建構模型認知 突破有機物分子中原子共平面問題

■湖北省英山縣長沖高級中學 張進華

有機物分子中原子是否共平面問題一直是高頻考點,很多考生在解答該類題目時感覺困難和棘手,并表現有兩種極端的情況:一種考生是謹小慎微、縮手縮腳,不敢合理聯想;另一種考生則天馬行空、主觀臆斷,隨意發揮。這兩種情況最后可能都會得出錯誤的結論。如何突破有機物原子共平面問題? 關鍵是建構模型認知。首先要掌握教材里幾種典型的有機物分子空間結構特征,這是證據推理的基礎。解題時,依據題目所給有機物分子結構特點,變換不同的角度選定主體,從而把分子拆分為若干區塊,先對拆分的區塊逐一作局部分析,再將各區塊的情況綜合起來,答案也就柳暗花明、水落石出了。

一、建構模型認知

1.建構化學模型。

(1)熟悉幾種典型的有機物分子空間結構。

甲烷為正四面體結構,鍵角109°28′,中心的碳原子與2 個氫原子共平面,余下的另外2 個氫原子一定不在此平面;乙烯為平面結構,2個碳原子與4個氫原子共平面,鍵角120°;乙炔為直線形結構,鍵角180°,2個碳原子與2 個氫原子在一條直線上;苯分子為平面正六邊形結構,6 個碳原子與6 個氫原子共平面;氨分子結構為三角錐形,氮原子在錐頂,3個氫原子在錐底。具體結構模型如下。

(2)等位代換不變原則。

甲烷、乙烯、乙炔、苯、甲醛等分子中的H原子如果被其他原子(如C、O、N、Cl等)所取代,則取代原子(如C、O、N、Cl等)處于原被取代H 原子位置,即取代后的分子構型基本不變。

2.建構數學模型的證據推理。

數學定理“不在同一直線上的三個點可以確定一個平面”,“如果一條直線上的兩個點在某個平面內,那么這條直線在這個平面內”,是借助數學模型來推導有機物原子是否共平面的兩條重要推理證據。

3.建構推理思維模型。

(1)形成共價單鍵的原子可以繞軸旋轉,雙鍵、三鍵的原子不能繞軸旋轉。

(2)若結構式中出現甲基(或飽和碳原子)的有機物,其分子中的所有原子就不可能共平面。

(3)將所給有機物的分子中一定有共面的結構分別確定為平面M 和平面N,若兩個平面通過一個碳碳單鍵相連,則通過旋轉任意一個平面,可以達到兩個平面重合,此時該有機物分子中所有原子共平面。

(5)審題時一定要注意題目的要求,是“碳原子”還是“所有原子”,是“可能”還是“一定”,是“至少”還是“最多”,是“共線”還是“共平面”等。

二、典型例題解析

例1下列分子中的所有碳原子不可能在同一平面上的是( )。

解析:由于飽和碳原子上連接4 個共價鍵,構成四面體,所以凡是含有飽和碳原子的化合物,分子中的所有原子就不可能是共面的。B項有機物中有連接3個碳原子的飽和碳原子,其所有碳原子不可能在同一平面上。

答案:B

例2描述CH3—CH CH—C═C—CF3分子結構的下列敘述中,正確的是( )。

A.6個碳原子有可能都在一條直線上

B.6個碳原子不可能都在一條直線上

C.6個碳原子有可能都在同一平面上

D.6個碳原子不可能都在同一平面上

解析:根據題中分子所含有的甲烷、乙烯、乙炔結構特征,該分子的碳鏈空間結構可表示為或。乙烯的平面形結構決定1、2、3、4號這4個碳原子在同一平面內,1、2、3 號(或2、3、4號)3個碳原子有鍵角接近120°,所以6個碳原子不可能都在一條直線上;乙炔的直線形結構-C≡C-決定了3、4、5、6號4個碳原子在同一直線上,而且該直線上3、4號2個碳原子已經在前述平面上,因此這條直線在這個平面(如果一條直線上的兩個點在平面內,那么該直線在這個平面內),總計有6個碳原子共面。

答案:B、C

例3已知碳碳單鍵可以繞鍵軸自由旋轉,有結構簡式為的烴,下列說法中正確的是( )。

A.分子中至少有9 個碳原子處于同一平面上

B.分子中至少有10 個碳原子處于同一平面上

C.分子中至少有11 個碳原子處于同一平面上

D.分子中16個碳原子一定處于同一平面上

解析:題目所給的烴看起來比較復雜,若能從苯分子結構特征入手分析,就很容易理解其空間結構情況。先以分子中左邊的苯環為主體進行研究(方便起見,對該烴的部分碳原子做了編號,它連接的兩個甲基的碳原子取代苯環氫原子位置,所以處于苯環這個平面,即左邊苯環上的6個碳原子與直接連在這個苯環上的2個甲基的碳原子共平面;同理可知編號為4 號的碳原子也處在左邊苯環平面上;根據苯環為平面正六邊形的幾何特點,可推知編號為1、2、3、4、5、6的6個碳原子在一條直線上。綜合起來,共有2 個(左邊的2 個甲基)+6 個(左邊的苯環)+2個(4號、5號碳)+1 個(6號碳)=11個碳原子處于同一平面上。

答案:C

例4某烴的結構簡式為,有關其結構說法正確的是( )。

A.所有原子可能在同一平面上

B.所有原子可能在同一條直線上

C.所有碳原子可能在同一平面上

D.所有氫原子可能在同一平面上

解析:根據乙烯、苯為平面結構,乙炔為直線形結構,CH4為四面體結構的特征,題中分子的結構可用圖1中a、b表示。

圖1

單鍵能繞鍵軸旋轉,雙鍵和三鍵不能繞鍵軸旋轉,從a、b 2個圖示中可得:當a、b中用虛線所圍的兩個面完全重合時共面的原子最多,此時所有的碳原子都共面,但共直線的碳原子只有a圖中編號的1、2、3、4、5等5個碳原子。由于分子中有—CH3,故不可能所有原子共平面。

答案:C

三、同步訓練

(1)在同一直線上的原子最多有____個。

(2)一定在同一平面上的原子最多有____個。

(3)可能在同一平面上的原子最多有____個。

4.輔酶Q10具有預防動脈硬化的功效,其結構簡式如下:

(1)輔酶Q10分子式為_____,該分子中含有個甲基。

(2)分子中的四個氧原子____(填“在”或“不在”)同一平面。

A.4、3、6 B.4、3、8

C.2、5、4 D.4、4、6

同步訓練答案:

1.(1)4 (2)12 (3)17

提示:一個苯環決定12 個原子共平面;三鍵決定4 個原子共直線;羰基是鍵角約為120°平面結構。

2.13

提示: 同一個苯環上6個碳原子及分子中心的一個碳原子共平面,加上另外一個苯環通過單鍵為軸旋轉到這個平面,所以最多6+1+6=13個碳原子共平面。

3.10

提示:參考本文例題3的分析思路,至少有1+6+2+1=10個碳原子處于同一平面。

4.(1)C59H90O414 (2)在

5.B

提示:根據有機物的結構簡式可知,含有的飽和碳原子個數是4 個;由于碳碳三鍵是直線形結構,而碳碳雙鍵是平面形結構,飽和碳原子都是四面體結構,則在同一直線上的碳原子數為3。又因為單鍵是可以旋轉的,則在同一平面上的碳原子數最多為8 。