限定條件下同分異構(gòu)體的書寫策略

李靈敏

(浙江省慈溪市逍林中學(xué) 315321)

同分異構(gòu)體的考查一直是高考化學(xué)熱點之一，浙江省2015年高考實行7選3選考以后，同分異構(gòu)體的書寫成了每年必考考點，如2017年4月選考32題:

寫出同時符合下列條件的C的所有同分異構(gòu)體的結(jié)構(gòu)簡式____.

(1)分子中有苯環(huán)而且是苯環(huán)的鄰位二取代物；

(2)1H-NMR譜表明分子中有6種氫原子；IR譜顯示存在碳氮雙鍵(C=N).

常見典型錯誤有：寫不全、結(jié)構(gòu)簡式表達(dá)錯誤、1H-NMR譜氫的種類不符合等.面對此題，可以利用下面這些策略幫助解答.

一、善于分析限定條件

首先就是讀題與審題，審題的關(guān)鍵是要善于分析與解讀試題所給出的限定條件.限定條件大致可以分為兩大類，一類是反應(yīng)有機物的特征性質(zhì)的，用于確定官能團及有機物的主體結(jié)構(gòu)，如下表所示；另一類是反應(yīng)不同化學(xué)環(huán)境的氫原子的1H-NMR譜，用于確定官能團的位置以及剩余基團的位置.

反應(yīng)有機物的特征性質(zhì)的限定條件對應(yīng)有機物的官能團或結(jié)構(gòu)特征能與Na2CO3溶液反應(yīng)含酚-OH或-COOH能與NaHCO3溶液反應(yīng)含-COOH能與NaOH溶液反應(yīng)含酚-OH或-COOH或-COOR或-X能發(fā)生銀鏡反應(yīng)(或與新制Cu(OH)2反應(yīng))含-CHO(包括HCOOR)與FeCl3發(fā)生顯色反應(yīng) 含酚-OH水解后的產(chǎn)物才能與FeCl3溶液發(fā)生顯色反應(yīng) 含酚酯結(jié)構(gòu)

二、學(xué)會數(shù)等效氫原子

所謂等效氫是指有機化合物分子中位置等同的氫，可通過核磁共振1H-NMR譜圖中的吸收峰數(shù)目來反映.同一甲基上所連的氫原子、同一碳原子上所連甲基上的氫原子以及處于鏡面對稱位置上的氫原子(相等于平面鏡成像時，物與像的關(guān)系)都是最常見的等效氫類型.

以戊烷為例：①CH3②CH2③CH2④CH2⑤CH3，從左往右①號與⑤號碳原子上的6個氫原子是等效的，②號與④號碳原子上的4個氫原子是等效的，因此戊烷有三種不同化學(xué)環(huán)境的氫原子，且1H-NMR譜峰面積之比為3∶2∶1.

如果能全面系統(tǒng)的掌握數(shù)等效氫原子的技巧，對于含有苯環(huán)的有機物，可以快速地判斷出不同化學(xué)環(huán)境的氫原子，從而提高解題效率.如果苯環(huán)上只有1個取代基，則苯環(huán)上有鄰、間、對3種不同化學(xué)環(huán)境的氫原子.如果有多個取代基，可以通過尋找對稱點(軸)的方法判斷等效氫的種類，當(dāng)苯環(huán)的對位是相同的取代基時，中心對稱，則苯環(huán)上只有1種化學(xué)環(huán)境的氫；當(dāng)苯環(huán)的對位是不同取代基時，軸對稱，苯環(huán)上有2種不同化學(xué)環(huán)境的氫；當(dāng)苯環(huán)的鄰位是不同取代基時，無對稱點，有4種不同化學(xué)環(huán)境的氫；以此類推，有3個取代基時，也可以用同樣的方法尋找不同化學(xué)環(huán)境的氫原子.

三、活用“定m移n”方法

對于含有環(huán)狀結(jié)構(gòu)的有機物，當(dāng)遇到多個取代基時，很多教師在教學(xué)中會提出定一移二法，固定一個取代基位置，再移動另一個或兩個取代基位置以確定同分異構(gòu)體數(shù)目.實則不然，有時候還可以定二移一，甚至定二移二，會讓同分異構(gòu)體的判斷與書寫變的更簡潔明了，因此在教學(xué)中應(yīng)該根據(jù)具體問題進(jìn)行具體分析，發(fā)散學(xué)生的思維，用活“定m移n”的方法(m、n均可取1或2).

例如：有三種不同的鹵素取代基，分別為-X、―Y、―Z，若同時分別取代苯環(huán)上的三個氫原子，能生成的同分異構(gòu)體數(shù)目共有幾種？

基于學(xué)生對苯環(huán)上2個不同取代基時有鄰、間、對三種同分異構(gòu)體的認(rèn)識，因此此題采用定二移一法更簡單，如圖所示，先固定X、Y兩個取代基，再根據(jù)等效氫原則，當(dāng)X、Y處于鄰位時，有4種不同化學(xué)環(huán)境的氫原子，則Z有4種不同的取代位置，依次類推，同分異構(gòu)體的總數(shù)=4+4+2=10種.

四、巧用不飽和度計算

不飽和度 (Degree of unsaturation)，又稱缺氫指數(shù)，是有機物分子不飽和程度的量化標(biāo)志，用希臘字母Ω表示.從有機物結(jié)構(gòu)角度計算：

Ω=雙鍵數(shù)+三鍵數(shù)×2+單鍵環(huán)數(shù)+…

其中雙鍵(C=C 、C=O、 C=N)Ω=1、三鍵(C≡C、C≡N)Ω=2、單鍵環(huán)Ω=1、苯環(huán) Ω=4 、硝基Ω=1；

從有機物分子式角度計算：

先將分子式進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)化成CxHyOm(NH)n型， 則Ω=x+1-y/2，處理原則是氧元素“視而不見” ，鹵素原子換成氫原子，每一個氮原子奪了一個氫原子之后隱藏.

如果能將不飽和度的計算融入有機推斷與同分異構(gòu)體的書寫，可以提高解題效率.

例11 molY能與足量碳酸氫鈉溶液反應(yīng)放出44.8 L CO2(標(biāo)準(zhǔn)狀況)，則Y的分子式可能是( ).

A.C5H10O4B.C4H4O4

C.C3H6O4D.C2H2O4

計算可得，A、B、C、D的不飽和度分別為1、3、1、2；再結(jié)合1molX能與足量碳酸氫鈉溶液反應(yīng)放出 2mol CO2，則X必含2個羧基，即X的不飽和度要≥2，因此答案選擇BD.

當(dāng)然，上述四種策略，不是孤立存在的，更多的時候需要我們聯(lián)合運用，才能將限定條件下的同分異構(gòu)體簡潔而有序的書寫完整.

例2 (2017年4月選考32題第5小題)寫出同時符合下列條件的c(C8H7N)的所有同分異構(gòu)體的結(jié)構(gòu)簡式____.①分子中有苯環(huán)而且是苯環(huán)的鄰位二取代物；②1H-NMR譜表明分子中有6種氫原子；IR譜顯示存在碳氮雙鍵(C=N).

其次根據(jù)分子式計算不飽和度Ω=6，可見除了苯環(huán)、C=N之外，還需要1個不飽和度，但原子只有2個碳1個氮了，因此必須還有1個環(huán)；

最后根據(jù)1H-NMR譜表明分子中有6種氫原子進(jìn)行逐一檢查排除第1個，余下的三個則為本題的正確答案，對其進(jìn)行補氫即可.

綜上所述,限定條件下同分異構(gòu)體的書寫，與傳統(tǒng)的同分異構(gòu)體的書寫相比，不再是簡單的碳架的羅列與變換了，而是通過限定條件強化考查了學(xué)生對有機化學(xué)“組成、結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”這一基本觀念的掌握程度，與當(dāng)前要求發(fā)展學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)目標(biāo)相一致.因此在有機化學(xué)教學(xué)中，要圍繞學(xué)科核心素養(yǎng)科學(xué)合理地組織和設(shè)計同分異構(gòu)體的有關(guān)教學(xué)內(nèi)容，遵循學(xué)生認(rèn)知規(guī)律，幫助學(xué)生構(gòu)建解題模型，逐步提升學(xué)生限定條件下的同分異構(gòu)體的書寫能力.