同分異構體數目判斷的思維模型構建與應用

廣東

有機物同分異構體數目判斷是高中化學知識體系中的一個重點，也是每年各地高考命題熱點。既能鍛煉學生思維的有序性和周密性，又培養學生的“證據推理和模型認知”等化學學科核心素養。然而，在面對這樣的一個高頻考點時，學生卻容易陷入思維困境，常因寫漏或寫重而造成同分異構體數目判斷錯誤。基于這樣的背景，本文嘗試通過對相關基礎知識進行梳理，并用分類思想構建出該類題目常見的思維模型，同時結合典型例題進行解析，逐步引導學生理解不同思維模型的應用，意在提高學生對該類題目的分析能力，幫助學生有效突破知識難點。

一、基礎知識梳理

1.不飽和度

不飽和度又稱缺氫指數，是有機物分子不飽和程度的量化標志，用希臘字母Ω表示。一般鏈狀烷烴的不飽和度為0，而當與鏈狀烷烴相同碳數的其他有機物結構中增多一個雙鍵或形成一個環時，會減少2個氫原子，則會增多一個不飽和度。

高中階段常見有機物類型的不飽和度Ω計算過程如下：烴CxHy的不飽和度Ω=(2x+2-y)/2，鹵代烴CxHyXn的不飽和度Ω=(2x+2-y-n)/2，烴的含氧衍生物CxHyOm的不飽和度Ω=(2x+2-y)/2。現將常見基團的不飽和度整理如表1所示。

表1 常見基團的不飽和度

2.等效氫

等效氫是指有機物分子中位置等同的氫原子。通常有三種情況：①同一個碳上的氫原子是等效的，如CH4中的4個H是等效的，即有1種等效氫；②同一個碳上所連甲基上的氫原子是等效的，如C(CH3)4中的12個H是等效的，即有1種等效氫；③處于鏡面對稱位置上的氫原子是等效的，如CH3-CH2-CH3為左右對稱結構，故首尾6個H、中間2個H分別是等效的，即共有2種等效氫。

3.常見性質描述和可能結構的對應關系

結構決定性質，性質反映結構。試題中常通過提供有機物化學性質來考查學生對其結構的認知水平。這就要求學生能熟練掌握有機物結構和性質間的關系。現將常見性質描述和可能結構的對應關系整理如表2所示。

表2 常見性質描述和可能結構的對應關系

二、思維模型構建與應用

1.“等效氫法”思維模型構建與應用

“等效氫法”的關鍵在于先根據題目信息確定有機物的重要參數，如不飽和度Ω、各原子數、官能團類別；其次根據有序的書寫原則寫出除官能團外剩下碳原子數可能的形成的碳鏈結構；再分析出各結構中等效氫數目，即為一元取代物同分異構體數目。構建的“等效氫法”思維模型如圖1所示。

圖1 “等效氫法”思維模型

該模型的適用范圍：題目中直接給出有機物分子式或結構，沒有其他性質條件的限制，要求判斷一元取代物同分異構體數目。鹵代烴、醇、醛、羧酸都可看作是烴的一元取代物。

【典例1】(2016·全國卷Ⅰ·9·節選)下列關于有機化合物的說法正確的是

( )

C.C4H9Cl有3種同分異構體

【答案】C錯誤

【變式1】(2015·全國卷Ⅱ·11·改編)分子式為C5H10O2且屬于羧酸的有機物有(不含立體異構)

( )

A.3種 B.4種 C.5種 D.6種

【答案】B

2.“定一移一法”思維模型構建與應用

首先根據題目信息確定官能團，寫出除官能團外剩下碳數可能的碳鏈結構，分析等效氫數目；其次固定一個官能團在不同等效氫處，即得一元取代物，其同分異構體數目為等效氫數目；接著分析各一元取代物等效氫數目；然后再移動另一官能團在不同等效氫處，即得二元取代物，特別注意要扣除重復結構，即可得二元取代物同分異構體數目。具體思維模型如圖2所示。

圖2 “定一移一法”思維模型

該模型的適用范圍：題目中直接給出有機物分子式或結構，沒有其他性質條件的限制，要求判斷二元或二元以上取代物同分異構體數目。取代基可以是—X、—OH、—CHO 或—COOH。

( )

B.b、d、p的二氯代物均只有三種

【答案】B錯誤

【變式2】(2016全國卷Ⅱ，10)分子式為C4H8Cl2的有機物共(不含立體異構)

( )

A.7種 B.8種 C.9種 D.10種

【答案】C

3.“基團組裝法”思維模型構建與應用

“基團組裝法”一般先根據題目已知有機物確定相關重要參數，如不飽和度Ω、各原子數，再根據性質條件限制確定特定結構和基團，接著用“等效氫法”或“定一移一法”將各基團組裝成符合題意的有機物，從而判斷同分異構體數目。具體思維模型如圖3所示。

圖3 “基團組裝法”思維模型

該模型的適用范圍：適用于題目除了給出有機物分子式或結構，還有相關性質條件的限制，要求判斷同分異構體數目。有機物中的官能團可以是—X、—OH、—CHO或—COOH。

【典例3】(2018·天津卷·8·節選)化合物N具有鎮痛、消炎等藥理作用，其合成路線如下：

(4)C的同分異構體W(不考慮手性異構)可發生銀鏡反應；且1 mol W最多與2 mol NaOH發生反應，產物之一可被氧化為二元醛。滿足上述條件的W共有________種。

【答案】5

【變式3】(2017·全國卷Ⅱ·36·節選)化合物G是治療高血壓的藥物“比索洛爾”的中間體，一種合成G的路線如下：

(6)L是D的同分異構體，可與FeCl3溶液發生顯色反應，1 mol的L可與2 mol的Na2CO3反應，L共有________種。

【答案】6

三、備考建議