教育专题：同系物和同分异构体典型例题评析

同系物和同分异构体典型例题评析【知识网络】 一同分异构体：常见同分异构体的类别 类 型原 因实 例类别异构官能团的不同CH3COOH与HCOOCH3碳链异构碳原子的结合次序不同(至少有四个碳原子相互连接才能出现不同的连接方式)CH3CH2CH2CH3与(CH3)2CHCH3位置异构官能团在碳链/碳环上的位置不同CH2=CHCH2CH3与CH3CH=CHCH3同分异构体类别分子通式同分异构体类别补充说明CnH2n单烯烃、环烷烃CnH2n-2二烯烃、炔烃符合此通式还可有环烯烃CnH2n+2O饱和一元醇、烷基醚CnH2n-6O酚、芳香醇、芳香醚符合此通式还可有烷（基）苯（基）醚等CnH2nO饱和一元醛、酮符合此通式还可有烯醇、环醇、环醚等CnH2nO2饱和一元羧酸、饱和羧酸酯符合此通式还可有羟基醛、羟基酮等CnH2n+1NO2硝基烷、氨基酸符合此通式还可有酰胺（RCONH2）等变同系物同通式结构化性分子式相对分子质量物性异C-H键中的H被某烷基取代成为原有机物的同系物键型二同系物：【易错指津】1 缺乏空间感受，导致同分异构体的重复计数。 Cl H如：二氯甲烷误认为H-C-H与Cl-C-H互为同分异构体。 Cl Cl2向缺乏“等效变换”的观念，不会巧断异构体数目。如：由二氯苯（C6H4Cl2）的同分异构体有3种，即可推知四氯苯（C6H 2Cl4）的同分异构体也必有3种（4个H原子与4个Cl原子的“等效变换”）。3判断同系物要点: 同系物通式一定相同。 通式相同不一定是同系物。 同系物组成元素种类必须相同。同系物是结构相似，不是相同，如CH3CH2CH3和(CH3)4C前者无支链,后者有支链能互称同系物(结构相似不一定完全相同)。在分子组成上必须相差一个或几个CH2原子团，但通式相同组成上相差若干个CH2原子团不一定是同系物，如CH3CH2Br和CH3CH2CH2Cl都是卤代烃,且结构相差一个CH2原子团不是同系物。【典型例题评析】例1 下列各对物质中属于同分异构体的是HCCH3CH3H与 CH3CCH3HHCCH3CH3CH3CH3CH3CHCH2CH3 与CH3 A.12C与13C B.O2与O3 C. D.思路分析：本题考查对同位素、同素异形体、同系物、同分异构体等概念的掌握情况，为“司空见惯”的简单问题，抓住同分异构体的“分子式相同”这一特征即可。答案：D引申发散：“四同”比较同位素同素异形体同系物同分异构体研究对象原子单质有机物化合物相 似质子数元素种类结构分子式相 异中子数化学式、结构相差n个CH2结构注意点由于存在同位素，原子的种类比元素的种类多；同位素的化学性质几乎相同；天然存在的某种元素中，不论是游离态还是化合态，各种同位素原子的含量不变。由于结构不同，化学性质也有差异，如白磷比红磷活泼；H2、D2、T2的关系不是同素异形体也不是同位素具有同一个通式；化学性质相似；物理性质随式量的改变而呈规律性变化。因分子式相同故组成和式量也相同；式量相同的物质不一定是同分异构体如HCOOH和CH3CH2OH。实 例16O、17O、18OC50、C60、C80CH4、C2H6CH3COOH、HCOOCH3 是苯基，环用键线表示，C、H原子都未画出例2 1,2,3-三苯基环丙烷的三个苯基可以分布在环丙烷环平面的上下，因此有如下两个异构体：据此，可判断1,2,3,4,5-五氯环戊烷（假定五个碳原子也处于同一平面上）的异构体数目是A.4 B.5 C.6 D.7思路分析：本题将同分异构体知识与空间结构相结合，突出了空间想像能力的考查。五个氯原子在环戊烷平面上可分为五上（或五下），四上一下（或四下一上），三上二下（三下二上）三种情况，其中前两种情况分别只有一种结构，而三上二下有 和 两种同分异构体。答案：A一题多解：本题以三元环取代物的几何异构为给予信息，并让考生将该信息迁移到另一新情景中去，以此考查考生自学能力，并在此基础上考查了逻辑思维,抽象思维和空间概念。解题时，将环戊烷用键线，写在纸平面上，在纸平面下方的氯原子可不写出，在纸平面前方的氯原子则用碳原子上涂黑点的方法表示，5个氯原子都在后方的只有1个异构体，将其中1个氯原子移至前方的也只有1个异构体，将2个氯原子移至前方的则有两个异构体，前移三个氯原子与前移两个重复；前移4个，5个分别跟前移1个，全部在后重复，所以共有4种异构体。或Al2O3,Br2,CCl4丙乙甲C4H8Br2C4H10OC4H8H2SO4(浓),例3 化合物丙由如下反应: 其不意 得到丙的结构简式不可能的是 A.CH3CH2CHBrCH2Br B.CH3CH(CH2Br)2 C.CH3CHBrCHBrCH3 D.(CH3)2CBrCH2Br思路分析：本题以隐含条件的形式考查同分异构体知识，强化了思维的深刻性。丁烯有：CH2=CH-CH2-CH3、CH3-CH=CH-CH3、CH2=C(CH3)2三种同分异构体，与Br2加成后分别得到A、C、D三种结构。答案：B方法要领：物质“乙”为烯烃由其同分异构体确定与Br2加成产物。例4 某烃的一种同分异构体只能生成一种一氯代物，该烃的分子式可以是A.C3H8 B.C4H10 C.C5H12 D.C6H14思路分析：烃的一氯代物只有一种，H原子分布必须完全对称。如： CH3 CH3 CH3 CH4、CH3-CH3、CH3-C-CH3、CH3-C-C-CH3等。 CH3 CH3 CH3 答案：C方法要领：烃的一氯代物无同分异构体，逆推其烃具有高度的对称性。先写出一个C原子以此C原子为中心，然后在其四个价键上分别添上H原子、C原子，再判断结构。例5 用式量为43的烷基取代甲苯苯环上的一个氢原子，所得芳香烃产物的数目为A.3 B.4 C.5 D.6思路分析：本题将几种同分异构现象进行组合，突出了思维严密性和广阔性的考查。式量为43的烷基为C3H7-，包括丙基（CH3CH2CH2-）和异丙基(CH3)2CH-，分别在甲苯苯环的邻、间、对位上取代，共有6种。答案：D方法要领：本题既考查学生对苯类化合物同分异构种数的判断，又考查了学生根据式量求烃基方法掌握情况。烃及烃基的推算，通常将式量除以14（即-CH2-的式量），从所得的商及余数或差数便能判断是何种烃或烃基：其整数值为通式中的n值，余数便为H原子“2n”应加的个数，差数便为H原子“2n”应减的个数。常用有以下几种：式量/14的值余数物质n余2烷n余1烷基n无余数烯（或环烷）n差2炔（或二烯）n差6苯类本题涉及的是烷基（-C3H7），防止只注意正丙基，而忽略了异丙烷基(CH3)2CH-的存在。例6 烷基取代苯（C6H5-R）可以被KMnO4的酸性溶液氧化成（C6H5COOH）。但若烷基R中直接与苯环连接的碳原子上没有CH键，则不容易被氧化得到，现有分子式是C11H16的一烷基取代苯，已知它可以被氧化为苯甲酸的异构体有7种，其中的3种是：请写出其他四种的结构简式： ， ， ， 。-CH-CH2-CH2-CH- 思路分析：本题主要考查接受并运用新信息的能力和分析、推理能力。由题示信息可知：C11H16必含有 或 结构片段。或以CH2C(CH3)3CH(CH2CH3)2CH2CH2CH(CH3)2CHCH(CH3)2CH3为母体，则其余部分为丁基，有4种异构体（题干中已经给出2种）；若以 为母体，则其余部分分别为：2个乙基；1个甲基和1个丙基（已知）；1个甲基和1个异丙基。 答案：方法要领：只要注意题中信息：直接与苯环连接的碳原子上没有CH键，则不容易被氧化得到，首先写出苯环上直接相连的碳上至少有一个H，然后再接余下的基团。例7 如果定义有机物的同系列是一系列的结构式符合AWnB(其中n0，1，2，3)的化合物)。式中A、B是任意一种基团(或氢原子)，W为2价的有机基团，又称为该同系列的系差。同系列化合物的性质往往呈现规律性的变化。下列四种化合物中，不可称为同系列的是ACH3CH2CH2CH3 CH3CH2CH2CH2CH3 CH3CH2CH2CH2CH2CH3BCH3CH=CHCHO CH3CH=CHCH=CHCHO CH3(CH=CH)3CHOCCH3CH2CH3 CH3CHClCH2CH3 CH3CHClCH2CHClCH3DClCH2CHClCCl3 ClCH2CHClCH2CHClCCl3 ClCH2CHClCH2CHClCH2CHClCCl3思路分析：本题是涉及同系物概念的新信息题。题中定义有机物的同系列，它们的结构式只需符合AWnB(其中n0，1，2，3)。A和B是结构两端的任意一种已被确定的一价原子基团或氢原子。A项中结构为：CH3CH2nCH3，B项中结构为：CH3CH=CHnCHO，D项中结构为：ClCH2CH(Cl)nCCl3，只有C项无W规律变化的系差。答案：C方法要领：本题的解题过程中存在两个解法上的特点。一是题中明确“不可称为同系列”选项的选择，虽原题中为强调“不可”而标准状况着重号。但完成过程中仍易错选成“可称为同系列”的选项。因此解题时，根据对每个选项的判断结果应随时作有标记，如作对号、叉号。最后再明确题干中的要求，确定本题的正确答案。二是对于选择题，在完成过程中，若有三个选项不是本题的答案时，本题答案必为剩余一个选项。只要解题过程认真，此时无需再进行验证。在完成本题的具体解题分析并得到最终正确结果之后，应联系以往接触的“新信息题”，分辨题中给予新信息与原来掌握的已有知识的关系情况。虽然都是新信息在题中出现，有的只重在提供简单的信息背景材料；有的新信息是原有知识的接续或补充，有的新信息则是原有知识的完善或变更。本题给出的同系列是指同一类的若干同系物形成的系列，而对同系物概念的定义与我们原有机物同系物概念有所不同。在此情况下，切忌固守原有概念的内涵，影响对新信息内容的接受、理解和应用。例8 下面是苯和一组稠环芳香烃的结构简式： m 苯 萘 蒽 并四苯 并五苯 并m苯(1)写化合物-的分子式： C6H6 (2)这组化合物的分子式通式是C H (请以含m的表示式填在横线上,m=1,2,3,4,5-)(3)由于取代基的位置不同,产生的异构现象称为官能团异构.一氯并五苯有 (填数字)个异构体；二氯蒽有 (填数字)个异构体。思路分析：本题旨在测试考生的统摄思维和逻辑推理的能力。第一小题是铺垫。先将苯、萘、蒽并四苯、并五苯的分子式中C、H原子个数数清楚，这是很容易的。第二小题要求写通式。从第一小题可以看出，每增加一个苯环，需要增加4个C、2个H。再将苯环往前推，虚拟一个乙烯C2H4。这是C、H原子个数的常数项，由此得通式C4m+2H2m+4。第三小题是结合空间概念（实际上仅是两维，还不过是平面而已）观察等同的位置。并五苯实际上只有4个不同的位置，因此一氯并五苯只有4个异构体。蒽的二氯代物则应用严密的逻辑推理。534678921Cl1312111014Cl15Cl答案：（1）C10H8 C14H10 C18H12 C22H14（每错一个，不给分，还各倒扣1分，但本小题不出现负分）；（2）4m+2、2m+4(两空必须同时正确给分，不分段给分)；（3）4、15（分段给分）一题多解：关于通式也可化归为数学问题，用等差数列求解：1.同系列物质用AWnB表示；2.找出等差:W；3.(W)n与第一物质对比，列出通式等差数列通项公式：an=a1+(n-1)d。从（1）可看出，该组稠环芳烃所含C、H原子数构成一个等差数列，其“系差”为：C4H2，首项为C6H6。根据等差数列通式an=a1+(n-1)d，可得该数列的通式：C6H6.(C4H2)(n-1)，C4m+2H2m+4。同分异构体数目的求算，关键是确定结构中的等效H。如何确定等效H，可用数学中的对称知识找出对称轴，凡处于对称位置的H为等效H。对于一元取代物，有几种等效H就有几种异构体，一氯并五苯应有4种。二元取代物（取代基有相同和不同之处），可用数学中的组合知识进行求解，二氯蒽的异构体应为15种C31.C91-4(位)-8(.位)=15。例9 有一种广泛用于汽车、家电产品上的高分子涂料，是按下列流程图生产的。图中M（C3H4O）和A都可以发生银镜反应，N和M的分子中碳原子数相等，A的烃基上一氯取代位置有三种。属（Y）反应浓H2SO4催化剂O2属（X）反应催化剂丙烯A+CO，H2H2，催化剂B MC3H4ON催化剂O2DC7H12O2高分子涂 料试写出：物质的结构简式：A ，M ；物质A的同类别的同分异构体为 ；N+BD的化学方程式： ；反应类型：X ，Y 。思路分析：M中有醛基（-CHO），余下部分为（C2H3-）。这样M为CH2=CH-CHO，A中也有-CHO，A中余下的烃基有三种氢，因此，不应是(CH3)2CH-，只会是CH3-CH2-CH2-，所以，A也确定为CH3-CH2-CH2-CHO，其同分异构体也易写出（属醛类），Y反应为：nCH2=CH-COOCH2-CH2-CH2-CH3CH2-CHnCOOCH2-CH2-CH2-CH3答案：A：CH3-CH2-CH2-CHO M：CH2=CH-CHO；A的同分异构体：(CH3)2CH-CHO;CH2=CH-COOH+CH3-CH2-CH2-CH2OHCH2=CH-COOCH2-CH2-CH2-CH3+H2O；反应类型：X加成反应；Y加聚反应。方法要领：创设了丙烯羰化制丁烯醛的情景，这个反应学生没学过，但命题者的意图并不是考查这个反应，而是要求考生从分析、推断丙烯醛、丙烯酸的结构进行突破，然后利用题给条件逆向思维，得出另一个参加酯化反应的醇的结构简式；再根据羟基上一氯取代同分异构体位置的有关条件推断出该醇是由直链的丁烯醛还原而得，从而顺利地正、逆结合，求得各有机物的结构简式。例10 A、B两种有机物分子式都是C9H11NO2。（1）化合物A是天然蛋白质的水解产物，光谱测定显示，分子结构中不存在甲基，化合物A的结构简式是 。（2）化合物B是某种分子式为C9H12的芳香烃的一硝化后的惟一产物（硝基连在苯环上）。化合物B的结构简式是 。NH2CH2CHCOOH思路分析：（1）根据题中所给信息“A是天然蛋白质的水解产物”，可以推出A的-氨基酸，在其分子式中扣除羧基-COOH和氨基-NH2两个基团的组成，剩余的烃基组成为C8H8。显然该烃的不饱和度较大，可初步推测为一芳香烃基，由于题中限定A分子中不含甲基，则该烃基不能有其他侧链，于是最终可得A为：NO2CH3CH3CH3（2）又根据题中信息“B是的C9H12的芳香烃的一硝化后的惟一产物“，C9H12恰好符合苯的同系物通式，可以有三甲基苯、甲乙苯或丙苯等异构体，但符合“一硝化后的惟一产物”条件的只有1，3，5-三甲苯，所以B为：方法要领：R-NO2可能为氨基酸或硝基化合物，解题应具备的知识是：天然蛋白质水解的产物为氨基酸。