建构思维模型,消除同分异构体的易错点
2020-02-29赵均娜王民会
赵均娜 王民会
同分异构现象是有机物种类繁多的原因,同分异构体概念贯穿于有机化学的始终．高考试题以有机物结构为载体,考查同分异构体数目和结构简式的书写,体现了“证据推理与模型认知”的核心素养.解题过程中需要考生从复杂的化学问题中提取要素进行分析,建构相应的模型,特别是多官能团同分异构体数目的判断和结构简式的书写,如果学生思维无序,则可能导致重复书写或漏写．本文结合实例进行分析,采取行之有效的方法,帮助同学们攻克这些易错点．
1 问题转化,回归模型;思维有序,避免遗漏
多官能团同分异构体数目判断是高考试题中的难点,学生解题时习惯利用碳链异构和官能团位置异构相互兼顾分析试题,往往出现考虑不周,遗漏数目且分析时间较长等问题,其本质原因是学生无法兼顾碳链异构和官能团位置异构,即思维无序,没有形成稳固简捷的思维模型．这就需要我们首先围绕题干信息,分析同分异构体之间的结构特征,找出同分异构体中含有的官能团(或取代基),构建多官能团(取代基)同分异构体数目判断模型,使解题步骤化．
多官能团(取代基)同分异构体数目判断步骤如下.
第1步:书写碳链异构.
第2步:官能团1位置异构 (先确定限制条件多的官能团,如碳碳双键、—COOH、—CHO等,可以减少碳链(或碳环)的个数,减轻思维负担).
第3步:官能团2位置异构.
……
例1(2019年天津卷,节选) 化合物B(结构简式为CH3C≡CCOOC(CH3)3)满足以下条件的同分异构体(不考虑手性异构)数目为________．
① 分子中含有碳碳三键和乙酯基(—COOCH2CH3).
② 分子中有连续4个碳原子在一条直线上,写出其中碳碳三键和乙酯基直接相连的同分异构体的结构简式________．
解析 由题意可知,化合物B分子式为C8H12O2,同分异构体分子中含有的官能团和取代基为碳碳三键和—COOCH2CH3,排除取代基中的碳原子,主链还余5个碳原子．根据多官能团(取代基)同分异构体数目判断模型,判断步骤如下.
第1步:碳链异构,有3种情况.
第2步:碳碳三键位置异构,有3种情况.
第3步:取代基—COOCH2CH3位置异构,根据题意,要求分子中有连续4个碳原子在一条直线上(即碳碳三键两端连接碳原子)，有以下几种情况.
故满足条件的B的同分异构体有5种,其中碳碳三键和乙酯基直接相连的同分异构体的结构简式为
第1步:写碳链:CH3—C—C—C—C—CH3.
第2步:碳碳三键位置异构,有2种情况.
第4步: —O—(用↑表示)位置异构如下.
综上,符合条件的X的同分异构体共有6种,结构简式如下(学生任意写3种即可).
2 排除等位碳,避免重复判断
有机物结构式中,处于对称位置(轴对称和中心对称)的碳原子叫作等位碳．学生在判断同分异构体数目时,常常多于实际值,原因是加官能团时没有正确排除等位碳,导致重复．通常有2种情况:1)加官能团时没有先考虑等位碳;2) 2个官能团相同时,加第2个官能团前,没有将已经连过取代基的碳原子及与其等位的碳原子排除．
解析 由题意可知F的分子式为C6H10O4, 7.3 g F的物质的量为0.05 mol, 0.05 mol F与足量饱和NaHCO3溶液反应可释放出2.24 L二氧化碳(标准状况)，可知1个F分子中含2个—COOH,剩余C4H8,此时就可以把问题转化成“丁烷的二取代物有几种(2个取代基相同)”．根据多官能团(取代基)同分异构体数目判断模型,判断步骤如下.
第1步:碳链异构,有2种情况:
第2步:第1个—COOH(用—A表示)位置异构
第3步:另一个—COOH(用↓表示)位置异构,由于2个取代基相同,在向第②和第④ 2个碳链上添加—COOH时,要先将已经连过—COOH的碳原子以及与其等位的碳原子圈出来排除,如图1所示.
图1
综上,符合条件的F的同分异构体共有9种．
第1步:第1个—Cl位置异构,先排除等位碳,再加—Cl,有2种情况,如下所示.
第2步:另一个—Cl位置异构(用序号表示),结构乙在加—Cl前,要先将已经连过—Cl的碳原子以及和其等位的碳原子圈出来排除．如下所示.
综上所述,萘的二氯代物有10种．
3 巧用核磁共振氢谱,突破同分异构体结构简式的书写
单苯环同分异构体结构简式的书写历来是高考有机推断题中的热点,该题往往融合了核磁共振氢谱、对称性分析等信息,题目综合性强,有些学生感到无从下手,其主要原因还是思维无序，可以构建此类题型的解题模型进行分析．
第1步:根据分子式和官能团的特征反应确定有机物中含有的官能团．
第2步:根据核磁共振氢谱数据,确定不同峰值对应的结构片段(或官能团)的种类和数目,例如，峰面积为3的倍数时,可能的结构片段为—CH3．
第3步:根据单苯环结构的对称性,确定有机物的最终结构．
①含有苯环；
②有三种不同化学环境的氢，个数比为6∶2∶1；
③1 mol X与足量金属Na反应可生成2 g H2．
解析 第1步:由X与D互为同分异构体、D分子式为C8H9O2I 可知，X中含有1个—I;由条件①可知支链中含2个C原子;由条件③ 可知X 中含有2个—OH．
第2步:由条件②可知，X分子具有对称性,且含2个—CH3．
① 能发生银镜反应;
② 核磁共振氢谱有三组峰,且峰面积比为3∶2∶1．
解析 第1步:由E的二氯代物分子式可知,化合物结构中含2个—Cl;由“芳香化合物”和条件①可知，结构中含有1个苯环和1个—CHO．
第2步:由条件②可知，分子具有对称性,且含有1个—CH3．
第3步:根据对称性可得出1个—CHO,1个—CH3,2个—Cl都与苯环直接相连,满足条件的芳香化合物的结构简式为
总之,我们在判断多官能团同分异构体数目及书写同分异构体的结构简式时,既要学会问题转化,回归模型,又要做到思维有序,避免判断遗漏,特别要注意排除等位碳,避免重复判断,还要学会利用核磁共振氢谱的信息和结构的对称性,正确书写出有机物的结构简式．
