高考化学一轮复习教师用书 63 第十二章　第59讲　有机化合物的空间结构　同系物　同分异构体

第59讲有机化合物的空间结构同系物同分异构体[课程标准]1.掌握有机化合物中原子的共线与共面个数的判断。2.了解同系物、同分异构体的概念。3.掌握有机化合物中同分异构体的书写与判断。考点一有机化合物的空间结构1．熟记四种基本模型(1)甲烷分子中所有原子一定不共平面，最多有3个原子处在一个平面上，即分子中碳原子若以四个单键与其他原子相连，则所有原子一定不能共平面(如图1)。(2)乙烯分子中所有原子一定共平面，若用其他原子代替其中的任何H原子，所得有机物中的所有原子仍然共平面(如图2)。(3)苯分子中所有原子一定共平面，若用其他原子代替其中的任何H原子，所得有机物中的所有原子也仍然共平面(如图3)。(4)乙炔分子中所有原子共直线，若用其他原子代替H原子，所得有机物中的所有原子仍然共直线(如图4)。2．注意碳碳单键的旋转碳碳单键两端碳原子所连原子或原子团能以“C－C”为轴旋转，例如，因①键可以旋转，故的平面和确定的平面可能重合，也可能不重合。因而分子中的所有原子可能共面，也可能不共面。3．结构不同的基团连接后原子共面分析(1)直线与平面连接，则直线在这个平面上。如苯乙炔，所有原子共平面。(2)平面与平面连接：如果两个平面结构通过单键相连，由于单键的旋转性，两个平面可以重合，但不一定重合。(3)平面与立体连接：如果甲基与平面结构通过单键相连，则由于单键的旋转性，甲基的一个氢原子可能暂时处于这个平面上。4．审准题目要求题目要求中常有“可能”“一定”“最多”“最少”“所有原子”“碳原子”等限制条件。如分子中所有原子可能共平面，分子中所有碳原子一定共平面而所有原子一定不能共平面。[正误辨析](1)结构中若出现一个饱和碳原子，则整个分子不可能共平面()(2)结构中每出现一个碳碳双键，则最多6个原子共面()(3)结构中每出现一个碳碳三键，则至少4个原子共线()学生用书第287页(4)结构中每出现一个苯环，则最多有12个原子共面()(5)与或直接相连的原子一定共面()答案：(1)√(2)×(3)√(4)×(5)√1．有机物分子中最多有个碳原子在同一平面内，最多个原子在同一条直线上，与苯环共面的碳原子至少有个。解析：以碳碳双键为中心，根据乙烯、苯、乙炔、甲烷的结构，可以画出如图所示结构：由于碳碳单键可以绕轴自由旋转，炔直线一定在苯平面内，苯平面和烯平面可能共面，也可能不共面。因而该有机物分子中的所有碳原子可能共面，最多有11个碳原子共面，至少有6＋2＋1＝9个碳原子在苯平面内。由于苯分子、乙烯分子的键角均为120°，炔直线与所在苯环正六边形对角线上的碳原子共线，因而5个碳原子和炔基上的1个氢原子共线，即5＋1＝6。答案：11692．某有机物结构为，回答下列问题。(1)最多有个碳原子在同一条直线上。(2)最多有个碳原子在同一平面上。(3)最多有个原子在同一平面上。解析：以碳碳双键为中心，根据乙烯、苯、乙炔、甲烷的结构，可以画出如图所示结构：答案：(1)4(2)13(3)21考点二同系物同分异构体1．同系物(1)定义：结构相似，在分子组成上相差一个或若干个CH2原子团的物质互称为同系物。(2)特点：官能团种类、数目均相同；具有相同的分子通式。(3)性质：同系物的化学性质相似，物理性质呈现一定的递变规律。2．同分异构现象同分异构体(1)定义：分子式相同、结构不同的现象称为同分异构现象。存在同分异构现象的化合物互为同分异构体。(2)同分异构体类型异构类型形成途径示例碳架异构碳骨架不同而产生的异构CH3CH2CH2CH3和位置异构官能团位置不同而产生的异构CH2=CH—CH2—CH3和CH3—CH=CH—CH3官能团异构官能团种类不同而产生的异构CH3CH2OH与CH3—O—CH3顺反异构碳碳双键两端的原子或原子团在空间的排列方式不同而产生的异构(3)常见官能团异构组成通式可能的类别CnH2n烯烃、环烷烃CnH2n－2炔烃、二烯烃、环烯烃CnH2n＋2O醇、醚CnH2nO醛、酮、烯醇、环醇、环醚CnH2nO2羧酸、酯、羟基醛、羟基酮CnH2n－6O酚、芳香醇、芳香醚CnH2n＋1NO2硝基烷烃、氨基酸(1)烃基法：将有机物看作由基团连接而成，由基团的异构数目可推断有机物的异构体数目。如：丁基有4种，C4H9Cl、C4H9OH、C4H9COOH均为4种。(2)代换法：将有机物分子中的不同原子或基团换位进行思考。如：乙烷分子中共有6个H，若有一个氢原子学生用书第288页被Cl取代所得一氯乙烷只有一种结构，那么五氯乙烷也只有一种。假设把五氯乙烷分子中的Cl看作H，而H看成Cl，其情况跟一氯乙烷完全相同，故五氯乙烷也有一种结构。同理二氯乙烷和四氯乙烷均有2种，二氯苯和四氯苯均有3种。(3)等效氢法：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氢原子等效；③分子中处于对称位置上的氢原子等效。(4)定一移一法：分析二元取代产物的方法：如分析C3H6Cl2的同分异构体数目，可先固定其中一个氯原子位置，然后移动另一个氯原子。(5)组合法：饱和酯R1COOR2，—R1有m种，—R2有n种，则酯共有m×n种。[正误辨析](1)烷烃(CnH2n＋2)从丁烷开始有同分异构体，n值越大，同分异构体种数越多()(2)分子式为C3H6和C4H8的两种有机物一定互为同系物()(3)CH2Cl2不存在同分异构体()(4)与互为官能团异构()(5)同分异构体可以是同一类物质，也可以是不同类物质()答案：(1)√(2)×(3)√(4)×(5)√1．写出C7H16的同分异构体(用碳架结构表示)。2．写出C4H10O的同分异构体(只写出骨架和官能团)。答案：eq\a\vs4\al(反思归纳)烷烃同分异构体的书写技巧——减碳法3．某有机物的化学式为C8H8O2，写出符合下列条件的有机物的结构简式。①含有苯环；②属于酯类。答案：4．M的结构简式如图，它的同分异构体有多种，写出符合下列条件的一种同分异构体结构简式：。①能与FeCl3溶液发生显色反应②能发生银镜反应③核磁共振氢谱有4个峰答案：、(任选一种)eq\a\vs4\al(反思归纳)含苯环同分异构体数目的确定技巧1．若苯环上连有2个取代基，其结构有邻、间、对3种。2．若苯环上连有3个相同的取代基，其结构有3种。3．若苯环上连有—X、—X、—Y3个取代基，其结构有6种。4．若苯环上连有—X、—Y、—Z3个不同的取代基，其结构有10种。学生用书第289页真题演练明确考向1．(2022·1浙江选择考，15)关于化合物，下列说法正确的是()A．分子中至少有7个碳原子共直线B．分子中含有1个手性碳原子C．与酸或碱溶液反应都可生成盐D．不能使酸性KMnO4稀溶液褪色C[A.图中所示的C理解为与甲烷的C相同，故右侧所连的环可以不与其在同一直线上，分子中至少有5个碳原子共直线，A错误；B．，分子中含有2个手性碳原子(箭头所指)，B，与酸或碱溶液反应都可生成盐，C，能使酸性KMnO4稀溶液褪色，D错误。]2．[2022·广东选择考，21(5)]化合物有多种同分异构体，其中含OC结构的有种，核磁共振氢谱图上只有一组峰的结构简式为。解析：化合物的分子式为C3H6O，其同分异构体中含有，则符合条件的同分异构体有，共2种，其中核磁共振氢谱中只有一组峰的结构简式为。答案：23．[2022·6浙江选择考，31(5)]写出同时符合下列条件的化合物的同分异构体的结构简式。①1H－NMR谱和IR谱检测表明：分子中共有3种不同化学环境的氢原子，有N－H键。②分子中含一个环，其成环原子数≥4。解析：化合物的分子式为C5H12N2，其同分异构体有3种等效氢，含有N—H键，且分子中含有一个环，其成环原子数≥4，则这样的结构有、、、。答案：、、、4．[2021·河北选择考，18(2)]有多种同分异构体，其中能同时满足下列条件的芳香族化合物的结构简式为、。①可发生银镜反应，也能与FeCl3溶液发生显色反应；②核磁共振氢谱有四组峰，峰面积比为1∶2∶2∶3。解析：CHOO—HO的同分异构体满足：①可发生银镜反应，也能与FeCl3溶液发生显色反应，说明结构中含有醛基和酚羟基，根据不饱和度可知该结构中除醛基和苯环外不含其他不饱和键，②核磁共振氢谱有四组峰，峰面积比为1∶2∶2∶3，说明该结构具有对称性，根据该结构中氧原子数可知该结构中含有1个醛基、2个酚羟基、1个甲基，满足该条件的同分异构体结构简式为。答案：课时精练(五十九)有机化合物的空间结构同系物同分异构体eq\a\vs4\al(\f(对应学生,用书P473))(本栏目内容，在学生用书中以独立形式分册装订！)1．下列化合物分子中的所有碳原子不可能处于同一平面的是()A．甲苯 B．硝基苯C．2­甲基丙烯 D．2­甲基丙烷D[2­甲基丙烷可以看作甲烷分子中3个氢原子被3个甲基代替，这4个碳原子不可能在同一平面上，D项符合题意。]2．分子式为C7H8，分子中含有苯环的烃的一氯代物有()A．3种B．4种C．5种D．7种B[依据信息可知该烃为，该有机物中等效氢为4种，分别为，其一氯代物有4种。]3．分子式为C4H8BrCl的有机物共有(不含立体异构)()A．8种B．10种C．12种D．14种C[C4H8BrCl可看成是C4H10分子中的2个H被1个Br和1个Cl取代得到的产物。C4H10有正丁烷和异丁烷2种，被Br和Cl取代时，可先确定Br的位置，再确定Cl的位置。正丁烷的碳骨架结构为，Br分别取代1号碳原子和2号碳原子上的氢原子时，Cl均有4种位置关系，异丁烷的碳骨架结构为，Br分别取代1号碳原子和2号碳原子上的氢原子时，Cl分别有3种和1种位置关系，综上可知C4H8BrCl共有12种结构，C项正确。]4．苯环上的一氯代物只有一种的的同分异构体(不考虑立体异构)有()A．6种B．5种C．4种D．3种C[本题易因不会巧妙利用结构的对称性而出错。苯环上的一氯代物只有一种就意味着苯环上只有一种类型的H原子。则整个结构需要高度对称，符合条件的同分异构体有、、，C项正确。]5．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．乙酸乙酯答案：A6．分子式为C5H10O2，并能与饱和NaHCO3溶液反应放出气体的有机物有(不含立体异构)()A．3种B．4种C．5种D．6种B[由该有机物的分子式及其能与饱和NaHCO3溶液反应放出气体这一性质可知，该有机物属于饱和一元羧酸，其分子组成可表示为C4H9—COOH，丁基(—C4H9)有4种结构，所以该有机物有4种同分异构体，B项正确。]7．有机物C4H9ClO的同分异构体中(不考虑羟基与氯原子在同一个碳原子上)，能与Na反应放出氢气的共有(不含立体异构)()A．8种B．9种C．10种D．12种B[有机物C4H9ClO的同分异构体中能与Na反应放出氢气，说明其分子中含有羟基，该有机物可以看作Cl取代丁醇中氢原子形成的。丁醇的同分异构体有：CH3CH2CH2CH2OH、CH3CH2CH(CH3)OH、(CH3)3COH、CH3CH(CH3)CH2OH，共4种。其中CH3CH2CH2CH2OH分子的烃基中含有4种等效H，不考虑羟基与氯原子在同一个碳原子上时，其一氯代物有3种；CH3CH2CH(CH3)OH分子的烃基中含有4种H原子，不考虑羟基与氯原子在同一个碳原子上时，其一氯代物有3种；(CH3)3COH分子中的烃基中含有1种H，其一氯代物有1种；CH3CH(CH3)CH2OH分子的烃基上含有3种等效H，不考虑羟基与氯原子在同一个碳原子上时，其一氯代物有2种，根据分析可知，有机物C4H9ClO的同分异构体中能与Na反应放出氢气的共有3＋3＋1＋2＝9种，故选B。]8．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D[分子式为C5H10O2的酯可能是HCOOC4H9、CH3COOC3H7、C2H5COOC2H5、C3H7COOCH3，其水解得到的醇分别是C4H9OH(有4种)、C3H7OH(有2种)、C2H5OH、CH3OH，水解得到的酸分别是HCOOH、CH3COOH、CH3CH2COOH、C3H7COOH(有2种)。C4H9OH与上述酸形成的酯有4＋4＋4＋4×2＝20种；C3H7OH与上述酸形成的酯有2＋2＋2＋2×2＝10种；C2H5OH、CH3OH与上述酸形成的酯都是1＋1＋1＋1×2＝5种，以上共有40种。]9．利用Heck反应合成一种药物中间体需要经历下列反应过程。有关说法错误的是()A．a、b、c中只有a是苯的同系物B．c既可发生氧化反应也可发生聚合反应C．a、b、c中所有碳原子均有可能共面D．b的同分异构体中属于芳香族化合物的有12种D[，b中含有氯原子，c中含有碳碳双键，b、c结构与苯均不相似，因此三种物质中只有a是苯的同系物，A，所以c既可发生氧化反应也可发生聚合反应，，且单键可以旋转，所以a、b、c中所有碳原子均有可能共面，C，如果只有一个取代基，该取代基是—CH2CH2Cl，如果有两个取代基，可以是—CH3和—CH2Cl或—CH2CH3和—Cl，均有邻间对三种，如果含有3个取代基，分别是2个甲基和1个氯原子，有6种不同结构，因此共计是13种，D错误。]10．关于化合物1，4­二氢萘()，下列说法正确的是()A．是苯的同系物B．分子中所有原子处于同一平面C．一氯代物有3种(不考虑立体异构)D．与互为同分异构体D[，1，4­二氢萘除含一个苯环外还有一个环，二者结构不相似，故二者不互为同系物，A，碳碳双键为平面结构，但分子结构中含有亚甲基，分子中所有原子不可能处于同一平面上，B，4­二氢萘上下对称，有4种氢原子()，故一氯代物有4种(不考虑立体异构)，C错误；D.和的分子式相同，均为C10H10，但结构不同，互为同分异构体，D正确。]11．(1)写出分子式为C7H6O2的含有苯环的所有同分异构体的结构简式：。(2)与苯氯乙酮()互为同分异构体，且能发生银镜反应，分子中含有苯环，但不含—CH3的化合物有多种，它们的结构简式是、，还有、、、(根据本题要求，必须写出全部同分异构体，但不一定填满)。12．判断下列特定有机物的同分异构体的数目。(1)分子式是C8H8O2的芳香酯的化合物有种。(2)有机物HOCOOH有多种同分异构体，其中含有1个醛基和2个羟基的芳香族化合物有种。(3)有机物的同分异构体很多，符合下列条件的同分异构体有种。①苯的衍生物②含有羧基和羟基③分子中无甲基解析：(1)C8H8O2可拆成C6H5—C2H3O2，甲酸的酯有4种，分别是、、；乙酸的酯有1种：；苯甲酸的酯有1种：，共6种。(2)将中的羧基—COOH拆成—CHO和—OH，可以使苯甲醛的2个苯环氢原子被2个羟基取代，方法是逐一取代，一羟基取代物有，二羟基取代物有、，共6种。(