碳链异构有关的同分异构体书写补遗

朱全欢

一、研究背景

纵览以往各年高考化学真题，有机物同分异构体数量的判断以及书写每年均有涉及，甚至有些年份选择题和大题都会考查到。虽然目前不乏相关碳链异构体书写的研究，但方法指向性不够明确，并未说明减到什么时候为止，进而导致学生解答该类题时经常遗漏和重复。碳链肯定不可能无限度地递减下去，即主链的递减是有限度的。那么，主链最低限度碳原子数如何求解？

二、书写方法梳理

减碳指向性明确后，要使书写出的碳链异构有关的同分异构体确切、完整，有序的分析方法必不可少，可以按碳链异构→官能团或取代基位置异构→官能团异构的次序分析书写，同样也可以按官能团异构→碳链异构→官能团或取代基位置异构的次序分析书写，由此可见碳链异构是碳链异构体书写的基石，现将碳链异构书写技巧总结如下：

（1）计算主链最低限度碳原子数。

以分子式为CnH2n+2的烷烃作范例，设异构体中主链最低限度碳原子数等于y，

若3x≤n<2×3x且x为自然数

则y=2x+1

或若2×3x≤n<3x+1且x为自然数

则y=2x+2

（2）写出碳原子数为n的直碳链。

（3）写出碳原子数为（n-1）的直碳链，把去掉的那个碳原子作为支链（甲基），依次由中心朝某一边连在等效碳原子上。

（4）写出碳原子数为（n-2）的直碳链，可以把去掉的两个碳原子作为一个支链（乙基），也可以把去掉的两个碳原子作为两个支链（甲基），并按序变动其位置（要防止重复），有多个支链时，移动由中心朝某一边，按对、邻、间的次序排布。

（5）以此类推，直至将碳原子数减至主链最低限度碳原子数，然后以添加氢原子的形式使所有的碳原子价键都等于四。

以下，笔者结合实例，阐述利用减碳法、取代法、插入法和定一移一法书写碳链异构体的同分异构体的解题策略。

1.减碳法（适用于碳链异构）

书写时，主链碳依次减少，支链按序变动在主链上变换位置（注意：结合等效碳，甲基不能接在主链上头或尾的碳原子上，乙基不能接在2号位或倒数第2个碳原子上，以此类推）。

例1.书写分子式符合C6H14的全部同分异构体的结构简式。

解析：

（1）将n=6带入两个不等式得

3x≤6<2×3x①，2×3x≤6<3x+1②

经计算，因x要为自然数，所以①式无解;x为自然数1时②式成立，则主链最低限度碳原子数y=2x+2=4。

（2）碳原子数为6

（3）碳原子数减少为5

（4）碳原子数减少为4

（5）由计算可知主链最低限度碳原子数为4，主链碳原子已经不能再减，然后以添加氢原子的形式使所有的碳原子价键都等于四，即可得到分子式符合C6H14的5种同分异构体（对应结构简式省略）。

2.取代法

卤代烃、醇、醛、羧酸等，对于其同分异构体的书写，可以看成是烷烃分子中的氢原子被卤素原子、羟基、醛基、羧基等取代而成，先将卤素原子、羟基、醛基、羧基等单独提出，然后写出碳链异构，据碳链的对称性，找出等效碳，将其他原子或原子团接到碳链上，然后以添加氢原子的形式使所有的碳原子价键都等于四。

例2.分子式为C5H10O并能发生银镜反应的有机物有（不含立体异构） （ ）

A. 3种 B. 4种 C. 5种 D. 6种

解析：由分子式可知该有机物不饱和度为1，由能发生银镜反应可知其含有—CHO，综合上述可将其变形为C4H9—CHO，即其可看成是1个—CHO取代了C4H10上的1个氢原子，先找出C4H10上的碳链异构，再将—CHO依次接到碳链上。

（1）将n=4带入两个不等式得

3x≤4<2×3x①，2×3x≤4<3x+1②

解①、②两个不等式可知，①式当x为自然数1时不等式成立，而②式不存在使其成立的满足x为自然数的值，则主链最低限度碳原子数y=2x+1=3。

（2）先写出碳原子数为4的直碳链，根据碳链的对称性，将—CHO接到如箭头所示等效碳上。

（3）写出碳原子数为3的直碳链，把去掉的一个碳原子当作支链依次连在对称轴一侧的碳原子上，据碳链的对称性，将—CHO接到如箭头所示等效碳上。

（4）由计算可知主链最低限度碳原子数为3，主链碳原子已经不能再减，然后以添加氢原子的形式使所有的碳原子价键都等于四，即可得到题干中有机物的4种同分异构体。因此，本题正确答案选B。

例3.分子式为C13H20属于芳香族化合物且只有一个侧链的有机物有 种。

解析：通过分子式可知其不饱和度为4，则其是苯的同系物，除去苯环还有7个碳，可以看成是苯环取代了烷烃C7H16分子中的一个氢原子，先找出C7H16的碳链异构，再将苯环依次接到碳链上。

（1）將n=7带入两个不等式得

3x≤7<2×3x ①，2×3x≤7<3x+1 ②

解①、②两个不等式可知，②式当x为自然数1时不等式成立，而①式不存在使其成立的满足x为自然数的值，则主链最低限度碳原子数y=2x+2=4。

（2）先写出碳原子数为7的直碳链，根据碳链的对称性，将苯环接到如箭头所示等效碳上。

（3）写出碳原子数为6的直碳链，将减下的那个碳原子根据碳链的对称性由中心朝某一边移动，但不能到顶端，然后将苯环接到如箭头所示等效碳上。

（4）写出碳原子数为5的直碳链，根据碳链的对称性，将苯环接到如箭头所示等效碳上。

减下的两个碳作为一个取代基：

减下的两个碳作为两个取代基：

（5）写出碳原子数为4的直碳链，根据碳链的对称性，减下的三个碳只能作为三个取代基，将苯环接到如箭头所示等效碳上。

由计算结果主链最低限度为4，碳原子已经不能再减，所以，该有机物同分异构体共有39种。

3.插入法

对于烯烃、炔烃、醚、酯、酮等的同分异构体的书写，先写出碳链异构，再根据碳链的对称性，在碳链中插入官能团，然后以添加氢原子的形式使所有的碳原子价键都等于四。

例4.书写有机物C5H12O含有如图所示结构的所有同分异构体。

解析：（1）将n=5带入两个不等式得

3x≤5<2×3x①，2×3x≤5<3x+1②

由不等式可解之得，①式中x使不等式成立的自然数为1，②式x并未有满足不等式的自然数，则主链最低限度碳原子数y=2x+1=3。

（2）先写出碳原子数为5的直碳链，根据碳链的对称性，将氧原子插入如图所示碳链中。

（3）然后写出碳原子数为4的直碳链，把去掉的一个碳原子当作支链依次连在对称轴一侧的各碳原子上，据碳链的对称性，将氧原子插入如图所示碳链中。

（4）再写出碳原子数为3的直碳链，把去掉的2个碳原子形成两个甲基，因构成乙基时与上述结构重复，据碳链的对称性，将氧原子插入如图所示碳链中。

（5）至此，由计算结果主链最低限度为3，碳原子已经不能再减，然后以添加氢原子的形式使所有的碳原子价键都等于四，由此可得到该有机物有6种同分异构体（对应结构简式省略）。

4.定一移一法

对于二元取代物，其同分异构体的书写，先把碳链异构写出，找出等效氢，再在各碳链上按序先固定一个官能团（定位次数=等效氢数），然后在此基础上再来移动第二个官能团，以此类推。

当两个取代基相同时，应注意重复结构，移动第二个官能团时不走回头路。

例5.（2016年全国卷Ⅱ10题）分子式为C4H8Cl2的有机物共有（不含立体异构） （ ）

A.7种 B. 8种 C. 9种 D.10种

解析：C4H8Cl2可以看成是C4H10中2个氯原子取代了两个氢原子，先找出4个碳的碳链异构，再定一个氯原子动一个氯原子。

将n=4带入两个不等式得

3x≤4<2×3x①，2×3x≤4<3x+1②

（1）可以求解得知，①式当x为自然数1时不等式成立，②式中x不存在与之相对应的符合自然数的值，则主链最低限度碳原子数y=2x+1=3。

（2）先写出碳原子数为4的直碳链，根据碳链的对称性，找出定位次数，依次从左往右定位。

（3）然后写出碳原子数为3的直碳链，碳根据碳链的对称性，找出定位次数，依次从左往右定位。

（4）最后，由计算结果主链最低限度为3，碳原子已经不能再减，由上述分析可推知本题正确答案选C。

若二元取代物A的官能团不同时，用M、N表示官能团，先把碳链异构写出，若先定官能团M，找出M对应的同分異构体，然后再在前面的基础上来移动N;也可以理解成先被M取代，M取代物又被N取代。

三、结束语

总之，通过不等式先计算出主链最低限度碳原子数，巧妙地解决了减碳法书写碳链异构的起止问题，让减碳有始有终。将化学主链最低限度碳原子数问题转化为数学不等式问题，实现了解决化学主链最低限度碳原子数问题的目的，使以碳链异构为基础的碳链异构体的书写方法进一步完善，使方法更加严谨，强化了解题策略的指向性、系统性和有序性。