有機(jī)物同分異構(gòu)體數(shù)目或結(jié)構(gòu)簡式推斷思路與方法探析

作者簡介：雷范軍，華南師范大學(xué)教育碩士，廣東省佛山市高明區(qū)教育科研培訓(xùn)中心教研員，中學(xué)化學(xué)高級教師。工作以來，11年高中畢業(yè)班教育教學(xué)，多次參與或主持國家級、省級課題研究，兩次參加佛山市中考命題，曾榮獲廣東省中學(xué)化學(xué)教研積極分子、佛山市優(yōu)秀輔導(dǎo)員、高明區(qū)教育系統(tǒng)先進(jìn)工作者、區(qū)優(yōu)秀班主任和優(yōu)秀教師等榮譽稱號。近十年在《化學(xué)教育》《化學(xué)教學(xué)》《中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考》《中學(xué)生數(shù)理化》等報刊上發(fā)表500多篇文章，其中3篇文章被中國人民大學(xué)書報資料中心的《中學(xué)化學(xué)教與學(xué)》全文轉(zhuǎn)載，多篇文章被引用率超過10次。2017年主持廣東省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2017年度研究課題“模型方法在普通高中化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用研究”（課題批準(zhǔn)號：2017YQJK069），2018年10月，主持的全國教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2018年度教育部重點課題“模型認(rèn)知在普通高中化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用研究”（DHA180440）順利開題。

基于真實問題情境推斷指定條件下有機(jī)物的同分異構(gòu)體數(shù)目，或者基于證據(jù)對符合一定條件同分異構(gòu)體的結(jié)構(gòu)簡式進(jìn)行推理和書寫，上述兩種設(shè)問方式均具有顯著選拔功能，難度系數(shù)合理、區(qū)分度優(yōu)秀，因而是近年各地高考命題的難點和熱點。同分異構(gòu)體的數(shù)目及其結(jié)構(gòu)簡式的推斷問題，不僅有助于考查考生對有機(jī)物的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和轉(zhuǎn)化等化學(xué)學(xué)科核心知識的掌握程度，而且有助于考查考生的科學(xué)素養(yǎng)或者化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。下面以近兩年各省市高考典型試題為例，對新穎情境下有機(jī)物同分異構(gòu)體數(shù)目或結(jié)構(gòu)簡式推斷的思路與方法進(jìn)行探究，幫助同學(xué)們學(xué)習(xí)理解、遷移拓展和創(chuàng)新應(yīng)用有關(guān)思路和方法，以分析和解決上述兩類熱點問題。

一、已知有機(jī)物本身或其轉(zhuǎn)化產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)簡式，推斷同分異構(gòu)體結(jié)構(gòu)簡式及數(shù)目

2018年高考海南卷中化學(xué)試題對同分異構(gòu)體的考查首次涉及立體異構(gòu)體結(jié)構(gòu)簡式的推斷，突出對必備知識、關(guān)鍵能力、思維方法和創(chuàng)新意識的考查，既體現(xiàn)了基礎(chǔ)性、應(yīng)用性、綜合性、創(chuàng)新性的考查要求，又反映了高考積極的育人導(dǎo)向，有利于推動新一輪基于素養(yǎng)的課程改革的實施。

例1鹽酸梅西律（E）是一種抗心律失常藥，其一條合成路線如下：

回答下列問題：

（1）由D的結(jié)構(gòu)可判斷：D應(yīng)存在立體異構(gòu)。該立體異構(gòu)體的結(jié)構(gòu)簡式為____ 。

（2）A的同分異構(gòu)體中能與三氯化鐵溶液發(fā)生顯色反應(yīng)的還有____ 種;其中，核磁共振氫譜為四組峰，峰面積比為6：2：1：1的結(jié)構(gòu)簡式為____ 。

點撥：新型藥物合成是典型的真實問題，其中所涉及的關(guān)鍵物質(zhì)的鍵線式已知，符合限定條件下的同分異構(gòu)體數(shù)目，屬于真實問題情景下的復(fù)雜問題，主要考查考生是否具備模型認(rèn)知等化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。此類問題可以按如下認(rèn)識模型進(jìn)行推斷：第一，認(rèn)真審題，確定分析的起點是苯，終點是苯的二元或三元取代物數(shù)目，且分析清楚兩個或三個取代基是否相同;第二，根據(jù)等效氫原理確定苯分子所含氫原子種數(shù)，進(jìn)而確定一元取代物種數(shù)，第一個取代基可以是已知兩個或三個取代基中的任何一個;第三，寫出苯的一元取代物的結(jié)構(gòu)簡式，并根據(jù)等效氫原理確定一元取代物苯環(huán)上有幾種氫原子，由此推斷二元取代物種數(shù)，第二個取代基可以是余下兩個取代基中的任何一個;第四，寫出苯的二元取代物的結(jié)構(gòu)簡式，并且依據(jù)等效氫原理確定它們苯環(huán)上的氫原子種數(shù)，以便確定苯的三元取代物的數(shù)目;第五，根據(jù)題意，除去已知物質(zhì)本身之外，可得符合題目條件下的同分異構(gòu)體數(shù)目。

二、以結(jié)構(gòu)簡式及同分異構(gòu)體特征為證據(jù)，推理同分異構(gòu)體數(shù)目及結(jié)構(gòu)簡式

近兩年高考全國Ⅱ卷有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)模塊選考題均考查合成路線中某環(huán)狀有機(jī)物同分異構(gòu)體數(shù)目及結(jié)構(gòu)簡式書寫，通常涉及有機(jī)物的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)（定性和定量相結(jié)合）、轉(zhuǎn)化、核磁共振氫譜中峰數(shù)及峰面積比等特征，需要進(jìn)行證據(jù)推理才能分析問題和解決問題。

例2異山梨醇（A）是重要的生物質(zhì)轉(zhuǎn)

B是A的同分異構(gòu)體，7. 30 9的B與足量飽和碳酸氫鈉反應(yīng)可釋放出2. 24 L二氧化碳（標(biāo)準(zhǔn)狀況），B的可能結(jié)構(gòu)共有____ 種（不考慮立體異構(gòu)），其中核磁共振氫譜為三組峰，峰面積比為3：1：1的結(jié)構(gòu)簡式為____ 。

點撥：在信息時代，要讓同分異構(gòu)體數(shù)目及結(jié)構(gòu)簡式等知識學(xué)習(xí)過程成為核心素養(yǎng)的形成和發(fā)展過程。首先，要轉(zhuǎn)變知識觀，不再把同分異構(gòu)體數(shù)目及結(jié)構(gòu)簡式等知識當(dāng)作“客觀真理”或“固定事實”，而使之成為探究的對象和使用的資源。其次，要將同分異構(gòu)體數(shù)目及結(jié)構(gòu)簡式推斷等學(xué)科核心知識提升為學(xué)科觀念，信息時代，知識的衰減和更新速度空前加快，但同分異構(gòu)體數(shù)目及結(jié)構(gòu)簡式等知識所體現(xiàn)的觀念或思想?yún)s相對穩(wěn)定。解答本題時，考生需要從A的結(jié)構(gòu)簡式及7. 30 9的B與足量飽和碳酸氫鈉反應(yīng)可釋放出2. 24 L二氧化碳（標(biāo)準(zhǔn)狀況）等信息中，抽取出能描述A的同分異構(gòu)體B的主要參數(shù)，即B的分子式為C6 H10 04，且含有2個-COOH，及剩余原子團(tuán)為C4 H8，由此可以找出這些參數(shù)之間的正確關(guān)系，即B可以視為C4 Hio的二元取代物且兩個取代基相同（均為COOH），接下來建構(gòu)模型足以解釋B的同分異構(gòu)體數(shù)目及書寫出符合題給條件下的結(jié)構(gòu)簡式。

三、以結(jié)構(gòu)簡式及同分異構(gòu)體的關(guān)鍵特征為證據(jù)，用模型方法分析解答

近兩年全國工卷化學(xué)選擇題的某一選項考查不熟悉或熟悉烴的二氯代物同分異構(gòu)體數(shù)目，而有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)模塊選考題中則考查合成路線中某有機(jī)物同分異構(gòu)體的結(jié)構(gòu)簡式書寫，通常涉及有機(jī)物的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、轉(zhuǎn)化、核磁共振氫譜中峰數(shù)及峰面積比等指定條件。解答時，考生需要從復(fù)雜的現(xiàn)象中，抽取出能描繪該現(xiàn)象的元素或參數(shù)，并找出這些元素或參數(shù)之間的正確關(guān)系，建構(gòu)模型足以正確描述、解釋該現(xiàn)象的過程。

點撥：分析與解決本題時，需要從陌生有機(jī)物E的結(jié)構(gòu)簡式中，抽取出能描述其同分異構(gòu)體的三個參數(shù)，即2個酯基、4個甲基和1個季碳原子（不連氫原子的單鍵碳原子），從而找出這些參數(shù)之間的邏輯關(guān)系，即2個酯基和2個甲基連在季碳原子周圍，另外2個甲基則分別連在酯基的另一側(cè)，且連在季碳原子上的2個酯基對稱，2個甲基也對稱，連在2個酯基的另一側(cè)的2個甲基也位于對稱位置，建構(gòu)上述模型并遷移應(yīng)用，可以快速、準(zhǔn)確地得到“與E互為同分異構(gòu)體的酯類化合物的結(jié)構(gòu)簡式（核磁共振氫譜為兩組峰，峰面積比為1：1）”。

四、以分子式、合成路線及同分異構(gòu)體特征為證據(jù)，運用排列組合法推理

近兩年全國Ⅲ卷有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)模塊選考題均考查合成路線中某鏈狀有機(jī)物同分異構(gòu)體的結(jié)構(gòu)簡式書寫問題，通常涉及有機(jī)物的組成、結(jié)構(gòu)（官能團(tuán)）、轉(zhuǎn)化（烴及其衍生物、信息給予反應(yīng)）、核磁共振氫譜中峰數(shù)及峰面積比等限定條件。

例4化合物D的合成路線如下：

X與D互為同分異構(gòu)體，且具有完全相同的官能團(tuán)。X的核磁共振氫譜顯示三種不同化學(xué)環(huán)境的氫，其峰面積之比為3：3：2。寫出3種符合上述條件的X的結(jié)構(gòu)簡式：____。

解析：合成路線中已知D的分子式為C6 H8 02，A→B的反應(yīng)試劑為氯氣和光照及A（丙炔）中含有甲基，由烷烴的取代反應(yīng)類推可知，該反應(yīng)實質(zhì)是甲基所含C-H鍵中氫原子被氯原子取代，則B的結(jié)構(gòu)簡式為CICH） C≡CH或HC≡CCH2 CI;再由B+C的反應(yīng)試劑為NaCN和加熱及B、C的分子式和原子個數(shù)守恒原理推斷，該反應(yīng)實質(zhì)是B所含C-CI鍵中的氯原子被氰基取代，則C的結(jié)構(gòu)簡式為NCCH2C≡CH或HC≡CCH2 CN;由C→D的反應(yīng)條件和試劑及D的分子式推斷，該步反應(yīng)實際上包含兩步反應(yīng)，先是C中氰基在酸性溶液中水解變?yōu)轸然龋笫荋OOCCH2 C≡CH 或 HC≡CCH2 COOH 與CH3 CH2 0H在濃硫酸加熱下發(fā)生酯化反應(yīng)，則D的結(jié)構(gòu)簡式為CH3 CH2 00CCH） C≡CH或HC≡CCH） COOCH2 CH3。

點撥：科學(xué)素養(yǎng)或核心素養(yǎng)是靈活運用學(xué)科核心知識解決真實情境下復(fù)雜問題的能力，同學(xué)們只有置身于真實問題情境，親歷復(fù)雜問題的解決過程，才能迅速發(fā)展與提升。當(dāng)“同分異構(gòu)體推斷”的學(xué)習(xí)脫離探究與實踐而直接進(jìn)行（通過直接教學(xué)而“內(nèi)化”“同分異構(gòu)體推斷”）的時候，“同分異構(gòu)體數(shù)目推斷”的熟練就與學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展成反比。當(dāng)“同分異構(gòu)體推斷”的學(xué)習(xí)成為間接過程和解決復(fù)雜問題的“副產(chǎn)品”的時候，“同分異構(gòu)體數(shù)目及結(jié)構(gòu)簡式推斷”的熟練與學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展才會成正比。

五、以結(jié)構(gòu)簡式、同分異構(gòu)體的性質(zhì)為證據(jù)，推斷結(jié)構(gòu)簡式

近兩年江蘇卷有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)模塊選考題均考查合成路線中某環(huán)狀有機(jī)物同分異構(gòu)體的結(jié)構(gòu)簡式書寫問題，通常涉及有機(jī)物的組成、結(jié)構(gòu)（含苯環(huán)、官能團(tuán)）、轉(zhuǎn)化（水解反應(yīng)且生成兩種產(chǎn)物）、不同化學(xué)環(huán)境的氫及其種數(shù)等限定條件。這類試題同樣考查高中化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，即高中學(xué)生通過化學(xué)學(xué)科學(xué)習(xí)而逐步形成的正確價值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力，基本上涵蓋了“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”“科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任”5個方面。

六、已知結(jié)構(gòu)簡式的某鏈狀有機(jī)物同分異構(gòu)體數(shù)目及結(jié)構(gòu)簡式的推斷

近兩年考查合成路線中某鏈狀有機(jī)物同分異構(gòu)體數(shù)目及限定條件下的結(jié)構(gòu)簡式書寫問題，通常涉及有機(jī)物的組成、結(jié)構(gòu)（官能團(tuán)）、轉(zhuǎn)化（烴及其衍生物）、核磁共振氫譜中峰數(shù)等條件。

C的同分異構(gòu)體W（不考慮手性異構(gòu)）可發(fā)生銀鏡反應(yīng)，且1 mol W最多與2 mol NaOH發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)物之一可被氧化成二元醛。滿足上述條件的W有____種，若W的核磁共振氫譜具有四組峰，則其結(jié)構(gòu)簡式為____。

解析：合成路線中已知C的結(jié)構(gòu)簡式為HOOC（CH2）4CH2Br，已知“C的同分異構(gòu)體W（不考慮手性異構(gòu)）可發(fā)生銀鏡反應(yīng)，且1 mol W最多與2 mol NaOH發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)物之一可被氧化成二元醛”，說明W含有1個HCOO-、1個Br-且二者必須連在剩余碳原子形成的碳骨架結(jié)構(gòu)的端碳原子上，不能連在仲碳、叔碳原子上，二者也不能連在同一個端碳原子上，否則堿性水解產(chǎn)生的二元醇被氧化后得不到2個醛基，而是1個醛基和1個酮基（或羰基）或2個酮基（或羰基）等。除1個HCOO 、1個Br外，剩余5個碳原子可以形成的碳骨架有

點撥：解答本題時，考生需要從“C的同分異構(gòu)體W（不考慮手性異構(gòu)）可發(fā)生銀鏡反應(yīng)，且1 mol W最多與2 mol NaOH發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)物之一可被氧化成二元醛”等信息中，抽取出能描述C的同分異構(gòu)體W在組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和轉(zhuǎn)化方面的主要參數(shù)，即W的分子中含有1個 OOCH、1個 Br及剩余原子團(tuán)為C5H10，由此可以找出這些參數(shù)之間的正確關(guān)系，即W可以視為Cs Hl2的二元取代物且兩個取代基不相同（分別為- OOCH、-Br），并且W水解所得醇能被氧化為醛，說明所得醇羥基所連碳原子上至少還連有2個氫原子，由此推斷-OOCH、-Br必須連接在端碳原子上，而非其他碳原子上，接下來建構(gòu)模型足以分析W的同分異構(gòu)體數(shù)目及書寫出符合題給條件下的結(jié)構(gòu)簡式。

（責(zé)任編輯 謝啟剛）