高考化学专题复习第十五讲同分异构体的书写与推断

1概念辩析(同分异构同一种物质同系物)同分异构化合物具有相同的分子式,但结构不同的现象称为同分异构现象。具有同分异构现象的化合物互称为同分异构体。在中学阶段，引起同分异构的原因主要有三种：碳架异构、位置异构和官能团异构。识别两者是否是同分异构体，首先要查碳原子数，判别分子式是否相同，然后再看结构式。在分子式相同的情况下，若结构不同，则两者必为同分异构体。同一种物质两者不仅分子式相同，而且结构也完全相同，则为同一种物质。同一种物质应具有相同的物理参数，如有相同的熔沸点。判断两结构是否相同方法有二：(1)将分子整体翻转或沿对称要素(面、线)旋转后能“重合”者；(2)用系统命名法命名,所得名称相同者。同系物结构相似，在分子组成上相差一个或几个-CH2原子团的物质互称同系物.结构相相似是指分子中含有官能团的种类和数目都要相同.如乙醇与丙醇为同系物,但乙二醇与丙三醇就不属同系物了。若已知两结构式要判断它们是否具有相同的分子式，数不饱和度要比数氢原子数目快捷得多。在C.O.N.Cl等原子数对应相同的前提下，不饱和度相同的，分子式一定相同。如两者C.O.Cl原子数相同，不饱度都是4，所以两结构式具有相同的分子式。而结构显然不同，因此两者应为同分异构体。对于稠环芳香烃利用公用边数目来确定两个已知结构式的关系则很方便。在苯环数相同的前提下，若公用边数相同，且各苯环排列顺序又相同，则两者表示的是同一种物质；若公用边数相同，且各苯环排列顺序不相同，则两者表示的是同分异构体；若公用边数不同，则两者即不是同分异构体，也不是同一物物质。例见[练1-3]。[练1-1]下列4式表示的是棉子象鼻虫的四种的信息素的结构简式，其中互为同分异构体是（）[练1-3]萘分子的结构可以表示为或，两者是等同的。苯并[α]芘是强致癌物质（存在于烟囱灰、煤焦油、燃烧的烟雾和内燃机的尾气中）。它的分子由5个苯环并合而成，其结构式可以表示为（Ⅰ）或（Ⅱ）式：（Ⅰ）(Ⅱ)这两者也是等同的。HOClOCl2烃的异构2.1烷烃的异构(碳架的异构)熟记C1-C6的碳链异构:CH4、C2H6、C3H8无异构体；C4H102种、C5H123种、C6H145种。2.2烯炔的异构(碳架的异构和双键或叁键官能团的位置异构)如丁烯C4H8有两碳链形成叁种异构体：2.3苯同系物的异构(侧链碳架异构及侧链位置的异构)如C9H12有7种异构体：3烃的一元取代物的异构（取代等效氢法）卤代烃、醇、醛、羧酸、胺都可看着烃的一元取代物。确定它们异构体可用取代等效氢法。等效氢概念有机物分子中位置等同的氢叫等效氢，分子中等效氢原子有如下情况：①分子中同一个碳原子上连接的氢原子等效。②同一个碳原子上所连接的甲基上的氢原子等效。如新戊烷（可以看作四个甲基取代了甲烷分子中的四个氢原子而得），其四个甲基等效，各甲基上的氢原子完全等效，也就是说新戊烷分子中的12个H原子是等效的。③分子中处于镜面对称位置（相当于平面镜成像时，物与像的关系）上的氢原子是等效的。如分子中的18个H原子是等效的。取代等效氢法要领利用等效氢原子关系，可以很容易判断出有机物的一元取代物异构体数目。其方法是先写出烃（碳架）的异构体，观察分子中互不等效的氢原子有多少种，则一元取代物的结构就有多少种。C3H7X一种碳链，共有2种异构体C4H9X二种碳链，共有4种异构体C5H11X叁种碳链，共有8种异构体这里的一元取代基X，可以是原子，如卤原子，也可以是原子团，如-OH、-NH2、-CHO、-COOH、HCOO-等。因此，已知丁基-C4H9有四种，则可断定丁醇、丁胺、戊醛、戊酸以及甲酸丁酯都有4种异构体。观察并找出分子结构中的对称要素是取代等效氢法的关键例：乙苯异构体有4种对应环上一卤代物种数3231注意对甲乙苯，环上一卤代物应为2种HHHCH3CH3CH3H--C--HH-C—-C-HH3C-C-CH3H3C-C-—-C-CH3HHHCH3CH3CH3H例.菲和蒽互为同分异构体，菲的结构简式为从菲的结构简式分析，菲的一氯取代物共有（B）A．4种B.5种C．10种D．14种提示：找出菲结构的对称轴，则答案显见。{说明}常可根据某些烃存在的一元取代物数目，反推原烃分子结构式。如含碳原数少于10的烷烃中，其中一卤代物不存在异构体的有4种，它们分别是：又如，已知烯烃C6H12的一氯代物只有一种，则可断定该烯烃的分子结构为4烃的二元(或三元)取代物的异构4.1有序法（定一移一）有序法要求解决问题时遵循一定的特定线索和步骤去探索的一种思维方法。应用有序法解决烃的多元取代物异构体问题的步骤顺序是：先写出碳架异构，再在各碳架上依次先定一个官能团，接着在此基础上移动第二个官能团,依此类推，即定一移一。[例]二氯丙烷有4种异构体，它们的结构简式是[解析]：三个碳，碳链只有一种（不包括环）。先定一个氯原子在1号碳上，然后把第二个氯原子分别移到1、2、3号碳上，得三种异构体；接着将一个氯定在2号碳上，此时第2个氯就只以能接在2号碳上，因此共得到4种异构体。解题材中要注意判断排除重复的结构。[练4-1]苯丙醇胺（PPA）结构简式如下：将-Ф、NH2、-OH在碳链上的位置作变换，还可以写出其它8种异构体（不包括-OH和-NH2连在同一碳原子的异构体。试写出包括PPA自身在内的这些异构体的结构简式。解析有序思维推导过程如下：第一步：先定位-Ф苯基，苯基在碳链上只有两种连接；第二步：在定位了-Ф苯基所得到的二式中，分别变换-OH在碳链上的位置，得①-⑤H3CCH3C==CH3CCH3Ф-CH-CH--CH3其中-Ф代表苯基OHNH2第三步：在定位了-Ф、-OH的上述①-⑤五个式中分别变换-NH2，共得到9种异构体。（注意按题意-NH2不能与-OH接在同一碳原子上）由①式得由②式得由③式得由④式得由⑤式得[练4-2]蒽的结构式为它的一氯代物有种，二氯代物又有种。4.2换元法[例]已知C6H4Cl2有三种异构体，则C6H2Cl4有三种异构体。（将H代替Cl）[练4-3]已知A的结构为A的n溴代物与m溴代物的异构体数目相同，则n和m必满足关系式m+n=65酯的异构5.1拆分法酯可拆分为合成它的羧酸和醇（酚）。若已知酸有m种异构体，醇有n种异构体，则该酯的同分异构体有m×n种。而羧酸和醇的异构体可用取代有效氢法确定。还以为C5H10O2为例推异其属于酯的异构体数目及结构简式：[解]甲酸丁酯HCOOC4H9异构体数为1×4=4种乙酸丙酯CH3COOC3H7异构体数为1×2=2种丙酸乙酯C2H5COOC2H5异构体数为1×1=1种丁酸甲酯C3H7COOCH3异构体数为2×1=2种因此，分子式为C5H10O2其属于酯的异构体共有9种，结构简式见前。同理可知，C3H7COOC4H9其中属于酯的同分异构体共有2×4=8种。6.1常见类别异构（1）CnH2n：(n≥3)烯烃和环烷烃；（2）CnH2n－2：(n≥3)二烯烃和炔烃；（3）CnH2n＋2O：(n≥2)饱和一元醇和饱和一元醚；（4）CnH2nO：(n≥2)饱和一元醛、烯醇和环氧烷；(n≥3)饱和一元酮；（5）CnH2nO2：(n≥2)饱和一元羧酸、饱和一元羧酸饱一元醇酯；（6）CnH2n－6O：(n≥7)酚、芳香醇和芳香醚。（7）CnH2n＋1O2N：(n≥2)氨基酸、硝基化合物和亚硝酸酯；此外，还有几种特殊的同分异构体：（1）C8H8：苯乙烯和立方烷；C6H12O6：葡萄糖和果糖；（2）C11H22O11：蔗糖和麦芽糖；CH4ON2：尿素[CO(NH2)2]和氰酸铵[NH4CNO]2提留原子(团)法[方法要领]先提留出分子结构中按题意要求必需存在的原子或原子团等结构组成要素然后将余下的组成按碳架异构、类别异构、位置异构顺序写出符合要求各种同分异构体的结构。不饱和度法不饱和度（）又称缺H指数，有机物每有一不饱和度，就比相同碳原子数的烷烃少两个H原子，所以，有机物每有一个环，或一个双键（），相当于有一个不饱和度，例6.有机物写出与该有机物互为同分异构体的属于芳香族化合物的同分异构体的结构简式解析：该有机物化学式为，其不饱和度。芳香族化合物中必有苯环，从的组成看只能有一个苯环，因为一个苯环就有4个不饱和度，所以取代基中都以单键相连。若为酚，则有三种：若为醚，则只一种：；若为醇，则只一种：。共有5种。二元取代物同分异构体数目的书写方法步骤：判断等效氢→定位组合法例如：CH3分子中苯环上的氢原子被氯原子所取代，其二氯取代物共有多少种？解析：CH3分子中苯环上共有7种等效氢原子，如图所示：CH3abcdefg，根据定位组合可以得到其二元取代物的同分异构体数目：a—bb—cc—dd—ee—ff—ga—cb—dc—ed—fe—g1种a—db—ec—fd—g2种a—eb—fc—g3种a—fb—g4种a—g5种6种所以共有21种同分异构体。还可以通过排列组合公式进行计算：21126727C（种）