归纳与整理教学设计及教案分析

《有机物的分子结构和同分异构》专题突破

【考纲要求】

1、知道有机化合物中碳原子的成键特征，认识有机化合物的同分异构现象及其普遍存在的本质原因，能判断简单有机化合物的同分异构体（不包括手性异构体）。

2、了解确定有机化合物结构的化学方法和某些物理方法。

3、能根据有机化合物的元素含量、相对分子质量确定有机化合物的分子式。

【考点梳理】

考点一、有机化合物中碳原子的成键特点

1、碳元素位于第二周期ⅣA族，碳原子的最外层有4个电子，很难得到或失去电子，通常以共用电子对的形式与其他原子形成共价键，达到最外层8个电子的稳定结构。

2、由于碳原子的成键特点，在有机物分子中，碳原子总是形成4个共价键（即4对共用电子），每个碳原子不仅能与氢原子或其他原子（如氧、氯、氮、硫等）形成4个共价键，而且碳原子之间可以形成稳定的单键、双键或三键。多个碳原子可以相互结合成长短不一的碳链，碳链也可以带有支链，还可以结合成碳环，碳链与碳环也可以相互结合。因此，含有原子种类相同，每种原子数目也相同的分子，其原子可能具有多种不同的结合方式，形成具有不同结构的分子（即产生同分异构现象）。

在有机物分子中，碳原子仅以单键与其他原子形成4个共价键，这样的碳原子称为饱和碳原子，当碳原子以双键或三键与其他原子成键时，这样的碳原子称为不饱和碳原子。

考点二、有机物的分子结构

1、结构特点

（1）掌握有机物中组成原子的成键情况（如C、N、O、S、Cl等）及键的分布伸展方向

有机物的空间构型的考查都应用了我们学过的几种碳原子的空间“形象”：

（2）掌握简单小分子空间结构：

甲烷为正四面体结构，键角109о28′；乙烯为平面型结构，6原子共平面，键角120о；乙炔为直线型结构，4原子在同一直线上，键角180о；苯为平面型结构，12原子共平面，键角120о。如下图所示：

复杂分子一般都是由简单小分子组合而成。复杂分子中共价单键可以旋转。

2、光谱测定有机物的结构

要鉴定和研究未知有机化合物的结构与性质，必须得到纯净的有机物，下面是研究有机化合物一般要经过的几个基本步骤：

要点诠释：

(1)质谱法——相对分子质量的测定

质谱是近代发展起来的快速、微量、精确测定相对分子质量的方法。由于相对质量越大的分子离子的质荷比越大，达到检测器需要的时间越长，因此质谱图中的质荷比最大的就是

未知物的相对分子质量。

(2)红外光谱——测定化学键和官能团的种类

根据红外光谱图，推知有机物含有哪些化学键、官能团，以确定有机物的分子结构。

(3)核磁共振氢谱——测定几种不同类型的氢原子及它们的数目

不同化学环境的氢原子（等效氢原子）因产生共振时吸收的频率不同，被核磁共振仪记录下来的吸收峰的面积不同。所以，可以从核磁共振谱图上推知氢原子的类型及数目。

吸收峰数目＝氢原子类型；

不同吸收峰的面积之比（强度之比）＝不同氢原子的个数之比。

3、求有机物相对分子质量的常用方法

（1）M = m / n （2）根据有机蒸气的相对密度D，M1 = DM2 如：在一定条件下，某有机物蒸气对氢气的相对密度为23，则该有机物的相对分子质量为：M1 = DM2 =23×2=46 （3）标况下有机蒸气的密度为ρg/L，M = 22.4L/mol ▪ρg/L 考点三、同分异构体

1、定义：分子式相同，结构不同的化合物互称同分异构体。

要点诠释：

(1)同分异构体可以属于同一类物质，也可以属于不同类物质。可以是有机物，也可以是无机物。

(2)同分异构体之间因分子式相同分子量必相等，但分子量相等的化合物之间不一定互为同分异构体。

(3)同分异构体之间各元素的质量分数相同，但各元素质量分数相同的化合物之间不一定是同分异构体。

2、分类：

(1)官能团异构:是由于官能团不同而引起的同分异构现象。官能团异构也称类别异构。

常见的官能团异构举例如下：

通式或分子式

CnH2n

CnH2n-2

CnH2n+2O CnH2nO 烯烃、环烷烃

炔烃、二烯烃、环烯烃

醇、醚

醛、酮、烯醇、环醇、环醚

可能的类别

CnH2nO2

CnH2n-6O CnH2n+1NO2

C6H12O6

C12H22O11

羧酸、酯、羟基醛、羟基酮、烯二醇

酚、芳香醇、芳香醚

硝基化合物、氨基酸

葡萄糖、果糖

蔗糖、麦芽糖

(2)碳链异构：是指由于碳原子的排列顺序不同而引起的同分异构现象。

碳链异构包括主链的碳链异构和侧链(取代基)的碳链异构。例如：丙基的异构2种：CH3CH(CH3)—、CH3CH2CH2—；丁基的异构4种：CH3CH2CH2CH2—、CH3CH(CH3)CH2—、

CH3CH2CH(CH3)—、CH3C(CH3)2—；戊基有8种(请读者自行写出)。

(3)位置异构：是指由于取代基取代在链或环上的位置不同而引起的同分异构现象。

(4)顺反异构：由于碳碳双键不能旋转而导致分子中原子或原子团在空间的排列方式不同所产生的异构现象，称为顺反异构。

两个相同的原子或原子团排列在双键的同一侧的称为顺式结构；两个相同的原子或原子团排列在双键的两侧的称为反式结构。如2-丁烯存在顺反异构体：

3、同分异构体的找法：“先类别、再碳链、后位置”

要点诠释：同分异构书写时的思维过程

（1）计算不饱和度，确定可能的物质类别；

（2）官能团类别异构→碳链异构→官能团位置异构→顺反异构（注意等位氢）；

(3)多元取代时，先写所有一取代，然后在一取代基础上进行二取代。

【典型例题】

类型一、有机物碳原子的成键特点

例1、下列化合物的分子中，所有原子都处于同一平面的有（

）

A．乙烷

B．甲苯

C．氟苯

D．四氯乙烯

【思路点拨】有平面型结构的分子在中学主要有乙烯、1，3-丁二烯、苯三种，其中乙烯平面有6个原子共平面，

1，3-丁二烯型的是10个原子共平面，苯平面有12个原子共平面。这些分子结构中的氢原子位置即使被其他原子替代，替代的原子仍共平面。

【答案】CD 【解析】A选项没有常说的平面结构，B选项中甲基有四面体空间结构，C选项氟原子代替苯中1个氢原子的位置仍共平面，D选项氯原子代替乙烯中氢原子的位置仍共平面。

【总结升华】共平面的题是近年来常考点，这类题切入点是平面型结构。

举一反三：

【变式1】下列关于HC≡C―

―CH＝CH CH3的说法正确的是（

）

A．所有碳原子有可能都在同一平面上

B．最多只可能有9个碳原子在同一平面上

C．有7个碳原子可能在同一直线上

D．只可能有5个碳原子在同一直线上

该分子中最多有

个原子共平面

【答案】AD；19 【变式2】下列分子中的14个C原子可能处于同一平面的是（

）

【答案】BC 【解析】分子中只要有饱和碳原子，连接其他三个碳，其结构类似甲烷的结构，必不共面。A中右端第二个碳、D中下面交叉处的碳、E中右端连接三个甲基的碳都是这种情况。

【变式3】某烃的结构简式为

分子中处于四面体结构中心的碳原子数为a，一定在同一平面内的碳原子数为b，一定在同一直线上的碳原子数为c，则a、b、c依次为（

）

A．4、5、3

B．4、6、3

C．2、4、5

D．4、4、6

【答案】B 例2、右图是某种有机物分子的球棍模型图。图中的“棍”代表单键或双键，不同大小的“球”代表三种不同的短周期元素的原子。对该有机物的叙述不正确的是（

）

A．该有机物可能的分子式为C2HCl3

B．该有机物的分子中一定有C＝C

C．该有机物分子中的所有原子在同一平面上

D．该有机物中形成的化学键都是极性键

【思路点拨】根据图中球的半径大小和键的个数猜测原子的种类。

【解析】该物质是有机物，则图中2个白球是碳原子。碳为四价，每个碳原子可以形成4个单键，现在每个碳原子结合两个其他原子，所以碳碳之间形成的是双键，氢原子半径最小，小黑球可能是氢原子，3个大黑球可能是氯原子。A、B、C三项叙述正确。该有机物中碳原子与碳原子间形成的是非极性键，碳原子与除碳之外的其他原子间形成的是极性键，D项说法错误。

【答案】D 【总结升华】在有机分子中，碳为四键饱和，氮为三键饱和，氧为二键饱和，氢（或卤素）为一键饱和。

类型二、有机物分子式的确定

例3、燃烧某有机物A 1.50g，生成1.12L（标准状况）CO2和0.05molH2O。该有机物的蒸气对空气的相对密度是1.04，求该有机物的分子式。

【思路点拨】由相对密度是1.04，可求得相对分子质量M(A)=1.04×29=30，再求出最简式即可。

【答案】CH2O 【解析】首先要确定该物质的组成元素。

1.5g A中各元素的质量：

12gmol11.12Lm(C)0.6g22.4L/mol

m(H)1gmol10.05mol2mol0.1g

m(C)m(H)0.6g0.1g0.7g1.5g，所以有机物中还含有O元素。

m(O)1.5g(0.6g0.1g)0.8g

N(C):N(H):N(O)则0.6g0.1g0.8g::1:2:111112gmol1gmol16gmol

实验式为CH2O，其式量为30。

又因该有机物的相对分子质量M(A)=1.04×29=30 因此实验式CH2O即为分子式。

【总结升华】本题还可直接求出1mol有机物A 中含C、H、O三种原子的物质的量，进而直接得出其分子式。

举一反三：

【变式1】某种有机物在气态时对H2的相对密度为30，充分燃烧3.0 g此有机物可得3.36 L二氧化碳（标准状况）和3.6 g水。此有机物能与金属钠反应，求此有机物的分子式和结构简式。

【答案】C3H8O，CH3CH2CH2OH或CH3CH(OH) CH3

【解析】根据题意可得：Mr=30×2=60。

有机物中各元素的质量为：

m(C)3.36L12gmol11.8g，

122.4Lmol3.6g121gmol0.4g，

118gmolm(H)m (O)=3.0 g―1.8 g―0.4 g=0.8 g。

则有机物分子中N(C)1.8g3.0g3，

12gmol160gmol1N(H)0.4g3.0g8，

111gmol60gmol

N(O)0.8g3.0g1。

1116gmol60gmol

故得分子式为C3H8O。正好符合饱和一元醇和醚的通式，由于该有机物能和钠反应，则属于醇类。故该有机物的结构简式为CH3CH2CH2OH或

CH3CH(OH) CH3。

类型三、光谱测定有机物的结构

例4、肉桂酸甲酯是常用于调制具有草莓、葡萄、樱桃、香子兰等香味的食用香精。它的分子式为C10H10O2，且分子中只含有1个苯环，苯环上只有一个取代基。它的核磁共振氢谱图上有6个峰，峰面积之比为1：2：2：1：1：3。它的红外光谱如下图：

试回答下列问题：

肉桂酸甲酯的结构简式是

。

【思路点拨】它的核磁共振氢谱图上有6个峰，即有6种不同环境的氢原子；峰面积之比即6种氢原子个数比。

【答案】

【解析】根据分子式，不饱和度为6，结合红外光谱，其结构含有一个苯环、一个碳碳双键和一个酯基（由名称“肉桂酸甲酯”看出是甲酯），且苯环只有一个侧链，结构只能如答案所示。可以是顺式或反式结构。

【总结升华】图谱题解题建议：

（1）、首先应掌握好三种谱图的作用、读谱方法。

（2）、必须尽快熟悉有机物的类别及其官能团。

（3）、根据图谱获取的信息，按碳四价的原则对官能团、基团进行合理的拼接。

（4）、得出结构（简）式后，再与谱图提供信息对照检查，主要为分子量、官能团、基团的类别是否吻合。

举一反三：

【变式1】下列有机物分子在核磁共振氢谱中只给出一种信号的是（

）

A．HCHO

B．CH3OH

C．HCOOH

D．CH3COOCH3 【答案】A 【变式2】有一有机物的相对分子质量为74，确定分子结构，请写出该分子的结构简式

CH=CHCOOCH3

【答案】CH3CH2OCH2CH3

【变式3】已知有机物A的分子式为C9H10O3，经过实验测定具有以下性质：①苯环上的一氯取代物有两种

②不能发生水解反应

③遇FeCl3溶液不显色

④1 mol A最多能分别与1 mol NaOH和2 mol Na反应

⑤核磁共振氢谱为六组峰，且峰面积比为3∶2∶2∶1∶1∶1；则它的结构简式为_______________________。

【答案】

【解析】苯环上的一氯取代物有两种，说明结构高度对称，不发生水解则没有酯基，遇FeCl3溶液不显色，说明没有酚羟基，1 mol A最多能分别与1 mol NaOH和2 mol Na反应，说明含有1 mol羧基和1 mol醇羟基，则符合条件的A共有、、、，其中核磁共振氢谱为六组峰，且峰面积比为3∶2∶2∶1∶1∶1，说明分子中有6种H，而且个数比为3∶2∶2∶1∶1∶1，不难得出结构为类型四、同分异构体的概念

或。

例5、下列各组物质中，属于同分异构体的是（

）

A．金刚石和石墨

B．H2N－CH2－COOH 和CH3－CH2－NO2

C．CH3－CH2－CH2－COOH 和CH3－CH2－CH2－CH2－COOH

D．

和

【思路点拨】同分异构体即分子式相同、结构不同。

【答案】B 【解析】A为同素异形体；B为同分异构体；C为同系物；D为同种物质。

【总结升华】A为要注意区分“同素异形体、同分异构体、同系物、同位素”的区别与联系，还有注意“同分同构”即同种物质，如本题的D选项。

【变式1】下列有机物中，互为同分异构体的是（

）

A．①②

B．②④

C．②⑥ 【答案】BD 【变式2】下列不互为同分异构体的一组物质是（

）

A．丙酸和甲酸乙酯

D．⑤⑥

B．淀粉和纤维素

D．蔗糖和麦芽糖

C．丁醇和2－甲基－1－丙醇

【答案】B 【变式3】下列物质互为同分异构体的是（

）

A．CO、N2、C2H4

B．CO2、N2O、C2H4O、C3H8

C．C2H4O2、C3H8O

D.CH3CH2CHO、

CH2=CHCH2OH 、

【答案】D 类型五、同分异构体的种类数确定

例6、已知丁基（-C4H9）共有四种，不必试写，立即可断定分子式为C5H10O的醛应有几种（

）

A．3种

B．4种

C．5种

D．6种

【思路点拨】分子式为C5H10O的醛可改写为C4H9-CHO。

【答案】B 【解析】分子式为C5H10O的醛可改写为C4H9-CHO,因丁基（C4H9-）共有四种结构（CH3CH2CH2CH2—、CH3CH(CH3)CH2—、CH3CH2CH(CH3)—、CH3C(CH3)2—

），故可断定分子式为C5H10O的醛也应有4种。

【总结升华】因丁基有四种，则丁醇、戊醛、戊酸等都有四种同分异构体。要熟记简单烃基的同分异构体数目：甲基、乙基均为1种，丙基2种，戊基8种。

举一反三：

【变式1】分子式为C5H12O的醇，能被氧化成醛的同分异构体为（

）

A．5个

B．4个

C．6个

D．7个

【答案】B 【变式2】分子式为C5H10O2的酯共有(不考虑立体异构)（

）

A．7种

B．8种

C．9种

D．10种

【答案】C

【解析】为了不出现遗漏，写的时候可以按如下分类来写异构体：甲酸丁酯4种(丁基4种异构)、乙酸丙酯2种(丙基2种异构)、丙酸乙酯1种、丁酸甲酯2种(丁酸的烃基为丙基，丙基2种异构)共9种。

【变式3】分子式为C5H12O且可与金属钠反应放出氢气的有机化合物有（不考虑立体异构）（

）

A．5种

B．6种

C．7种

D．8种

【答案】D

【解析】本题主要考查同分异构体的书写。与金属反应放出氢气的化合物为醇，将分子式C5H12O可改写为C5H11-OH，若知戊基有8种结构，立即可知戊醇（C5H11-OH）有8种。

例7、已知萘（

）的n溴代物和m溴代物的种数相等，则n与m（n不等于m）的关系是（

）

A．n+m=6

B．n+m=4

C．n+m=8

D．无法确定

【思路点拨】解答本题的策略在于“等价”变通，如CHCl3与CH3Cl、CH2=CHCl与CCl2=CHCl、C9H19OH（醇类）与C9H19Cl等同分异构体的种数相等。

【答案】C 【解析】解题过程中要避免犯策略性错误，就需见机而行，变“正面强攻”为“侧翼出击”，转换思维角度和思维方向。正确思路是：从萘的分子式C10H8出发，从分子中取代a个H（C10H8-a

Bra）与取代8-a个H(C10HaBr8-a)的同分异构体的种数相等，故n+m=a+(8-a)=8,选C。

【总结升华】解题思维策略对完成条件向结果转化和实现解题起着关键性的作用。策略性错误主要是指解题方向上的偏差，造成思维受阻或解题过程中走了弯路。对于高考来说，费时费事，即便做对了，也有策略性错误。

举一反三：

【变式1】已知二氯苯的同分异构体有3种，从而可推知四氯苯的同分异构体有（

）

A．2 种

B．3 种

C．4 种

D.5 种

【答案】B 【变式2】已知丙烷的二氯代物有四种异构体,则其六氯代物的异构体数目为（

）

A．两种 B．三种 C．四种

D．五种

【答案】C

例8、C9H12的同分异构体中含有苯环的有

种，其中在核磁共振氢谱中出现两组峰，且峰面积之比为3：1的是

(写出结构简式)。

【思路点拨】C9H12中除去苯环还有三个碳原子，苯环上的侧链可以有一个、两个或三个。

【答案】8种，

CH3CH3CH3

【解析】由分子式知：不饱和度（9×2+2-12）/2=4，只有苯环，侧链为饱和烷基；一侧链时，余三个碳原子连接成丙基，有两种情况；二侧链时，三个碳拆分为一个甲基一个乙基，有邻间对三种情况；三侧链时，有三个甲基，有连偏均三种情况。所以共8种。

【总结升华】先分析取代基的个数，再找各种情况的同分异构体数目。

举一反三：

【变式1】有机物有（

）

A．3种

B．4种

C．5种

D．6种

【答案】D ，有多种同分异构体，其中属于酯且含有苯环结构的共CH【变式2】CHCOOH有多种同分异构体，任写一种能同时满足下列条件的异构体结构简式

。

a．苯环上连接着三种不同官能团

b．有醛基

c．能与Br2/CCl4发生加成反应

d．有—OH 【答案】

【变式3】有三种不同的基团，分别为－X、―Y、―Z，若同时分别取代苯环上的三个氢原子，能生成的同分异构体数目是（

）

A．10

B．8

C．6

D．4 【答案】A 【解析】邻位3种：XYZ，XZY，ZXY；邻间位6种：XYZ，XZY，YXZ，YZX，ZXY，ZYX；间位1种：XYZ，共有10种。