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同分异构现象是有机化合物普遍存在的结构现象,也是有机物数量与种类繁多的最主要原因。近年来,同分异构体的写法、数量判断以及同分异构体之间的比较与确定等,已经成为各类考试,特别是高考的热点问题。现简单介绍同分异构体的异构方式及写法规律。
一、同分异构体的异构方式
有机物中绝大多数都存在同分异构现象,同分异构体的异构方式主要有三种:碳架异构、官能团位置异构、官能团类别异构等。
1.碳架异构
碳架异构是指由于碳原子的连接次序不同引起的异构,如正丁烷与异丁烷。烷烃只有碳架异构。
2.官能团位置异构
含有官能团的有机物,由于官能团的位置不同引起的异构,如CH3CH=CHCH3和CH3CH2CH=CH2。含有官能团(包括碳碳双键、叁键)的有机物一般都存在官能团位置异构。
3.官能团类别异构
所谓官能团类别异构是指分子式相同、官能团类型不同所引起的异构。除烷烃以外,绝大多数有机化合物分子都存在与其对应的官能团类别异构体,如相同碳原子数的单烯烃和环烷烃、二烯烃与单炔烃、饱和一元脂肪醇与
饱和烃基醚、饱和一元脂肪酸与饱和烃基酯、氨基酸与硝基烷等。
二、同分异构体的书写方法
同分异构体的写法有一定的规律。对于烷烃来说,主要采取逐步降级支链移动法,即首先写出最长的碳链,再依次降低主链长度,所减碳原子组成原子团作为支链(甲基或乙基)在主链上移动。对于含有官能团的单烯烃、炔烃、饱和一元脂肪醇、饱和一元脂肪酸等,往往先采取逐步降级法写出所有的相应碳架,再让官能团分别在碳架上移动,进而写出同分异构体或判断出同分异构体数目的多少。
例1 试确定一氯戊烷的同分异构体数目,并写出含有两个甲基的一氯戊烷的结构简式。
解析 第一步,写出含有五个碳原子的碳架。已知戊烷有三种:正戊烷、异戊烷、新戊烷,相应的碳架分别为:
①②③
第二步,让氯原子分别在三个碳架上移动。①可得三种氯代物,②可得四种氯代物,③只能得到一种氯代物,故一氯戊烷共有8种同分异构体。
依题意,欲使一氯戊烷中含有两个甲基,碳架①上氯原子不得连于链端,碳架②上氯原子必须连于链端,氯原子无论在碳架③上如何移动,都会有三个甲基存在。因此,含有两个甲基的一氯戊烷共有四种:
三、同分异构体题型例举
同分异构体的题型,主要包括书写同分异构体、判断同分异构体的数目,以及判断两种有机物之间的结构关系等。虽然同分异构体问题对同学们的空间想象与判断能力要求较高,但只要熟悉相关题型,掌握同分异构体的书写方法与步骤,问题并不难解决。
1.智力型
在同分异构体题型中,有一类以考查应变能力为主的问题,此类题的题给条件与问题的答案往往有必然的联系,解题时通过分析或模仿即可求出结果。
例2 已知二甲苯有三种同分异构体,则四氯苯有______种同分异构体。
解析 四氯苯与二甲苯有必然联系,即分别含有两个氢原子和两个甲基,因此,四氯苯中的两个H原子也有邻、间、对三种位置关系,故四氯苯有三种同分异构体。
2.技巧型
有些同分异构体问题的解决,必须依赖一定的技巧,否则就会造成多写或遗漏。所谓技巧,简单讲就是方法与步骤的整合。
例3 一氯己烷中含有四个“—CH3”结构的有______种。
解析 解答此题时需要一定的技巧,按常规解这道题须依步骤先写出己烷的五种碳架,但通过分析不难看出没有必要。由于甲基必然在链端,因而在含四个“—CH3”的一氯己烷碳架中必然含有两个支链:
① ②
因此,满足题意的氯原子只能连接在碳架①和碳架②中的2号位,故一氯己烷中含有四个“—CH3”的结构有2种。
3.信息迁移型
所谓信息迁移型是指同分异构体的某些异构方式并不为解题者所了解,但可以模仿题给信息解题,此类题常以信息迁移题的形式出现。
例4 已知将有机物①中的c与d原子交换位置,可以得到另一种有机物②,①与②也存在同分异构关系:
①②
据此判断,C4H8的烯烃同分异构体共有______种。
解析 此题的解答需要考虑题给信息中的另外一种异构方式——顺反异构。
第一步,写出含四个C原子的碳架;
第二步,将双键分别在两个碳架上移动,产生三种同分异构体:
C—C—C—C→
①CH3CH=CHCH3 ②CH2=CHCH2CH3 ③
第三步,根据题给信息,判断出结构①有顺反异构:
故C4H8的同分异构体有四种。
4.创造型
所谓创造型同分异构题,是指题中给出限定性条件,要求解题者按要求创造性地写出有关物质的结构式,这是一类难度相当高的同分异构问题。
例5 C4H4有多种同分异构体,它们分别具有以下特征,试写出相应的同分异构体的结构简式。
(1)P为链状结构,可以由两分子的乙炔加成而得,P为________;
(2)Q为平面结构,与溴水发生1∶1加成反应,加成方式有两种,但加成产物只有一种,Q为_________;
(3)R为正四面体,每个C原子分别与另三个C原子通过单键相连,R为_________。
解析 此题要求写出的P、Q、R的结构都是未知物,都需要解题者结合题给条件加以创造才能写出来。符合条件的P、Q、R的结构式分别为:
P:CH≡C-CH=CH2
Q:
R:
注:本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。
一、同分异构体的异构方式
有机物中绝大多数都存在同分异构现象,同分异构体的异构方式主要有三种:碳架异构、官能团位置异构、官能团类别异构等。
1.碳架异构
碳架异构是指由于碳原子的连接次序不同引起的异构,如正丁烷与异丁烷。烷烃只有碳架异构。
2.官能团位置异构
含有官能团的有机物,由于官能团的位置不同引起的异构,如CH3CH=CHCH3和CH3CH2CH=CH2。含有官能团(包括碳碳双键、叁键)的有机物一般都存在官能团位置异构。
3.官能团类别异构
所谓官能团类别异构是指分子式相同、官能团类型不同所引起的异构。除烷烃以外,绝大多数有机化合物分子都存在与其对应的官能团类别异构体,如相同碳原子数的单烯烃和环烷烃、二烯烃与单炔烃、饱和一元脂肪醇与
饱和烃基醚、饱和一元脂肪酸与饱和烃基酯、氨基酸与硝基烷等。
二、同分异构体的书写方法
同分异构体的写法有一定的规律。对于烷烃来说,主要采取逐步降级支链移动法,即首先写出最长的碳链,再依次降低主链长度,所减碳原子组成原子团作为支链(甲基或乙基)在主链上移动。对于含有官能团的单烯烃、炔烃、饱和一元脂肪醇、饱和一元脂肪酸等,往往先采取逐步降级法写出所有的相应碳架,再让官能团分别在碳架上移动,进而写出同分异构体或判断出同分异构体数目的多少。
例1 试确定一氯戊烷的同分异构体数目,并写出含有两个甲基的一氯戊烷的结构简式。
解析 第一步,写出含有五个碳原子的碳架。已知戊烷有三种:正戊烷、异戊烷、新戊烷,相应的碳架分别为:
①②③
第二步,让氯原子分别在三个碳架上移动。①可得三种氯代物,②可得四种氯代物,③只能得到一种氯代物,故一氯戊烷共有8种同分异构体。
依题意,欲使一氯戊烷中含有两个甲基,碳架①上氯原子不得连于链端,碳架②上氯原子必须连于链端,氯原子无论在碳架③上如何移动,都会有三个甲基存在。因此,含有两个甲基的一氯戊烷共有四种:
三、同分异构体题型例举
同分异构体的题型,主要包括书写同分异构体、判断同分异构体的数目,以及判断两种有机物之间的结构关系等。虽然同分异构体问题对同学们的空间想象与判断能力要求较高,但只要熟悉相关题型,掌握同分异构体的书写方法与步骤,问题并不难解决。
1.智力型
在同分异构体题型中,有一类以考查应变能力为主的问题,此类题的题给条件与问题的答案往往有必然的联系,解题时通过分析或模仿即可求出结果。
例2 已知二甲苯有三种同分异构体,则四氯苯有______种同分异构体。
解析 四氯苯与二甲苯有必然联系,即分别含有两个氢原子和两个甲基,因此,四氯苯中的两个H原子也有邻、间、对三种位置关系,故四氯苯有三种同分异构体。
2.技巧型
有些同分异构体问题的解决,必须依赖一定的技巧,否则就会造成多写或遗漏。所谓技巧,简单讲就是方法与步骤的整合。
例3 一氯己烷中含有四个“—CH3”结构的有______种。
解析 解答此题时需要一定的技巧,按常规解这道题须依步骤先写出己烷的五种碳架,但通过分析不难看出没有必要。由于甲基必然在链端,因而在含四个“—CH3”的一氯己烷碳架中必然含有两个支链:
① ②
因此,满足题意的氯原子只能连接在碳架①和碳架②中的2号位,故一氯己烷中含有四个“—CH3”的结构有2种。
3.信息迁移型
所谓信息迁移型是指同分异构体的某些异构方式并不为解题者所了解,但可以模仿题给信息解题,此类题常以信息迁移题的形式出现。
例4 已知将有机物①中的c与d原子交换位置,可以得到另一种有机物②,①与②也存在同分异构关系:
①②
据此判断,C4H8的烯烃同分异构体共有______种。
解析 此题的解答需要考虑题给信息中的另外一种异构方式——顺反异构。
第一步,写出含四个C原子的碳架;
第二步,将双键分别在两个碳架上移动,产生三种同分异构体:
C—C—C—C→
①CH3CH=CHCH3 ②CH2=CHCH2CH3 ③
第三步,根据题给信息,判断出结构①有顺反异构:
故C4H8的同分异构体有四种。
4.创造型
所谓创造型同分异构题,是指题中给出限定性条件,要求解题者按要求创造性地写出有关物质的结构式,这是一类难度相当高的同分异构问题。
例5 C4H4有多种同分异构体,它们分别具有以下特征,试写出相应的同分异构体的结构简式。
(1)P为链状结构,可以由两分子的乙炔加成而得,P为________;
(2)Q为平面结构,与溴水发生1∶1加成反应,加成方式有两种,但加成产物只有一种,Q为_________;
(3)R为正四面体,每个C原子分别与另三个C原子通过单键相连,R为_________。
解析 此题要求写出的P、Q、R的结构都是未知物,都需要解题者结合题给条件加以创造才能写出来。符合条件的P、Q、R的结构式分别为:
P:CH≡C-CH=CH2
Q:
R:
注:本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。