推测同分异构体的利器——思维方式

  

                                  古田一中  胡嘉谋

       同分异构体的推测是教学重点，又是教学难点，还是高考热点。正确确定同分异构体及其数目可以考查学生的思维能力和创新能力，而学生常常漏写或多写，出错的原因正是思维方法不对路与思维混乱造成的。为此，结合典型例题，再谈优化思维方式，突破同分异构数这一难点。

       类型一、有序思维，主线明确，避免混乱。

       推测同分异构数，有序思维是基础。即思维一定要有序，分析思考的主线一定要明朗清晰，一线贯通。一般思维顺序为：碳链异构(主链由长到短，支链由整到散)→位置异构(取代基或官能团的位置由心到边；苯环位置的排列为邻、间、对，若遇到苯环上有三个取代基时，可先定两个的位置关系是邻或间或对，然后再对第三个取代基依次进行定位)→官能团异构或类别异构(要注意考虑烯烃与环烷烃；炔烃与二烯烃、环烯烃；饱和一元醇与醚；饱和一元醇醛与酮、烯醇；饱和一元羧酸与酯、羟基醛；苯酚与芳香醇、芳香醚等互为同分异构体)。

     【例1】(2012·全国高考卷Ⅰ，10)分子式为C₅H₁₂O且可与金属钠反应放出氢气的有机化合物有(不考虑立体异构)(   )

       A．5种     B．6种     C．7种    D．8种

     【有序思维】根据题设的限制条件，饱和醚不与金属钠反应，属于C₅H₁₂O组成的同分异构只要考虑饱和一元醇的这类有机物。碳链异构有三种分别为：、、 ；位置异构：三种碳链上标明序号的8个位置可作为羟基的取代位置，共有8种醇。正确答案为D。

若此题没有限制条件，C₅H₁₂O的类别异构为醚，在上述三种碳链中嵌入氧原子，分别得到2种、3种、1种醚，还有醚类的异构体有6种。

      【例2】(2013·全国高考卷Ⅰ，12)分子式为C₅H₁₀O₂的有机物在酸性条件下可水解为酸和醇，若不考虑立体异构，这些醇和酸重新组合可形成的酯共有(  )

       A．15种        B．28种       C．32种    D．40种

      【有序思维】5碳酯水解生成的酸和醇有如下碳链的组合：①4碳酸与1碳醇，4碳酸有正丁酸与异丁酸2种；②3碳酸与2碳醇；③2碳酸与3碳醇，3碳醇有正丙醇与异丙醇2种；④1碳酸与4碳醇，4碳醇有CH₃CH₂CH₂CH₂﹣、、 、等4种碳链。所以，生成的酸有5种，生成的醇有8种，这些醇和酸重新组合生成的酯为5×8=40种。正确答案为D。

      【现场高考体验】

       1．(2013·海南高考18I)下列化合物中，同分异构体数目超过7个的有(   )

       A．已烷                                        B．已烯

       C．1，2-二溴丙烷                       D．乙酸乙酯

       2．(2014·全国高考卷Ⅰ，7)下列化合物中同分异构体数目最少的是 (   )

       A．戊烷      B．戊醇      C．戊烯      D．乙酸乙酯

       3．(2015·海南高考5)分子式为C₄H₁₀O并能与金属钠反应放出氢气的有机物有(不含立体异构)(   )

       A．3种        B．4种     C．5种            D．6种

      【参考答案】

        1．BD    2．A   3．B

       类型二、形象思维，形体等效，直观判断。

       推测同分异构数，形象思维是关键。即关注有机物的形体，利用碳链、碳环骨架的对称性，对各种有机物的结构进行形象化分析推测，识别好等效氢，有效避免重写。

      【例1】(2014·郑州高二检测改编)下图是一种形状酷似罗马两面神Janus的有机物结构简式，化学家建议将该分子叫做“Janusene”。Janusene苯环上的一氯代物有       种。

                                     
      【形象思维】紧扣Janusene结构的对称性进行形象分析，竖向站立的两个苯环对称，横向躺着的两个苯环也对称，只要分析左边或右边的两个苯环即可。而每个苯环均含有4个H原子，其中两两对称，每个苯环各有两种不同位置的等效H原子，共有4种不同位置的等效H原子，即苯环上的一氯代物有4种。

      【例2】(2014·衡水高二检测改编)环蕃A(cyclophane)和超蕃B(superphane)是一种光电信息材料，都属于烃(B中氢原子未画出)，它们的结构如图所示。

                               
      环蕃与超蕃的一氯取代物分别有    种、    种，二氯取代物有     种。

     【形象思维】环蕃与超蕃中各有两个平行排列的两个苯环，既是上下对称，又是左右对称，全对称，只要分析图示中1/4的形状即可。即环蕃有两类等效氢，其一氯代物有苯环上1种，烷基侧链上1种，共2种。超蕃中的苯环上没有氢原子，只有烷基侧链上一类等效氢，故一氯代物只有侧链上1种。超蕃的6个侧链碳原子用虚线相连，形状就是一个六棱柱，每个侧链碳原子均有2个氢原子，均属于一类等效氢，其二氯代物可在同碳上(只1种)，也可在异碳上。利用六棱柱形象分析异碳的二氯代物，在六棱柱顶面上二氯代物有邻、间、对3种，在六棱柱同一条棱的上下面二氯代物有1种，一个氯原子在六棱柱的顶面上，另一个氯原子在六棱柱底面的邻、间、对位置上，又有3种，共8种。

      【现场高考体验】

       1．(2014·全国高考卷Ⅱ，7)^{四联苯 的一氯代物有(  )}

        ^{A．3种    B．4种    C．5种    D．6种}

       2．(2014·浙江高考29节选) 写出同时符合下列条件的B( ）的所有同分异构体的结构简式________。

      ①分子中含有羧基

       ②¹H－NMR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

        3．(2015·福建高考卷32节选) 的同分异构体有多种，其中苯环上有一个甲基的酯类化合物有_____种。 

       【参考答案】

        1．C      2．      3．9种

        类型三、发散思维，全面分析，防止遗漏

       推测同分异构数，发散思维是求异。即学会多层面、多角度地分析和看待问题，克服思维定势，从不同角度、不同类别寻求多样性结果，有效防止漏写。

       【例1】分子式为C₇H₁₆的烷烃中，在结构简式中含有3个甲基的同分异构

体数目是(   )

        A．2种　   B．3种      C．4种    D．5种

      【发散思维】此题受到“3个甲基”限制条件的左右，很容易落入只按3个甲基分析判断同分异构数的圈套。因为6碳链的链端有两甲基，再用1个甲基取代6碳链的不同位置只得2种，而误选A。若思维触及乙基上也有1个甲基，则5碳链的中间位置用1个乙基取代，还有1种，共3种。正确答案为B。

      【例2】已知甲苯的一氯代物有4种，则甲苯与氢气完全加成后产物的一氯代物的种类数是(   )

        A．2种      B．4种       C．5种     D．7种

      【发散思维】甲苯的一氯代物有4种，等效替换到甲基环己烷的一氯代物也是4种，误选B。这就是“苯环”思维定势所造成的失误。若思维发散到环己烷与甲基相连的碳原子上，从原来的苯环没有氢原子加成后变为有1个氢原子的角度考虑，自然甲基环己烷的一氯代物要增加1种，共5种。正确答案为C。

      【例3】主链上有4个碳原子的某种烷烃有2种同分异构体，含有相同碳原子数且主链上也有4个碳原子的单烯烃的同分异构体有(   )

       A．2种　   B．3种    C．4种    D．5种

      【发散思维】主链为4个碳原子的烷烃，其支链只能是甲基，不可能是乙基，否则主链超过4个碳原子。该烷烃若含有1、3、4个甲基，则没有2种异构体，若含2个甲基有2种异构体，2个甲基的位置分别为2，2－二甲基丁烷与2，3－二甲基丁烷。正是这种思路导致只判断以上两种碳链的单烯烃，共3种，误选B。思维要求异，4碳烷不可能有2位乙基，但4碳烯可以有2位乙基，可增加2－乙基－1－丁烯，共4种。正确答案为C。

      【现场高考体验】

       1．(2013·全国高考卷38节选)D(C₇H₆O₂)的芳香同分异构体H既能发生银镜反应，又能与FeCl₃溶液发生显色反应的共有_______种。

       2．(2014·全国高考卷38节选并改编)F(C₈H₁₁N)的同分异构体中含有苯环的共有__   _ 种(不考虑立体异构)。

       3．(2015·全国高考卷38节选)D(C₅H₈O₄)的同分异构体能同时满足下列条件的共有            种(不含立体异构)。

       ①能与饱和NaHCO₃溶液反应产生气体

       ②既能发生银镜反应，又能发生水解反应

      【参考答案】

       1．13种    2．20种    3．5种

       类型四、换元思维，认准某点，等价代换。

推测同分异构数，换元思维是创新。即针对难以直接分析判断的同分异构体，挖掘题设隐含的信息点进行等效代换，变通后巧妙推测异构数。

      【例1】已知A的分子式为C₁₂H₁₂，结构简式为 ，A苯环上的二溴代物有九种同分异构体，则A苯环上的四溴代物的同分异构体有      种。

      【换元思维】此题若正面强攻直写A苯环上的四溴代物，必然混乱。可以抓住A苯环上可被取代的氢原子共有6个，而二溴代物的苯环上有2个Br、4个H，四溴代物的苯环上恰好相反连的是2个H，4个Br，二者进行等价代换，四溴代物就是二氢代物，与二溴代物的同分异构体相同，有9种。

      【例2】组成和结构可用 表示的有机物共有(不考虑立体异构)(   )

       A．9种    B．12种    C．24种    D．36种

     【换元思维】组成和结构图示已定位，同分异构体只能在侧连上分析判断。结构左端的－C₄H₉，可用4种不同的丁基替换；结构右端的－C₂H₃Cl₂，乙基上二氯在同碳的有2种，二氯在异碳的有1种，共有同分异构数为4×3=12种。正确答案为B。

      【例3】已知化合物B₃N₃H₆(硼氮苯)与苯的分子结构相似，如图所示，则硼氮苯的四氯取代物(B₃N₃H₂Cl₄)的同分异构体的数目为(   )

                         

       A．2       B．3       C．4       D．5

     【换元思维】硼氮苯的四氯取代物可换元为二氢取代物，硼氮苯与苯结构相似可等价代换，苯的二氢取代物有邻、间、对3种，硼氮苯二氢取代物也有邻、间、对3种。但苯环上的六个碳原子是完全相同的，而硼氮苯中B、N是两种不同的原子，间位与邻位、对位不同，有两种不同排列，即2氢可同在B原子上，亦可同在N原子上，扣除重复1种，应增加1种，共有4种同分异构体。正确答案为C。

     【现场高考体验】

      1．(2012·年海南高考5)分子式为C₁₀H₁₄的单取代芳烃，其可能的结构有()

       A．2种     　　B．3种        C．4种   　　D．5种

       2．(2015·全国高考卷11)分子式为C₅H ₁₀O₂并能饱和NaHCO₃溶液反应放出气体的有机物有(不含立体结构)(   )

       A．3种    B．4种     C．5种 D．6种

     【参考答案】

       1．C    2．B  

       类型五、综合思维，点线面体，全面开花。

       有序思维是线，发散思维是面，形象思维是体，换元思维是点，综合思维就是融合思维的点线面体来攻克判断同分异构数这一难点。

      【例1】分子式为C₉H₁₂O，苯环上有两个取代基且含羟基的化合物，其可能的结构有(   )

       A．9种        B．12种     C．15种     D．16种

     【综合思维】先有序思维：苯环上两个取代基且含羟基是推测该有机物同分异构数的限制条件，两个取代基可按：①一个羟基和一个－C₃H₇基团、②一个乙基与一个－CH₂OH、③一个甲基与一个－C₂H₅OH的3种组合进行分析判断。再发散思维：对第①种—C₃H₇基团进行求异，有丙基与异丙基两种；对第③种－C₂H₅OH进行求异，有－C₂H₅OH与－CH(OH)CH₃两种；各多出1种情况。最后形象思维：苯环上两个取代基可以按邻、间、对三种排列。共有同分异构数为5×3=15种。正确答案为C。

       【例2】 (2010·北京高考28节选)扁桃酸( )有同多种分异构体。属于甲酸酯且含酚羟基的同分异构体共有      种，写出其中一种含亚甲基(－CH₂－)的同分异构体的结构简式        。

       【综合思维】有酚羟基也必有苯环，属于甲酸酯，则有HCOO－，这是题设的限制条件。依此条件发散思维在环上取代有两种形式：①考虑HCOOCH₂－与苯酚相连的；②考虑HCOO－与苯酚相连，余下甲基为取代基。借助形象思维判断以上两种取代位置：对①二元取代物邻、间、对位排列有3种，如等。对②三元取代物判断：可先将HCOO－与苯酚按邻、间、对排列相连，然后依次有序思维；对位的有 ，形象思维变换甲基在苯环位置还可以得到 ，共计2种；邻位的有 等4种；间位的有 等4种；以上合计13种。写出其中含亚甲基的有3种(任写一种)：， ，。

      【现场高考体验】

       1．(2013·广西高考13)某单官能团有机化合物，只含碳、氢、氧三种元素，相对分子质量为58，完全燃烧时产生等物质的量的CO₂和H₂O。它可能的结构共有(不考虑立体异构)(   )

       A．4种     B．5种    C．6种     D．7种

       2．(2013·上海高考45)写出与 互为同分异构体，且一溴代物只有两种的芳香烃的名称。

       3．(2013·全国高考38节选) I( )的同系物J比I相对分子质量小14，J的同分异构体中能同时满足如下条件：

      ①苯环上只有两个取代基，

      ②既能发生银镜反应，又能和饱和NaHCO₃溶液反应放出CO₂，共有_____种(不考虑立体异构)。

     【参考答案】

       1．B    2．均三甲苯或1，3，5—三甲苯    3．18种

 

                                                                                 2015-07-18