含氮有機物同分異構體書寫試題的類型及推理模型

卓高峰

摘要： 案例分析了含氮有機物同分異構體書寫的特點，從不飽和度、物質類別或官能團、性質信息、結構特點四個角度梳理解題基礎，根據解題基礎，構建此類試題的推理模型。并對含氮有機物同分異構體的書寫類型進行合理分類，應用統一的推理模型，解決側重點略有不同的各類試題，提高學生對此類試題的分析與解題能力，使思維的有序性、縝密性和系統性得以提升。

關鍵詞： 含氮有機物; 同分異構體書寫; 推理模型

文章編號： 1005-6629（2018）11-0090-04中圖分類號： G633.8文獻標識碼： B

限定條件下的同分異構體書寫是高考的重點與熱點之一。黃愛民、夏時君、朱建兵等老師對書寫同分異構體的限定條件進行深入分析，提出了相應的解題策略[1～3]。浙江省化學選考試題對限定條件的同分異構體的書寫考查，均涉及含氮有機物。氮元素的引入，增大了有機物的陌生度與分析的復雜性，增大了試題難度。本文試從解題基礎、推理模型、試題類型三個維度深度梳理限定條件下的含氮有機物同分異構體的書寫，提高學生對此類試題的分析與解題能力，培養思維的有序性、縝密性、系統性。

1 解題基礎

限定條件的同分異構體書寫試題，一方面提供了已知有機物的分子式或結構簡式，相當于提供了有機物的不飽和度;另一方面，提供了所求同分異構體的限定信息，限定信息可以分成三類[4]： 類別與官能團、結構特點、性質信息。如何整合試題提供的信息？解題又需要哪些基礎呢？

1.1 不飽和度

1.2 物質類別與官能團

試題直接提示有機物分子中的官能團或基團，如“含有醛基、含有苯環、芳香族化合物、分子中含有—COO—結構的基團、含有氰基（—CN）、屬酚類化合物”。此類信息直接，只須辯認常見官能團或基團即可。但要注意，若分子中含有—COO—結構的基團，則有機物可能是酯類或羧酸類。

1.3 性質信息

有機物的官能團決定了有機物的化學性質，因此，可以根據有機物的化學性質確定官能團的類型，要學會從性質到官能團的推導。常見有機物的性質信息如表1所示。

1.4 結構特點

試題提供有機物的結構特點信息，通常包括幾何特征，如平面、直線、對稱性、手性等。特別是結構的對稱性分析，是突破此類試題的關鍵。在結構對稱性分析考查中，苯環上只有幾種不同化學環境的氫，是最常見的考查方式，舉例如下。

討論1： 苯環一元取代物（X）、二元取代物（XX; XY）、三元取代物（XYY）中，請寫出滿足下列條件的有機物的結構簡式。提示： X、 Y指不同取代基，且X、 Y不能相互連接。

（1） 苯環上只有一種化學環境的氫原子;

（2） 苯環上只有二種不同化學環境的氫原子 ;

（3） 苯環上只有三種不同化學環境的氫原子 。

分析： 一元、二元取代物要注意對稱分析，找對稱軸或對稱中心。三元取代物同分異構體的分析方法是： 先固定兩個取代基（若有相同，以兩個相同的取代基開始定位討論，避免重復），再移動其他基團。上述三種情況分析結果如下： （1） XX （2） XXYX

YXYYXY （3） XXXXYYXYYXYYYYX。

熟悉苯環的對稱性分析，還要具備快速分析常見烴基氫原子種數的能力，舉例如下。

討論2： 寫出只有一種氫原子的烴基（烴基中的碳原子數≤5）。

分析： 只有一種氫原子的簡單烴有： CH4、 CH3—CH3、 CH2CH2、 CHCH。從簡單烴可衍生出只含一種氫原子的烴基有—CH3、 —C（CH3）3; CH2、 C（CH3）2; CH、 CCH3、 CC（CH3）3。

2 推理模型

例1 （2016·10浙江選考）寫出同時符合下列條件的A（CH3NO2）的所有同分異構體的結構簡式。

① 紅外光譜檢測表明分子中含有醛基;

② 1HNMR譜顯示分子中含有苯環，且苯環上有兩種不同化學環境的氫原子。

分析： （1）根據A的結構簡式，得出A的不飽和度： Ω=5。（2）根據限定條件，確定同分異構體中有苯環（Ω=4），醛基（Ω=1），還剩1O、 1N（Ω=0），因此O、 N不能再出現雙鍵。（3）根據結構特點，苯環上只有2種氫原子，推測該苯環有兩個取代基，并且處于對位。兩個取代基的組合分為三種情況： ①醛基，O與N;②醛基與O， N;③醛基與N， O。其結構簡式如下：

梳理解題思路： 第一步，計算不飽和度，根據題目所給有機物的分子式或結構簡式求算不飽和度或直接目測有機物的不飽和度;第二，確定碎片，分析時要結合不飽和度找出與限定條件相對應的基團或官能團;第三，組裝碎片，要根據結構特點把碎片組裝成新物質。組裝時，首先要關注結構特點（如平面、直線、對稱性、手性等），其次要注意思維的有序性。為了保證思維有序，做到官能團書寫由簡到繁、基團組合要有序。因此，限定條件的同分異構體書寫推理模型歸納為如圖1所示：

3 試題類型

對含氮有機物同分異構體的書寫考查，試題類型多樣，盡管推理模型一致，但考查的側重點有所不同。

3.1 側重環狀有機物的分析

例2 （2017·4浙江選考）寫出同時符合下列條件的C（CH2CN）的所有同分異構體的結構簡式。

① 分子中有苯環而且是苯環的鄰位二取代物;

② 1HNMR譜表明分子中有6種氫原子;IR譜顯示存在碳氮雙鍵（CN）。

分析： （1）根據C的結構簡式，除了苯環外，還含有2個不飽和度。（2）根據限定條件，推測同分異構體中有苯環，CN（Ω=1），1個環（Ω=1），不再存在碳碳雙鍵。（3）根據結構特點，同分異構體是苯環的鄰位二取代物，可構建五元環、四元環，再根據分子中有6種氫原子，存在碳氮雙鍵，可寫出三種結構簡式： 、 、 。

例3 （2018·4浙江選考）寫出化合物X（C6H14N2O）可能的同分異構體的結構簡式。

須同時符合： ①分子中有一個六元環，且成環原子中最多含一個非碳原子;②1HNMR譜顯示分子中有5種氫原子;IR譜表明分子中有N—N鍵，無O—H鍵。

分析： （1）根據X的分子式，計算得到Ω=1。（2）根據限定條件，分子中有一個六元環，Ω=1，因此有機物不存在其他不飽和鍵，成環原子中最多含一個非碳原子，其六元環的可能結構為： 、 O、 N。（3）根據結構特點，分子中有5種氫原子;有N—N鍵，無O—H鍵，可寫出4種結構簡式： ONNH2CH3、 ONHNH2CH3、 NNHOCH3、 CH3ONNH2。

3.2 側重苯環對稱性的分析

例4 （2015·10浙江選考）寫出化合物D（COHCNH）同時符合下列條件的所有可能的同分異構體的結構簡式 。

① 紅外光譜檢測表明分子中含有氰基（—CN）;

② 1HNMR譜檢測表明分子中有苯環，且苯環上有兩種不同化學環境的氫原子。

分析： 本題側重苯環對位對稱性的分析，即在對位擺放—CN、 O、 C三種原子或原子團。可以歸納為一種模式： 給苯環對位（）放置三塊不同形狀的積木（●■▲），以圓形積木為研究對象，分三種情況討論： ①圓形積木放置左邊，右邊放置正方形與三角形積木： ●■▲;②圓形與正方形積木組合： ●■▲;③圓形與三角形積木組合： ●▲■。當一側有兩塊積木時，要考慮它們位置能否調換。以此模型解決問題，思維有序，不會造成同分異構體的漏寫。因此，本題答案為： CH2OHCN、 OHCH2CN、 CH3OCN、 OCH3CN。[例1]分析方法也歸屬于該推理模式。

例5 （2016·4浙江選考）寫出同時符合下列條件的A（CH3NO2）的所有同分異構體。

① 紅光光譜標明分子中含有COO結構;

② 1HNMR譜顯示分子中含有苯環，且苯環上有三種不同化學環境的氫原子。

分析： 根據A的結構簡式可知，有機物除苯環外只含1個不飽和度。其同分異構中存在—COO—結構，因此不存在其他不飽和鍵。苯環上有三種不同化學環境的氫原子，得出苯環上只一個支鏈，即苯環的結構為。因此，在—COO—兩側擺放、 N，可寫出如下四種結構簡式： COONH2、 NHOCOH、 NHCOOH、 OCONH2。

3.3 側重多氮原子對稱性的分析

例6 （2018·1臺州市期末卷）寫出化合物E（NN）可能的同分異構體的結構簡式，須同時符合：

① 1HNMR譜表明分子中有3種氫原子;

② IR譜顯示每個N原子都有N—H鍵存在。

分析： 根據E的結構簡式得出，其同分異構體不存在不飽和鍵，試題無性質信息。因此，含兩個氮原子的有機物骨架有六種： ①HN—NH;②HN—C—NH;③HN—C—C—NH;④HN—C—C—C—NH;⑤HN—C—C—C—C—NH;⑥HN—C—C—C—C—C—NH。若為骨架①，5個碳原子，擺放在N原子兩側，碳原子數的分布有三種情況： 0、 5; 1、 4; 2， 3。無論哪種情況，均找不到有3種氫原子的結構。若為骨架②，剩余4個碳原子與中間碳原子相連，滿足條件的結構有： NH2NH2、 NH2NH2;兩側氮各連1個碳原子，其結構為NHNH。同理分析骨架③、 ④、 ⑤、 ⑥，其骨架④滿足條件的結構為： H2NNH2。

例7 （2017·11浙江選考）寫出化合物H2NCH2CH2N（CH2CH3）2可能的同分異構體的結構簡式，須同時符合：

① 1HNMR譜表明分子中有3種氫原子，IR譜顯示有N—H鍵存在;

② 分子中沒有同一個碳上連兩個氮（NCN）的結構。

分析： 分析有機物的結構可知，其同分異構體不存在不飽和鍵。因此，含兩個氮原子的有機物骨架有： ①N—N;②N—C—N（不合題意）;③N—C—C—N……。若為骨架①，6個碳原子，擺放在N原子兩側，碳原子數的分布有四種情況： 0、 6; 1、 5; 2、 4; 3、 3。再根據分子中有3種氫原子，有N—H鍵存在，符合條件的有： 碳原子數0、 6分布的結構為H2NNCH（CH3）2CH（CH3）2;碳原子數2、 4分布的結構為（CH3）2N—NHC（CH3）3;碳原子數3、 3分布的結構為（CH3）2CHNH—HNCH（CH3）2。同理分析其他骨架，均不存在滿足條件的同分異構體。

限定條件的同分異構體類型復雜，思維容量大。若教師采用題海戰術和實施知識解析式的教學方式，則學生會缺乏認識角度和合理思路。因此，在“同分異構體書寫”的教學中，合理分類同分異構體的類型、應用統一的推理模型，有利于培養學生思維的有序性、縝密性和系統性。

參考文獻：

[1][4]黃愛民.對同分異構體書寫時限制條件的分析[J].中學化學教學參考， 2011，（10）： 60～61.

[2]夏時君，吳孫富.同分異構體限定條件的解讀與應用[J].化學教學， 2015，（5）： 82～86.

[3]朱建兵等.有限制條件的同分異構體書寫策略[J].化學教學， 2012，（5）： 63～64.