2024届高考一轮复习 第九章 有机化学 第8讲 有机物的共线、共面和同分异构体（89张PPT）

(共89张PPT)
第8讲 有机物的共线、共面和同分异构体(综合应用课)
纵观近三年各地高考试题，对有机物分子中原子的共面、共线和同分异构体书写、数目确定几乎成为各地高考试题每年必考的热点。在试题题型上可以是选择题也可以是非选择题，在考查深度上可以限定物质、限定条件等。
1．(2021·浙江选考)有关 的说法不正确的是 ( )
A．分子中至少有12个原子共平面
B．完全水解后所得有机物分子中手性碳原子数目为1个
C．与FeCl3溶液作用显紫色
D．与足量NaOH溶液完全反应后生成的钠盐只有1种
解析：该有机物中不含酚羟基，不能与FeCl3溶液作用显紫色。
答案：C
2.(2021·河北等级考)苯并降冰片烯是一种重要的药物合成中间体，结构简式如图。关于该化合物，下列说法正确的是 ( )
A．是苯的同系物
B．分子中最多8个碳原子共平面
C．一氯代物有6种(不考虑立体异构)
D．分子中含有4个碳碳双键
解析：苯并降冰片烯与苯在组成上相差的不是一个或若干个CH2，结构上也不相似，故二者不互为同系物，A错误；由题给苯并降冰片烯的结构简式可知，苯环上的6个碳原子与苯环相连的2个碳原子共平面，则该分子中最多8个碳原子共平面，B正确；苯并降冰片烯的结构对称，其分子中含有5种不同化学环境的氢原子，则其一氯代物有5种，C错误；苯环中含有的碳碳键是介于碳碳单键和碳碳双键之间特殊的键，故1个苯并降冰片烯分子中含有1个碳碳双键，D错误。
答案：B
3.(2021·山东等级考改编)立体异构包括顺反异构、对映异构等。有机物M(2－甲基－2－丁醇)存在如图转化关系，下列说法错误的是 ( )
A．N分子不存在顺反异构
B．L的任一同分异构体最多有1个手性碳原子
C．M的同分异构体中，能被氧化为酮的醇有4种
D．L的同分异构体中，含两种化学环境氢原子的只有1种
答案：C
4．(2021·海南等级考改编)我国化工专家吴蕴初自主破解了“味精”的蛋白质水解工业生产方式。味精的主要成分为谷氨酸单钠盐。X是谷氨酸(结构简式如下)的同分异构体，与谷氨酸具有相同的官能团种类与数目。下列有关说法正确的是 ( )
A．谷氨酸分子式为C5H8NO4
B．谷氨酸分子中有2个手性碳原子
C．谷氨酸单钠不能溶于水
D．X的数目(不含立体异构)有8种
解析：根据谷氨酸的结构简式，可知其分子式为C5H9NO4，故A错误；
谷氨酸单钠属于钠盐，能溶于水，故C错误；
X有(不含立体异构)
共8种，故D正确。
答案：D
，
5．(2022·全国乙卷)一种实现二氧化碳固定及再利用的反应如下：
下列叙述正确的是 ( )
A．化合物1分子中的所有原子共平面
B．化合物1与乙醇互为同系物
C．化合物2分子中含有羟基和酯基
D．化合物2可以发生开环聚合反应
答案：D
题型(一) 有机物的共面、共线
(一)基本的有机物构型的建立
1．原子共面的4个基本模型
模型 结构特点 具体阐释
甲烷分子模型 四面体形结构 该模型中有且只有3个原子共面。凡是碳原子与其他4个原子形成共价单键时，与碳原子相连的4个原子组成四面体形结构。任何有机物分子结构中只要出现1个饱和碳原子，则整个分子中所有原子不再共面
续
表
2．原子共线的3个基本模型
模型 结构特点 具体阐释
乙炔分子模型 直线形结构 该模型中的4个原子一定在同一条直线上。任何有机物分子结构中只要出现1个碳碳三键，则至少有4个原子共线
HCN分子模型 直线形结构 该模型中的3个原子一定在同一条直线上。若有机物分子结构中存在1个—C≡N时，则至少有3个原子共线
苯分子模型 — 该模型中处于对位的碳原子及其所连的原子(共4个原子)共线
3．基本模型解读
(1)直链烷烃非直链
[结构特点]
①烷烃分子中的碳原子为sp3杂化。
②碳原子与周围四个原子构成四面体结构，键角为109°28′。
③直链上的所有碳原子不可能处在同一条直线上，它们成锯齿形排列。
④单键可以旋转，所以主链上的碳原子可以处于同一平面上。
(2)甲烷、甲基像风扇
[结构特点]
①甲烷分子中碳原子为sp3杂化。
②甲烷为正四面体结构，键角为109°28′。
③CH4中的碳、氢原子，最多有三个原子共平面。
④如果碳原子周围是四个单键，那么结构中的四个或五个原子就不可能共平面。
(3)乙烯蟹形共平面
[结构特点]
①乙烯分子中的碳原子为sp2杂化。
②乙烯分子中6个原子共平面，键角约为120°。
③分子中的双键不能旋转，可能存在顺反异构。
[结构特点]
①乙炔分子中的碳原子为sp杂化。
②乙炔分子中4个原子在一条直线上，键角为180°。
③分子中的4个原子也在同一平面上。
(5)苯环完美像雪片
(6)甲醛四点企鹅范
[结构特点]
①甲醛分子中的碳原子为sp2杂化。
②甲醛分子中4个原子一定共平面，键角∠HCH＝116.11°，∠HCO＝121.89°。
(二)复杂有机物的共面、共线分析方法
1．直线与平面连接
直线结构中如果有2个原子(或者一个共价键)与一个平面结构共用，则直线在这个平面上。
如 ，共面原子为8个，共线原子为4个。
4．直线、平面与立体连接
如图所示的大分子中共平面原子最多19个。
分析时要注意两点：①观察大分子的结构，先找出甲烷、乙烯、乙炔和苯分子的“影子”，再将甲烷“正四面体”、乙烯“平面形”、乙炔“直线形”和苯“平面形”等分子构型知识迁移过来即可；②苯环以单键连接在6号不饱和碳原子上，不管单键如何旋转，8号和9号碳原子总是处于乙烯平面上。不要忽视8号碳原子对位上的9号碳原子。
(三)有机化合物分子中共线、共面的思维方法
看清要求 题目要求是“碳原子”还是“所有原子”，“一定”“可能”“最多”“共线”“共面”等
选准主体 ①凡出现碳碳双键结构形式的原子共面问题，以乙烯的结构为主体；②凡出现碳碳三键结构形式的原子共线问题，以乙炔的结构为主体；③凡出现苯环结构形式的原子共面问题，以苯的结构为主体
准确判断 碳碳单键及碳的四键原则是造成有机物分子中原子不在同一平面的主要原因，其具体判断方法如下：
①结构中每出现一个饱和碳原子，则整个分子不再共面；②结构中每出现一个碳碳双键，至少有6个原子共面；③结构中每出现一个碳碳三键，至少有4个原子共线；④结构中每出现一个苯环，至少有12个原子共面
续表
[典例] 下列关于有机物分子中原子共线、共面问题的说法正确的是 ( )
[解析] A项，分子中含有1个碳碳三键，为直线形结构，分子中至少有4个碳原子共直线，错误。
D项，四苯乙烯分子中含有4个苯环和1个碳碳双键，均为平面形结构，则该分子中所有碳原子可能位于同一平面，正确。
[答案] D
[综合应用训练]
1．下列化合物的分子中，所有原子可能共平面的是 ( )
A．甲苯 B．乙烷
C．丙炔 D．1,3－丁二烯
解析：甲烷是正四面体结构，甲苯、乙烷、丙炔中均有甲基，所有原子一定不共平面。因为乙烯是平面形结构，碳碳单键可以旋转，所以1,3－丁二烯中所有原子可能共平面。
答案：D
解析：该双环烯酯水解产物中都含有碳碳双键，都能使溴水褪色，选项A正确；
该双环烯酯的两个碳碳双键能与H2发生加成反应，酯基中的碳氧双键不能加成，选项B不正确；
分子中不存在苯环，共平面的原子从碳碳双键出发，至少是6个，分子中分别与两个碳碳双键共平面的原子不一定共面，选项C不正确；
分子加氢后，两边环分别有4种一氯代物，—CH2—上有1种，共有9种，选项D错误。
答案：A
答案：B
该有机物中含有碳碳三键，可发生加成反应，含有羧基，可发生酯化反应，但不能发生消去反应，C不正确；
该有机物分子中，只有2个—CH3上的氢原子化学环境相同，不考虑立体异构，该分子中共有8 种化学环境不同的氢，D不正确。
答案：B
题型(二) 同分异构体的书写与数目判定
类型 一 同分异构体的数目判断
1．同分异构体的类型示例
2．碳链异构体书写方法——减碳法
(以C6H14的碳链异构为例)
第一步 将分子中全部碳原子连成直链作为母链C—C—C—C—C—C
第二步 从母链一端取下一个碳原子作为支链(即甲基)，依次连在主链中心对称线一侧的各个碳原子上，此时碳骨架结构有两种：
不能连在①位和⑤位上，否则会使碳链变长，②位和④位等效，只能用一个，否则重复
第三步 从母链上取下两个碳原子作为一个支链(即乙基)或两个支链(即2个甲基)依次连在主链中心对称线一侧的各个碳原子上，两甲基的位置依次相邻、相同，此时碳骨架结构有两种：
②位或③位上不能连乙基，否则会使主链上有5个碳原子，使主链变长。所以C6H14共有5种同分异构体
续
表
3．同分异构体数目判断方法
识记法 熟记下列常考的同分异构体模型，有助于考生在考试中实现“秒答”。
①丁烷、丁炔、丙基、丙醇均有2种不同结构。
②戊烷、丁烯、戊炔均有3种不同结构。
③丁基、C8H10(芳香烃)均有4种不同结构。
④己烷、C7H8O(含苯环)均有5种不同结构。
⑤戊基、C9H12(芳香烃)均有8种不同结构
基元法 以烃基为基元，该烃基对应烷烃的一元取代物的同分异构体数目与烃基的同分异构体数目相等
换元法 此法适用于确定烃的多元取代物的同分异构体数目。如二氯苯(C6H4Cl2)有3种同分异构体，四氯苯也有3种同分异构体(将H原子与Cl原子交换)
等效氢法 有机物分子中，位置等同的氢原子叫等效氢原子。同一碳原子上的氢原子等效；同一碳原子上的甲基上的氢原子等效；位于对称位置上的碳原子上的氢原子等效。有几种等效氢，其一元取代物就有几种
续表
[例1] 分子式为C8H9Cl且含有苯环的同分异构体数目为 ( )
A．10种 B．12种 C．14种 D．18种
[解析] 分子式为C8H9Cl且含有苯环，如果苯环上只有一个取代基，即—C2H4Cl，相当于乙基中的一个氢原子被氯原子取代，有2种结构；如果含有两个取代基，则为氯原子和乙基或—CH2Cl和甲基，在苯环上均有邻、间、对三种位置关系，共计6种；如果含有3个取代基，则为氯原子和2个甲基，当2个甲基位于邻位时，有2种结构，当2个甲基位于间位时，有3种结构，当2个甲基位于对位时，有1种结构，共计14种。
[答案] C
[思维建模] 芳香化合物同分异构体的分析方法
(1)苯环上无取代基时：苯环上只有一种氢原子。
(2)苯环上有两个取代基时：
有2个相同取代基时，2个取代基有邻、间、对3种位置关系，苯环上分别有2种、3种、1种化学环境的氢原子。有2个不同取代基时，2个取代基处于邻、间、对位时，苯环上分别有4种、4种、2种化学环境的氢原子。
(3)苯环上有3个取代基时
有3个相同取代基时，3个取代基有连、均、偏3种位置关系，苯环上分别有2种、1种、3种化学环境的氢原子。
[对点训练]
1．分子式为C4H8Cl2的有机物共有(不含立体异构) ( )
A．7种 B．8种
C．9种 D．10种
解析：有机物C4H8Cl2的碳骨架有两种结构：
(1)碳骨架为C—C—C—C的同分异构体有
答案：C
2．化学式为C5H10O2的羧酸A可由醇B经连续催化氧化得到，A和B可反应生成酯C，则符合条件的酯C有(仅考虑构造异构) ( )
A．2种 B．4种
C．8种 D．16种
解析：羧酸A(C4H9—COOH)可由醇B经连续催化氧化得到，则醇B为C4H9—CH2OH，而—C4H9有4种结构，故所得酯C有4种，B项正确。
答案：B
解析：该有机物为芳香族化合物，难溶于水，A项错误；
该有机物含有饱和碳原子，所有原子不可能在同一平面，C项错误；
1 mol该有机物含有2 mol苯环、5 mol碳碳三键，1 mol苯环可与3 mol H2发生加成反应，1 mol碳碳三键可与2 mol H2发生加成反应，则1 mol该物质与H2发生加成反应，最多消耗16 mol H2，D项正确。
答案：D
类型(二) 限定条件下同分异构体书写与数目确定
1．明确不饱和度(Ω)与结构关系
不饱和度 思考方向
Ω＝1 1个双键或1个环或一个碳氧键
Ω＝2 1个三键或2个双键
Ω＝3 3个双键或1个双键和1个三键(或考虑环结构)
Ω>4 考虑可能含有苯环
2．限定条件下官能团的判断
(1)性质限定
常见限定条件 有机物分子中的官能团或结构特征
与金属钠反应放出氢气 含羟基、羧基
能发生银镜反应或与新制的Cu(OH)2悬浊液反应产生砖红色沉淀 含醛基、甲酸酯基
能与NaOH溶液反应 含酚羟基、羧基、酯基、碳卤键(卤素原子)等
与NaHCO3、Na2CO3溶液反应产生CO2 含羧基
与FeCl3溶液发生显色反应或与浓溴水反应产生白色沉淀 含酚羟基
能发生水解反应 含酯基、碳卤键(卤素原子)等
卤代烃或醇能发生消去反应 含β－H原子
续表
(2)结构限定
常见限定条件 有机物分子中的官能团或结构特征
属于芳香族 含苯环
核磁共振氢谱有n组峰 一般为对称结构，有n种不同化学环境的氢原子，若峰面积比中出现3或6的，可考虑含有1个或2个甲基
[注意] 根据核磁共振氢谱确定氢原子的种类、数目，进而确定分子的对称性及基团的连接。
(2)(2022·辽宁等级考·节选)化合物I(C10H14O)的同分异构体满足以下条件的有______种(不考虑立体异构)；
ⅰ.含苯环且苯环上只有一个取代基
ⅱ.红外光谱无醚键吸收峰
其中，苯环侧链上有3种不同化学环境的氢原子，且个数比为6∶2∶1的结构简式为______(任写一种)。
[思维建模] 建立限定条件同分异构体的书写流程
判官能团 根据有机物的性质或定量关系等限制条件判断其含有的官能团
写碳链 除去官能团中的碳原子，写出其他碳原子形成的碳架异构
移官位 在各个碳链不同碳原子上依次移动官能团的位置，有两个或两个以上的官能团时，先连一个官能团，再连第二个官能团，依次类推
氢饱和 按“碳四键”的原理，碳原子剩余的价键用氢原子去饱和，就可得到所有同分异构体的结构简式
解析：根据题意可知，分子式为C11H16的二烷基取代苯中的两个烷基处于对位，当一个取代基为甲基时，另一个取代基为丁基[不包括—C(CH3)3]，共3种；当一个取代基为乙基时，另一个取代基为丙基，共2种。故符合条件的同分异构体共有5种。
答案：A
答案：9 CH3CCl2CH2CHO、CH3CH2CCl2CHO或CH2ClCCl(CH3)CHO
解析：有机物D的分子式(C9H7O5N)，有机物M是有机物D的同分异构体，根据已知条件：能发生银镜反应，遇FeCl3显紫色，说明结构中含有酚羟基和苯环；核磁共振氢谱显示有4组峰，峰面积之比为1∶2∶2∶2，说明结构中有4种不同化学环境的H原子；结构中存在—NO2。则满足已知条件的同分异构体有7种。
答案：7
谢
谢
观
看