知识讲解—有机物的分子结构和同分异构（提高）

1 高考总复习 有机物的分子结构和同分异构 【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 【高清课堂：400136 一、有机化合物的结构】 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 120 о；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：2 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 可能的类别 CnH2n 烯烃、环烷烃 CnH2n-2 炔烃、二烯烃、环烯烃 CnH2n+2O 醇、醚 CnH2nO 醛、酮、烯醇、环醇、环醚 CnH2nO2 羧酸、酯、羟基醛、羟基酮、烯二醇 CnH2n-6O 酚、芳香醇、芳香醚3 CnH2n+1NO2 硝基化合物、氨基酸 C6H12O6 葡萄糖、果糖 C12H22O11 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： 【高清课堂：400136 （3、如何找同分异构体）】 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。 4、有机物分子不饱和度的计算 （1）有机物分子的不饱和度= 。 其中 n（C）为碳原子数，n（H）为氢原子数。在计算不饱和度时，若含卤素原子，可 将其视作氢原子；若含氧原子，可不予考虑。若含氮原子，则从氢原子总数中减去氮原子数。 （2）不饱和度（也称缺氢指数）可以为测定有机物分子结构提供其是否含有双键、三 键或碳环等不饱和结构的信息。 （3）几种官能团的不饱和度 化学键 一个碳碳双 键 一个羰基 一个酯基 一个碳碳三 键 一个苯环 不饱和度 1 1 1 2 4 【典型例题】 类型一、有机物碳原子的成键特点 例 1、下列关于 CH3—CH＝CH—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 (H)(C) 1 2 nn + −4 B．6 个碳原子不可能都在一条直线上 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 【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，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。有直线型结构的分子在 中学主要有乙炔。 【答案】BC 【解析】根据（1）乙烯分子中的 6 个原子共平面，键角 120°；（2）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。 【总结升华】应以已知的有机分子结构为基础，从其氢原子被别的基团取代后的伸展 情况来分析。 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 【高清课堂：400136 例 3】 【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5 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 【变式 4】维生素 A 的结构简式如下图所示，下列说法正确的是 A．维生素 A 中所有碳原子有可能在同一平面上 B．维生素 A 不易被氧化 C．维生素 A 分子中含有两个官能团 D．1 个维生素 A 分子中含有 30 个氢原子 【答案】D 【解析】维生素 A 分子中的环上的甲基一定不在平面内，A 错误；维生素 A 有碳碳双 键，易被氧化，B 错误；维生素 A 分子中含 5 个碳碳双键、1 个羟基，两种官能团，C 错误。 【变式 5】下列叙述中正确的是（　　　） A．苯乙烯分子中的全部原子可能处于同一平面内 B．丁烷分子中的 4 个碳原子可能处于同一平面内 C．1-丁烯分子中的 4 个碳原子一定处于同一平面内 D．2-丁烯分子中最多有 6 个原子处于同一平面内 【答案】AB 例 2、大多数有机物分子里的碳原子与碳原子之间或碳原子与其他原子之间相结合的化学键 是（ ）。 A．只有极性键 B．只有非极性键 C．有极性键和非极性键 D．只有离子键 【思路点拨】同种非金属之间形成非极性键，不同种非金属之间形成极性键。 【答案】C 【解析】因碳原子最外层有 4 个电子，在有机物分子中，碳原子与碳原子之间或碳原子 与其他原子之间形成的都是共价键。其中碳原子与碳原子之间以非极性键相结合，碳原子与 其他原子之间以极性键相结合。 【总结升华】在有机物中，碳原子与其他原子构成的化学键均为共价键，是极性键。 举一反三： 【变式 1】下列化合物中指定化学键(短横线表示)为非极性键的是 A．CH3—CH3 B．CH3—OOCCH3 C． H—COOH D．CH3—Cl 【答案】AB 【变式 2】某有机物的结构简式为6 回答下列问题： （1）写出其分子式：________。 （2）其中含有________个不饱和碳原子，分子中有________个双键。 （3）分子中的极性键有________（写出 2 种即可）。 （4）分子中的饱和碳原子有________个，一定与苯环处于同一平面的碳原子有________ 个。 （5）分子中 C—C＝O 键角约为________，H—C≡C 键角约为________。 【答案】（1）C16H16O5 （2）12 3 （3）碳氧键、碳氢键、氢氧键（任写 2 种） （4）4 4 （5）120° 180° 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： ，所以有机物中还含有 O 元素。 则 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。 0.6g22.4L/mol 1.12Lmol12g(C) 1 =×⋅= − m 0.1g2mol0.05molmol1g(H) 1 =××⋅= −m 1.5g0.7g0.1g0.6g)H()C(