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官能团取代法书写有机物同分异构体的策略

来源:未知作者:化学自习室 点击:所属专题: 同分异构体书写 官能团
烃的衍生物的传统概念为“烃分子中的氢 原子被其他原子或原子团取代而衍生成的化合 物” ,此概念能很好地说明面代烃、醇、醛、羧酸 等含有一价官能团的有机物和烃之间的衍生关系, 但较难说明酮、酯、三级胺等含有二价或三价官能 团的有机物的衍生过程。 设想一下,假

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烃的衍生物的传统概念为“烃分子中的氢 原子被其他原子或原子团取代而衍生成的化合 物” ,此概念能很好地说明面代烃、醇、醛、羧酸 等含有一价官能团的有机物和烃之间的衍生关系, 但较难说明酮、酯、三级胺等含有二价或三价官能 团的有机物的衍生过程。

设想一下,假如将此概念修订为“烃分子中的碳及其相连的一个或多个氢 原子被其他原子或原子团取代而衍生(或称演变) 成的化合物”可能会显得更为全面。一价官能团可认为是烃分子结构中的一价基团(一CH3)被官能团取代演变而来,二价官能团可认为是烃分子结构 中的二价基团(一CH2一或一CH3中对应的一CH2一部 分)被官能团取代演变而来,三价官能团可认为是烃分子结构中的三价基团(官能团取代法书写有机物同分异构体的策略或一CH3、一CH2一中的对应官能团取代法书写有机物同分异构体的策略部分)被官能团取代演变而来。而在探究这一有机化学基本概念本源的过程中,笔者逐 渐悟出了烃的衍生物同分异构体书写的一种新方 法一一官能团取代法,即将上述演变过程逆向移 动,将烃的衍生物分子“返本还原”为烃分子,并写出其同分异构体的结构简式,再运用官能团取代的演变方法,依照目标分子要求将烃转换成目标烃的衍生物的各种同分异构体。

书写同分异构体的步骤为:

第一步,将烃的 衍生物分子式改写成基础碳氢化学式(官能团)或基础碳氢化学式·官能团核心片断,如醇 、酚、醚CxHyO改写成CxHy•O,醛、酮CxHyO改写成 Cx-1HyCO,羧酸、酯 CxHyO2 改写成 Cx-1HyCOO, 胺CxHyN改写成CxHyN。

第二步,将官能团或官 能团核心片断用相同价态烃基代替得烃分子,如 将上述衍生物中二价的一O、一CO、一COO用 一CH2代替分别得到烃分子其Cx+1Hy+2(CxHy• CH2),三价的官能团取代法书写有机物同分异构体的策略官能团取代法书写有机物同分异构体的策略代替得到烃 H分子Cx+1Hy+1(CxHy•CH)。

第三步,写出烃的同分异 构体,并标出各异构体中对应一价(一CH3)、二价(一CH2)、三价(官能团取代法书写有机物同分异构体的策略)的种数。

第四步,用官能 H团或官能团核心片断取代上述相同价态的烃基,得 目标分子的各种同分异构体。

按此步骤书写,能充分发挥烃的同分异构体的书写在整个有机物同分异构体书写中的基础作用,有序性强,不会重复, 适用范围广,能方便解决插入法等其他方法较少 涉及的含氮衍生物同分异构体的书写问题,不会遗漏。

具体应用举例如下。

1含氧衍生物

1.1 将烷烃分子中的一CH2—用一O取代演 变成醇和醚

例1 (2012 •新课程理综化学卷• 10改编)分 子式为C5H12O有机化合物有多少种(不考虑立体 异构)?

[解析]将C5H12O改写为C5H12O,O为二价,用二价烃基CH2代替O得烃分子式C6H14,含氧衍生物C5H12O可认为是将烷烃C6H14 分子中的二价基团(一CH2—或一CH3中对应的 CH2部分)用O取代演变而来。这样,可先将 C5H12O还原为烷烃C6H14,写出C6H14的同分异构 体,并标出CH2的种数。

官能团取代法书写有机物同分异构体的策略

将上述C6H14同分异构体中一CH3OH取 代,得到一元醇8种;将—CH2—O取代,得到 一元醚6种。所以,C5H12O的同分异构体共有14 种,结构简式如下:

官能团取代法书写有机物同分异构体的策略

1.2将烷烃分子中的一CH2—用一O取代演变成环醇和环醚。

例 2 (2013·山东理综 ·33改编)写出分子式 为 C4H8O的属于环醇及环醚的同分异构体的结构 简式 (不考虑立体异构)。 

[解析】将 C4H8O改写为 C4H8·O,一O一为二价, 用二价烃基CH2一代替一O得烃分子式 C5H10。 C4H8O可认为是将官能团取代法书写有机物同分异构体的策略环烷烃 C5H10。分子中的二价基团 (CH2一或CH3 中对应 的CH2一部分 )用一O取代演变而得。这样,可将 C4H8O还原为环烷烃 C5H10, 写出 C5H10的各种环烷烃异构体,并标出 CH2一的种数。

官能团取代法书写有机物同分异构体的策略官能团取代法书写有机物同分异构体的策略

将上述C5H10同分异构体中一CH3用一OH取代,得到一元环醇4种,将一CH2一用一O取代,得到一元环醚7种,所以,C4H8O的属于环醇及环醚 的同分异构体共有11种,结构简式如下:

官能团取代法书写有机物同分异构体的策略

1.3将烷烃分子中的一CH2—用CO取代演 变成醛和酮

例3 (2012 •新课程理综化学卷• 10改编) 分子式为C6H12O并含有一CO基团的有机物有多 少种(不考虑立体异构)?

[解析]将 C6H12O 改写为 C5H12 • CO, —CO— 为二价,用二价烃基一CH2一代替一CO得烃分子 式C6H14。C6H12O可认为是将烷烃C6H14分子中的 二价基团(一 CH2—或一CH3中对应的一CH2部分) 用一CO取代演变而得。这样,可将C6H12O还原为烷烃C6H14,写出C6H14的各种烷烃异构体,并标 出一CH2的种数。

官能团取代法书写有机物同分异构体的策略

将所有分子中的各种不同的一CH3用醛基取 代,可得C6H12O分子中属于醛的同分异构体有 8种,将所有分子中各种不同的一CH2—用羰基取 代,可得C6H12O分子中属于酮的同分异构体有6 种,共14种。

1.4将烷烃分子中的一CH2用一COO—取代 演变成酸和酯

例4 (2015.新课标H高考化学卷• 5改编) 分子式为C5H10O2并含有COO基团的有机物有多少种(不含立体异构)?

[解析]将 C5H10O2 改写为 C4H10 • COO, 一 COO 为二价,用二价烃基CH2代替COO得烃分子式C5H12。C5H10O2可认为是将烷烃C5H12分子中的 二价基团(一CH2CH3中对应的一CH2部分) 用COO取代演变而得。这样,可将C5H10O2还原 为烷烃C5H12,写出C5H12的各种烷烃异构体,并 标出一CH2—的种数。

官能团取代法书写有机物同分异构体的策略

用一COOH取代上述分子中的—CH3,得到一 元羧酸共4种;用一OOCH取代一CH3得到甲酸酯 4种,用一COO取代上述分子中的—CH2—,注意 到取代基及烃的不对称性,又得到一元酸5种,合计满足题意的有机物共13种:

官能团取代法书写有机物同分异构体的策略

1.5 将芳香烃分子中苯环侧链的一 CH2—用 一O一 取代演变成芳香醇、芳香醚和紛类化合物 

例5 (1998•上海高考化学卷32改编)C8H10O同分异构体中含有苯环的有              种(不考虑立体异构)。

[解析]将C8H10O改写为C8H10• O,一O为 二价,用二价烃基一CH2—代替一O得烃分子式 C9H12O,C8H10O含有苯环的异构体可认为是将芳香 烃C9H12分子苯环侧链中的二价基团(一CH2CH3中对应的CH2部分)用一O取代演变而 来。这样,可将C8H10O还原为芳香烃C9H12,写出 C9H12含有苯环的同分异构体,并标出侧链一CH2一的种数。

官能团取代法书写有机物同分异构体的策略

将上述C9H12异构体中各种一CH2—用一O取 代,可得一种C8H10O对应的含有苯环的异构体, 如将⑶、(4)、(7)、(10)、(13)对应一CH3 用 一OH取代可得5种芳香醇,将(1)、(2)、(6)、(9)、 (12)对应一CH2—用一O取代可得5种芳香醚,将 (5)、(8)、(11)、(14)、(15)、(16)、(17)、(18)、 (19)与苯环直接相连CH3用一OH取代可得9种 酚类化合物,这样,可知C8H10O同分异构体中含 有苯环的共有19种。结构简式如下:

官能团取代法书写有机物同分异构体的策略

不难发现,将本例中的一CH2—用一CO—取代演 变可得芳香醛和酮,用一 COO—取代演变可得芳香酸和酯,各类同分异体的分析思路与本例相似。

2含氮衍生物

2.1 将烷烃分子中的官能团取代法书写有机物同分异构体的策略用N原子取代演变 H成各级胺

例6 (1993 •全国高考.36改编)写出C4H11N 所有同分异构体的结构简式。

[解析]将C4H11N改写为C4H11 • N, 官能团取代法书写有机物同分异构体的策略为三价,用三价烃基官能团取代法书写有机物同分异构体的策略代替官能团取代法书写有机物同分异构体的策略得烃分子式C5H12

C4H11N可认为是将烃C5H12分子中的三价基团(官能团取代法书写有机物同分异构体的策略或一CH3、一CH2—中对应的官能团取代法书写有机物同分异构体的策略部分)用N原子取代演变而来,这样,可将C4H11N还原为烷烃C5H12,写出C5H12的同分异构体,并标出官能团取代法书写有机物同分异构体的策略的种数。

官能团取代法书写有机物同分异构体的策略

将C5H12同分异构体中每一种官能团取代法书写有机物同分异构体的策略用N原子取代,可方便得到C4H11N所有同分异构体的结构 简式共8种:

官能团取代法书写有机物同分异构体的策略

2.2 将芳香烃分子中苯环侧链的官能团取代法书写有机物同分异构体的策略用N原H子取代演变成各级芳香胺

例7 (2014 •新课程理综化学卷• 38改编)C8H11N同分异构体中含有苯环的有           种(不考虑立体异构)。

[解析]将C8H11N改写为C8H11•N, 为三价,用三价烃基官能团取代法书写有机物同分异构体的策略代替官能团取代法书写有机物同分异构体的策略得烃分子式C9H12,C8H11N含有苯环的异构体可认为是将芳香烃C9H12分子苯环侧链中的三价基团(官能团取代法书写有机物同分异构体的策略或一CH3、一CH2—中对应的官能团取代法书写有机物同分异构体的策略部分)用N原子取代演变而来,这样,可将C8H11N还原为芳香烃C9H12,写出C9H12含有苯环的同分异构体,并标出侧链的官能团取代法书写有机物同分异构体的策略种数。


官能团取代法书写有机物同分异构体的策略

将上述C9H12异构体中官能团取代法书写有机物同分异构体的策略各种用N取代,可得一种C8H11N对应的含有苯环的异构体,如(1) ~ (3)对应的异构体的结构简式如下,这样,可知 C8H11N同分异构体中含有苯环的共有20种。

官能团取代法书写有机物同分异构体的策略

结语

碳氢化合物同分异构体的书写应当是所有烃 的衍生物同分异构体写书的基础,如何建立二者之间的联系应当说已经有了不少研究,如实用性 很强的插人法、基团组合法等,但文献报导的种种 方法几乎都以烃的含氧衍生物为例,很少有人研究含氮衍生物的书写,究其原因可能是插入法等方 法在解决含氮衍生物时容易产生漏解,如笔者有两个竞赛基础较好的学生在解文中例1问题时答案 都为19种,均是疏漏第4种。

笔者在本届教学中通过深人思考,在尝试完善烃的衍生物这一有机 化学基本学科概念的过程中渐渐悟出了上述同分 异构体书写的新方法,充分发挥了烃的同分异构体 在书写衍生物同分异构体中的基础性作用,从而简化了一些复杂烃的衍生物同分异构体数的推导步骤,重要的是,在书写过程中,师生提高了对烃的衍生物这一有机化学基本概念本质的认识,体验 到了一种创新的快乐,提高了课堂教学的效率。

需要提及的是,该方法不仅适用于文中所举饱和烃、芳香烃的各种一元取代衍生物同分异构体的书写,也适用于多元取代衍生物以及不饱和 烃、不饱和芳香烃及其含氧、含氮等衍生物同分异构体的书写,但过程稍显复杂,并超出中学范围, 在此不再赘述。

(责任编辑:化学自习室)
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