专题2.1.2 同分异构体-【步步高】2023-2024学年高二化学选择性必修3（苏教版2019）

第2课时　同分异构体 [核心素养发展目标]　1.能从有机物分子中原子间的连接顺序、成键方式的角度，认识同分异构现象，能对有机物同分异构体进行分类。2.能根据烷烃同分异构体的书写，建立有机物同分异构体书写的思维模型，并会判断和书写有机物的同分异构体。 一、同分异构现象与同分异构体 1．同分异构现象和同分异构体 (1)同分异构现象：在有机化合物分子中，原子间在成键方式、连接顺序等方面，如果存在差异，就会产生分子式相同而结构不同的现象。 (2)同分异构体：分子式相同而结构不同的化合物。 ①特点：分子式相同，结构不同，性质可能相似也可能不同。随着有机物中碳原子个数的增多，其同分异构体的数目增多。 ②转化：同分异构体之间的转化是化学变化。 2．同分异构现象的分类 异构方式 形成原因 示例 构造异构 碳链异构 碳链骨架不同 正丁烷：CH3CH2CH2CH3 异丁烷： 位置异构 官能团或取代基在碳骨架(碳链或碳环)上位置不同 1-丁烯： CH2==CH—CH2—CH3 2-丁烯： CH3—CH==CH—CH3 官能团异构 官能团不同 乙醇：CH3CH2OH 二甲醚：CH3—O—CH3 立体异构 顺反异构 双键碳原子所连的不同原子或基团在空间的排列方式不同 顺-2-丁烯： 反-2-丁烯： 对映异构 存在手性碳原子，互为镜像，彼此不能重合 乳酸： 3.同分异构现象与物质性质 (1)同分异构体虽然分子式相同，但结构不同，性质也存在差异，如三种戊烷沸点：正戊烷＞异戊烷＞新戊烷。 (2)天然植物油主要含顺式脂肪酸，因其抗氧化能力差，稳定性不好，人们会将其进行氢化处理，在此过程中会生成一定量的反式脂肪酸。过多食用富含反式脂肪酸的食物易引发肥胖症和心脑血管疾病。 (3)人体剧烈运动后糖类代谢出乳酸，乳糖发酵也会产生乳酸，这两种乳酸分子构造相同，化学性质相同，但两者互为对映异构体，其旋光性不同，很多药物也都存在对映异构现象，其生物活性可能不同。 (1)每一种有机物都存在同分异构现象(　　) (2)CH3COOH与HCOOCH3互为同分异构体，属于官能团异构(　　) (3)与互为同分异构体，属于立体异构(　　) (4)分子式为C2H6、C3H8的烷烃一定为纯净物(　　) (5)同素异形体、同分异构体之间的转化是物理变化(　　) (6)存在对映异构的有机物分子中必须含有饱和碳原子，且该碳原子相连接的4个原子(或基团)完全不同(　　) 答案　(1)×　(2)√　(3)×　(4)√　(5)×　(6)√ 已知下列有机物： ①和 ②和 ③CH2==CH—CH==CH2和CH3—C≡C—CH3 ④CH3CH2CHO和 ⑤和 ⑥CH3CH2COOH和HCOOCH2CH3 ⑦和 (1)其中属于构造异构的是______________(填序号，下同)，属于同一物质的是________。 (2)其中属于碳链异构的是________，属于位置异构的是________，属于官能团异构的是________________________________________________________________________。 (3)在⑤中有一种分子存在顺反异构，该分子的结构简式为________________________，写出该分子的顺反异构体：________________、______________________________。 (4)在⑦中有一种分子存在对映异构体，该分子是______________________。 答案　(1)①③④⑤⑥⑦　② (2)①　⑤⑦　③④⑥ (3)　 (顺式)　 (反式) (4) 二、同分异构体的书写 1．烷烃同分异构体的书写 烷烃的碳链异构，一般可采用“减碳法”进行书写，具体步骤如下(以C6H14为例)： (1)确定碳链 ①先写最长的碳链：C—C—C—C—C—C。 ②减少1个碳原子，将其作为甲基放在主链上并移动位置。注意碳链的对称性，不要重复，甲基不放1号位。 、。 ③减少2个碳原子，将其作为一个乙基或两个甲基放在主链上并移动位置。注意a.乙基不放2号位，b.两个甲基按连在同一个碳原子、相邻碳原子、相间碳原子的顺序依次放在主链上。 c．从主链上取下来的碳原子数，不能多于主链所剩部分的碳原子数。 、。 (2)补写氢原子：根据碳原子形成4个共价键，补写各碳原子所结合的氢原子数。 (3)写出C6H14所有同分异构体的结构简式： CH3CH2CH2CH2CH2CH3、、、、。 2．烯烃(或炔烃)同分异构体的书写 书写方法：首先碳链异构，然后根据碳的四个共价键关系，加上官能团(或—C≡C—)。 以C4H8(含有一个碳碳双键)为例，具体步骤如下： (1)按照烷烃同分异构体的书写步骤，写出可能的碳链结构：C—C—C—C、。 (2)根据碳链结构的对称性和碳原子的成键特点，在碳链上可能的位置添加双键： 。 (3)补写氢原子：根据碳原子形成4个共价键，补写各碳原子所结合的氢原子。 (4)C4H8共有3种同分异构体(不考虑立体异构)，其键线式分别为、、。 (5)烯烃的立体异构——顺反异构 两个相同的原子或原子团位于双键同一侧的称为顺式结构，两个相同的原子或原子团位于双键两侧的称为反式结构，例如顺-2-丁烯和反-2-丁烯的结构简式分别是和。 1．产生顺反异构体的条件 (1)具有碳碳双键； (2)组成双键的每个碳原子必须连接两个不同的原子或原子团。 2．顺反异构体的性质特点 顺反异构体的化学性质基本相同，物理性质有一定的差异。 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→位置异构→官能团异构的顺序来书写。下面以C4H10O为例说明。 (1)碳链异构：4个碳原子的碳链有2种连接方式：C—C—C—C、。 (2)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)官能团异构：通式为CnH2n＋2O的有机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。 故分子式为C4H10O的有机物共有4种醇和3种醚，共7种同分异构体。 同分异构体的书写规律 (1)烷烃：烷烃的碳链异构，书写时要注意全面而不重复，具体规则如下： (2)具有官能团的有机物：一般按碳链异构→位置异构→官能团异构的顺序书写。 (1)写出戊烯的所有烯烃类的同分异构体的结构简式(不包括顺反异构)，并说出书写方法。 (2)上述戊烯的同分异构体中具有顺反异构的是____________，请写出其顺式结构和反式结构________________________。 提示　(1)CH2==CH—CH2—CH2—CH3、 CH3—CH==CH—CH2—CH3、、、。 书写方法：先写碳链异构， 再写位置异构，补齐H即可。 (2)CH3—CH==CH—CH2—CH3　顺式结构为，反式结构为 1．书写分子式为C4H9Cl的所有同分异构体。 答案　①先写出可能的碳链异构：　。 ②然后用—Cl代替H原子，a有2种，b有2种。 ③根据碳原子4个共价键关系，补写氢原子。 故C4H9Cl的同分异构体有CH2ClCH2CH2CH3、CH3CHClCH2CH3、CH2ClCH(CH3)2、(CH3)3CCl。 2．戊烷共有3种同分异构体，戊烷分子中的一个氢原子分别被—Cl、—OH、—COOH取代后得到卤代烃、醇、羧酸。 (1)下列式子是某学生书写的C5H12的同分异构体的结构简式： ①CH3CH2CH2CH2CH3　② ③　④ ⑤ 这些结构中出现重复的是________(填序号)。 (2)用—COOH取代C5H12分子中的1个氢原子得到分子式为C6H12O2的羧酸，该物质的同分异构体有______种。 答案　(1)②③④　(2)8 解析　(1)②③④的最长碳链均有4个碳原子，有一个—CH3均接在2号碳原子上，为同一物质。 题组一　同分异构体的概念及其判断 1．下列关于同分异构体的说法不正确的是(　　) A．具有相同分子式，但结构不同的化合物互为同分异构体 B．相对分子质量相同的几种化合物，互为同分异构体 C．同分异构体之间的转化属于化学变化 D．组成元素的质量分数相同，且相对分子质量也相同的不同化合物，互为同分异构体 答案　B 解析　有些物质具有相同的相对分子质量，但分子组成可能不同，不一定互为同分异构体；同分异构体之间的转化属于化学变化；不同化合物组成元素的质量分数相同，且相对分子质量也相同时，其分子式一定也相同，互为同分异构体。 2．下列各组物质中，互为同分异构体的是(　　) A．与 B．HC≡C—(CH2)3CH3与 C．CH3CH2OCH2CH3与 D．与 答案　B 解析　A项和C项中物质的分子式不同，不互为同分异构体，错误；B项和D项中物质的分子式均相同，但是D项中两种物质结构相同，是同一物质，D项错误。 3．(2023·河北邯郸高二质检)维生素E能有效减少皱纹的产生，保持青春的容貌。维生素E有四种类型，其结构简式如图，若R代表相同的烃基，下列互为同分异构体的是(　　) A．甲和乙 B．乙和丙 C．丙和丁 D．甲和丁 答案　B 解析　同分异构体分子式相同，结构不同，根据结构简式可知甲的分子式为C11H13O2R，乙的分子式为C12H15O2R，丙的分子式为C12H15O2R，丁的分子式为C13H17O2R，R代表相同的烃基，分子式相同的是乙、丙，且两者结构不同，则两者互为同分异构体，故选B。 题组二　同分异构体类型的判断 4．(2022·河南南阳一中高二月考)下列对分子式为C4H8的有机物的说法错误的是(　　) A．可能存在位置异构 B．可能存在碳链异构 C．可能存在顺反异构 D．可能存在对映异构 答案　D 解析　分子式为C4H8的有机物可能是烯烃或环烷烃。当该有机物为烯烃时，可能存在位置异构、碳链异构和顺反异构，A、B、C项正确；该有机物不管是烯烃还是环烷烃，都不存在对映异构，D项错误。 5．下列各组物质中，互为同分异构体且属于位置异构的是(　　) A．CH3CH2CH3和CH3CH(CH3)2 B．和 C．CH3COOH和HCOOCH3 D．CH3CH2CHO和CH3COCH3 答案　B 解析　A中CH3CH2CH3和CH3CH(CH3)2分子式不同，不互为同分异构体；B中两种物质官能团的位置不同，属于位置异构；C、D中物质均是分子式相同，官能团类别不同，属于官能团异构。 6．下列关于同分异构体异构方式的说法不正确的是(　　) A．CH3CH2CH2CH3和CH3CH(CH3)2属于碳链异构 B．H3CC≡CCH3和CH2=CHCH==CH2属于官能团异构 C．与属于对映异构 D．和属于位置异构 答案　C 解析　A中CH3CH2CH2CH3和CH3CH(CH3)2碳骨架不同，属于碳链异构；B中两物质官能团类别不同，属于官能团异构；C中二者属于同种物质； D中甲基与—OH在苯环上的位置不同，属于位置异构。 7．割草机刚刚修剪过的草坪散发浓浓的“青草味”，这是由于植物的叶子挥发产生了顺-3-己烯醛，其不稳定会重排成反-3-己烯醛： 下列化合物也存在类似上述结构现象的是(　　) A．CH2==CH2 B．CH3CH==CHCH3 C．CH3CH==CH2 D．CH3CH2CH2CH3 答案　B 解析　顺-3-己烯醛重排成反-3-己烯醛，二者互为顺反异构体。乙烯双键周围均为氢原子，不存在顺反异构，A项错误；2-丁烯双键一侧基团不相同，存在顺反异构，B项正确；丙烯双键一侧全部为氢原子，不存在顺反异构，C项错误；丁烷仅存在碳链异构，D项错误。 8．诺贝尔化学奖曾授予“手性碳原子的催化氢化、氧化反应”研究领域作出贡献的三位科学家。手性分子具有对映异构及光学活性，下列分子中具有光学活性的是(　　) A．CCl2F2 B． C．CH3CH2OH D． 答案　D 解析　CCl2F2、、CH3CH2OH中碳原子所连接的原子(或原子团)均有相同部分，不含手性碳原子，中与羧基相连接的碳原子所连的原子(或原子团)均不相同，该碳原子为手性碳原子，该分子具有光学活性。 题组三　同分异构体数目的确定 9．C4H9Cl的同分异构体有(不考虑立体异构)(　　) A．2种 B．3种 C．4种 D．5种 答案　C 10．烷烃(如图)是由某单烯烃和氢气加成后的产物，不考虑顺反异构，则这种单烯烃的结构可能有(　　) A．4种 B．5种 C．7种 D．9种 答案 　B 解析 　单烯烃的碳碳双键的位置可能有，共5种。 11．(2023·温州高二调研)已知化合物A(C4Si4H8)与立方烷(C8H8)的分子结构相似，如图： 则C4Si4H8的二氯代物的同分异构体数目为(　　) A．6 B．5 C．4 D．3 答案　C 解析　C4Si4H8的二氯代物的同分异构体有：同一条棱上的二氯代物1种、面对角线上的二氯代物2种、体对角线上的二氯代物1种。 12．下列表示或说法不正确的是(　　) A．C3H8的一氯代物有2种 B．丁烷有3种同分异构体 C．CH2ClCH2Cl和CH3CHCl2互为同分异构体 D．C3H6和C4H8不一定互为同系物 答案　B 解析　C3H6和C4H8均既可以是烯烃，也可以是环烷烃，故二者不一定互为同系物，D项正确。 13．某有机物的结构如图所示，则与该有机物苯环上取代基种类和数目均相同的同分异构体共有(不包括该有机物，不考虑顺反异构)(　　) A．3种 B．4种 C．5种 D．6种 答案 　C 解析 　该有机物苯环上取代基有两个羟基，侧链上有一个碳碳双键，用A表示羟基、B表示碳碳双键，用“定二移一”法确定三个取代基在苯环上共有六种连法：、、 (同种有机物)、、、，则与该有机物苯环上取代基种类和数目均相同的同分异构体有5种。 14．分子式为C6H14O且含有“—CH2OH”的同分异构体有(不考虑立体异构)(　　) A．7种 B．8种 C．9种 D．10种 答案　B 解析　C6H14O分解成C5H11—CH2OH，相当于—CH2OH取代C5H12中的一个氢原子，C5H12有8种不同化学环境的氢原子，故C6H14O中含有—CH2OH的同分异构体有8种。 15．同分异构现象在有机化学中普遍存在，中学阶段常见的同分异构体有三类：①官能团异构，②位置异构，③碳链异构。已知分子式为C5H12O的有机物有多种同分异构体，下面给出其中四种： A．CH3—CH2—CH2—CH2—CH2OH B．CH3—O—CH2—CH2—CH2—CH3 C． D． 根据上述信息完成下列问题： (1)根据所含官能团判断A属于________，B、C、D中，与A互为官能团异构的是________ (填字母，下同)，与A互为碳链异构的是__________；与A互为位置异构的是____________。 (2)写出另一种与A互为位置异构的有机物的结构简式：_______________________________。 (3)与A互为碳链异构的同分异构体共有5种，除B、C或D中的一种外，其中两种结构简式为、，写出另外两种同分异构体的结构简式：____________________________、____________________。 答案　(1)醇　B　D　C (2) (3)　 解析　(3)与A互为碳链异构的同分异构体，可以根据戊基的碳链异构来书写，戊基有CH3CH2CH2CH2CH2—，CH3CH2CH(CH3)CH2—，CH3CH2C(CH3)2—，(CH3)2CHCH2CH2—，(CH3)3CCH2—，(CH3)2CHCH(CH3)—，所以另外两种同分异构体的结构简式为、。 16．烷基取代苯可以被酸性KMnO4溶液氧化成，但若烷基—R中直接与苯环连接的碳原子上没有H，则不能被氧化得到。现有分子式为C11H16的一烷基取代苯，已知它可以被酸性KMnO4溶液氧化的同分异构体有7种，其中的3种是、、。请写出其他4种的结构简式：__________________________、_________________________________、________________________________________、_____________________________________。 答案　 　 学科网（北京）股份有限公司 $$