建构模型认知 突破有机物分子中原子共平面问题

■湖北省英山县长冲高级中学 张进华

有机物分子中原子是否共平面问题一直是高频考点,很多考生在解答该类题目时感觉困难和棘手,并表现有两种极端的情况:一种考生是谨小慎微、缩手缩脚,不敢合理联想;另一种考生则天马行空、主观臆断,随意发挥。这两种情况最后可能都会得出错误的结论。如何突破有机物原子共平面问题? 关键是建构模型认知。首先要掌握教材里几种典型的有机物分子空间结构特征,这是证据推理的基础。解题时,依据题目所给有机物分子结构特点,变换不同的角度选定主体,从而把分子拆分为若干区块,先对拆分的区块逐一作局部分析,再将各区块的情况综合起来,答案也就柳暗花明、水落石出了。

一、建构模型认知

1.建构化学模型。

(1)熟悉几种典型的有机物分子空间结构。

甲烷为正四面体结构,键角109°28′,中心的碳原子与2 个氢原子共平面,余下的另外2 个氢原子一定不在此平面;乙烯为平面结构,2个碳原子与4个氢原子共平面,键角120°;乙炔为直线形结构,键角180°,2个碳原子与2 个氢原子在一条直线上;苯分子为平面正六边形结构,6 个碳原子与6 个氢原子共平面;氨分子结构为三角锥形,氮原子在锥顶,3个氢原子在锥底。具体结构模型如下。

(2)等位代换不变原则。

甲烷、乙烯、乙炔、苯、甲醛等分子中的H原子如果被其他原子(如C、O、N、Cl等)所取代,则取代原子(如C、O、N、Cl等)处于原被取代H 原子位置,即取代后的分子构型基本不变。

2.建构数学模型的证据推理。

数学定理“不在同一直线上的三个点可以确定一个平面”,“如果一条直线上的两个点在某个平面内,那么这条直线在这个平面内”,是借助数学模型来推导有机物原子是否共平面的两条重要推理证据。

3.建构推理思维模型。

(1)形成共价单键的原子可以绕轴旋转,双键、三键的原子不能绕轴旋转。

(2)若结构式中出现甲基(或饱和碳原子)的有机物,其分子中的所有原子就不可能共平面。

(3)将所给有机物的分子中一定有共面的结构分别确定为平面M 和平面N,若两个平面通过一个碳碳单键相连,则通过旋转任意一个平面,可以达到两个平面重合,此时该有机物分子中所有原子共平面。

(5)审题时一定要注意题目的要求,是“碳原子”还是“所有原子”,是“可能”还是“一定”,是“至少”还是“最多”,是“共线”还是“共平面”等。

二、典型例题解析

例1下列分子中的所有碳原子不可能在同一平面上的是( )。

解析:由于饱和碳原子上连接4 个共价键,构成四面体,所以凡是含有饱和碳原子的化合物,分子中的所有原子就不可能是共面的。B项有机物中有连接3个碳原子的饱和碳原子,其所有碳原子不可能在同一平面上。

答案:B

例2描述CH3—CH CH—C═C—CF3分子结构的下列叙述中,正确的是( )。

A.6个碳原子有可能都在一条直线上

B.6个碳原子不可能都在一条直线上

C.6个碳原子有可能都在同一平面上

D.6个碳原子不可能都在同一平面上

解析:根据题中分子所含有的甲烷、乙烯、乙炔结构特征,该分子的碳链空间结构可表示为或。乙烯的平面形结构决定1、2、3、4号这4个碳原子在同一平面内,1、2、3 号(或2、3、4号)3个碳原子有键角接近120°,所以6个碳原子不可能都在一条直线上;乙炔的直线形结构-C≡C-决定了3、4、5、6号4个碳原子在同一直线上,而且该直线上3、4号2个碳原子已经在前述平面上,因此这条直线在这个平面(如果一条直线上的两个点在平面内,那么该直线在这个平面内),总计有6个碳原子共面。

答案:B、C

例3已知碳碳单键可以绕键轴自由旋转,有结构简式为的烃,下列说法中正确的是( )。

A.分子中至少有9 个碳原子处于同一平面上

B.分子中至少有10 个碳原子处于同一平面上

C.分子中至少有11 个碳原子处于同一平面上

D.分子中16个碳原子一定处于同一平面上

解析:题目所给的烃看起来比较复杂,若能从苯分子结构特征入手分析,就很容易理解其空间结构情况。先以分子中左边的苯环为主体进行研究(方便起见,对该烃的部分碳原子做了编号,它连接的两个甲基的碳原子取代苯环氢原子位置,所以处于苯环这个平面,即左边苯环上的6个碳原子与直接连在这个苯环上的2个甲基的碳原子共平面;同理可知编号为4 号的碳原子也处在左边苯环平面上;根据苯环为平面正六边形的几何特点,可推知编号为1、2、3、4、5、6的6个碳原子在一条直线上。综合起来,共有2 个(左边的2 个甲基)+6 个(左边的苯环)+2个(4号、5号碳)+1 个(6号碳)=11个碳原子处于同一平面上。

答案:C

例4某烃的结构简式为,有关其结构说法正确的是( )。

A.所有原子可能在同一平面上

B.所有原子可能在同一条直线上

C.所有碳原子可能在同一平面上

D.所有氢原子可能在同一平面上

解析:根据乙烯、苯为平面结构,乙炔为直线形结构,CH4为四面体结构的特征,题中分子的结构可用图1中a、b表示。

图1

单键能绕键轴旋转,双键和三键不能绕键轴旋转,从a、b 2个图示中可得:当a、b中用虚线所围的两个面完全重合时共面的原子最多,此时所有的碳原子都共面,但共直线的碳原子只有a图中编号的1、2、3、4、5等5个碳原子。由于分子中有—CH3,故不可能所有原子共平面。

答案:C

三、同步训练

(1)在同一直线上的原子最多有____个。

(2)一定在同一平面上的原子最多有____个。

(3)可能在同一平面上的原子最多有____个。

4.辅酶Q10具有预防动脉硬化的功效,其结构简式如下:

(1)辅酶Q10分子式为_____,该分子中含有个甲基。

(2)分子中的四个氧原子____(填“在”或“不在”)同一平面。

A.4、3、6 B.4、3、8

C.2、5、4 D.4、4、6

同步训练答案:

1.(1)4 (2)12 (3)17

提示:一个苯环决定12 个原子共平面;三键决定4 个原子共直线;羰基是键角约为120°平面结构。

2.13

提示: 同一个苯环上6个碳原子及分子中心的一个碳原子共平面,加上另外一个苯环通过单键为轴旋转到这个平面,所以最多6+1+6=13个碳原子共平面。

3.10

提示:参考本文例题3的分析思路,至少有1+6+2+1=10个碳原子处于同一平面。

4.(1)C59H90O414 (2)在

5.B

提示:根据有机物的结构简式可知,含有的饱和碳原子个数是4 个;由于碳碳三键是直线形结构,而碳碳双键是平面形结构,饱和碳原子都是四面体结构,则在同一直线上的碳原子数为3。又因为单键是可以旋转的,则在同一平面上的碳原子数最多为8 。