建立本源模型,推导芳香族化合物的同分异构体

但世辉 陈莉莉

（湖北省襄阳东风中学）

高考试题关于同分异构体的考查，主要集中在含苯环的有机物上，涉及的同分异构体类型包括苯环上的位置异构、苯环侧链上的异构、官能团异构等.由于含苯环的芳香族化合物变化形式多样，这无疑增加了试题的难度.为突破该类型试题，可采用以下策略进行书写.

1 建立基本技能

1.1 不饱和度（Ω）的计算

不饱和度又称缺氢指数或者加环指数，是有机物分子不饱和程度的量化标志，用希腊字母Ω表示，其计算方法通常有两种.

1)根据分子式(CnHm)进行计算

由于有机物所含元素种类不同，其化学式种类繁多，比如烃(CnHm)、卤代烃(CnHmXz)、含氧衍生物(CnHmOz)、含氮衍生物(CnHmNz)等，具体计算时可把上述不同类型的化学式统一为含氧衍生物CxHyOa(NH)b，不饱和度不用考虑氧原子和氮原子个数，倘若分子式中有卤素原子，则视作氢原子进行计算，倘若有硫原子则视作氧原子计算.比如C20H31O2N3可转化为C20H28O2(NH)3，代入公式可计算不饱和度

2)根据有机物所含化学键种类进行计算

不饱和度Ω＝双键数＋三键数×2＋环数.比如苯的不饱和度＝3＋0×2＋1＝4，即苯环可看成是3个双键和1个环的结构形式，依此类推，烷烃的不饱和度为0，丙烯的不饱和度为1，乙炔的不饱和度为2，环己酮的不饱和度也为2.

1.2 不饱和度的应用

确定物质的不饱和度，便可推知整个物质或其侧链构成“碎片”(碳碳双键、碳氧双键、环等)的个数，便于后期进行“碎片”的二次组装.若Ω＝0，说明分子是饱和链状结构.若Ω＝1，说明分子含有1个双键或1个环.若Ω＝2，说明分子含有2个双键或1个三键；或者含有1个双键和1个环；或者含有2个环，依此类推.

1)替代法的应用

替代的原理是有机物中构成“碎片”(原子、原子团、化学键等)的对称性，具有“对称性”的“碎片”在有机物的构成上是等效的，即当这些等效的“碎片”被其他原子或原子团替代后得到的新物质是同一种物质.替代法可有效防止推断同分异构体时出现重复.因此，替代法的前提是找到对称即等效的“碎片”，其基本原则有3条：1)同一个碳原子上的氢原子是等效的.2)同一个碳原子上所连的甲基是等效的.3)处于同一面对称位置上的氢原子是等效的.在利用这3条原则使用替代法的时候，要注意以下方法的灵活应用.

方法1直接替代法

该方法适用于所要替代的“碎片”本身不含碳原子，比如一氯代物、一羟基代物等.以推断C4H9Cl的同分异构体为例，先找出其碳架结构的2种形式(如图1和图2)，根据对称性原则标出等效碳共有4种，使用替代法用氯原子替换氢原子并连在4种等效碳上，很容易找出其一氯代物有4种.

方法2减碳替代法

该方法适用于所要替代的官能团本身含有碳原子，比如醛基、酯基、羧基等，这些官能团本身已经含有1个碳原子，进行替换的时候其“母体”应该就要少1个碳原子，否则碳原子总数就会多出1个.以推断C5H10O2的羧酸类同分异构体为例，由于羧基本身含有1个C，因此该物质的“母体”碳架依然是4个C，构成方式有2种(图1和图2)，等效碳有4种，再将羧基连在4种碳上，即可找出该物质羧酸类同分异构体有4种.

图1

图2

2)插入法的应用

所谓插入法，就是把有机物的构成“碎片”(插入基)嵌入已知的“母体”中，构成完全符合题意的结构体.插入的位置往往集中在化学键上，比如碳碳键、碳氢键等.以例1为例进行说明.

例1写出满足下列条件的E的一种同分异构体的结构简式.

a)分子式中含有2个苯环.

b)分子中含有3种不同化学环境的氢.

分析根据E的结构可以计算出其不饱和度Ω＝9，由于E已经含有2个苯环(Ω＝8)，则剩余“碎片”的不饱和度为1，由于剩余“碎片”中包括3个C、3个O和若干个氢，可推知这些原子必定要形成一个双键.根据条件b)，可知该分子很对称，此双键是一个碳氧双键，并且形成一条对称轴(如图3)，上下和左右沿着虚线对称，等效碳有3种.

图3

现在只用将余下的碎片(2个—CH3和2个—O—)使用插入法嵌入即可，嵌入的原则是必须对称即保证等效碳依然为3种，2个—CH3只能接在3号碳上，2个—O—只能按照图4箭头标注的2种方式对称性地嵌入，找出满足题意的同分异构体(如图5和图6).

图4

图5

图6

2 建立本源模型

烃的衍生物可以看成是烃中氢原子被其他原子或者原子团替代所得，如醇、醛、酸等，或者烃类物质中的碳碳键或碳氢键之间插入其他原子或原子团衍生所得，如醚、酯等.因此可以说烃是烃的衍生物的本源.同理，芳香族化合物也可看成是由苯或者苯的简单同系物衍生所得，苯或其简单同系物便是所有芳香族化合物的本源，利用苯的简单同系物进行建模，在对称性原则的前提下，确定苯的简单同系物的等效碳和等效碳碳键的模型，在此基础上灵活运用基本技能(不饱和度、替代法、插入法等)推断芳香族化合物的同分异构体.

2.1 对C7H8进行建模

C7H8为甲苯，只有1种同分异构体，根据对称性原则，其等效碳为4种，等效碳碳键为1种，建模如图7所示.

图7

2.2 对C8H10进行建模

C8H10有4种常见同分异构体，可以建成4种模型，具体如表1.

表1 C8H10的4种模型

2.3 对C9H12进行建模

C9H12的同分异构体数目受苯环上支链数的影响，若苯环上只有1条支链，其同分异构体有2种；若苯环上接2条支链，则有3种同分异构体；若苯环上接3条支链，则有3种同分异构体.可以对不同的同分异构体进行建模，以苯环上有2条支链的同分异构体为例，具体建模情况如表2所示.

表2 苯环上有2条支链的C9H12建模情况

3 建模应用题型

在解题过程中，可遵循如下思路(如图8).在已经建模的基础上，灵活应用不饱和度、替代法、插入法等各种技能，快速准确地找到同分异构体.

图8

例2(2019年全国Ⅱ卷，节选)有机物B的结构简式为，同时符合下列条件的同分异构体共有( )种.

a)属于芳香族化合物并且苯环上的一氯代物只有2种；

b)能够发生水解反应；

c)能够与FeCl3溶液发生显色反应.

分析根据B的结构简式列出其侧链(除开苯环)的主要参数：不饱和度为1；2个C和3个O.根据限制条件b)和c)可知侧链上的有机“碎片”为2种官能团(酚羟基、—COO—)和1个—CH3.此时可将—COO—作为插入基暂时不分析.为满足条件a)，以苯环连上酚羟基和—CH3进行建模，其母体为C8H10的第4种情况(见表1)，只有此时才能满足限制条件a)“苯环上有2种一氯代物”，酚羟基和—CH3处于对位，再利用插入法，将—COO—作为插入基构建出部分结构(如图9).在插入—COO—的时候有2种插法：正插(—COO—)和反插(—OOC—)，在①处插入时正插和反插均满足条件，共有2种同分异构体，在②处只能采用反插法(—OOC—)，只有1种同分异构体(若正插则为羧酸类物质，不能水解不符合条件)，合计满足3个限制条件的同分异构体有3种.

图9

采用建立本源模型的方法书写芳香族化合物的同分异构体，相当于建立了一套解题公式，学生将本源模型理解并识记在脑海中，可以大大减少学生的思维量，便于快速解题.同时，对于教师的教学而言，提炼出本源模型进行解题，既能培养学生核心素养中的“模型认知”能力，又能攻克教学中的重、难点.