1-1 有机化合物的结构特点（原卷版）（人教版2019选择性必修3）

第一章第一节有机化合物的结构特点榆次一中李金虎【学习目标】1．能辨识有机化合物分子中的官能团，判断有机化合物分子中碳原子的饱和程度、键的类型，分析键的极性；能依据有机化合物分子的结构特征分析简单有机化合物的某些化学性质。2．能认识有机化合物中共价键的类型，了解共价键的极性和有机反应的关系。3．能辨识同分异构现象，能写出符合特定条件的同分异构体，能举例说明立体异构现象。【素养目标】1．通过辨识有机化合物的官能团，有机化合物的共价键类型与有机反应的关系，培养学生“宏观辨识与微观探析”的学科素养。2．通过掌握书写有机化合物同分异构体的方法，培养学生“证据推理与模型认知”的学科素养。必备知识与关键能力知识点一：有机化合物的分类方法1．依据元素组成分类有机化合物eq\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(烃：烷烃、烯烃、炔烃、苯及其同系物等,烃的衍生物：卤代烃、醇、酚、醛、酮、羧酸、酯等))2．依据碳骨架分类3．依据官能团分类(1)官能团：决定有机化合物特性的原子或原子团。(2)有机化合物的主要类别与其官能团类别官能团代表物名称、结构简式烷烃—甲烷CH4烯烃(碳碳双键)乙烯H2C=CH2炔烃—C≡C—(碳碳三键)乙炔HC≡CH卤代烃(碳卤键)溴乙烷CH3CH2Br醇—OH(羟基)乙醇CH3CH2OH酚醚(醚键)乙醚CH3CH2OCH2CH3醛(醛基)乙醛CH3CHO酮(酮羰基)丙酮CH3COCH3羧酸(羧基)乙酸CH3COOH酯(酯基)乙酸乙酯CH3COOCH2CH3胺—NH2(氨基)甲胺CH3NH2酰胺(酰胺基)乙酰胺典例1．下列8种有机物：①CH2CH2②③CH3OH④CH3Cl⑤CCl4⑥HCOOCH3⑦CH3COOCH2CH3⑧CH3COOH，按官能团的不同可分为()A．4类B．5类C．6类D．8类【答案】C【解析】解此类题如果不能将官能团进行正确分类，很可能导致错选。由分析可知①属于烯烃；②属于酚；③属于醇；④⑤属于卤代烃；⑥⑦属于酯；⑧属于羧酸。【易错诊断】本题考查有机物所属类别，需注意：①含有羟基官能团的有机物不一定属于同一类，还要考虑它所连接的碳原子是链烃上的碳原子还是苯环上的碳原子；②一氯甲烷和四氯化碳虽然所含官能团(氯原子)的个数不同，但因其为相同的官能团，故应该归为一类，前者叫一卤代物，后者叫多卤代物。【点拨】官能团与有机物的关系(1)含有相同官能团的有机物不一定是同类物质。如芳香醇和酚官能团相同，但类别不同。①醇：羟基与链烃基、脂环烃或与芳香烃侧链上的碳原子相连。如、、等。②酚：羟基与苯环上的碳原子直接相连。如等。(2)碳碳双键和碳碳三键决定了烯烃和炔烃的化学性质，是烯烃和炔烃的官能团。苯环、烷基不是官能团。(3)同一种烃的衍生物可以含有多个官能团，它们可以相同也可以不同，不同的官能团在有机物分子中基本保持各自的性质，但受其他基团的影响也会有所改变，又可表现出特殊性。典例2．维生素C的结构简式为，丁香油酚的结构简式为，下列关于两者所含官能团的说法正确的是()A．均含酯基 B．均含醇羟基和酚羟基C．均含碳碳双键 D．均为芳香化合物【答案】C【解析】分析两种物质的结构，可以看出：两种物质分子中均含有碳碳双键；而酯基存在于维生素C的结构中，丁香油酚不含酯基；维生素C中的羟基均为醇羟基，而丁香油酚的羟基与苯环直接相连为酚羟基；芳香化合物应含有苯环，维生素C中不含苯环，不属于芳香化合物。故A、B、D三项均不正确。【点拨】常见官能团考查中的误区误区一烷烃分子中含有官能团(或所有有机物结构中都含有官能团)烷烃结构中存在碳碳单键和碳氢键，碳碳单键相对比较稳定，不易断裂，不能决定烷烃的化学性质，故碳碳单键不是官能团，即烷烃分子中不存在官能团。误区二混淆酚和醇观察结构时，酚应具备以下特点:存在苯环而非简单的六元环；存在羟基，羟基与苯环中的碳原子直接相连。除此之外的仅含羟基官能团的有机物均是醇，如、、、CH3CH2CH2OH等都是醇。误区三醛基、羰基(酮基)、羧基的结构式与结构简式不分醛基的结构式是，结构简式是—CHO，不能错误地表示为—COH；羰基(酮基)的结构式是，结构简式是—CO—，两端均有短线；羧基的结构式是，结构简式是—COOH。知识点二：有机化合物中的共价键1．共价键的类型有机化合物的共价键有两种基本反应类型：σ键和π键(1)σ键①形成：在甲烷分子中，氢原子的1s轨道与碳原子的一个sp3杂化轨道沿着两个原子核间的键轴，以“头碰头”的形式相互重叠。②特点：通过σ键连接的原子或原子团可绕键轴旋转而不会导致化学键的破坏。③稳定性：键能相对较大，不易断开。④断键与反应类型的关系：主要发生取代反应。(2)π键①形成：在乙烯分子中，两个碳原子均以sp2杂化轨道与氢原子的1s轨道及另一个碳原子的sp2杂化轨道进行重叠，形成4个C—Hσ键与一个C—Cσ键；两个碳原子未参与杂化的p轨道以“肩并肩”的形式从侧面重叠，形成了π键。②特点：通过π键连接的原子或原子团不能绕键轴旋转。③稳定性：π键的轨道重叠程度比σ键的小，所以不如σ键牢固，比较容易断裂而发生化学反应。④断键与反应类型的关系：主要发生加成反应。(3)σ、π键个数的计算一般情况下，有机化合物中的单键是σ键，双键中含有一个σ键和一个π键，三键中含有一个σ键和两个π键。2．键的极性与有机反应(1)共价键的极性与反应的活泼性①共价键的极性强弱②共价键的极性越强，在化学反应中越容易断裂。(2)分子中基团之间的相互影响从共价键的极性角度解释乙醇与钠、水与钠反应的差异：乙醇、水分别与钠反应时，断裂的都是分子中的O－H，但由于乙醇分子中的O－H的极性比水分子的极性弱，因此相同条件下，乙醇与钠反应没有与水反应剧烈。乙醇与HBr反应：CH3—CH2—OH＋H—Breq\o(→,\s\up8(△))CH3CH2—Br＋H2O，反应中乙醇分子中断裂的键是C—O，原因是C—O键极性较强。典例3．如图所示，在乙烯分子中有5个σ键、1个键，下列表述正确的是()A．C、H之间是sp2杂化轨道形成的键，C、C之间是未参加杂化的2p轨道形成的键B．C、C之间是sp2杂化轨道形成的键，C、H之间是未参加杂化的2p轨道形成的键C．sp2杂化轨道形成键，未杂化的2p轨道形成键D．sp2杂化轨道形成键，未杂化的2p轨道形成键【答案】C【解析】乙烯分子中含有4个C-H键和1个C=C键，C原子孤电子对数为0，σ键电子对数为3，则C原子采取sp2杂化，C、H之间的化学键是sp2杂化轨道形成的σ键，C、C之间的化学键有一个是sp2杂化轨道形成的σ键，还有1个是未参加杂化的2p轨道形成的π键，答案选C。典例4．下列关于有机化合物中化学键的说法不正确的是()A．烷烃中的化学键均为σ键B．CH3NH2中C—H键的极性比N—H键的极性弱C．乙烯分子中含有极性键和非极性键D．1个丙炔分子中含有5个σ键和3个π键【答案】D【解析】烷烃中所有键均为单键，均为σ键，A正确；N元素非金属性强于C元素，故N与H之间共用电子对偏移程度大于C与H之间共用电子对偏移程度，故C—H键的极性比N—H键的极性弱，B正确；乙烯分子中碳与碳之间为非极性键，碳与氢之间为极性键，C正确；丙炔结构简式为：CH3-C≡CH，碳碳之间含有2个σ键，碳氢之间含有4个σ键，故共有6个σ键，碳碳三键中含有2个π键，D错误；故答案选D。知识点三：有机化合物的结构特点及同分异构体现象1．有机化合物中碳原子的成键特点2．同分异构现象、同分异构体(1)概念：化合物分子式相同、结构不同的现象称为同分异构现象。具有同分异构现象的化合物互为同分异构体。有机化合物的同分异构现象主要有构造异构和立体异构。(2)有机化合物的构造异构现象异构类别特点及实例碳架异构碳骨架不同，如：CH3—CH2—CH2—CH3和位置异构官能团的位置不同，如：CH2=CH—CH2—CH3和CH3CH=CHCH3官能团异构官能团种类不同，如：CH3CH2OH和CH3OCH3，常见的官能团异构有醇、酚、醚；醛与酮；羧酸与酯等(3)常见的官能团异构举例组成通式可能的类别及典型实例CnH2n烯烃(CH2=CHCH3)、环烷烃()CnH2n－2炔烃(CH≡C—CH2CH3)、环烯烃()、二烯烃(CH2=CHCH=CH2)CnH2n＋2O醇(C2H5OH)、醚(CH3OCH3)CnH2nO醛(CH3CH2CHO)、酮()、烯醇(CH2=CHCH2OH)、环醚CnH2nO2羧酸(CH3CH2COOH)、酯(HCOOCH2CH3、CH3COOCH3)、羟基醛(HO—CH2CH2—CHO)、羟基酮()CnH2n－6O同分异构体的书写方法(1)烷烃C7H16的同分异构体(用碳架结构表示)。C—C—C—C—C—C—C、、、、、、、、烷烃只存在碳链异构，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。以C4H10O为例且只写出骨架与官能团①碳链异构⇨②位置异构⇨③官能团异构⇨C—C—C—C—OH、C—C—O—C—C(3)芳香族化合物两个取代基在苯环上的位置有邻、间、对3种。【总结】同分异构体的书写方法(1)降碳对称法(适用于碳骨架异构，以C6H14为例)①将分子写成直链形式：CH3CH2CH2CH2CH2CH3。②从直链上去掉1个碳原子形成—CH3，依次连在剩余主链对称轴一侧的各个碳原子上，得到多种带有甲基且主链比原主链少一个碳原子的同分异构体。则得、两种同分异构体。【注意】a．将—CH3连在主链对称轴的右侧与连在左侧的连接方式重复。b．甲基不能连在链端，否则与直链形式重复。③从主链上去掉2个碳原子形成取代基。当2个碳原子形成2个甲基(—CH3)时，在主链上先定1个甲基，按照“对”“邻”“间”的位置依次移动另外1个甲基，注意不要重复。则得、两种同分异构体。(2)取代法(适用于醇、卤代烃等)先根据给定烷基的碳原子数，写出烷烃的同分异构体的碳骨架，再根据碳链的对称性，用其他原子或原子团取代碳链上的不同氢原子(即将官能团接到碳链上，接入时从端点的第一个碳原子开始)。如书写分子式为C5H12O的醇的同分异构体，如下图所示(图中数字即为—OH接入后的位置)。(3)插入法(适用于烯烃、炔烃、酯、酮等)先根据给定烷基的碳原子数，写出烷烃的同分异构体的碳骨架，再根据碳链的对称性，将官能团插入碳链中，最后用氢原子补足碳的4个价键。如书写分子式为C5H10O的酮的同分异构体，如下图所示。、、【注意】此时“=O”不能连在链端C原子上，否则形成醛而不是酮。【思维建模】同分异构体数目的判断方法(1)基元法①丙基(—C3H7)有2种，则丙烷的一卤代物、丙醇、丁醛、丁酸均有2种。②丁基(—C4H9)有4种，则丁烷的一卤代物、丁醇、戊醛、戊酸均有4种。③戊基(—C5H11)有8种，则戊烷的一卤代物、戊醇均有8种。④苯环上的二氯代物、三氯代物均有3种，苯环上三个取代基不同时有10种。(2)换元法如二氯苯(C6H4Cl2)有3种同分异构体，则四氯苯(C6H2Cl4)也有3种同分异构体；如CH4的一氯代物只有1种，则新戊烷C(CH3)4的一氯代物也只有1种。(3)等效氢法(又称对称法)①同一碳原子上所连接的氢原子是等效的，如CH4分子中的4个氢原子是等效的。②同一碳原子上所连接的甲基上的氢原子是等效的，如新戊烷，其4个甲基等效，各甲基上的氢原子完全等效，也就是说新戊烷分子中的12个氢原子是等效的。③分子中处于镜面对称位置(相当于平面镜成像时，物与像的关系)上的氢原子是等效的。如分子中的18个氢原子是等效的。烃分子中等效氢原子有几种，则该烃一元取代物就有几种同分异构体。(4)定一移一法对于二元取代物的同分异构体的判定，可固定一个取代基的位置，再移动另一个取代基，以确定同分异构体的数目。典例5．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【答案】C【解析】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eq\o(C,\s\up6(4))—eq\o(C,\s\up6(3))—eq\o(C,\s\up6(2))—eq\o(C,\s\up6(1))，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。典例6．]B()有多种同分异构体，同时满足下列条件的同分异构体有________种(不考虑立体异构)；①苯环上有2个取代基②能够发生银镜反应③与FeCl3溶液发生显色反应，其中核磁共振氢谱有五组峰，且峰面积之比为6∶2∶2∶1∶1的结构简式为______________。【答案】15【解析】的同分异构体满足：①能发生银镜反应，说明结构中存在醛基，②与FeCl3溶液发生显色反应，说明含有酚羟基，同时满足苯环上有2个取代基，酚羟基需占据苯环上的1个取代位置，支链上苯环连接方式(黑色点标记)：、共五种，因此一共有5×3＝15种结构；其中核磁共振氢谱有五组峰，因酚羟基和醛基均无对称结构，因此峰面积之比为6∶2∶2∶1∶1的结构简式一定具有对称性(否则苯环上的氢原子不等效)，即苯环上取代基位于对位，核磁共振氢谱中峰面积比为6的氢原子位于与同一碳原子相连的两个甲基上，因此该同分异构体的结构简式为。核心价值与学科素养典例7．2021年国庆节期间，为了保持鲜花盛开，对大量盆栽鲜花施用了S­诱抗素制剂。S­诱抗素的分子结构如图，下列关于该分子说法正确的是()A．含有碳碳双键、羟基、酮羰基、羧基B．含有苯环、羟基、酮羰基、羧基C．含有羟基、酮羰基、羧基、酯基D．含有碳碳双键、苯环、羟基、酮羰基【答案】A【解析】从图示可知，该有机物的结构中存在3个碳碳双键、1个酮羰基、1个醇羟基、1个羧基，A选项正确。典例8．科学研究发现，具有高度对称的有机分子具有致密性高、稳定性强、张力能大等特点，因此这些分子成为化学界关注的热点。立体烷烃中有一系列对称结构的烃，如：(正四面体烷C4H4)、(棱晶烷C6H6)、(立方烷C8H8)等，下列有关说法正确的是()A．立体烷烃的C原子都形成4个单键，因此它们都属于烷烃B．上述一系列物质互为同系物，它们的通式为C2nH2n(n≥2)C．棱晶烷与立方烷中碳原子均为饱和碳原子，其二氯代物的种数不同D．苯、盆烯()与棱晶烷互为同分异构体【答案】D【解析】A项，立体烷烃的一个碳原子与其他三个碳原子之间都形成单键，还与H原子之间形成一个共价键，它们都属于环烷烃，错误；B项，(正四面体烷C4H4)、(棱晶烷C6H6)、(立方烷C8H8)，它们不互为同系物，通式为C2nH2n(n≥2)，错误；C项，棱晶烷二氯代物的同分异构体有三种，立方烷的二氯代物的同分异构体也有三种，所以棱晶烷与立方烷中碳原子均为饱和碳原子，其二氯代物的种数相同，错误；D项，苯分子式为C6H6、盆烯()分子式为C6H6、棱晶烷分子式为C6H6，所以它们互为同分异构体，正确。【跟踪练习】基础过关1．下列分子中，既有非极性键又含有π键的分子是()A．C2H4Cl2 B．HCHO C．H2O D．CH2=CH—CH32．下列关于同分异构体的分类错误的是()A．CH3CH(CH3)CH2CH3与CH3(CH2)3CH3属于碳链异构B．CH3—CHCH—CH3与CH2CH—CH2—CH3属于官能团异构C．与属于位置异构D．CH2CH—CHCH2与属于官能团异构3．只含有C、H、O、N的某有机物的简易球棍模型如图所示，下列关于该有机物的说法不正确的是()A．该有机物属于氨基酸B．该有机物的分子式为C3H7NO2C．该有机物与CH3CH2CH2NO2互为同系物D．该有机物的一氯代物有2种4．如图所示的有机物是制备青蒿素的重要原料，下列有关该有机物的说法不正确的是()A．分子式为C21H28O2B．能溶于水，属于芳香烃C．可使酸性高锰酸钾溶液褪色D．苯环上的一氯取代物有3种5．下图①～④所代表的有机物中所有侧面都是正方形。下列说法错误的是()A．①的邻二氯代物只有1种B．②与苯乙烯可用酸性高锰酸钾溶液鉴别C．①②③④的一氯代物均只有一种D．④与互为同分异构体能力达成6．用酒精消毒是大家都知道的常识。可奇怪的是,在医疗上所用的消毒酒精是体积分数为75%的酒精溶液，纯酒精杀菌效果反而不好。这与蛋白质分子中存在许多憎水的基团和亲水的基团有关。酒精分子有两个末端，一端是憎水的(—C2H5)，可以破坏蛋白质内部憎水基团之间的吸引力；一端是亲水的(—OH)，但它难以破坏蛋白质外部的亲水基团之间的吸引力。只有酒精和水共同存在，蛋白质才会失去生理活性。因此，只有一定浓度的酒精溶液，才能达到良好的消毒杀菌目的。Ⅰ．有9种粒子：①NH2-②－NH2③Br-④OH-⑤－NO2⑥－OH⑦NO2⑧CH3+⑨－CH(1)上述9种粒子中，属于官能团的有(填序号，下同)。

(2)其中能跟－C2H5结合生成有机化合物分子的粒子有。

(3)其中能跟C2H5+结合生成有机化合物分子的粒子有。

Ⅱ