对苯环上一元取代只有一种的同分异构体的系统分析

程 果 桂耀荣 范 兵

同分异构体的书写一直都是高考有机试题中的难点,含苯环的有机物同分异构体的书写更是高考中的常考题型．在平时做题甚至高考题中我们经常会遇到这样的问题:某有机物中苯环上一氯代物只有一种的同分异构体有多少种?此类问题主要是让学生找出苯环上氢的种类只有一种的物质的结构,但当苯环上的取代基有多种情况时,学生容易多写或漏写．本文以此考点为基础对含单苯环有机物中苯环上一元取代物只有一种的情况进行系统分析总结,为各位同行以及学生在解答此类问题上带来方便．

1 对有机物中苯环上一元取代物的系统分析

文中苯环上的A、B、C、D代表不同的取代基．

1.1 苯环上有1个取代基

当苯环上只有1个取代基(如A)时,显然苯环上的一元取代物有3种(如图1)．

图1

1.2 苯环上有2个取代基

如果苯环上有2个取代基,则需要分2种情况进行讨论.

1) 2个取代基相同.

如果2个取代基相同(如A、A)，当2个取代基处于邻位时,苯环上一元取代物有2种(如图2-甲);当2个取代基处于间位时,苯环上一元取代物有3种(如图2-乙);当2个取代基处于对位时,苯环上一元取代物有1种(如图2-丙)．

2) 2个取代基不同.

如果2个取代基不同(如A、B)．当2个取代基处于邻位时,苯环上一元取代物有4种(如图3-甲);当2个取代基处于间位时,苯环上一元取代物有4种(如图3-乙);当2个取代基处于对位时,苯环上一元取代物有2种(如图3-丙)．

图3

综上所述,当苯环上有2个取代基,只有当2个取代基相同且在苯环上处于对位时,该有机物苯环上的一元取代物有且只有1种．

1.3 苯环上有3个取代基

如果苯环上有3个取代基,则需要分3种情况进行讨论.

1) 3个取代基完全相同.

如果3个取代基完全相同(如A、A、A)，此时有3种同分异构体．当有机物为连三A苯时,苯环上一元取代物有2种(如图4-甲);当有机物为偏三A苯时,苯环上一元取代物有3种(如图4-乙);当有机物为均三A苯时,苯环上一元取代物有1种(如图4-丙)．

图4

2) 3个取代基中有2个相同.

如果3个取代基中有2个相同1个不同(如A、A、B)，当A、A处于邻位时,B有2种位置,此时2种有机物苯环上一元取代物都有3种(如图5-甲、图5-乙);当A、A处于间位时,B有3种位置,此时3种有机物苯环上一元取代物分别是2种、2种、3种(如图5-丙、图5-丁、图5-戊);当A、A处于对位时,B有1种位置,此时该有机物苯环上一元取代物有3种(如图5-己)．

图5

3) 3个取代基都不相同.

如果苯环上3个取代基都不相同(如A、B、C),此时同分异构体有10种,由于没有对称结构,这10种有机物苯环上一元取代物均有3种．

综上所述,有机物苯环上有3个取代基,只有当3个取代基相同且在苯环上处于均位时,该有机物苯环上的一元取代物有且只有1种．

1.4 苯环上有4个取代基

如果苯环上有4个取代基,则需要分5种情况进行讨论.

1) 4个取代基完全相同.

如果4个取代基完全相同(如A、A、A、A),则共有3种同分异构体，这3种有机物苯环上一元取代物都只有1种(如图 6-甲、图6-乙、图6-丙)．

图6

图7

2) 4个取代基中有3个相同.

如果4个取代基中有3个相同(如A、A、A、B),则共有6种同分异构体，其中4种苯环上一元取代物有2种(如图7-乙、图7-丁、图7-戊、图7-己),2种苯环上一元取代物有1种(如图 7-甲、图 7-丙)．

3) 4个取代基两两相同.

如果4个取代基两两相同(如A、A、B、B),则共有11种同分异构体，其中5种苯环上一元取代物有2种,6种苯环上一元取代物有1种,由于同分异构体数目较多,这里仅呈现苯环上一元取代物只有1种的同分异构体的结构简式(如图8)．

图8

4) 4个取代基中有2个相同2个不同.

如果4个取代基中有2个相同2个不同(如A、A、B、C),则共有16种同分异构体，其中14种苯环上一元取代物有2种,2种苯环上一元取代物有1种,由于同分异构体数目较多,这里仅呈现苯环上一元取代物只有1种的同分异构体的结构简式(如图9)．

图9

5) 4个取代基完全不同.

如果4个取代基完全不同(如A、B、C、D),则共有30种同分异构体．同样由于没有对称结构,故所有同分异构体的一元取代物都有2种．

综上所述,当苯环上有4个取代基时,只有4种情况下的同分异构体苯环上的一元取代物只有1种:当取代基为A、A、A、A型时,苯环上一元取代物只有1种的同分异构体有3种;当取代基为A、A、A、B型时,苯环上一元取代物只有1种的同分异构体有2种;当取代基为A、A、B、B型时,苯环上一元取代物只有1种的同分异构体有6种;当取代基为A、A、B、C型时,苯环上一元取代物只有1种的同分异构体有2种．

1.5 苯环上有5个取代基.

如果苯环上有5个取代基,由于只有1个氢原子可以被取代,因此,所有同分异构体中苯环上的一元取代物都只有1种．

1.6 含单苯环有机物中苯环上一元取代物只有一种的同分异构体数目归纳总结

表1

2 实例剖析

A. 6种 B. 5种

C. 4种 D. 3种

解析 根据题意，结合表1，苯环上的一氯代物只有1种的同分异构体分2种情况讨论:1)苯环上连接2个相同的乙基，符合AA型结构，此时，符合条件的同分异构体有1种；2)苯环上连接4个甲基时，符合AAAA型结构，此时，符合条件的同分异构体有3种. 因此，符合条件的同分异构体总共有4种，故答案为C．

解析 根据题意，结合表1，苯环上的一氯代物只有1种的同分异构体分2种情况讨论:1)苯环上有2个相同的取代基，符合AA型结构，其中A可能为—CH2OH或—OCH3，此时，符合条件的同分异构体有2种；2)苯环上有4个取代基，分别为2个—OH和2个—CH3，符合AABB型结构，此时，符合条件的同分异构体有6种. 因此符合条件的同分异构体总共有8种，故答案为8．

总之,通过本文的总结归纳，我们在今后书写苯环上一元取代物只有1种的同分异构体时,可以先对苯环上的取代基进行分类,确定类型后再快速写出相应类别同分异构体的种类,此方法简单快捷,在解此类题型中能节省大量时间．