第2课时 同分异构体
【课程标准】
1.认识有机化合物的分子结构决定于原子间的连接顺序、成键方式和空间排布,认识有机化合物存在构造异构和立体异构等同分异构现象。
2.建立有机物同分异构体书写的基本思维模型,能正确书写和判断常见有机物的同分异构体。
【素养目标】
1.能从宏观和微观的角度理解有机物分子的组成、性质与变化,能从不同角度认识有机物种类繁多的原因,从微观角度认识“同分异构现象”。(宏观辨识与微观探析)
2.建立书写和判断同分异构体的思维模型,并运用模型正确书写和判断有机物的同分异构体。(证据推理与模型认知)
一、同分异构体
1.同分异构现象与同分异构体
(1)同分异构现象:有机化合物分子中的原子在成键方式、连接顺序等方面,如果存在差异,就会出现 相同而 不同的同分异构现象。
(2)同分异构体: 相同而 不同的化合物互为同分异构体。
(3)特点:分子式相同,性质存在 ,其本质原因是同分异构体具有 。
2.有机化合物同分异构体的种类
3.构造异构及其类型
(1)构造异构:分子式相同而分子中 或 连接方式不同的异构现象。
(2)构造异构类型
异构 方式 形成途径 示例
碳链 异构 不同而产生的异构 CH3CH2CH2CH3与
位置 异构 不同而产生的异构 CH2=CH—CH2—CH3与 CH3—CH=CH—CH3
官能 团 异构 不同而产生的异构 CH3CH2OH与
二、立体异构
分子式相同,原子或基团连接的顺序相同,但分子中所含原子或基团在 的排布方式不同产生的异构现象。立体异构可分为 异构和 异构。
1.顺反异构
(1)条件:双键两端的每个碳原子上都连有两个不同的原子或原子团。
(2)反式:相同基团在双键 。
(3)顺式:相同基团在双键 。
如2-丁烯的结构简式为 (顺式)。
2-丁烯的结构简式为 (反式)。
2.对映异构
(1)定义:某些有机化合物组成相同,分子构造也相同,但两者像人的 和 的关系一样,互为 ,彼此不重合,称为对映异构。
例如,乳酸的对映异构体可表示如图:
(2)手性分子与手性碳原子
①手性分子:分子不能与其镜像重叠者,称为手性分子。
②手性碳原子:与4个 的原子或原子团相连的碳原子。
知识点一 有机物同分异构体的书写
1.同分异构体的书写方法
(1)减碳法(碳链异构)
可总结为四句话:主链由长到短,支链由整到散,位置由心到边,排布同邻间。
下面以C7H16为例,写出它的同分异构体:
①将分子写成直链形式:
CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH3。
②从直链上去掉一个—CH3,依次连在剩余碳链中心对称线一侧的各个碳原子上。甲基可连在2,3号碳原子上:,根据碳链中心对称,将—CH3连在对称轴的右侧就会与左侧连接方式重复。
③再从主链上去掉一个碳原子,可形成一个—CH2CH3或两个—CH3,即主链变为。当取代基为—CH2CH3时,由对称关系只能连接在3号碳原子上。当取代基为两个甲基时,在主链上先定一个甲基,按照位置由近至远的顺序依次移动另外一个甲基,注意不要重复。即两个甲基可分别连接的碳原子号码是2和2、2和3、2和4、3和3。
(2)取代法(适用于醇、卤代烃异构)
先碳链异构,后位置异构。如书写分子式为C5H12O的醇的同分异构体。如下数字即为—OH接入后的位置,即这样的醇合计为8种:
、、。
(3)插入法(适用于烯烃、炔烃、酯等)
先根据给定的碳原子数写出烷烃的同分异构体的碳链骨架,再将官能团插入碳链中。
如书写分子式为C4H8的烯烃的同分异构体(插入双键),双键可分别在①、②、③号位置:、。
2.同分异构体数目的确定
(1)烃基数确定一取代产物数目
—CH3、—C2H5各1种;—C3H7:2种;—C4H9:4种;—C5H11:8种。
(2)替代法
如二氯苯(C6H4Cl2)有3种同分异构体,则四氯苯(C6H2Cl4)也有3种同分异构体(将H替代Cl)。
(3)等效氢法
①同一甲基上的氢原子是等效的。
②同一碳原子上所连甲基上的氢原子是等效的。如新戊烷()的四个甲基是等效的,所有的氢原子都是等效的,故新戊烷的一氯代物只有一种。
③处于对称位置上的氢原子是等效的。如的六个甲基是等效的,18个氢原子都是等效的,因此该物质的一氯代物也只有一种。
(4)组合法:的苯环上的一氯代物有3×4=12种。
【合作探究】
(情境应用)从煤焦油中分离出的芳香烃——萘()是一种重要的化工原料,萘环上一个氢原子被丁基(—C4H9)所取代的同分异构体有多少种呢 (证据推理与模型认知)
【典例引导】
【典例】关于有机物和的说法正确的是( )
A.二者互为同分异构体
B.的一氯代物有5种
C.的二氯代物有10种
D.二者均能发生还原反应、加聚反应
[解题指南]二卤代烃的同分异构体判断方法:定一动一。“定一”时,有几种氢就有几种情况;“动一”时,在“定一”确定的每一条碳骨架上寻找第二个取代基的位置。如乙烷的二氯代物共有2种。
[母题追问]的二氯代物有多少种
【针对训练】
已知(x)、 (y)、(z)互为同分异构体,下列说法不正确的是( )
A.z的二氯代物有三种
B.y、z的一氯代物均只有三种
C.x、y可使溴的四氯化碳溶液因发生加成反应而褪色
D.x中的所有原子可能处于同一平面
【补偿训练】分子式为C3H7OCl,能与钠反应产生氢气的有机物共有(不含立体异构)( )
A.8种 B.7种 C.6种 D.5种
知识点二 分子的立体异构
1.顺反异构
(1)顺反异构和对映异构在空间旋转无法重叠。
(2)顺反异构的原因:由于碳碳双键不能转动,因此当乙烯分子中的氢原子被多个其他原子替代后,可形成顺反异构体。
如与或者与
在构成双键的任何一个碳原子上所连接的两个原子或基团不相同时才会出现顺反异构现象。也就是说,当双键的任何一个碳原子所连接的两个原子或基团相同时就没有顺反异构现象。
2.对映异构与手性碳原子
手性碳是指碳原子四周连有的原子或原子团各不相同。处于对映异构的两种分子互为镜像。存在对映异构的分子中必须含有手性碳原子。如
【合作探究】
(情境应用)天然橡胶是异戊二烯的聚合物,具有顺式结构,其结构简式为,而杜仲胶是反式聚异戊二烯,请写出杜仲胶的结构简式。(证据推理与模型认知)
【典例引导】
【典例】(2024·无锡高二检测)化合物Z是X和Br2反应的主产物,反应机理如下:
+Br-
下列说法错误的是( )
A.X中所有碳原子一定共面
B.X和HBr按物质的量比为1∶1发生加成反应时,其产物有2种结构
C.Z存在顺反异构体
D.Z与足量H2加成后的产物分子中有3个手性碳原子
[解题指南]判断顺反异构体的思路如下:
【针对训练】
一种热带雌蛾为了吸引同类雄蛾会分泌出叫“蚕蛾醇”的物质。蚕蛾醇有多种顺反异构体,如
请回答:
(1)蚕蛾醇共有________种顺反异构体(含自身)。
(2)该蚕蛾醇手性碳原子的个数为________。
(3)该蚕蛾醇的分子式为________。
【课堂小结】
三言两语话重点
1.烷烃同分异构体书写口诀:
主链由长到短,支链由整到散;
位置由心到边,排布同邻间;
等位不重复挂,挂内不能挂端。
2.几种烷基同分异构体种数
甲基 1种、乙基 1种、丙基2种、丁基 4种、戊基8种。
1.(2024·无锡高二检测)1 mol某烃在氧气中充分燃烧,需要消耗氧气179.2 L(标准状况下)。它在光照的条件下与氯气反应能生成三种不同的一氯取代物。该烃的结构简式是( )
A.
B.CH3CH2CH2CH2CH3
C.
D.
2.已知和互为同分异构体(称为“顺反异构”),则分子式为C3H5Cl的链状同分异构体共有( )
A.3种 B.4种 C.5种 D.6种
3.分子式为C4H8Br2且分子中仅含有两个甲基的有机化合物共有(不考虑立体异构)( )
A.2种 B.3种 C.4种 D.5种
4.苯环上连有—X、—Y、—Z三个不同取代基的有机物,其结构式有( )
A.6种 B.8种 C.9种 D.10种
5.如图所示都是简化的碳骨架结构:
请回答:
(1)降冰片烷、篮烷的分子式分别是____________、____________。
(2)降冰片烷发生一氯取代时,取代位置有________种。
(3)篮烷发生一氯取代时,其一氯代物有________种。 第2课时 同分异构体
【课程标准】
1.认识有机化合物的分子结构决定于原子间的连接顺序、成键方式和空间排布,认识有机化合物存在构造异构和立体异构等同分异构现象。
2.建立有机物同分异构体书写的基本思维模型,能正确书写和判断常见有机物的同分异构体。
【素养目标】
1.能从宏观和微观的角度理解有机物分子的组成、性质与变化,能从不同角度认识有机物种类繁多的原因,从微观角度认识“同分异构现象”。(宏观辨识与微观探析)
2.建立书写和判断同分异构体的思维模型,并运用模型正确书写和判断有机物的同分异构体。(证据推理与模型认知)
一、同分异构体
1.同分异构现象与同分异构体
(1)同分异构现象:有机化合物分子中的原子在成键方式、连接顺序等方面,如果存在差异,就会出现分子式相同而结构不同的同分异构现象。
(2)同分异构体:分子式相同而结构不同的化合物互为同分异构体。
(3)特点:分子式相同,性质存在差异,其本质原因是同分异构体具有不同的结构。
2.有机化合物同分异构体的种类
3.构造异构及其类型
(1)构造异构:分子式相同而分子中原子或基团连接方式不同的异构现象。
(2)构造异构类型
异构 方式 形成途径 示例
碳链 异构 碳骨架不同而产生的异构 CH3CH2CH2CH3与
位置 异构 官能团在碳链中的位置不同而产生的异构 CH2=CH—CH2—CH3与 CH3—CH=CH—CH3
官能 团 异构 官能团不同而产生的异构 CH3CH2OH与 CH3—O—CH3
二、立体异构
分子式相同,原子或基团连接的顺序相同,但分子中所含原子或基团在空间的排布方式不同产生的异构现象。立体异构可分为顺反异构和对映异构。
1.顺反异构
(1)条件:双键两端的每个碳原子上都连有两个不同的原子或原子团。
(2)反式:相同基团在双键两侧。
(3)顺式:相同基团在双键同侧。
如2-丁烯的结构简式为(顺式)。
2-丁烯的结构简式为(反式)。
2.对映异构
(1)定义:某些有机化合物组成相同,分子构造也相同,但两者像人的左手和右手的关系一样,互为镜像,彼此不重合,称为对映异构。
例如,乳酸的对映异构体可表示如图:
(2)手性分子与手性碳原子
①手性分子:分子不能与其镜像重叠者,称为手性分子。
②手性碳原子:与4个不同的原子或原子团相连的碳原子。
知识点一 有机物同分异构体的书写
1.同分异构体的书写方法
(1)减碳法(碳链异构)
可总结为四句话:主链由长到短,支链由整到散,位置由心到边,排布同邻间。
下面以C7H16为例,写出它的同分异构体:
①将分子写成直链形式:
CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH3。
②从直链上去掉一个—CH3,依次连在剩余碳链中心对称线一侧的各个碳原子上。甲基可连在2,3号碳原子上:,根据碳链中心对称,将—CH3连在对称轴的右侧就会与左侧连接方式重复。
③再从主链上去掉一个碳原子,可形成一个—CH2CH3或两个—CH3,即主链变为。当取代基为—CH2CH3时,由对称关系只能连接在3号碳原子上。当取代基为两个甲基时,在主链上先定一个甲基,按照位置由近至远的顺序依次移动另外一个甲基,注意不要重复。即两个甲基可分别连接的碳原子号码是2和2、2和3、2和4、3和3。
(2)取代法(适用于醇、卤代烃异构)
先碳链异构,后位置异构。如书写分子式为C5H12O的醇的同分异构体。如下数字即为—OH接入后的位置,即这样的醇合计为8种:
、、。
(3)插入法(适用于烯烃、炔烃、酯等)
先根据给定的碳原子数写出烷烃的同分异构体的碳链骨架,再将官能团插入碳链中。
如书写分子式为C4H8的烯烃的同分异构体(插入双键),双键可分别在①、②、③号位置:、。
2.同分异构体数目的确定
(1)烃基数确定一取代产物数目
—CH3、—C2H5各1种;—C3H7:2种;—C4H9:4种;—C5H11:8种。
(2)替代法
如二氯苯(C6H4Cl2)有3种同分异构体,则四氯苯(C6H2Cl4)也有3种同分异构体(将H替代Cl)。
(3)等效氢法
①同一甲基上的氢原子是等效的。
②同一碳原子上所连甲基上的氢原子是等效的。如新戊烷()的四个甲基是等效的,所有的氢原子都是等效的,故新戊烷的一氯代物只有一种。
③处于对称位置上的氢原子是等效的。如的六个甲基是等效的,18个氢原子都是等效的,因此该物质的一氯代物也只有一种。
(4)组合法:的苯环上的一氯代物有3×4=12种。
【合作探究】
(情境应用)从煤焦油中分离出的芳香烃——萘()是一种重要的化工原料,萘环上一个氢原子被丁基(—C4H9)所取代的同分异构体有多少种呢 (证据推理与模型认知)
提示:8种。丁基有四种:—CH2CH2CH2CH3、—CH(CH3)CH2CH3、—CH2CH(CH3)CH3、—C(CH3)3,萘环上的等效氢有2种:,故萘环上一个氢原子被丁基(—C4H9)所取代的同分异构体(不考虑立体异构)有2×4=8种。
【典例引导】
【典例】关于有机物和的说法正确的是( )
A.二者互为同分异构体
B.的一氯代物有5种
C.的二氯代物有10种
D.二者均能发生还原反应、加聚反应
[解题指南]二卤代烃的同分异构体判断方法:定一动一。“定一”时,有几种氢就有几种情况;“动一”时,在“定一”确定的每一条碳骨架上寻找第二个取代基的位置。如乙烷的二氯代物共有2种。
【解析】选C。A.前者分子式为C10H8,后者为C12H10,故不是同分异构体,A错误;B.该分子有两条对称轴,如图,即分子中只有3种H,故一氯代物只有3种,故B错误;C.该分子有两条对称轴,如图,故只有两种H。发生二氯取代时,先固定一个Cl原子的位置,再确定第二个氯原子的位置。和中共10种情况,故C正确;D.二者都能与H2发生加成反应,即可以发生还原反应,但二者都没有碳碳双键,均不能发生加聚反应,D错误。
[母题追问]的二氯代物有多少种
提示:联苯的二氯代物共12种,其结构简式如图所示:
【针对训练】
已知(x)、 (y)、(z)互为同分异构体,下列说法不正确的是( )
A.z的二氯代物有三种
B.y、z的一氯代物均只有三种
C.x、y可使溴的四氯化碳溶液因发生加成反应而褪色
D.x中的所有原子可能处于同一平面
【解析】选B。z为立方烷,结构高度对称,z中只有1种H原子,其一氯代物只有一种,二氯代物有三种(2个Cl处于立方烷的邻位、面对角线、体对角线),A正确,B错误;x、y中都含有碳碳双键,都能与溴的四氯化碳溶液发生加成反应使溶液褪色,C正确;x由苯环和乙烯基通过碳碳单键相连,联想苯和乙烯的结构,结合单键可以旋转,x中的所有原子可能处于同一平面,D正确。
【补偿训练】分子式为C3H7OCl,能与钠反应产生氢气的有机物共有(不含立体异构)( )
A.8种 B.7种 C.6种 D.5种
【解析】选D。分子式为C3H7OCl,能与钠反应产生氢气,说明含有羟基,可看作Cl取代丙醇的H,丙醇有CH3CH2CH2OH、CH3CH(CH3)OH,烃基分别有3、2种H,共5种,则一氯代物有5种。
知识点二 分子的立体异构
1.顺反异构
(1)顺反异构和对映异构在空间旋转无法重叠。
(2)顺反异构的原因:由于碳碳双键不能转动,因此当乙烯分子中的氢原子被多个其他原子替代后,可形成顺反异构体。
如与或者与
在构成双键的任何一个碳原子上所连接的两个原子或基团不相同时才会出现顺反异构现象。也就是说,当双键的任何一个碳原子所连接的两个原子或基团相同时就没有顺反异构现象。
2.对映异构与手性碳原子
手性碳是指碳原子四周连有的原子或原子团各不相同。处于对映异构的两种分子互为镜像。存在对映异构的分子中必须含有手性碳原子。如
【合作探究】
(情境应用)天然橡胶是异戊二烯的聚合物,具有顺式结构,其结构简式为,而杜仲胶是反式聚异戊二烯,请写出杜仲胶的结构简式。(证据推理与模型认知)
提示:反式聚异戊二烯结构简式为。
【典例引导】
【典例】(2024·无锡高二检测)化合物Z是X和Br2反应的主产物,反应机理如下:
+Br-
下列说法错误的是( )
A.X中所有碳原子一定共面
B.X和HBr按物质的量比为1∶1发生加成反应时,其产物有2种结构
C.Z存在顺反异构体
D.Z与足量H2加成后的产物分子中有3个手性碳原子
[解题指南]判断顺反异构体的思路如下:
【解析】选D。苯环与直接连接苯环的原子共平面,乙炔分子中所有原子共直线,甲烷中最多有3个原子共平面,单键可以旋转,该分子相当于乙炔分子中的氢原子被苯环和甲基取代,则该分子中所有碳原子能共平面,故A正确;X中碳碳三键两端的碳原子连接不同的原子团,所以和HBr以物质的量比为1∶1发生加成反应时,生成的产物有2种结构,故B正确;Z分子中碳碳双键两端的碳原子连接2个不同的原子或原子团,所以存在顺反异构体,故C正确;Z与足量H2加成后的产物如图,有2个手性碳原子,故D错误。
【针对训练】
一种热带雌蛾为了吸引同类雄蛾会分泌出叫“蚕蛾醇”的物质。蚕蛾醇有多种顺反异构体,如
请回答:
(1)蚕蛾醇共有________种顺反异构体(含自身)。
(2)该蚕蛾醇手性碳原子的个数为________。
(3)该蚕蛾醇的分子式为________。
【解析】该物质含有两个碳碳双键,每个双键都有两种顺反异构,共4种,其中每个碳原子都没有连四个不同基团,故无手性碳原子。
答案:(1)4 (2)0 (3)C16H30O
【课堂小结】
三言两语话重点
1.烷烃同分异构体书写口诀:
主链由长到短,支链由整到散;
位置由心到边,排布同邻间;
等位不重复挂,挂内不能挂端。
2.几种烷基同分异构体种数
甲基 1种、乙基 1种、丙基2种、丁基 4种、戊基8种。
1.(2024·无锡高二检测)1 mol某烃在氧气中充分燃烧,需要消耗氧气179.2 L(标准状况下)。它在光照的条件下与氯气反应能生成三种不同的一氯取代物。该烃的结构简式是( )
A.
B.CH3CH2CH2CH2CH3
C.
D.
【解析】选B。在光照的条件下与氯气反应能生成三种不同的一氯取代物,那么就有3种化学环境不同的H,1 mol该烃燃烧需要氧气179.2 L(标准状况下),即=8 mol;A的分子式是C6H14,耗氧量为6+3.5=9.5(mol),故A不符合;B的分子式是C5H12,耗氧量为5+3=8(mol),分子式中含有3种不同化学环境的H,故B符合;C的分子式是C5H12,耗氧量为5+3=8(mol),分子式中含有4种不同化学环境的H,故C不符合;D的分子式是C8H10,耗氧量为8+2.5=10.5(mol),故D不符合。
2.已知和互为同分异构体(称为“顺反异构”),则分子式为C3H5Cl的链状同分异构体共有( )
A.3种 B.4种 C.5种 D.6种
【解析】选B。依题给信息可推知:碳碳双键的任意一个不饱和碳原子上连接两个相同的基团时,不存在顺反异构体。连接两个不同的基团时存在顺反异构体。C3H5Cl的链状异构体有①CH2=CH—CH2Cl、②、
③Cl—CH=CH—CH3,其中③的不饱和碳原子上连有两个不同的基团,有顺反异构体,故共有4种异构体。
3.分子式为C4H8Br2且分子中仅含有两个甲基的有机化合物共有(不考虑立体异构)( )
A.2种 B.3种 C.4种 D.5种
【解析】选C。分子式为C4H8Br2的同分异构体中主链有4个碳原子时,若含有两个甲基,则两个Br原子的位置可以是②②、②③,有2种结构;主链有3个碳原子时,若含有两个甲基,则两个Br原子的位置可以是①①、①②,有2种结构,共有4种结构,C正确。
4.苯环上连有—X、—Y、—Z三个不同取代基的有机物,其结构式有( )
A.6种 B.8种 C.9种 D.10种
【解析】选D。先将—X、—Y连在苯环上,得3种结构:①、②、③,再将—Z插入①、②、③中分别有4种、4种、2种不同的插入方式。
5.如图所示都是简化的碳骨架结构:
请回答:
(1)降冰片烷、篮烷的分子式分别是____________、____________。
(2)降冰片烷发生一氯取代时,取代位置有________种。
(3)篮烷发生一氯取代时,其一氯代物有________种。
【解析】(1)1个降冰片烷分子中含7个碳原子,根据碳原子的成键特点可知其分子式为C7H12;1个篮烷分子中含10个碳原子,根据碳原子的成键特点可知其分子式为C10H12。(2)降冰片烷分子中含3种等效氢原子,故当它发生一氯取代时,取代位置有3种。(3)篮烷分子中含4种等效氢原子,故其一氯代物有4种。
答案:(1)C7H12 C10H12 (2)3 (3)4
