2024-2025学年高中化学专题2有机物的结构与分类1-2同分异构体学案苏教版选修5

PAGE19-第2课时同分异构体1．同分异构体化合物具有相同的分子式，但具有不同结构式的现象，叫做同分异构现象。具有同分异构现象的化合物互称为同分异构体。同分异构现象普遍存在于有机化合物中，它是有机物种类繁多的重要缘由之一。同分异构体之间的转化是化学改变。在有机化合物中，当碳原子数目增多时，同分异构体的数目也就越多。2．同分异构现象的类别(1)碳链异构，是由于碳原子的排列方式不同产生的异构现象。烷烃中的同分异构体均为碳链异构，如C5H12有三种同分异构体，即正戊烷、异戊烷、新戊烷。(2)位置异构，是由于官能团位置不同产生的异构现象，如CH3CH=CHCH3和CH2=CH—CH2—CH3。(3)官能团异构，是由于具有不同的官能团而产生的异构现象。如CH≡C—CH2—CH3与CH2=CH—CH=CH2、丙烯与环丙烷、乙醇与甲醚、丙醛与丙酮、乙酸与甲酸甲酯、葡萄糖与果糖、蔗糖与麦芽糖、硝基乙烷与甘氨酸等。(4)立体异构，有机化合物具有相同的组成和相同的结构，而原子在分子中的空间排列状况不同，这种异构称为立体异构。立体异构又分为顺反异构和对映异构。CH3—CH=CH—CH3存在顺反异构，甲基在双键同一侧的，称为顺－2－丁烯；甲基在双键两侧的，称为反－2－丁烯。乳酸存在对映异构，两种分子互为镜像。立体异构现象广泛存在于自然界中，立体异构和生命现象有着紧密的联系。如某些昆虫的信息素具有一个或多个碳碳双键，它们通常存在顺反异构。同样，生命体对手性分子也有着奇妙的识别实力。探究点一同分异构现象和同分异构体一、同分异构现象产生的缘由同分异构现象产生的缘由是有机化合物分子内部通常含有较多的原子，分子内部原子结合的依次和成键方式不同。但并不是全部分子都有同分异构体，例如CH4、C2H6等就没有同分异构体。同分异构体的性质有较大差异，这是因为结构不同所导致的结果。二、对同分异构体的理解(1)分子结构式的写法与分子真实结构的差别。如是同种物质，而不是同分异构体。(2)同分异构体的分子式、相对分子质量、最简式都相同，但相对分子质量相同的化合物不肯定是同分异构体，如C2H6与HCHO；最简式相同的化合物也不肯定是同分异构体，如C2H2与C6H6。(3)同分异构体结构不同，性质不同，是不同的物质；但可以是同一类物质，也可以是不同类物质。(4)同分异构体不仅存在于有机物和有机物之间，也存在于有机物和无机物之间，如尿素[CO(NH2)2，有机物]和氰酸铵(NH4CNO，无机物)互为同分异构体。三、同分异构体的性质①熔、沸点凹凸与支链多少有关，一般支链越多熔沸点越低。如沸点：正戊烷>异戊烷>新戊烷。②化学性质：同类异构性质相像，不同类异构存在差异性。四、同分异构体的类型同分异构现象eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(结构异构\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(碳骨架异构,\a\vs4\al(官能团,异构)\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(官能团位置异构,官能团类型异构)))),立体异构\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(顺反异构,对映异构))))(1)碳骨架异构：因碳链的不同而形成的异构体，也称为碳链异构。如戊烷的三种同分异构体，它们都是因为碳链的不同而形成的同分异构。警示：无论带支链的烷烃还是不带支链的烷烃，碳链都不是直线形的，而是锯齿形的。但是在表示结构时，为了便于书写均用直线形的表示。例如：是同一种物质，不是同分异构体。(2)位置异构：分子中取代基或官能团在碳链(碳环)上的位置不同而引起的异构现象。如：CH2=CH—CH2—CH3与CH3—CH=CH—CH3，等。(3)官能团异构：指的是分子中官能团不同而分属不同类物质的异构体。如：HC≡C—CH2—CH3与H2C=CH—CH=CH2，CH2=CH—CH3与，CH3CH2OH与CH3—O—CH3等。(4)顺反异构：当有机物分子中含有碳碳双键且每个双键碳原子所连的另外两个原子或基团不同时，就存在顺反异构现象。如2－丁烯就有顺－2－丁烯和反－2－丁烯两种顺反异构体。(5)对映异构：当有机物分子中的饱和碳原子连接着4个不同的原子或原子团(又叫手性碳原子)时，就可能存在对映异构现象，而使分子表现出不同的性质。对映异构体就像人的左右手，看似相同而不能完全重合的化合物分子。例如，丙氨酸的两种对映异构体如图所示。楔形式：用楔状的图形来表示有机化合物空间相对位置的图形，叫有机化合物的楔形式，如图就是甲烷分子的楔形式。“”连接的两个原子一个表示在纸的平面上，另一个在平面的下方；“”连接的两个原子一个表示在纸的平面上，另一个在平面的上方；“|”连接的两个原子都在纸的平面上。1．同分异构体的物理性质肯定不同，化学性质肯定相同吗？提示：同分异构体的结构不同，故其物理性质肯定不同，但化学性质要看同分异构体的类别，相同类别的同分异构体的化学性质相像，如己烷的五种同分异构体的化学性质相像；但不同类别的同分异构体的化学性质不同，如乙酸与甲酸甲酯。2．分子式为C5H10的有机化合物可以属于哪些类别？提示：可以是烯烃、环戊烷，也可以是带支链的环丁烷、环丙烷等。【例1】下列说法正确的是()A．凡是分子组成相差一个或几个CH2原子团的物质，彼此肯定是同系物B．两种化合物组成元素相同，各元素养量分数也相同，则二者肯定是同分异构体C．相对分子质量相同的几种化合物，互称为同分异构体D．组成元素的质量分数相同，且相对分子质量也相同的不同化合物，肯定互为同分异构体【思路分析】(1)同系物的推断应留意两点：一是结构相像，它是指分子中具有相同的官能团，且官能团的个数也要相同(即属于同一类物质)；二是组成上相差一个或若干个CH2原子团。(2)同分异构体的推断也应留意两点：一是分子式相同，也就是组成相同；二是结构不同，主要表现为原子或原子团的排列依次不同。【解析】A项分子组成相差一个或若干个CH2原子团的物质，其分子结构不肯定相像，如CH3—CH=CH2与，A说法错误；B项若两种化合物组成元素相同，各元素的质量分数也相同，则它们的最简式必定相同，最简式相同的化合物可能是同分异构体，也可能是非同分异构体，如CH3(CH2)2CH3和CH3CH(CH3)2、CH2=CH2和CH2=CH—CH3，B说法错误；C项相对分子质量相同的物质是许多的，如无机物中的H2SO4和H3PO4，又如有机物里的C2H6O(乙醇)与CH2O2(甲酸)，这些物质都具有相同的相对分子质量，但由于它们的分子组成不同，所以它们不是同分异构体，C说法错误；D项当不同化合物组成元素的质量分数相同，相对分子质量也相同时，其分子式肯定相同，因此这样的不同化合物互为同分异构体。【答案】D下列说法中不正确的是(A)A．各组成元素养量分数相同的烃是同一种烃B．结构相像，组成上相差一个或若干个CH2原子团的有机物是同系物C．分子式相同而结构不同的有机物肯定是同分异构体D．C3H6和C4H8不肯定是同系物解析：C2H2与C6H6两种烃，C与H的质量分数均相同，但前者是炔烃，后者是芳香烃，不是同一种烃，A错误；同系物是指结构相像，组成上相差一个或若干个CH2原子团的有机物，B正确；分子式相同而结构不同的有机物互为同分异构体，C正确；C3H6、C4H8可以是烯烃也可以是环烷烃，二者不肯定是同系物，D正确。探究点二烯烃的顺反异构1．概念由于碳碳双键不能旋转而导致分子中原子或原子团的空间排列方式不同所产生的异构现象，称为顺反异构。(1)顺式结构：两个相同的原子或原子团排列在双键的同一侧，称为顺式结构，如顺­2­丁烯。(2)反式结构：两个相同的原子或原子团分别排列在双键的两侧，称为反式结构，如反­2­丁烯。拓展：(1)顺式结构和反式结构的原子或原子团的连接依次以及双键的位置均相同，区分仅仅是原子或原子团在空间的排列方式不同。(2)假如用a、b、c表示双键碳原子上的原子或原子团，那么，因双键所引起的顺反异构可以表示如下(其中前两种为顺式结构，后两种为反式结构)。2．性质特点互为顺反异构体的两种有机物，化学性质基本相同，物理性质有肯定的差异。如下表所示：3.产生条件(1)分子中存在着限制原子或原子团自由旋转的因素，如碳碳双键。(2)组成双键的碳原子必需连接两个不同的原子或原子团，如均可产生顺反异构现象。烷烃是否也存在顺反异构现象？为什么？提示：不存在。因为碳碳单键能够自由旋转。【例2】下列烯烃中存在顺反异构体的是()A．CH3CH=CH2B．CH2=CH—CH2—CH3C．CH3—CH=CH—CH2—CH3D．【思路分析】解答本题的思路如下：eq\x(\a\al(四个选项,中烯烃的,结构特点))eq\o(→,\s\up17(分析烯烃每个双键碳原子上是否),\s\do15(连有两个不同的原子或原子团))eq\x(\a\al(选出合理,的选项))【解析】A项，CH3CH=CH2中双键碳原子一端连接的是两个相同的氢原子，所以不存在顺反异构体；B项，CH3CH2CH=CH2中双键碳原子一端连接的也是两个相同的氢原子，所以也不存在顺反异构体；C项，CH3CH=CHCH2CH3中双键碳原子一端连接的是甲基和氢原子，双键碳原子另一端连接的是乙基和氢原子，所以存在顺反异构体；D项，中双键碳原子一端连接的是两个相同的甲基，所以不存在顺反异构体。【答案】C已知互为同分异构体，则分子式为C3H5Cl的链状化合物的同分异构体有(B)A．3种 B．4种C．5种 D．6种解析：本题所给信息为顺反异构体，则C3H5Cl的链状化合物的同分异构体有CH2=CHCH2Cl(不存在顺反异构体)、CH3CH=CH—Cl(存在顺反异构体)、(不存在顺反异构体)，C3H5Cl的同分异构体共有4种。探究点三同分异构体的书写1．降碳对称法(适用于碳链异构)可总结为四句话：主链由长到短，支链由整到散，位置由心到边，碳满四价。下面以C7H16为例，写出它的同分异构体：(1)将分子写成直链形式：CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH3。(2)从直链上去掉一个—CH3，依次连在剩余碳链中心对称线一侧的各个碳原子上。甲基可连在2,3号碳上：，依据碳链中心对称，将—CH3连在对称轴的右侧就会与左侧连接方式重复。(3)再从主链上去掉一个碳，可形成一个—CH2CH3或两个—CH3，即主链变为：。当取代基为—CH2CH3时，由对称关系只能接在3号碳上。当取代基为两个甲基时，在主链上先定一个甲基，依据位置由近至远的依次依次移动另外一个甲基，留意不要重复。即两个甲基可分别连接的碳原子号码是：2和2、2和3、2和4、3和3。2．取代法(适用于醇、卤代烃异构)先碳链异构，后位置异构。如书写分子式为C5H12O的醇的同分异构体，如图(图中数字即为—OH接入后的位置，即这样的醇合计为8种)：3．插入法(适用于烯烃、炔烃、酯等)先依据给定烷基的碳原子数，写出烷烃的同分异构体的碳骨架，再依据碳链的对称性，将官能团插入碳链中，最终用氢原子补足碳的4个价键。如书写分子式为C5H10O的酮的同分异构体，如图所示。再如，书写分子式为C4H8的烯烃的同分异构体。插入的双键可分别在①、②、③号位置4．书写规律(1)烷烃只存在碳链异构，书写时要留意全面而不重复。详细规则如下：成直链，一条线；摘一碳，挂中间，往边移，不到端；摘二碳，成乙基；二甲基，同、邻、间。(2)具有官能团的有机化合物，一般按碳链异构→位置异构→官能团异构逐一考虑，这样可避开重复和漏写。写出符合下列条件的同分异构体的结构简式。(1)分子中含有一个苯环；(2)且分子式为C8H10。提示：留意侧链有两个碳原子，可作为两个甲基，也可作为一个乙基(简单遗漏一个乙基的状况)，符合条件的有以下四种：【例3】某化合物A的分子式为C5H11Cl，分析数据表明，分子结构有两个—CH3，两个—CH2—，一个CH和一个—Cl，它的可能结构只有4种，请写出这4种可能的结构简式________、________、________、________。【思路分析】依据四种基团的特点，结合题目要求干脆写出结构简式，也可先写出C5H12的同分异构体，再用氯原子取代一个氢，且要满意题干中的要求。【解析】题中要求有两个甲基，则可分析得到：(1)假如结构为直链，则氯原子不能在一端(否则将只有一个甲基)，有两种：(2)若有一个支链，则氯原子只能接在一端(否则会出现三个甲基)，有两种：(3)假如有两个支链，则分子中甲基数将大于或等于3个，不符。【答案】烷基取代苯可以被KMnO4的酸性溶液氧化成，但若烷基—R中干脆与苯环连接的碳原子上没有C—H键，则不简单被氧化得到，现有分子式为C11H16的一烷基取代苯，已知它可以被氧化的异构体有7种，其中的3种是请解析：从题意可知，该苯的同系物的各同分异构体的苯环上都只有一个侧链，在写其同分异构体时，可以把苯环看作是C5H12的一个取代基，这样只要写出—C5H11的8种同分异构体，把其中的结构去掉，此题即可解决。探究点四同分异构体数目的推断1．基元法：例如丁基(—C4H9)的结构有4种，则丁醇(C4H9—OH)、戊醛(C4H9—CHO)、戊酸(C4H9—COOH)的同分异构体均为4种。2．换元法：此法适用于确定烃的多元取代物的同分异构体，其详细方法是：有机物CnHm形成的CnHm－aXa与CnHaXm－a(a≤m)具有相同的异构体数，即确定这类型有机物的同分异构体数目时，可以将未取代的氢(或其他原子或基团)与取代基交换。如二氯苯(C6H4Cl2)有3种同分异构体，则四氯苯(C6H2Cl4)同分异构体也为3种。3．等效氢法：有机物分子中，位置等同的氢原子称为等效氢，明显有多少种等效氢，其一元取代物就有多少种。这种通过等效氢来确定一元取代物同分异构体数目的方法，叫等效氢法。(1)同一碳原子上的氢原子等效，如—CH3上的3个氢原子等效。(2)同一碳原子上所连甲基氢原子都是等效的。如新戊烷中四个甲基上的氢原子都是等效的。(3)同一分子中处于轴对称位置或镜面对称位置上的氢原子是等效的。如分子中，在苯环所在的平面内有两条相互垂直的对称轴，故有两类等效氢。4．定一移二法：对于二元取代物的同分异构体的判定，可固定一个取代基位置，再移动另一个取代基，以确定其同分异构体的数目。分子里碳原子数不超过10个的全部烷烃，一氯代物只有一种的烷烃有几种？提示：4种。若烷烃的一氯代物只有一种，则此烷烃分子中全部的氢原子必需全部是等效的，碳原子数不超过10个的全部烷烃中氢原子全部是等效氢的只有四种，分别为CH4、CH3CH3、【例4】下列烃的一氯代物只有2种的是()【思路分析】推断等效氢原子须要找有机物分子的对称轴，找准找全对称轴是解这类题目的关键。【解析】A项，有三种等效氢原子，其一氯代物有三种；B项，有四种等效氢原子，其一氯代物有四种；对称轴，有三种等效氢原子，其一氯代物有三种；D项对称轴，有两种等效氢原子，其一氯代物有两种。【答案】D下列化合物中同分异构体数目最少的是(A)A．戊烷 B．戊醇C．戊烯 D．乙酸乙酯解析：戊烷的同分异构体有3种，分别为正戊烷、异戊烷和新戊烷。戊醇的分子式为C5H12O，其同分异构体可以看成是在戊烷的3种同分异构体中不同种碳氢单键、碳碳单键(C—H、C—C)之间插入氧原子(O)形成的，正戊烷分子中有3种碳氢单键和2种碳碳单键，插入氧原子后可以形成3种醇和2种醚，已经比戊烷的异构体多。正戊烷相邻碳原子间脱氢形成2种戊烯，正戊烷不相邻碳原子间脱氢形成3种环烷烃(环戊烷、甲基环丁烷、乙基环丙烷)，已经比戊烷的同分异构体多。乙酸乙酯的常见异构体有甲酸正丙酯、甲酸异丙酯、丙酸甲酯、丁酸等，已经超过3种。1．下列叙述中正确的是(C)A．分子式相同，元素百分含量也相同的物质是同种物质B．通式相同的不同物质肯定属于同系物C．分子式相同的不同物质肯定是同分异构体D．相对分子质量相同的不同物质肯定是同分异构体解析：本题考查同种物质、同系物、同分异构体的概念。分子式相同，结构不肯定相同，所以不肯定是同种物质。通式相同的不同物质不肯定是同系物，可能是同分异构体。相对分子质量相同，分子式不肯定相同。故正确答案为C。2．互称为同分异构体的物质不行能(B)A．具有相同的相对分子质量 B．具有相同的结构C．具有相同的通式 D．具有相同的分子式解析：依据同分异构体的概念分析推断，具有相同的分子式、不同结构的化合物互称为同分异构体，即同分异构体的分子式相同、结构不同、物理性质不同、不同类时化学性质不同。互为同分异构体的物质，分子式相同，肯定具有相同的相对分子质量，故A不符合题意；互为同分异构体的物质，分子式肯定相同、结构肯定不同，故B符合题意，D不符合题意；互为同分异构体的物质，分子式相同，具有相同的通式，故C不符合题意。3．分子式为C5H12O且可与金属钠反应放出氢气的有机物有(不考虑立体异构)(D)A．5种 B．6种C．7种 D．8种解析：分子式为C5H12O的有机物能与金属钠反应放出氢气，说明分子中含有羟基(—OH)，该有机物为戊醇，戊基(—C5H11)可能的结构有—CH2CH2CH2CH2CH3、—CH(CH3)CH2CH2CH3、—CH(CH2CH3)2、—CH2CH(CH3)CH2CH3、—C(CH3)2CH2CH3、—CH(CH3)CH(CH3)2、—CH2CH2CH(CH3)2、—CH2C(CH3)34．下列化合物分别跟溴和铁粉反应，苯环上的氢原子被取代，所得一溴代物有两种同分异构体的是(B)解析：苯的同系物在苯环上的一元取代物的同分异构体种数只需分析苯环上氢原子的种数。A有3种；B有2种；C有3种；D只有1种。5．分子式为C5H10O2的全部酯类的同分异构体共有(不含立体异构)(C)A．7种 B．8种C．9种 D．10种解析：若为甲酸和丁醇酯化形成的酯类，丁醇有4种，则形成的酯有4种：HCOOCH2CH2CH2CH3、HCOOCH2CH(CH3)2、HCOOCH(CH3)CH2CH3、HCOOC(CH3)3；若为乙酸和丙醇酯化形成的酯类，丙醇有2种，则形成的酯有2种：CH3COOCH2CH2CH3、CH3COOCH(CH3)2；若为丙酸和乙醇酯化形成的酯类，丙酸有1种，则形成的酯有1种：CH3CH2COOCH2CH3；若为丁酸和甲醇酯化形成的酯类，丁酸有2种，则形成的酯有2种：CH3CH2CH2COOCH3、(CH3)2CHCOOCH3，共有9