溪市逍林中学 315321)

同分异构体的考查一直是高考化学热点之一，浙江省2015年高考实行7选3选考以后，同分异构体的书写成了每年必考考点，如2017年4月选考32题:

写出同时符合下列条件的C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)1H-NMR谱表明分子中有6种氢原子；IR谱显示存在碳氮双键(C=N).

常见典型错误有：写不全、结构简式表达错误、1H-NMR谱氢的种类不符合等.面对此题，可以利用下面这些策略帮助解答.

一、善于分析限定条件

首先就是读题与审题，审题的关键是要善于分析与解读试题所给出的限定条件.限定条件大致可以分为两大类，一类是反应有机物的特征性质的，用于确定官能团及有机物的主体结构，如下表所示；另一类是反应不同化学环境的氢原子的1H-NMR谱，用于确定官能团的位置以及剩余基团的位置.

反应有机物的特征性质的限定条件对应有机物的官能团或结构特征能与Na2CO3溶液反应含酚-OH或-COOH能与NaHCO3溶液反应含-COOH能与NaOH溶液反应含酚-OH或-COOH或-COOR或-X能发生银镜反应(或与新制Cu(OH)2反应)含-CHO(包括HCOOR)与FeCl3发生显色反应 含酚-OH水解后的产物才能与FeCl3溶液发生显色反应 含酚酯结构

二、学会数等效氢原子

所谓等效氢是指有机化合物分子中位置等同的氢，可通过核磁共振1H-NMR谱图中的吸收峰数目来反映.同一甲基上所连的氢原子、同一碳原子上所连甲基上的氢原子以及处于镜面对称位置上的氢原子(相等于平面镜成像时，物与像的关系)都是最常见的等效氢类型.

以戊烷为例：①CH3②CH2③CH2④CH2⑤CH3，从左往右①号与⑤号碳原子上的6个氢原子是等效的，②号与④号碳原子上的4个氢原子是等效的，因此戊烷有三种不同化学环境的氢原子，且1H-NMR谱峰面积之比为3∶2∶1.

如果能全面系统的掌握数等效氢原子的技巧，对于含有苯环的有机物，可以快速地判断出不同化学环境的氢原子，从而提高解题效率.如果苯环上只有1个取代基，则苯环上有邻、间、对3种不同化学环境的氢原子.如果有多个取代基，可以通过寻找对称点(轴)的方法判断等效氢的种类，当苯环的对位是相同的取代基时，中心对称，则苯环上只有1种化学环境的氢；当苯环的对位是不同取代基时，轴对称，苯环上有2种不同化学环境的氢；当苯环的邻位是不同取代基时，无对称点，有4种不同化学环境的氢；以此类推，有3个取代基时，也可以用同样的方法寻找不同化学环境的氢原子.

三、活用“定m移n”方法

对于含有环状结构的有机物，当遇到多个取代基时，很多教师在教学中会提出定一移二法，固定一个取代基位置，再移动另一个或两个取代基位置以确定同分异构体数目.实则不然，有时候还可以定二移一，甚至定二移二，会让同分异构体的判断与书写变的更简洁明了，因此在教学中应该根据具体问题进行具体分析，发散学生的思维，用活“定m移n”的方法(m、n均可取1或2).

例如：有三种不同的卤素取代基，分别为-X、―Y、―Z，若同时分别取代苯环上的三个氢原子，能生成的同分异构体数目共有几种？

基于学生对苯环上2个不同取代基时有邻、间、对三种同分异构体的认识，因此此题采用定二移一法更简单，如图所示，先固定X、Y两个取代基，再根据等效氢原则，当X、Y处于邻位时，有4种不同化学环境的氢原子，则Z有4种不同的取代位置，依次类推，同分异构体的总数=4+4+2=10种.

四、巧用不饱和度计算

不饱和度 (Degree of unsaturation)，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.从有机物结构角度计算：

Ω=双键数+三键数×2+单键环数+…

其中双键(C=C 、C=O、 C=N)Ω=1、三键(C≡C、C≡N)Ω=2、单键环Ω=1、苯环 Ω=4 、硝基Ω=1；

从有机物分子式角度计算：

先将分子式进行处理，转化成CxHyOm(NH)n型， 则Ω=x+1-y/2，处理原则是氧元素“视而不见” ，卤素原子换成氢原子，每一个氮原子夺了一个氢原子之后隐藏.

如果能将不饱和度的计算融入有机推断与同分异构体的书写，可以提高解题效率.

例11 molY能与足量碳酸氢钠溶液反应放出44.8 L CO2(标准状况)，则Y的分子式可能是( ).

A.C5H10O4B.C4H4O4

C.C3H6O4D.C2H2O4

计算可得，A、B、C、D的不饱和度分别为1、3、1、2；再结合1molX能与足量碳酸氢钠溶液反应放出 2mol CO2，则X必含2个羧基，即X的不饱和度要≥2，因此答案选择BD.

当然，上述四种策略，不是孤立存在的，更多的时候需要我们联合运用，才能将限定条件下的同分异构体简洁而有序的书写完整.

例2 (2017年4月选考32题第5小题)写出同时符合下列条件的c(C8H7N)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；②1H-NMR谱表明分子中有6种氢原子；IR谱显示存在碳氮双键(C=N).

其次根据分子式计算不饱和度Ω=6，可见除了苯环、C=N之外，还需要1个不饱和度，但原子只有2个碳1个氮了，因此必须还有1个环；

最后根据1H-NMR谱表明分子中有6种氢原子进行逐一检查排除第1个，余下的三个则为本题的正确答案，对其进行补氢即可.

综上所述,限定条件下同分异构体的书写，与传统的同分异构体的书写相比，不再是简单的碳架的罗列与变换了，而是通过限定条件强化考查了学生对有机化学“组成、结构决定性质”这一基本观念的掌握程度，与当前要求发展学生化学学科核心素养培养目标相一致.因此在有机化学教学中，要围绕学科核心素养科学合理地组织和设计同分异构体的有关教学内容，遵循学生认知规律，帮助学生构建解题模型，逐步提升学生限定条件下的同分异构体的书写能力.