介紹一種迅速判斷多原子羧酸和酯的同分異構體數目的技巧

劉忠毅+郭新宇

1.技巧的由來

在一節同分異構體專題訓練課上，筆者讓學生書寫CnH2nO2中具有“COO”結構的同分異構體，從n=2練起，當學生寫到n=4時開始出錯，當n=5時就沒有全寫對的了。筆者組織學生理順思路，利用化學中的加減法和代換法，將C5H10O2具有“COO”結構的同分異構體書寫在黑板上見表1。表1

情況名稱C5H10O2分子中的碳原子總數“成酯”的酸中的碳原子數目“成酯”的酸同分異構體數目“成酯”的醇中碳原子數目“成酯”的醇的同分異構體數目C5H10O2的同分異構體數目1戊酸5540042丁酸甲酯542112 3丙酸乙酯531212 4乙酸丙酯521322 5甲酸丁酯511444 通過學生觀察，得出同分異構體總數（14種），這時有學生說：“老師我發現這些同分異構體數目有對稱性：第1種情況和第5種情況同分異構體數目都是4，第2種情況和第4種情況同分異構體數目都是2，第3種情況同分異構體數目是2，5組數據呈中心對稱”筆者接著問：C6H12O2具有“COO”結構的有序的同分異構體數目是否也具有對稱性呢？經過練習，C6H12O2具有“COO”結構的有序的同分異構體數目也具有對稱性。經過思考、討論，學生們得出技巧：如果判斷多原子羧酸和酯的同分異構體數目，利用有序同分異構體數目的對稱性，只需要判斷前幾種情況就行了，這樣就會為解這類題贏得了一些時間。

2.技巧是什么

該技巧就是利用化學中的加減法和代換法書寫有序排列的同分異構體，并利用有序排列的同分異構體數目的對稱性，減少一半其他同分異構體的書寫，快速判斷同分異構體總數的方法。

化學中的加減法就是將數字賦予化學意義的一種方法，用數字代表含有該數字數目的一類分子、原子、質子、電子、共價鍵等。

如果用等式（4=4+0，4=3+1，4=2+2，4=1+3）代表C4H8O2具有“COO”結構的同分異構體，將數字賦予化學意義：等式左邊的4代表分子中的碳原子數總數，等式右邊第1位數代表的是酸或成酯的酸中的碳原子數，等式右邊第2位數代表的是成酯的醇中的碳原子數，它們分別代表丁酸、丙酸甲酯、乙酸乙酯、甲酸丙酯。

代換法即鹵素等原子或原子團取代烴分子中氫原子的可能情況的快速判斷方法。

以芳香族化合物C10H14苯環上有四個支鏈的同分異構體數目判斷為例，分析：除去苯環上的6個碳原子數，4個支鏈只能都是甲基，4個甲基分布在苯環上的可能情況和苯環上兩個空位情況是等效的，苯環上兩個空位有鄰位、間位、對位3種情況，所以四甲基苯的同分異構體數目也是3種，即本題利用了空位代替占位的方法。

3.使用技巧的方法

（1）首先列表分析有幾種情況，情況數量和分子中碳原子數相同。

（2）利用化學中的加減法寫出正確有序的情況分析表：先寫出與分子式含有相同碳原子數的酸，再依次寫酯的名稱，成酯的酸中碳原子數呈遞減排列，成酯的醇中碳原子數呈遞增排列，成酯的酸和醇提供的碳原子數相加等于該分子中的碳原子數總數。

（3）利用代換法快速判斷酸和醇的同分異構體數目：利用羧基取代相應烷烴（CnH2n+2）中的氫原子，得到含碳原子數（n+1）個的成酯的羧酸同分異構體數目，利用羥基取代相應烷烴（CnH2n+2）中的氫原子，得到含碳原子數n個成酯的醇同分異構體數目。

（4）酯的同分異構體數目：等于成酯的酸分子同分異構體數和形成同種酯的醇的同分異構體數的乘積。

該技巧判斷CnH2nO2具有“COO”結構的同分異構體數目的優點為： ①n是奇數時分析到前（n+12）種情況，將前（n-12）種同分異構體數目擴大2倍，再加上第（n+12）種情況的同分異構體數目，得到同分異構體總數。②n是偶數時我們只需要判斷其中的前n2種情況，將前n2種同分異構體數目擴大2倍得到同分異構體總數。

例1快速判斷C7H14O2具有“COO”結構的同分異構體數目。

答案：62種。

解析應該有7種情況，我們只需要分析前（7+12=4）種情況，將前3種情況擴大2倍，再加上第4種情況，即為總同分異構體數目62種，見表2。

表2

情況名稱C7H14O2分子中的碳原子總數“成酯”的酸中的碳原子數目“成酯”的酸同分異構體數目“成酯”的醇中碳原子數目“成酯”的醇的同分異構體數目C7H14O2的同分異構體數目1庚酸77170017 2己酸甲酯768118 3戊酸乙酯754214 4丁酸丙酯742324例2（2013年全國新課標Ⅰ卷·12題）分子式為C5H10O2的有機物在酸性條件下可水解為酸和醇，若不考慮立體異構，這些醇和酸重新組合可形成的酯共有（）。

A.15種 B.28種 C.32種 D.40種

分析列出表3,酸的同分異構體有5種, 醇的同分異構體有8種, 重新組合可形成的酯共有40種。表3情況名稱C5H10O2分子中的碳原子總數“成酯”的酸中的碳原子數目“成酯”的酸同分異構體數目“成酯”的醇中碳原子數目“成酯”醇同分異構體數目1丁酸甲酯542112丙酸乙酯53121 3乙酸丙酯52132 4甲酸丁酯51144 酸或醇同分異構體合計 5 8例3(2009年11月黑龍江省一摸)判斷乙烷的所有氯代產物總數。

分析化學中的加減法:乙烷中有6個氫原子，等式左邊的數字代表可以被取代的氫原子數，等式右邊第一位數代表剩余的氫原子數，等式右邊第二位數代表被取代的氫原子數，有如下等式關系：6=5+1;6=4+2;6=3+3;6=2+4;6=1+5；利用代換法：一氯代乙烷和五氯代乙烷、二氯代乙烷和四氯代乙烷同分異構體數目一樣多，全氯代產物即六氯代乙烷只有1種，只需要分析一氯代乙烷、二氯代乙烷和三氯代乙烷即可，節省了時間；一氯代乙烷只有1種，二氯代乙烷有2種（1+1、2+0分別代表1，2-二氯代乙烷和1，1-二氯代乙烷），三氯代乙烷有2種（3+0、1+2分別代表1，1，1-三氯代乙烷和1，1，2-三氯代乙烷），共有同分異構體數目1×2+2×2+2+1=9種。答案：9種

(收稿日期：2014-03-15)

1.技巧的由來

在一節同分異構體專題訓練課上，筆者讓學生書寫CnH2nO2中具有“COO”結構的同分異構體，從n=2練起，當學生寫到n=4時開始出錯，當n=5時就沒有全寫對的了。筆者組織學生理順思路，利用化學中的加減法和代換法，將C5H10O2具有“COO”結構的同分異構體書寫在黑板上見表1。表1

情況名稱C5H10O2分子中的碳原子總數“成酯”的酸中的碳原子數目“成酯”的酸同分異構體數目“成酯”的醇中碳原子數目“成酯”的醇的同分異構體數目C5H10O2的同分異構體數目1戊酸5540042丁酸甲酯542112 3丙酸乙酯531212 4乙酸丙酯521322 5甲酸丁酯511444 通過學生觀察，得出同分異構體總數（14種），這時有學生說：“老師我發現這些同分異構體數目有對稱性：第1種情況和第5種情況同分異構體數目都是4，第2種情況和第4種情況同分異構體數目都是2，第3種情況同分異構體數目是2，5組數據呈中心對稱”筆者接著問：C6H12O2具有“COO”結構的有序的同分異構體數目是否也具有對稱性呢？經過練習，C6H12O2具有“COO”結構的有序的同分異構體數目也具有對稱性。經過思考、討論，學生們得出技巧：如果判斷多原子羧酸和酯的同分異構體數目，利用有序同分異構體數目的對稱性，只需要判斷前幾種情況就行了，這樣就會為解這類題贏得了一些時間。

2.技巧是什么

該技巧就是利用化學中的加減法和代換法書寫有序排列的同分異構體，并利用有序排列的同分異構體數目的對稱性，減少一半其他同分異構體的書寫，快速判斷同分異構體總數的方法。

化學中的加減法就是將數字賦予化學意義的一種方法，用數字代表含有該數字數目的一類分子、原子、質子、電子、共價鍵等。

如果用等式（4=4+0，4=3+1，4=2+2，4=1+3）代表C4H8O2具有“COO”結構的同分異構體，將數字賦予化學意義：等式左邊的4代表分子中的碳原子數總數，等式右邊第1位數代表的是酸或成酯的酸中的碳原子數，等式右邊第2位數代表的是成酯的醇中的碳原子數，它們分別代表丁酸、丙酸甲酯、乙酸乙酯、甲酸丙酯。

代換法即鹵素等原子或原子團取代烴分子中氫原子的可能情況的快速判斷方法。

以芳香族化合物C10H14苯環上有四個支鏈的同分異構體數目判斷為例，分析：除去苯環上的6個碳原子數，4個支鏈只能都是甲基，4個甲基分布在苯環上的可能情況和苯環上兩個空位情況是等效的，苯環上兩個空位有鄰位、間位、對位3種情況，所以四甲基苯的同分異構體數目也是3種，即本題利用了空位代替占位的方法。

3.使用技巧的方法

（1）首先列表分析有幾種情況，情況數量和分子中碳原子數相同。

（2）利用化學中的加減法寫出正確有序的情況分析表：先寫出與分子式含有相同碳原子數的酸，再依次寫酯的名稱，成酯的酸中碳原子數呈遞減排列，成酯的醇中碳原子數呈遞增排列，成酯的酸和醇提供的碳原子數相加等于該分子中的碳原子數總數。

（3）利用代換法快速判斷酸和醇的同分異構體數目：利用羧基取代相應烷烴（CnH2n+2）中的氫原子，得到含碳原子數（n+1）個的成酯的羧酸同分異構體數目，利用羥基取代相應烷烴（CnH2n+2）中的氫原子，得到含碳原子數n個成酯的醇同分異構體數目。

（4）酯的同分異構體數目：等于成酯的酸分子同分異構體數和形成同種酯的醇的同分異構體數的乘積。

該技巧判斷CnH2nO2具有“COO”結構的同分異構體數目的優點為： ①n是奇數時分析到前（n+12）種情況，將前（n-12）種同分異構體數目擴大2倍，再加上第（n+12）種情況的同分異構體數目，得到同分異構體總數。②n是偶數時我們只需要判斷其中的前n2種情況，將前n2種同分異構體數目擴大2倍得到同分異構體總數。

例1快速判斷C7H14O2具有“COO”結構的同分異構體數目。

答案：62種。

解析應該有7種情況，我們只需要分析前（7+12=4）種情況，將前3種情況擴大2倍，再加上第4種情況，即為總同分異構體數目62種，見表2。

表2

情況名稱C7H14O2分子中的碳原子總數“成酯”的酸中的碳原子數目“成酯”的酸同分異構體數目“成酯”的醇中碳原子數目“成酯”的醇的同分異構體數目C7H14O2的同分異構體數目1庚酸77170017 2己酸甲酯768118 3戊酸乙酯754214 4丁酸丙酯742324例2（2013年全國新課標Ⅰ卷·12題）分子式為C5H10O2的有機物在酸性條件下可水解為酸和醇，若不考慮立體異構，這些醇和酸重新組合可形成的酯共有（）。

A.15種 B.28種 C.32種 D.40種

分析列出表3,酸的同分異構體有5種, 醇的同分異構體有8種, 重新組合可形成的酯共有40種。表3情況名稱C5H10O2分子中的碳原子總數“成酯”的酸中的碳原子數目“成酯”的酸同分異構體數目“成酯”的醇中碳原子數目“成酯”醇同分異構體數目1丁酸甲酯542112丙酸乙酯53121 3乙酸丙酯52132 4甲酸丁酯51144 酸或醇同分異構體合計 5 8例3(2009年11月黑龍江省一摸)判斷乙烷的所有氯代產物總數。

分析化學中的加減法:乙烷中有6個氫原子，等式左邊的數字代表可以被取代的氫原子數，等式右邊第一位數代表剩余的氫原子數，等式右邊第二位數代表被取代的氫原子數，有如下等式關系：6=5+1;6=4+2;6=3+3;6=2+4;6=1+5；利用代換法：一氯代乙烷和五氯代乙烷、二氯代乙烷和四氯代乙烷同分異構體數目一樣多，全氯代產物即六氯代乙烷只有1種，只需要分析一氯代乙烷、二氯代乙烷和三氯代乙烷即可，節省了時間；一氯代乙烷只有1種，二氯代乙烷有2種（1+1、2+0分別代表1，2-二氯代乙烷和1，1-二氯代乙烷），三氯代乙烷有2種（3+0、1+2分別代表1，1，1-三氯代乙烷和1，1，2-三氯代乙烷），共有同分異構體數目1×2+2×2+2+1=9種。答案：9種

(收稿日期：2014-03-15)

1.技巧的由來

在一節同分異構體專題訓練課上，筆者讓學生書寫CnH2nO2中具有“COO”結構的同分異構體，從n=2練起，當學生寫到n=4時開始出錯，當n=5時就沒有全寫對的了。筆者組織學生理順思路，利用化學中的加減法和代換法，將C5H10O2具有“COO”結構的同分異構體書寫在黑板上見表1。表1

情況名稱C5H10O2分子中的碳原子總數“成酯”的酸中的碳原子數目“成酯”的酸同分異構體數目“成酯”的醇中碳原子數目“成酯”的醇的同分異構體數目C5H10O2的同分異構體數目1戊酸5540042丁酸甲酯542112 3丙酸乙酯531212 4乙酸丙酯521322 5甲酸丁酯511444 通過學生觀察，得出同分異構體總數（14種），這時有學生說：“老師我發現這些同分異構體數目有對稱性：第1種情況和第5種情況同分異構體數目都是4，第2種情況和第4種情況同分異構體數目都是2，第3種情況同分異構體數目是2，5組數據呈中心對稱”筆者接著問：C6H12O2具有“COO”結構的有序的同分異構體數目是否也具有對稱性呢？經過練習，C6H12O2具有“COO”結構的有序的同分異構體數目也具有對稱性。經過思考、討論，學生們得出技巧：如果判斷多原子羧酸和酯的同分異構體數目，利用有序同分異構體數目的對稱性，只需要判斷前幾種情況就行了，這樣就會為解這類題贏得了一些時間。

2.技巧是什么

該技巧就是利用化學中的加減法和代換法書寫有序排列的同分異構體，并利用有序排列的同分異構體數目的對稱性，減少一半其他同分異構體的書寫，快速判斷同分異構體總數的方法。

化學中的加減法就是將數字賦予化學意義的一種方法，用數字代表含有該數字數目的一類分子、原子、質子、電子、共價鍵等。

如果用等式（4=4+0，4=3+1，4=2+2，4=1+3）代表C4H8O2具有“COO”結構的同分異構體，將數字賦予化學意義：等式左邊的4代表分子中的碳原子數總數，等式右邊第1位數代表的是酸或成酯的酸中的碳原子數，等式右邊第2位數代表的是成酯的醇中的碳原子數，它們分別代表丁酸、丙酸甲酯、乙酸乙酯、甲酸丙酯。

代換法即鹵素等原子或原子團取代烴分子中氫原子的可能情況的快速判斷方法。

以芳香族化合物C10H14苯環上有四個支鏈的同分異構體數目判斷為例，分析：除去苯環上的6個碳原子數，4個支鏈只能都是甲基，4個甲基分布在苯環上的可能情況和苯環上兩個空位情況是等效的，苯環上兩個空位有鄰位、間位、對位3種情況，所以四甲基苯的同分異構體數目也是3種，即本題利用了空位代替占位的方法。

3.使用技巧的方法

（1）首先列表分析有幾種情況，情況數量和分子中碳原子數相同。

（2）利用化學中的加減法寫出正確有序的情況分析表：先寫出與分子式含有相同碳原子數的酸，再依次寫酯的名稱，成酯的酸中碳原子數呈遞減排列，成酯的醇中碳原子數呈遞增排列，成酯的酸和醇提供的碳原子數相加等于該分子中的碳原子數總數。

（3）利用代換法快速判斷酸和醇的同分異構體數目：利用羧基取代相應烷烴（CnH2n+2）中的氫原子，得到含碳原子數（n+1）個的成酯的羧酸同分異構體數目，利用羥基取代相應烷烴（CnH2n+2）中的氫原子，得到含碳原子數n個成酯的醇同分異構體數目。

（4）酯的同分異構體數目：等于成酯的酸分子同分異構體數和形成同種酯的醇的同分異構體數的乘積。

該技巧判斷CnH2nO2具有“COO”結構的同分異構體數目的優點為： ①n是奇數時分析到前（n+12）種情況，將前（n-12）種同分異構體數目擴大2倍，再加上第（n+12）種情況的同分異構體數目，得到同分異構體總數。②n是偶數時我們只需要判斷其中的前n2種情況，將前n2種同分異構體數目擴大2倍得到同分異構體總數。

例1快速判斷C7H14O2具有“COO”結構的同分異構體數目。

答案：62種。

解析應該有7種情況，我們只需要分析前（7+12=4）種情況，將前3種情況擴大2倍，再加上第4種情況，即為總同分異構體數目62種，見表2。

表2

情況名稱C7H14O2分子中的碳原子總數“成酯”的酸中的碳原子數目“成酯”的酸同分異構體數目“成酯”的醇中碳原子數目“成酯”的醇的同分異構體數目C7H14O2的同分異構體數目1庚酸77170017 2己酸甲酯768118 3戊酸乙酯754214 4丁酸丙酯742324例2（2013年全國新課標Ⅰ卷·12題）分子式為C5H10O2的有機物在酸性條件下可水解為酸和醇，若不考慮立體異構，這些醇和酸重新組合可形成的酯共有（）。

A.15種 B.28種 C.32種 D.40種

分析列出表3,酸的同分異構體有5種, 醇的同分異構體有8種, 重新組合可形成的酯共有40種。表3情況名稱C5H10O2分子中的碳原子總數“成酯”的酸中的碳原子數目“成酯”的酸同分異構體數目“成酯”的醇中碳原子數目“成酯”醇同分異構體數目1丁酸甲酯542112丙酸乙酯53121 3乙酸丙酯52132 4甲酸丁酯51144 酸或醇同分異構體合計 5 8例3(2009年11月黑龍江省一摸)判斷乙烷的所有氯代產物總數。

分析化學中的加減法:乙烷中有6個氫原子，等式左邊的數字代表可以被取代的氫原子數，等式右邊第一位數代表剩余的氫原子數，等式右邊第二位數代表被取代的氫原子數，有如下等式關系：6=5+1;6=4+2;6=3+3;6=2+4;6=1+5；利用代換法：一氯代乙烷和五氯代乙烷、二氯代乙烷和四氯代乙烷同分異構體數目一樣多，全氯代產物即六氯代乙烷只有1種，只需要分析一氯代乙烷、二氯代乙烷和三氯代乙烷即可，節省了時間；一氯代乙烷只有1種，二氯代乙烷有2種（1+1、2+0分別代表1，2-二氯代乙烷和1，1-二氯代乙烷），三氯代乙烷有2種（3+0、1+2分別代表1，1，1-三氯代乙烷和1，1，2-三氯代乙烷），共有同分異構體數目1×2+2×2+2+1=9種。答案：9種

(收稿日期：2014-03-15)