04 第1章 第2节 第2课时 有机化合物的同分异构现象 有机化合物结构与性质的关系(基础课)-【名师导航】2024-2025学年高中化学选择性必修3同步讲义(鲁科版)

第2课时　有机化合物的同分异构现象　有机化合物结构与性质的关系(基础课) 素养目标 1．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。掌握同分异构体的书写方法，能判断有机化合物的同分异构体。 2．认识官能团、共价键的极性以及不同基团对有机化合物性质的影响。 3．理解“结构决定性质，性质反映结构”的关系。 旧知回顾 通过以下有机物分子球棍模型或碳架结构的搭建，归纳碳原子的成键方式：每个碳原子形成4个共价键；碳原子之间可形成单键、双键及三键，还能形成碳链和碳环。 一、有机化合物的同分异构现象 1．同分异构现象和同分异构体 (1)同分异构现象：分子式相同而结构不同的现象。形成原因：碳原子成键方式的多样性导致。 (2)同分异构体：分子式相同而结构不同的化合物。同分异构现象是有机化合物种类繁多的原因之一。 2．常见同分异构现象的类型 (1)构造异构 ①碳骨架异构 由于碳骨架不同，产生的异构现象。 如CH3CH2CH2CH3与。 ②官能团异构 a．位置异构 由于官能团在碳链中位置不同而产生的同分异构现象，如CH3CH2CH==CH2与CH3－CH==CH－CH3。 b．类型异构 分子式相同，但具有不同的官能团而产生的同分异构现象，如CH3CH2OH与CH3－O－CH3。 (2)立体异构 ①概念：原子或原子团的连接顺序相同，空间排布情况不同。 ②顺反异构：当碳碳双键的两个碳原子所连的其他两个原子或原子团不同时，就会产生顺反异构现象。如： 　(正确的打“√”，错误的打“×”) (1)相对分子质量相同而结构不同的化合物互称为同分异构体。 (×) (2)同分异构体之间由于分子式相同，所以它们的性质相同。 (×) (3)丙醛(CH3CH2CHO)和丙酮()互为官能团异构。 (√) 二、有机化合物结构与性质的关系 1．官能团与有机化合物性质的关系 (1)有机化合物性质由结构决定：可以根据有机化合物的官能团中各键的极性强弱、碳原子饱和程度推测物质可能发生的化学反应。 (2)官能团与有机化合物性质的关系 2．不同基团间的相互影响与有机化合物性质的关系 (1)官能团与相邻基团之间也存在相互影响。 (2)羧酸和醇、醇和酚之所以化学性质不同，主要是因为羟基连接的原子团或基团不同。 (3)醛和酮化学性质不同，主要是因为羰基所连的原子团或基团不同。 　甲烷和苯都不能使酸性高锰酸钾溶液褪色，但是将甲苯通入酸性高锰酸钾溶液中，酸性高锰酸钾溶液褪色，原因是什么？ 提示：甲苯中甲基由于苯环的影响变得更活泼，能被酸性高锰酸钾溶液氧化。 同位素、同素异形体、同系物和同分异构体四概念的比较 素材1　14C是碳元素的放射性同位素，半衰期是5 730年。如某已失活有机体中的14C比例值为其活性有机体比例值的一半，那么它的年龄就是14C的半衰期——5 730年。 素材2　金刚石和石墨“形”或“性”有着天壤之别，但它们具有相同的“质”，它们是一对“孪生”兄弟，都由碳元素组成。 素材3　乳酸一般是在体内进行无氧代谢过程中产生的，左旋乳酸和右旋乳酸的结构简式如图所示： 1.12C、13C、14C是同一种元素吗？它们是同素异形体吗？ 提示：12C、13C、14C的质子数相同，是同一种元素。它们是同一元素的不同原子，互为同位素；它们不是单质，不互为同素异形体。 2.金刚石和石墨都是由碳元素组成的，它们互为同分异构体吗？ 提示：金刚石和石墨都是由碳元素组成的不同单质，二者互为同素异形体；它们不是化合物，不互为同分异构体。 3.左旋乳酸和右旋乳酸是同一种物质吗？二者具有什么关系？ 提示：不是同一种物质，二者互为同分异构体。 同位素 同素异形体 同系物 同分异构体 概念 质子数相同而中子数不同的同一种元素的不同原子 由同种元素组成的不同单质 结构相似、分子组成相差一个或若干个CH2原子团的有机化合物 分子式相同而结构不同的化合物 对象 原子 单质 有机化合物 化合物 特点 ①质子数相同 ②中子数不同 ③原子的核外电子排布相同，原子核结构不同 ①由同种元素组成 ②单质中原子的排列方式不同 ③化学式可相同，也可不同 ①符合同一通式 ②结构相似 ③分子式不同，组成上相差n(n≥1)个CH2原子团 ①分子式相同 ②结构不同 性质 化学性质几乎相同，物理性质有差异 化学性质相似，物理性质有差异 化学性质相似，物理性质有递变性 化学性质相似或不同，物理性质有差异 实例 、和；l和l O3和O2；金刚石(C)和石墨(C) 甲烷和乙烷 正戊烷、异戊烷和新戊烷 1．下列说法正确的是(　　) ①1H2和2H2互为同位素 ②乙烯和丙烯互为同系物 ③互为同分异构体 ④S4和S8互为同素异形体 A．①②　　B．②④　　C．①③ 　　D．③④ B　[同位素的研究对象是同种元素的不同原子，1H2和2H2均为单质，不互为同位素，故①错误；乙烯和丙烯的结构相似，且分子组成相差1个CH2原子团，两者互为同系物，故②正确；和是同种物质，不互为同分异构体，故③错误；S4和S8是硫元素组成的不同单质，两者互为同素异形体，故④正确。] 2．如图为含4个碳原子的6种烃分子模型(氢原子没有画出)，下列描述正确的是(　　) A．与d互为同分异构体的是c B．b、f的分子式均为C4H8 C．a的一氯代物只有一种 D．f的二氯代物有两种 B　[d和c的分子式不同，不互为同分异构体，A错误；b、f的分子式均为C4H8，互为同分异构体，B正确；a中有两种同化学环境的氢原子，其一氯代物只有两种，C错误；根据f的结构可知，其二氯代物中，两个氯原子连在同一个碳原子上，或者分别连在相邻的两个碳原子上，或者分别连在对位碳原子上，D错误。] 同分异构体的书写与判断 同一种分子式出现不同的结构的现象，李比希和维勒在19世纪时就已发现，当时两人各自得到的两种性质完全不同的物质——氰酸和雷酸，但经测定这两种分子组成完全相同，随后由贝采里乌斯提出了“同分异性”，后改为“同分异构”。 1．是否互为同分异构体？说明理由。 提示：不互为同分异构体，由于二者均为四面体结构，为同一种物质。 2．CH3－CH==CH2与互为同分异构体吗？同分异构体的化学性质一定相同吗？ 提示：二者分子式相同，碳原子与碳原子间的连接方式不同，结构不同，互为同分异构体；同分异构体可能是不同类的物质，如题干所述两种物质，它们的化学性质不同。 3．C4H8属于烯烃的同分异构体有几种？试写出其结构简式。 提示：C4H8属于烯烃的结构有3种，其结构简式分别为CH2==CH－CH2－CH3、CH3－CH==CH－CH3、。 1．同分异构体的书写 (1)烷烃同分异构体的书写 烷烃只存在碳链异构，书写烷烃同分异构体时一般采用“减碳法”，可概括为“两注意、三原则、四顺序”。 实例：下面以己烷(C6H14)的碳骨架为例说明。 ①将分子中全部碳原子连成直链作为母链。 C－C－C－C－C－C ②从母链的一端取下1个碳原子，依次连接在母链中心对称线一侧的各个碳原子上。 ③从母链上一端取下两个碳原子，使这两个碳原子相连(整连)或分开(散连)，依次连接在母链所剩下的各个碳原子上。 故己烷(C6H14)共有5种同分异构体。 (2)烯烃同分异构体的书写(限单烯烃范围内) 书写方法：先链后位，即先写出可能的碳链方式，再加上含有的官能团位置。下面以C4H8为例说明。 ①碳链异构：C－C－C－C、。 ②位置异构：用箭头表示双键的位置，即、。 故C4H8在单烯烃范围内的同分异构体共有3种。 (3)烃的含氧衍生物同分异构体的书写 书写方法：一般按碳链异构→官能团位置异构→官能团类型异构的顺序来书写。下面以C5H12O为例说明。 ①碳链异构：5个碳原子的碳链有3种连接方式： C－C－C－C－C、、。 ②官能团位置异构：对于醇类，在碳链各碳原子上连接羟基，用“↓”表示连接的不同位置。 、、 ③官能团类型异构：通式为CnH2n＋2O的有机化合物在中学阶段只能是醇或醚，对于醚类，位置异构是因氧元素的位置不同而导致的。 、、 分析知分子式为C5H12O的有机化合物共有8种醇和6种醚，共有14种同分异构体。 2．同分异构体数目的判断 (1)基元法：如丁基有4种同分异构体，则丁醇有4种同分异构体。 (2)替代法：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替代Cl、Cl替代H)。 (3)等效氢法： ①分子中同一个碳原子上的氢原子等效。 ②与同一个碳原子相连的甲基上的氢原子等效。如新戊烷()分子中的12个氢原子是等效的。 ③同一分子中处于轴对称位置或镜面对称位置上的氢原子等效。如分子中，在苯环所在的平面内有两条互相垂直的对称轴，故有两类等效氢原子；分子中的18个氢原子是等效的。等效氢原子的种类数等于一元取代物的种类数。 (4)定一移一法：对于二元取代物(或含有官能团的一元取代物)的同分异构体的判断，可固定一个取代基的位置，再移动另一个取代基的位置以确定同分异构体的数目。 如分析C3H6Cl2的同分异构体为、、、。 1．分子式为C3HCl6Br的同分异构体(不考虑立体异构)有种(　　) A．3种　　　B．5种　　　C．7种　　　　D．8种 B　[把氢原子换作氯原子，则分子式为C3HCl6Br的同分异构体与分子式C3H6ClBr的同分异构体数目相同。C3H6ClBr可以看作丙烷中的2个H分别为1个Cl、1个Br取代，丙烷只有一种结构，氯原子与溴原子取代同一碳原子上的H，有CH3CH2CHBrCl、CH3CBrClCH3 2种，可以取代不同碳原子上的H，有BrCH2CH2CH2Cl、CH3CHBrCH2Cl、CH3CHClCH2Br 3种，共有5种。] 2．含有一个双键的烯烃，加氢后产物的结构简式为。此烯烃可能的结构有(不考虑顺反异构)(　　) A．9种　　B．8种　　C．7种　　D．6种 C　[根据烯烃与氢气加成反应的原理，可知烷烃分子中相邻碳原子均带氢原子的碳原子间是对应烯烃存在碳碳双键的位置，但是该烷烃从右往左的第三个碳原子连了两个相同的乙基，在计算双键个数时，只能算与其中一个乙基相关的双键数，共7种。] 3．青蒿素是抗疟特效药，属于萜类化合物，如图所示有机化合物也属于萜类化合物，该有机化合物的一氯代物有(不含立体异构)(　　) A．5种　　　B．6种　　　C．7种　　　D．8种 C　[该分子不对称，分子中有7种不同化学环境的氢原子，即，则其一氯代物有7种，故C项正确。] 1．下列各组物质中，互为同分异构体的是(　　) B　[A项，两者分子式分别为C5H12、C6H14，分子式不同，不互为同分异构体；B项，两者分子式都为C6H10，结构不同，互为同分异构体；C项，两者分子式分别为C4H10O、C4H10O2，分子式不同，不互为同分异构体；D项，两者为同一物质，不互为同分异构体。] 2．有机化合物分子中原子间(或原子与原子团间)的相互影响会导致物质化学性质不同。下列各项事实不能说明上述观点的是(　　) A．甲苯能使酸性高锰酸钾溶液褪色，而甲烷不能使酸性高锰酸钾溶液褪色 B．乙烯能发生加成反应而乙烷不能发生加成反应 C．苯酚能和氢氧化钠溶液反应，而乙醇不能和氢氧化钠溶液反应 D．丙酮(CH3COCH3)分子中氢原子比乙烷分子中氢原子更容易被卤原子取代 B　[甲苯分子中苯环使甲基活性增强，可以被酸性KMnO4溶液氧化，苯酚分子中苯环使羟基活性增强，丙酮分子中酮羰基使甲基活性增强，都说明原子团间的相互影响；B项中乙烯能发生加成反应是因为存在，故B项不能证明题中观点。] 3．下列烷烃在光照条件下与氯气反应，生成一氯代烃种类最多的是(　　) C　[A项，CH3CH2CH3 有两种等效氢，生成两种一氯代烃；B项，只有一种氢原子，生成一种一氯代烃；C项，有四种等效氢，生成四种一氯代烃；D项，有两种等效氢，生成两种一氯代烃。] 4．已知利用某些有机化合物之间的转化可贮存太阳能，如降冰片二烯(NBD)经太阳光照射转化成四环烷(Q)的反应如图(反应吸热)，下列叙述错误的是(　　) A．NBD和Q互为同分异构体 B．Q可使溴水褪色 C．NBD和Q的一氯代物均有3种 D．NBD的同分异构体可以是芳香烃 B　[二者分子式都为C7H8，但是它们的结构不同，因此二者互为同分异构体，A正确；Q中不含碳碳不饱和键，不能和溴水发生加成反应，所以不能使溴水褪色，B错误；NBD分子、Q分子中均含有3种不同化学环境的氢原子，因此其一氯代物有3种，C正确；NBD的不饱和度是4，苯环的不饱和度是4，该物质的分子式为C7H8，含有苯环的同分异构体为甲苯，D正确。] 5．有下列几组物质，请将字母填入下列横线上： A．苯和乙苯 B．12C60和石墨 C． D．和l E．乙酸和乙二酸 (1)互为同位素的是________。 (2)互为同系物的是________。 (3)互为同素异形体的是________。 (4)互为同分异构体的是________。 (5)既不互为同系物，又不互为同分异构体，也不互为同素异形体，但可看成是同一类物质的是________。 [解析]　A项，苯和乙苯均含苯环，分子结构相似，组成上相差2个CH2，二者互为同系物；B项，12C60和石墨是由碳元素组成的不同单质，二者互为同素异形体；C项，和的分子式均为C7H7O2N，但二者结构不同，互为同分异构体；D项，和l的质子数相同，中子数不同，是氯元素的两种不同核素，互为同位素；E项，乙酸和乙二酸均属于羧酸，但二者所含羧基官能团的数目不相等，属于同一类物质，但既不互为同系物，又不互为同分异构体，也不互为同素异形体。 [答案]　(1)D　(2)A　(3)B　(4)C　(5)E 课时分层作业(四)有机化合物的同分异构现象　有机化合物结构与性质的关系 (选择题只有一个选项符合题目要求) 1．下列分子式只表示一种物质的是(　　) A．C2H5Cl　　　 B．C2H6O C．C2H4O D．C2H4O2 A　[C2H5Cl为氯乙烷，只有一种结构，不存在同分异构体，所以能只表示一种物质，A正确；C2H6O存在2种同分异构体：CH3CH2OH、CH3OCH3，所以不能只表示一种物质，B错误；C2H4O可以是环氧乙烷，也可以是乙醛，存在同分异构体，所以不能只表示一种物质，C错误；C2H4O2存在2种同分异构体：CH3COOH、HCOOCH3，所以不能只表示一种物质，D错误。] 2．丙烯二聚体CH2==CHCH2CH(CH3)2是合成“人工肺”(EMCO)设备膜丝的原料，下列关于CH2==CHCH2CH(CH3)2说法正确的是(　　) A．其加聚产物能使溴水褪色 B．与环己烯()互为同分异构体 C．催化加氢后所得烷烃的一氯代物有4种 D．完全燃烧时的耗氧量与等质量丙烯完全燃烧的耗氧量相等 D　[丙烯二聚体分子中只有1个碳碳双键，加聚产物不含不饱和键，则加聚产物不能使溴水褪色，A错误；丙烯二聚体为链状单烯烃，不饱和度为1，环己烯为环烯，不饱和度为2，二者不饱和度不同，分子式不同，不互为同分异构体，B错误；催化加氢生成CH3CH2CH2CH(CH3)2，含5种不同化学环境的氢原子，则一氯代物有5种，C错误；丙烯二聚体与丙烯中C、H的质量分数均相同，则完全燃烧等质量丙烯与丙烯二聚体耗氧量相同，D正确。] 3．化合物a、b、c的分子式均为C8H8，键线式结构如图所示。下列说法正确的是(　　) A．a的二氯代物只有3种 B．b的同分异构体只有a、c两种 C．c的实验式与苯相同，属于苯的同系物 D．等物质的量的b、c与足量溴水反应消耗的Br2的量相等 A　[二氯代物有三种，、、，A项正确；满足分子式为C8H8有机物结构可以有多种，如、等，并不只有a、c两种，B项错误；苯的同系物分子式通式为CnH2n－6(n≥6)，c分子式不符合苯的同系物分子式通式，组成相差的不是一个或多个CH2，c不属于苯的同系物，C项错误；b结构中含有1个碳碳双键，能与溴水中Br2发生加成反应，1 mol b()消耗1 mol Br2，c结构与苯结构类似存在大“π”键，介于单键与双键之间的特殊化学键，不能与溴水发生反应，D项错误。] 4．分子式为C3H7Cl的同分异构体共有(　　) A．2种 B．3种 C．4种 D．5种 A　[丙烷分子中含有2种不同化学环境的氢原子，则分子式为C3H7Cl的所有同分异构体的结构简式为CH3CH2CH2Cl和CH3CHClCH3，共两种。] 5．丙烷的分子结构可简写成键线式结构，下列关于化合物a和化合物b的说法中正确的是(　　) A．化合物a、b的分子式均为C6H8 B．化合物a的一氯代物有2种(不含立体异构) C．化合物a、b均可以使酸性高锰酸钾溶液褪色 D．化合物a中所有原子可处于同一平面 B　[化合物a、b的分子中都含有6个C原子，不饱和度为4，则含H原子数为2×6＋2－4×2＝6，分子式均为C6H6，A错误；化合物a的一氯代物中，氯原子可取代饱和碳原子上的氢原子、不饱和碳原子上的氢原子，所以共有2种可能结构，B正确；化合物a分子中含有碳碳双键，能使酸性高锰酸钾溶液褪色，b分子中碳原子均为饱和碳原子，不能使酸性高锰酸钾溶液褪色，C错误；化合物a中存在2个饱和碳原子，该碳原子连接的4个原子构成四面体结构，所有原子不可能处于同一平面，D错误。] 6．分子式为C5H10O2的同分异构体中羧酸(不含立体异构)有(　　) A．3种　　　B．4种　　　C．5种　　　D．6种 B　[将C5H10O2改写为C4H9－COOH；C4H9－有4种不同的结构，故该有机化合物有4种不同结构的羧酸，即： CH3CH2CH2CH2COOH、、、。] 7．查阅资料获得如下信息： 信息1：普通打火机常用的燃料成分为C4H10、C3H8。 信息2：乙醇易溶于水、CCl4、CH3COOCH3等，可用作溶剂、消毒剂等。 信息3：二氯甲烷不溶于水，易溶于CHCl3、CH3OCH3和CH3CH2OCH2CH3等，是不可燃低沸点溶剂。 信息4：石墨可以在高温、高压下形成人造金刚石，该过程吸热。 根据信息中所涉及物质，回答下列问题： (1)以上物质中，与C4H10互为同系物的是________(填分子式)。 (2)以上物质中，与CH3CH2OH互为同分异构体的是________(填结构简式)。 (3)石墨和金刚石互为________，石墨和金刚石中更稳定的是________。 (4)以上物质中，空间结构为正四面体形的是________。 (5)C4H10的一氯取代物结构共有________种。 [解析]　(1)同系物是结构相似，组成上相差1个或若干个CH2的有机化合物，由定义可知与C4H10互为同系物的是C3H8。(2)同分异构体是指分子式相同，结构不同的化合物的互称，由此可知与CH3CH2OH互为同分异构体的是CH3OCH3。(3)石墨和金刚石为结构不同的碳单质，两者互为同素异形体，石墨转化为金刚石的过程吸热，说明金刚石能量更高，能量越高越不稳定，故石墨更稳定。(4)以上物质中，CCl4的中心原子的价电子对数为＋4＝4，不含有孤电子对，空间结构为正四面体形。(5)分子式为C4H10的烷烃结构有正丁烷(CH3CH2CH2CH3)和异丁烷[CH3CH(CH3)2]，正丁烷的一氯代物有2种，异丁烷的一氯代物也有2种，故C4H10的一氯代物结构共有4种。 [答案]　(1)C3H8　(2)CH3OCH3　(3)同素异形体　石墨　(4)CCl4　(5)4 8．有机化合物中的同分异构现象，除了碳骨架异构、官能团的类型异构和官能团的位置异构之外还有顺反异构等，例如2-丁烯，有如下A、B两种顺反异构的形式： A中两个－CH3在双键同一侧，为顺式，称顺-2-丁烯；B中两个－CH3在双键的两侧，为反式，称反-2-丁烯。若两个甲基换为－CH3和－CH2－CH3，只要是在同侧，便是顺式，在两侧便为反式。 现有分子式为C9H10的有机化合物可写成苯丙烯形式，即C6H5－C3H5。试写出由于双键的位置不同而形成的C、D两种直链同分异构体，然后再写出其顺式E和反式F两种同分异构体。 C________________________________________________________； D________________________________________________________； E________________________________________________________； F________________________________________________________。 [解析]　首先写出双键位置不同的直链同分异构体C、D，其中一种可能出现顺反异构，两个氢原子在双键同侧或异侧，而另一种无顺反异构，因有一个双键碳原子上全部为氢原子。 [答案]　　 　 (选择题有一个或两个选项符合题目要求) 9．下列有机化合物同分异构体数目的判断错误的是(　　) 选项 有机化合物 同分异构体数目 A 分子式为C5H12 3 B 分子式为C5H10，能使溴的四氯化碳溶液褪色 5 C 分子式为C4H10O，能与Na反应生成氢气 4 D 分子式为C4H8O2，能与NaHCO3溶液反应 3 D　[戊烷(C5H12)有3种同分异构体，分别为正戊烷、异戊烷与新戊烷，A正确；能使溴的四氯化碳溶液褪色，说明C5H10为戊烯，分别为1-戊烯、2-戊烯、2-甲基-1-丁烯、2-甲基-2-丁烯、3-甲基-1-丁烯，故共有5种同分异构体，B正确；C4H10O能与Na反应生成氢气说明为醇类，可写成C4H9OH，丁基有4种结构，故共有4种不同结构的醇，C正确；C4H8O2能与NaHCO3溶液反应说明为羧酸，可写成C3H7COOH，丙基有2种结构，故有2种不同结构的酸，D错误。] 10．以物质 a(环戊二烯)为原料制备物质 d(金刚烷)的合成路线如图所示。 关于以上有机化合物的说法中正确的是(　　) A．物质 a 的分子式为 C5H8 B．物质 b 中含有1个不对称碳原子 C．物质 c 与物质 d 互为同分异构体 D．物质 d 的一氯代物有2种 CD　[物质a的分子式为C5H6，A错误；物质b分子中有4个碳原子上连接的基团均不相同，含有4个不对称碳原子，B错误；物质c与物质d分子式相同、结构不同，两者互为同分异构体，C正确；物质d分子高度对称，分子中只有2种不同化学环境的氢原子，所以其一氯代物有2种，D正确。] 11．如图是六种环状的烃类物质： (1)互为同系物的有________和________(填名称，后同)。互为同分异构体的有________和__________________、________和________。 (2)立方烷的分子式为________，其一氯代物有________种。 (3)写出两种与苯互为同系物且一氯代物只有两种的物质的结构简式：_________________________、________。 [解析]　(1)同系物是指结构相似，分子组成上相差一个或若干个CH2的有机化合物，因此环己烷与环辛烷互为同系物；同分异构体是指分子组成相同，结构不同的化合物，因此苯与棱晶烷(分子式均为C6H6)、环辛四烯与立方烷(分子式均为C8H8)互为同分异构体。(2)立方烷的结构为正六面体形，具有对称性，只有1种化学环境的氢原子，故其一氯代物只有1种。(3)苯的同系物是苯环上连有烷基的有机化合物，一氯代物只有2种，说明该分子中有2种不同化学环境的氢原子，如 (对二甲苯)、 (间三甲苯)。 [答案]　(1)环己烷　环辛烷　苯　棱晶烷　环辛四烯　立方烷　(2)C8H8　1 (3)　 (合理即可) 1/1 学科网（北京）股份有限公司 $$