化学鲁科版 (2019)第2节 有机化合物的结构与性质学案

第2节　有机化合物的结构与性质

【必备知识·素养奠基】

一、碳原子的成键特点

1.碳原子的成键特点

碳原子最外层有四个电子,通常以共用电子对的形式与其他原子成键,达到最外层八个电子的稳定结构。

2.结合方式的多样性

(1)碳原子之间可以形成单键,也可以形成双键,还可以形成三键。

(2)多个碳原子可以相互结合形成开链结构,也可以形成环状结构。

(3)碳原子除了彼此间成键外,还可以与H、O、N、Cl等其他元素的原子成键。

二、碳原子的成键方式

1.两类碳原子

(1)饱和碳原子:与4个原子形成共价键(单键)的碳原子。

(2)不饱和碳原子:成键原子数目小于4的碳原子。

2.单键、双键和三键

碳原子成键方式与有机化合物的空间构型

3.极性键和非极性键

(1)极性键:不同元素的两个原子之间形成的共价键,共用电子对将偏向吸引电子能力较强的一方。如、、型共价键。

(2)非极性键:相同元素的两个原子间形成的共价键,共用电子对不偏向于任何一方,因此参与成键的两个原子都不显电性。如、、型共价键。

三、有机化合物的同分异构现象

1.同分异构现象:有机化合物分子组成相同而结构不同的现象。

2.同分异构体:分子组成相同而结构不同的有机化合物。

3.常见类型

(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。

①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CH3CH2CHCH2与CH3—CHCH—CH3。

②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。

(3)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接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:和。

　　顺-2-丁烯　　　　　　反-2-丁烯

(1)相对分子质量相同的几种化合物互为同分异构体。 (　　)

提示:×。相对分子质量相同分子式不一定相同。

(2)和,和均互为同分异构体。 (　　)

提示:×。前者为同一种物质。

异丁烯是重要的化工原料,主要用于制备丁基橡胶、聚异丁烯、甲基丙烯腈、抗氧剂、叔丁酚、叔丁基醚等。目前生产异丁烯的方法有轻油C4馏分分离、叔丁醇脱水、醚化裂解等。你知道丁烯的几种同分异构体吗?

提示:3。三种碳链及双键的排列方式为

、、。

四、有机化合物结构和性质之间的关系

1.官能团与有机化合物性质之间的关系

(1)关系

一种官能团决定一类有机化合物的化学特性。

(2)原因

①一些官能团含有极性较强的键,容易发生相关的反应。

②一些官能团含有不饱和碳原子,容易发生相关的反应。

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;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。

(3)醛和酮的化学性质不同,因为醛羰基上连有氢原子,酮羰基上不连氢原子。

(1)苯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,酸性高锰酸钾溶液的紫红色褪去,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。

(2)将乙烷和乙烯分别通入Br2(CCl4)溶液中,各有什么现象?试从结构角度分析原因。

提示:现象分别是:Br2(CCl4)溶液不褪色,Br2(CCl4)溶液褪色。其原因是:乙烯分子中含有不饱和键。活泼性强,其中一个共价键易断裂,发生加成反应,而乙烷属于饱和烃,不发生加成反应。

维生素C又叫L-抗坏血酸,缺少维生素C容易使人得坏血病。其结构简式如下。维生素C泡腾片是人们补充维C的方法之一,也可通过多吃水果进行补充。

通过学过的知识可知维C中含有哪些官能团?能发生哪些反应类型?

提示:含有酯基、醇羟基和碳碳双键。能发生酯化、水解、加成等反应。

【关键能力·素养形成】

知识点一　有机物的空间结构及共线、共面的判断技巧

1.基本结构四类型

(1)甲烷。

　①甲烷分子为正四面体结构。

②甲基上的四个原子不共面。

(2)乙烯。

　①乙烯分子为平面形结构。

②乙烯分子中双键碳原子和与之相连的4个氢原子在同一平面上。

③烯烃分子中双键碳原子和与双键碳原子直接相连的4个原子在同一平面上。

(3)乙炔。

　①乙炔分子为直线形结构。

②乙炔分子中三键碳原子和与之相连的2个氢原子在同一直线上。

③炔烃中三键碳原子和与三键碳原子直接相连的2个原子在同一直线上。

(4)苯。

　①苯分子为平面形结构。

②苯分子中6个碳原子与6个氢原子在同一平面上。

③芳香烃中苯环上的6个碳原子和与其直接相连的6个原子一定在同一平面上。

2.组合结构

组合结构就是将前面的四种类型的基团按一定方式连接成某种有机物。组合结构分子中原子的位置关系。如

,作如下分析(图示)

其中可能共平面的原子最多有20个(M+N),最少有14个(N),肯定共直线的原子最多有6个(L)。

　【易错提醒】有机化合物共线共面问题的几个注意点

(1)由于单键可以旋转,所以与苯环或者乙烯上连接的甲基上的氢原子有可能与苯环或者乙烯结构共平面,也有可能不共平面,但共面时最多只有一个。

(2)饱和碳原子的四条键中相邻的两条键的键角并不一定是109°28′。只有当与碳原子相连的四个原子相同时,键角才是109°28′,形成的是以碳原子为中心的正四面体,若另外四个原子不完全相同,则键角不是109°28′,围成的图形也不再是正四面体。

【思考·讨论】

　(1)下列分子中的14个碳原子不可能处在同一平面内的是哪些?

①

②

③

④

提示:②④。②中—C(CH3)3的中心碳原子位于一个四面体的中心,故—C(CH3)3的4个碳原子不可能在同一平面上。此外,④中同时连接两个苯环的那个碳原子是饱和碳原子,该C原子与其相连的3个C原子一定不共面。

(2)苯分子是平面结构,与氢气完全加成后生成的环己烷,还是平面结构吗?

提示:环己烷不是平面结构。苯与氢气加成生成的环己烷中,碳原子都是饱和碳原子,因此不再是平面结构。

【典例】(2019·全国卷Ⅲ)下列化合物的分子中,所有原子可能共平面的是 (　　)

A.甲苯　　B.乙烷　　C.丙炔　　D.1,3-丁二烯

【解题指南】解答本题需注意以下两点:

(1)碳碳单键可以旋转;

(2)饱和碳原子的四个共价键之间的夹角。

【解析】选D。有机物中如果有碳原子形成4个单键时,四个单键指向四面体的四个顶点,该有机物不可能所有原子共平面。甲苯、乙烷、丙炔中均含有甲基,不可能所有原子共平面,A、B、C错误。1,3-丁二烯中两个双键确定的两个平面以单键连接,由于单键可以旋转,所有原子可能共平面,D正确。

　【母题追问】A中甲苯最多有多少个原子共面?

提示:苯环结构上有12个原子共面,加上甲基上的一个氢原子共13个原子共面。

　【规律方法】用拆分法判断共线、共面问题

【迁移·应用】

1.甲烷分子中的4个氢原子全部被苯基取代,可得如图所示的分子,对该分子的描述不正确的是 (　　)

A.分子式为C25H20

B.该化合物为芳香烃

C.该化合物分子中所有原子不可能处于同一平面

D.分子中所有原子一定处于同一平面

【解析】选D。本题实际上是考查甲烷的正四面体结构。烃分子中氢原子被其他原子取代后,其空间位置不变,由于甲烷分子中的四个氢原子位于正四面体的四个顶点上,当四个氢原子全部被苯基取代后,苯基就排在正四面体的四个顶点上,故该化合物分子中所有原子不可能处于同一平面。

2.(2020·蚌埠高二检测)下列叙述正确的是 (　　)

A.丙烷分子中3个碳原子一定在同一条直线上

B.甲苯分子中7个碳原子都在同一平面上

C.乙烷分子中碳原子和全部氢原子可能在同一平面上

D.2-丁烯分子中4个碳原子可能在同一条直线上

【解析】选B。H3—H2—H3分子中:1,3号碳原子和2号碳上的两个氢原子,可看成是2号碳形成的四面体结构,三个碳原子只共面但一定不共线,A不正确。甲苯分子中—CH3里的碳原子占据了苯分子中一个H原子的位置,所以甲苯分子中7个碳原子都在同一平面内,B正确。烷烃分子中的C、H原子形成的是类似于甲烷的四面体结构,乙烷分子中碳原子和全部氢原子不可能在同一平面上,C不正确。2-丁烯

(H3HHH3)可看成1,4碳原子取代乙烯分子中的两个氢原子所形成的结构,4个碳原子在同一个平面内,但是不可能在同一条直线上,D不正确。

3.某烃结构简式为,有关其结构的说法,正确的是 (　　)

A.所有原子可能在同一平面内

B.所有原子可能在同一条直线上

C.所有碳原子可能在同一平面内

D.所有氢原子可能在同一平面内

【解析】选C。该烃含有苯环、—C≡C—、,所有碳原子可能都在同一平面内,但最多有19个原子共面,即甲基上有2个氢原子不可能在该平面内,有5个碳原子和1个氢原子共线。

　【补偿训练】

　　下列关于CH3—CHCH—C≡C—CF3分子结构的叙述中正确的是 (　　)

A.6个碳原子有可能都在一条直线上

　B.有5个碳原子可能在一条直线上

C.6个碳原子一定都在同一平面上

D.6个碳原子不可能都在同一平面上

【解析】选C。根据乙烯分子中的6个原子共平面,键角120°;乙炔分子中的4个原子共直线,键角180°,可推知题给有机物的碳链骨架结构如下:

由上面的碳链骨架结构很容易看出:题给有机物分子中的6个碳原子不可能都在一条直线上,而是一定都在同一平面上,最多4个碳原子在一条直线上。

知识点二　同分异构体的书写及判断

1.同分异构体的书写

(1)烷烃同分异构体的书写——减碳法

实例:下面以己烷(C6H14)为例说明(为了简便易看,在所写结构式中省去了H原子)。

a.将分子中全部碳原子连成直链作为母链。

C—C—C—C—C—C

b.从母链的一端取下1个C原子,依次连接在母链中心对称线一侧的各个C原子上,即得到多个带有甲基、主链比母链少1个C原子的异构体骨架。

c.从母链上一端取下两个C原子,使这两个C原子相连(整连)或分开(散连),依次连接在母链所剩下的各个C原子上,得多个带1个乙基或两个甲基、主链比母链少两个C原子的异构体骨架。

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)

C5H10同分异构体的书写

a.先写碳骨架异构:

、、

b.再写官能团位置异构:根据碳4价的原则,在碳骨架异构中找出可能加入双键的位置(箭头所指位置)。

c.最后写官能团类型异构:

分子式为C5H10的环烷烃:、、、、。

(3)烃的含氧衍生物同分异构体的书写

书写方法:一般按碳骨架异构→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。

a.碳骨架异构:5个碳原子的碳链有3种连接方式:

C—C—C—C—C　　　　

b.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。

c.官能团类型异构: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。

分析知分子式为C5H12O的有机物共有8种醇和6种醚,总共14种同分异构体。

2.同分异构体数目的判断方法

(1)基元法

记住常见烃基的异构体种数,可快速判断含官能团有机化合物同分异构体的数目。

—C3H7有两种,—C4H9有4种,—C5H11有8种,如C4H9Cl、C4H9OH、C4H9—CHO等各有4种同分异构体。

(2)换元法

如:若C3H8的二氯代物有四种同分异构体,则其六氯代物的同分异构体也为四种(H和Cl相互替代)。

(3)等效氢法

等效氢法是判断同分异构体数目的重要方法,其规律有:

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是等效的。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;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(或二)移一法

对于二元取代物的同分异构体的判定,可固定一个取代基位置,再移动另一取代基,以确定同分异构体数目。

如:分析C3H6Cl2的同分异构体,可先固定其中一个—Cl的位置,再移动另外一个—Cl的位置,从而得到其同分异构体为、、、。

如C3H6ClF的同分异构体(先把氯原子固定在一个碳原子上,用*标记)。

【思考·讨论】

　(1)分子式相同结构不同的有机物互为同分异构体,分子式相同,相对分子质量一定相同,相对分子质量相同的有机物一定是同分异构体吗?

提示:不一定。因为相对分子质量相同分子式不一定相同。例如:乙醇和甲酸相对分子质量都为46。

(2)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

、、

。

(3)萘()的二氯代物有10种,八氯代物有几种?

提示:利用换元法可知,八氯萘可以看成是十氯萘上的两个Cl原子被两个H原子取代的产物,也有10种。

【典例】(2020·济南高二检测)某烷烃相对分子质量为86,如果分子中含有3个—CH3、2个—CH2—和1个,则该结构的烃的一氯取代物(不考虑立体异构)最多可能有              (　　)

A.9种   B.6种   C.5种   D.4种

【解析】选A。根据烷烃的通式CnH2n+2,14n+2=86,解得n=6,该分子是己烷,含有上述基团的分子有CH3CH2CH2CH(CH3)2和CH3CH2CH(CH3)CH2CH3,CH3CH2CH2CH(CH3)2分子是不对称分子,一氯代物有5种,CH3CH2CH(CH3)CH2CH3分子是对称分子,一氯代物有4种,共9种,选A。

　【规律方法】同分异构体的书写规律

【迁移·应用】

1.(2018·全国卷Ⅰ)环之间共用一个碳原子的化合物称为螺环化合物,螺[2.2]戊烷()是最简单的一种。下列关于该化合物的说法错误的是              (　　)

A.与环戊烯互为同分异构体

B.二氯代物超过两种

C.所有碳原子均处同一平面

D.生成1 mol C5H12至少需要2 mol H2

【解析】选C。环戊烯与螺[2.2]戊烷()的分子式均为C5H8,二者互为同分异构体,故A正确;二氯取代中可以取代同一个碳原子上的氢原子,也可以取代同侧碳原子上或者两侧的碳原子上的氢原子……,因此其二氯代物超过两种,B正确;螺[2.2]戊烷()中中心原子含有四个单键,故所有碳原子一定不处于同一平面,C不正确;螺[2.2]戊烷()的分子式为C5H8,若生成1 mol C5H12则至少需要2 mol H2,D正确。

2.主链上有6个碳原子,有甲基、乙基两个支链的烷烃有 (　　)

A.2种 B.3种 C.4种 D.5种

【解析】选C。主链6个C,则乙基只能在第3个C上,甲基可以在中间所有的C上,该分子不对称,甲基分别在中间四个碳原子上,共有4种。

【补偿训练】

　　下列各组指定物质的同分异构体数目相等的是 (　　)

A.乙烷的二氯代物和丙烷的一氯代物

B.丙烷的一氯代物和戊烷

C.苯的二氯代物和苯的一硝基代物

D.C3H5Br3和C5H11Br

【解析】选A。乙烷的二氯代物有2种同分异构体,丙烷的一氯代物也有2种同分异构体,A项正确;丙烷的一氯代物有2种同分异构体,戊烷有3种同分异构体,B项错误;苯的二氯代物有3种同分异构体,苯的一硝基代物只有1种结构,C项错误;C3H5Br3有5种同分异构体,而C5H11Br有8种同分异构体,D项错误。

　有机环状化合物在新型材料、新型药物等方面应用十分广泛,除传统的环烷烃、芳香烃之外,近年来科学家用合成方法制备了多种新的环状有机物,例如环辛四烯、正四面体烷、金刚烷、棱晶烷、立方烷等,其分子具有如下图所示立体结构。

(1)上述八种环状有机物中,哪些物质之间互为同分异构体?

提示:苯与棱晶烷的分子式均为C6H6,环辛四烯与立方烷的分子式均为C8H8,但是它们的结构都不相同,故互为同分异构体。

(2)上述物质中,一氯代物种类最多的物质是哪一种?二氯代物最多的呢?

提示:一氯代物最多的是金刚烷,有2种,其他七种物质的一氯代物均为1种;二氯代物种类最多的是金刚烷,有6种。

【课堂检测·素养达标】

1.下列关于有机化合物的表示方法中不正确的是 (　　)

A.乙烯:CH2CH2

B.异戊烷:

C.乙酸乙酯:CH3COOCH2CH3

D.甲烷:

【解析】选A。A、C两项表示物质的结构简式,其中乙烯结构简式中的碳碳双键不可省略,应写成CH2CH2;B项表示物质的键线式;D项表示物质的结构式。

2.(2020·济宁高二检测)下列物质的分子是平面结构的是 (　　)

A.CH4　　　　　　　　　　B.CH2CH2

C.HC≡C—CH3     D.

【解析】选B。有机化合物分子中,碳原子最外层有四对共用电子。若形成四个相同单键,如CH4,则键角为109°28′,为正四面体形;若形成双键,键角为120°,如CH2CH2,属平面结构;若形成三键,键角为180°,如HC≡CH,属直线形。C选项中甲基上的氢原子与其他原子不共面。

3.是由苯环和甲基结合而成的,苯不能够使酸性KMnO4溶液褪色,而甲苯能够使酸性KMnO4溶液褪色是因为 (　　)

A.烷烃能使酸性KMnO4溶液褪色

B.苯环能使酸性KMnO4溶液褪色

C.苯环使甲基的活性增强而导致的

D.甲基使苯环的活性增强而导致的

【解析】选C。有机化合物分子中邻近基团间往往存在着相互影响,这种影响会使有机化合物表现出一些特性。甲苯能够使酸性KMnO4溶液褪色是苯环使甲基的活性增强而导致的。

4.轴烯是一类独特的星形环烃。三元轴烯()与苯 (　　)

A.均为芳香烃 B.互为同素异形体

C.互为同系物 D.互为同分异构体

【解析】选D。三元轴烯与苯分子式都是C6H6,二者分子式相同,结构不同,互为同分异构体,D项正确。

5.分子式为C4H10O并能与金属钠反应放出氢气的有机物有(不含立体异构) (　　)

A.3种 B.4种 C.5种 D.6种

【解析】选B。分子式为C4H10O是醇或醚。若物质可以与金属Na发生反应放出氢气,则该物质是醇,C4H10O可以看成是C4H10的分子中的一个H原子被羟基—OH取代产生的,—C4H9有4种不同的结构,因此符合该性质的醇的种类也应该是4种。

6.已知碳碳单键可以绕键轴自由旋转,某烃的结构简式如图。下列有关说法正确的是 (　　)

A.分子中至少有9个碳原子处于同一平面上

B.分子中至少有10个碳原子处于同一平面上

C.分子中至少有11个碳原子处于同一平面上

D.分子中所有的原子可能共平面

【解析】选C。将题给分子表示为

,容易看出,两个苯环所在的平面可能重合,而苯环上所连的其他原子均可视为取代了苯分子中的氢原子,因而与苯环共平面,所以该烃中所有的碳原子都可能共平面,但不是所有原子共平面。当连接两苯环的碳碳单键旋转时,两个苯环可能不共面,但由于带“*”的6个碳原子共线,所以至少有11个碳原子处于同一平面上,C正确。

7.CO2的资源化利用是解决温室效应的重要途径。以下是在一定条件下用NH3捕获CO2生成重要化工产品三聚氰酸的反应:

3NH3+3CO2+3H2O

(1)其分子式是什么?如果把氮原子换成碳原子分子式又是什么?

提示:由三聚氰酸的结构简式可知其分子式为C3H3N3O3;换后多了三个氢原子,所以是C6H6O3。

(2)分子中有哪些极性共价键?

提示:分子中存在O—H、C—O、N—C、NC键,都属于极性键,所以分子中不存在非极性键。

(3)假设六元环是和苯环一样的平面结构,此分子中所有的原子是否一定共面?

提示:不一定。因为羟基和另外一个原子相连时是V形结构,所以所有原子不一定共面。