鲁科版高考化学一轮复习第9章第51讲同分异构体的书写与数目确定课时学案

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1.熟练掌握同分异构体书写与数目确定的方法技巧。 2.掌握限定条件的同分异构体的书写方法技巧。
同分异构体的书写与数目的确定
1．同分异构体的分类
(1)碳链异构
根据“减碳”法确定碳链异构
如：①C1、C2、C3烷烃各有一种
②C4、C5、C6烷烃分别有2、3、5种。
(2)官能团或基团位置异构
如① 与C—C—C—C—OH
②与
(3)官能团异构
如：①CnH2n(n≥3)：烯烃和环烷烃。
②CnH2n－2(n≥4)：二烯烃和炔烃。
③CnH2n＋2O(n≥2)：饱和一元醇和饱和一元醚。
④CnH2n－6O(n>6)芳香醇、芳香醚与酚。
⑤CnH2nO(n≥3)：饱和一元醛、烯醇和环氧烷、饱和一元酮。
⑥CnH2nO2(n≥2)：饱和一元羧酸、饱和一元羧酸与饱和一元醇形成的酯等。
⑦CnH2n＋1O2N(n≥2)：氨基酸、硝基烷。
⑧Cn(H2O)m：单糖或二糖。
(4)立体异构
①顺反异构：如与，其中：X1与Y1、X2与Y2不相同，X1与X2可以相同，Y1与Y2可以相同。
②手性异构：如，其中X、Y、Z、W各不相同。
2．同分异构体数目的确定技巧
(1)一元取代产物数目的判断
①等效氢原子法：连在同一碳原子上的氢原子等效；连在同一碳原子上的甲基上的氢原子等效；处于对称位置的氢原子等效。
如的一氯代烷有3种。
②烷基种数法：烷基有几种，一元取代产物就有几种。如—CH3、—C2H5各有1种，—C3H7有2种，—C4H9有4种。
如C4H10O的醇有4种，C5H10O2的羧酸有4种。
(2)替代法
如二氯苯C6H4Cl2的同分异构体有3种，四氯苯的同分异构体也有3种(将Cl替代H)。
(3)芳香化合物异构体数目
①若苯环上连有2个取代基，其结构有邻、间、对3种。
②若苯环上连有3个相同的取代基，其结构有3种。
③若苯环上连有—X、—X、—Y 3个取代基，其结构有6种。
④若苯环上连有—X、—Y、—Z 3个不同的取代基，其结构有10种。
(4)叠加相乘法
先考虑取代基的种数，后考虑位置异构的种数，相乘即得同分异构体的总数目。分情况讨论时，各种情况结果相加即得同分异构体的总数目。
如的苯环上氢原子被—C4H9取代所形成的结构有12种。
(5)组合法
A—(m种)与B—(n种)连接形成A—B结构有m×n种
如C5H10O2的酯：HCOO—与—C4H9形成的酯有1×4＝4种；CH3COO—与—C3H7形成的酯有1×2＝2种；
C2H5COO—与—C2H5形成的酯有1×1＝1种；
C3H7COO—与—CH3形成的酯有2×1＝2种， 共9种。
3．二元取代物的书写与数目确定
二元取代物的书写时可采用“定一移一”法，即可固定一个取代基的位置，再移动另一取代基的位置以确定同分异构体的数目。
如：的二氯代物有12种：
(2022·辽宁选择性考试，T19节选)化合物I(C10H14O)的同分异构体满足以下条件的有________种(不考虑立体异构)。
ⅰ.含苯环且苯环上只有一个取代基
ⅱ.红外光谱无醚键吸收峰
其中，苯环侧链上有3种不同化学环境的氢原子，且个数比为6∶2∶1的结构简式为________________(任写一种)。
[思路分析] 第一步：根据限定条件确定结构含有碎片基团：ⅰ.含苯环且苯环上只有一个取代基即
ⅱ.红外光谱无醚键吸收峰，分子式为C10H14O可确定含有—OH。
第二步：将碎片基团组装成同分异构体
该有机物的碳链结构有如下四种：、、、 (1、2、3、4均表示羟基的连接位置)，所以满足条件的化合物I的同分异构体共有12种。其中，苯环侧链上有3种不同化学环境的氢原子，且个数比为6∶2∶1的同分异构体应含有两个等效的甲基，则其结构简式为或。
[答案] 12 (或)
限定条件下的同分异构体书写技巧
(1)确定碎片：明确书写什么物质的同分异构体，该物质的组成情况怎么样，解读限制条件，从性质联想结构，将物质分裂成一个个碎片，碎片可以是官能团，也可是烃基(尤其是官能团之外的饱和碳原子)。
(2)组装分子：要关注分子的结构特点，包括几何特征和化学特征。几何特征是指所组装的分子是空间结构还是平面结构，有无对称性；化学特征包括等效氢原子。
同分异构体数目的确定
1．下列有关同分异构体数目的叙述不正确的是( )
A．甲苯苯环上的一个氢原子被含3个碳原子的烷基取代，所得产物有6种
B．与互为同分异构体的芳香族化合物有6种
C．含有5个碳原子的某饱和链烃，其一氯取代物可能有3种
D．菲的结构简式为，它与硝酸反应，可生成5种一硝基取代物
B [含3个碳原子的烷基有两种，甲苯苯环上的氢原子有3种，故产物有6种，A正确；B项中物质的分子式为C7H8O，与其互为同分异构体的芳香族化合物中有1种醇(苯甲醇)、1种醚(苯甲醚)、3种酚(邻甲基苯酚、间甲基苯酚和对甲基苯酚)，总共有5种，B错；含有5个碳原子的烷烃有3种同分异构体，正戊烷、异戊烷和新戊烷，其一氯代物分别为3、4、1种，C正确；由菲的结构简式可以看出其结构中含有5种不同化学环境的氢原子，可生成5种一硝基取代物，D正确。]
2．组成和结构可用表示的有机化合物共有(不考虑立体异构) ( )
A．24种 B．28种
C．32种 D．36种
D [—C4H9(丁基)有4种。—C3H5Cl2相当于—C3H7中两个H被Cl取代，—C3H7的结构有两种：—CH2CH2CH3和—CH(CH3)2。—CH2CH2CH3中两个H被Cl取代后结构有6种：、、、、、，—CH(CH3)2中两个H被Cl取代后结构有3种：、、。所以符合题意的有机化合物共有4×(6＋3)＝36(种)。]
3．分子式为C4H10O的醇与分子式为C4H6O2的链状结构羧酸形成的酯(不考虑立体异构)共有( )
A．8种 B．10种
C．12种 D．14种
C [分子式为C4H10O的醇的结构有(CH3)3COH、CH3CH2CH2CH2OH、CH3CH2CH(OH)CH3、(CH3)2CHCH2OH，共4种；C4H6O2的链状结构羧酸的结构有CH2===CHCH2COOH、CH3CH===CHCOOH、CH2===C(CH3)COOH，共3种，形成的酯(不考虑立体异构)共有3×4＝12种，故C正确。]
4．(2022·烟台模拟)有机物存在如图转化关系，下列说法错误的是( )
A．X分子一定不为平面结构
B．X的所有同分异构体均能使酸性高锰酸钾溶液褪色
C．Y的同分异构体中，含结构的有9种(不考虑立体异构)
D．Y的同分异构体中，含2个手性碳原子的醛只有2,3-二甲基戊醛
BC [与NaOH的醇溶液共热，发生消去反应生成X，X可能是或，两种分子中均存在多个sp3杂化的碳原子，则X分子一定不为平面结构，A正确。X分子的不饱和度为2，其同分异构体若含有不饱和的碳碳双键或碳碳三键，可使酸性高锰酸钾溶液褪色；若不含碳碳双键或碳碳三键，只存在环状结构，不能使酸性高锰酸钾溶液褪色，如等，B错误。与NaOH的水溶液共热发生水解反应产生Y，则Y为，其同分异构体中含结构，六元环上有一个取代基(—CH2CH3)时有3种；六元环上有两个取代基(—CH3和—CH3)时，在同一个C上有3种，在不同C上有6种，共有12种，C错误。Y是，其分子式是C7H14O，若Y的同分异构体中含2个手性碳原子且为醛类，则该醛只有2,3-二甲基戊醛，D正确。]
有限定条件的异构体书写与数目
5．符合下列条件的B(C8H8O2)的同分异构体有________种。
①含有酚羟基；②能发生银镜反应；③含有五种化学环境的氢。
[解析] B的分子式为C8H8O2，其同分异构体满足条件：①含有酚羟基；②能发生银镜反应，含醛基或甲酸酯基，结合B中氧原子数目可知，只能含有醛基；③含有五种化学环境的氢，说明分子结构存在对称性，若含有两个取代基即—OH和—CH2CHO，则处于对位时符合有五种环境的氢，若含有三个取代基即—OH、—CH3、—CHO，则不存在五种环境的氢的同分异构体，故同时符合上述条件的B的同分异构体只有1种， 其结构简式为。
[答案] 1
6．符合下列条件的E(C6H12O2)的同分异构体有________种(不考虑立体异构)。
①能与金属钠反应产生氢气；②含两个甲基；③能发生银镜反应。
其中核磁共振氢谱中显示的六组峰的峰面积之比为6∶2∶1∶1∶1∶1，且含有1个手性碳原子的有机物的结构简式为________(只写一种)。
[解析] E的分子式为C6H12O2，不饱和度为1，能与钠反应放出氢气且能发生银镜反应，则该有机物含有羟基和醛基(含1个不饱和度)，另外5个碳形成碳链且分子中含有两个甲基，则其同分异构体有 (省略部分氢原子，箭头指向为羟基位置，后同)、、、、、、，共16种。其中核磁共振氢谱中显示的六组峰的峰面积之比为6∶2∶1∶1∶1∶1，且含有1个手性碳原子的有机物结构简式为、、。
[答案] 16 或或
7．符合下列条件的G(C6H10O3)的同分异构体有________种，①能发生银镜反应；②能发生水解反应生成CH3OH；③分子中有一个手性碳原子。
[解析] G的同分异构体水解能生成CH3OH，可以确定其含有—COOCH3，能发生银镜反应，可以确定其含有—CHO，剩余三个碳原子的碳骨架为“C—C—C”，分子中有一个手性碳原子，符合题意的有、、，共3种。
[答案] 3
8．M的结构简式如图，它的同分异构体有多种，写出符合下列条件的一种同分异构体结构简式：________。
①能与FeCl3溶液发生显色反应
②能发生银镜反应
③核磁共振氢谱有4个峰
[答案] 或或
1．(2022·河北选择性考试)在EY沸石催化下，萘与丙烯反应主要生成二异丙基萘M和N。
下列说法正确的是( )
A．M和N互为同系物
B．M分子中最多有12个碳原子共平面
C．N的一溴代物有5种
D．萘的二溴代物有10种
CD [由题中信息可知，M和N均属于二异丙基萘，两者分子式相同，但是其结构不同，故两者互为同分异构体，A说法不正确；因为萘分子中的10个碳原子是共面的，由于单键可以旋转，异丙基中最多可以有2个碳原子与苯环共面，因此，M分子中最多有14个碳原子共平面。B说法不正确；N分子中有5种不同化学环境的H，因此其一溴代物有5种，C说法正确；萘分子中有8个H，但是只有两种不同化学环境的H(分别用α、β表示，其分别有4个)，根据定一移一法可知，若先取代α，则取代另一个H的位置有7个；然后先取代1个β，然后再取代其他β，有3种，因此，萘的二溴代物有10种，D说法正确。]
2. (2021·山东等级考，T12)立体异构包括顺反异构、对映异构等。有机物M(2-甲基-2-丁醇)存在如图转化关系，下列说法错误的是( )
A．N分子可能存在顺反异构
B．L的任一同分异构体最多有1个手性碳原子
C．M的同分异构体中，能被氧化为酮的醇有4种
D．L的同分异构体中，含两种化学环境氢的只有1种
AC [在浓硫酸作催化剂并加热条件下发生消去反应生成或，N与HCl发生加成反应生成L，L能发生水解反应生成M，则L的结构简式为。、都不存在顺反异构，故A错误；手性碳原子是指与四个各不相同原子或原子团相连的碳原子，L的同分异构体结构及手性碳原子(用*标记)为、、、、、、、，任一同分异构体中最多含有1个手性碳原子，故B正确；当与羟基相连的碳原子上只有1个氢原子时，醇发生催化氧化反应生成酮，羟基取代戊烷同分异构体中含有2个氢原子的碳原子上的1个氢原子即满足条件，满足条件的结构有、、，共3种，故C错误；连接在同一碳原子上的氢原子等效，连接在同一碳原子上的甲基等效，由B项可知，L的同分异构体中，含有两种化学环境氢的结构为，故D正确。]
3．(2022·湖南选择性考试，T19节选) 是一种重要的化工原料，其同分异构体中能够发生银镜反应的有________种(考虑立体异构)，其中核磁共振氢谱有3组峰，且峰面积之比为4∶1∶1的结构简式为________________________。
[解析] 的同分异构体能发生银镜反应，说明该物质含有醛基，根据分子式C4H6O可得知，该物质还含有碳碳双键或者三元环，还要分析顺反异构，则符合条件的同分异构体有5种，它们分别是CH2===CHCH2CHO、、、和 ，其中核磁共振氢谱有3组峰，且峰面积之比为4∶1∶1的结构简式是。
[答案] 5
4．(2022·浙江6月选考，T31节选)写出同时符合下列条件的化合物F()的同分异构体的结构简式__________________。
①1H-NMR谱和IR谱检测表明：分子中共有3种不同化学环境的氢原子，有N—H键。
②分子中含一个环，其成环原子数≥4。
[解析] 化合物F的分子式为C5H12N2，其同分异构体结构对称，有1个不饱和度，由已知条件知，有3种等效氢，含有N—H键，且分子中含一个环，其成环原子数≥4，则这样的结构有、、、。
[答案] 、、、
课时分层作业(五十一) 同分异构体的书写与数目确定
一、选择题(每小题有一个或两个选项符合题目要求)
1.(2022·广州模拟)如图所示A、B是一种光刻胶树脂的两种单体的结构简式。下列说法错误的是( )
A．A中存在3个手性碳原子
B．B水解产物中的酸有2种同分异构体
C．A、B都存在属于芳香族化合物的同分异构体
D．A、B通过加聚反应生成光刻胶树脂
B [由结构简式可知，有机物A中存在如图*所示的3个手性碳原子：，A正确；有机物B水解所得羧酸的结构简式为，的同分异构体可能是链状羧酸、环状羧酸、链状酯和环状酯等，同分异构体数目远远大于2，B错误；苯环的不饱和度为4，由结构简式可知，有机物A、B的不饱和度都大于4，则A、B都存在属于芳香族化合物的同分异构体，C正确；有机物A、B分子中都含有碳碳双键，能通过加聚反应生成光刻胶树脂，D正确。]
2．下列有机物的种类(不含立体异构)数目判断错误的是( )
A [C5H10O2的酯：HCOOC4H9有4种，CH3COOC3H7有2种，CH3CH2COOC2H5有1种，C3H7COOCH3有2种，共9种，A错误。]
3．分子式为C4H8BrCl的有机物共有(不含立体异构)( )
A．8种 B．10种
C．12种 D．14种
C [C4H8BrCl可看成是C4H10分子中的2个H被1个Br和1个Cl取代得到的产物。C4H10有正丁烷和异丁烷2种，被Br和Cl取代时，可先确定Br的位置，再确定Cl的位置。正丁烷的碳骨架结构为，Br分别取代1号碳原子和2号碳原子上的氢原子时，Cl均有4种位置关系，异丁烷的碳骨架结构为，Br分别取代1号碳原子和2号碳原子上的氢原子时，Cl分别有3种和1种位置关系，综上可知C4H8BrCl共有12种结构，C项正确。]
4．(2022·潍坊模拟)甲、乙、丙三种有机物的结构简式如下，下列说法正确的是( )
A．甲与溴水加成的产物只有4种
B．乙中所有碳原子共平面
C．丙的同分异构体中，属于炔烃的有4种
D．丁的二氯代物有6种
AD [B项，乙中3个以单键相连的碳原子不共面，错误；C项，丙的分子式为C5H8，属于炔烃的有三种，错误。]
5．分子式为C11H14O的苯的一元取代物，能发生银镜反应的同分异构体(不考虑立体异构)有( )
A．4种 B．8种
C．12种 D．16种
C [(1)若剩余的4个碳原子为正丁基结构，在正丁基上连接醛基，有4种连接；
(2)若剩余的4个碳原子为异丁基结构，异丁基有3种，①若为时，醛基的连接有4种；②若为时，醛基的连接有3种，③若为时，醛基的连接有1种，故共有12种。]
6．有机物C4H8O3的结构很多，其中含—OH和—COOH的有机物有(考虑立体异构)( )
A．5种 B．6种
C．7种 D．8种
D [存在手性异构，2种，存在手性异构，2种，1种，1种，存在手性异构，2种，共8种。]
二、非选择题
7．(2021·广东选择性考试，T21节选)化合物的芳香族同分异构体中，同时满足如下条件的有________种，写出其中任意一种的结构简式：__________ ___________________________________________________________________。
条件：a)能与NaHCO3反应；b)最多能与2倍物质的量的NaOH反应；c)能与3倍物质的量的Na发生放出H2的反应；d)核磁共振氢谱确定分子中有6个化学环境相同的氢原子；e)不含手性碳原子(手性碳原子是指连有4个不同的原子或原子团的饱和碳原子)。
[解析] 该同分异构体为芳香族化合物，说明含有苯环；该同分异构体能与NaHCO3反应，说明含有—COOH；该同分异构体最多能与2倍物质的量的NaOH反应，能与3倍物质的量的Na反应，根据该分子中含有4个氧原子，说明除含有1个羧基外，还含有1个酚羟基、1个醇羟基；核磁共振氢谱确定有6个化学环境相同的氢原子，说明含有两个对称的甲基；不含有手性碳原子，则该取代基只能为，所以该同分异构体含有3种取代基，分别为、—COOH、酚羟基，采用“定二移一法”， 有以下几种位置：、、，故共有10种同分异构体。
[答案] 10
8．已知，F的分子式为C13H20O3，符合下列条件的F的同分异构体有________种，其中一种物质的结构简式为________。
①遇FeCl3溶液显色
②每摩尔有机物最多与2 ml Na2CO3或2 ml Na反应
③核磁共振氢谱有5组峰且峰面积之比为9∶6∶2∶2∶1
[解析] F的分子式为C13H20O3，Ω＝4。遇FeCl3溶液显色说明分子中有苯环(Ω＝4)及酚羟基；结合不饱和度可知苯环上的取代基中不含不饱和键，每摩尔该有机物最多与2 ml Na2CO3或2 ml Na反应，说明有2个酚羟基，结合分子式可知还含有1个醚键，核磁共振氢谱有5组峰且峰面积之比为9(3个甲基)∶6(2个甲基)∶2∶2∶1，则其结构为、、、，一共4种结构。
[答案] 4 或或或
9．已知A的结构简式为，符合下列条件的A的同分异构体有________种(考虑立体异构)。
①含有两个酚羟基 ②苯环上有三个取代基 ③能发生银镜反应 ④能发生水解反应
[解析] 已知A的分子式为C10H12O4，不饱和度为5，A的同分异构体符合条件：①含有两个酚羟基；②苯环上有三个取代基；③能发生银镜反应，即含有醛基或甲酸酯基；④能发生水解反应，即含有酯基，结合氧原子个数，可知该同分异构体中含有甲酸酯基。两个酚羟基有邻、间、对三种位置关系，第三个取代基分别有2种、3种和1种位置，第三个取代基可以为—CH2CH2CH2OOCH、—CH2CH(CH3)OOCH、—CH(CH2CH3)OOCH、—C(CH3)2OOCH和—CH(CH3)CH2OOCH，而其中的—CH2CH(CH3)OOCH、—CH(CH2CH3)OOCH、—CH(CH3)CH2OOCH存在手性异构体，故符合条件A的同分异构体有(6×2＋6×3×2)种＝48种。
[答案] 48
选项
有机物
同分异构体数目
A
分子式为C5H10O2的酯
10
B
分子式为C5H10，能使溴的四氯化碳溶液褪色
5
C
分子式为C4H8O2，含有—COOH
2
D
分子式为C8H10的芳香烃
4