第2讲　有机物的空间结构　同系物和同分异构体

第2讲有机物的空间结构同系物和同分异构体课时要求1.掌握有机化合物分子中碳原子的成键特点;2.能正确判断简单有机物分子的组成和结构;3.了解有机化合物的同分异构现象,能判断并正确书写简单有机化合物的同分异构体的结构简式。考点一有机物分子的空间结构1.有机物组成结构表示方法(如乙酸)结构式结构简式CH3COOH键线式球棍模型空间填充模型小题对点过有机物的表示方法多种多样,下面是常用的几种表示方法:①②③CH3CH3④⑤⑥⑦⑧(1)上述表示方法中,属于键线式的为(填序号,下同),属于空间填充模型的为,属于球棍模型的为。

(2)写出物质②的分子式:。

(3)写出物质①中官能团的电子式:。

(4)物质③的最简式。

(5)物质⑥分子中所有的碳原子(填“能”或“不能”)同时在一个平面上。

答案(1)②⑥⑤⑧(2)C6H12(3)·C‥︰︰O‥︰O‥‥︰H2.有机物的成键方式和空间结构与碳原子相连的原子数4332结构示意—C≡碳原子的杂化方式sp3sp2sp2sp碳原子的成键方式σ键σ键、π键σ键、πσ键、π键碳原子与相邻原子形成的结构单元的空间结构四面体形平面三角形平面正六边形直线形原子共面情况甲烷型分子中最多有3个原子共面乙烯型分子中6个原子共面苯型分子中12个原子共面乙炔型分子中4个原子共线小题对点过下列说法正确的是。

①有机物分子中与碳碳双键或苯环直接相连的原子一定共平面②若有机物分子中碳原子只采取sp、sp2杂化,则分子中所有原子一定共平面③若有机物分子中含有手性碳原子,则分子中所有原子不可能共平面④戊烷中碳原子的杂化方式有sp3、sp2两种⑤乙烯的结构简式为CH2CH2答案①③1.碳原子的不同结合方式使得有机物种类繁多,下列碳原子的结合方式错误的是()答案C解析碳原子可形成4个共价键,而C项中碳原子形成5个共价键,不符合碳原子的成键特点。2.下列物质中所有原子均共面的是()A.二氯甲烷 B.1,1,2,2-四氯乙烷C.1,2-二氯乙烯 D.乙醛答案C解析结合CH4为正四面体结构可知,含有饱和碳原子的分子中所有原子一定不共平面,A、B、D中均含饱和碳原子,所有原子不可能共面,1,2-二氯乙烯是乙烯中的两个氢原子被氯原子替代,乙烯为平面结构,则1,2-二氯乙烯为平面结构,所有原子均共面,C正确。3.有机物分子中最多有个碳原子在同一平面内,最多有个原子在同一条直线上,苯环平面内的碳原子至少有个。

答案1169解析以碳碳双键为中心,根据乙烯、苯、乙炔、甲烷的结构,可以画出如图所示结构。由于碳碳单键可以绕轴自由旋转,炔直线一定在苯平面内,苯平面和烯平面可能共面,也可能不共面,因而该有机物分子中的所有碳原子可能共面,最多有5+6=11个碳原子共面,至少有6+2+1=9个碳原子在苯平面内。由于苯分子、乙烯分子的键角均为120°,炔直线与所在苯环正六边形对角线上的碳原子共线,因而5个碳原子和炔基上的1个氢原子共线,即5+1=6。判断分子共线、共面原子数目的技巧(1)熟记基本模型①三个基本面:烯平面()、羰基平面()、苯平面(),碳原子均为sp2杂化。②两条基准线:炔直线(—C≡C—),sp杂化;苯对角线()。(2)直线与平面连接,则直线在这个平面上。如苯乙炔:,所有原子共平面。(3)平面与平面、直线、立体结构连接①碳碳单键的旋转碳碳单键两端碳原子所连接的基团能以“C—C”为轴旋转。②恰当拆分复杂分子观察复杂分子的结构,先找出类似于甲烷、乙烯、乙炔和苯分子的结构,再将对应的空间结构及键的旋转等知识进行迁移即可解决有关原子共面、共线的问题。考点二同系物和同分异构体1.同系物小题对点过下列物质一定互为同系物的是。

①②③④C2H4⑤CH2==CH—CH==CH2⑥CH2==CHCH2OH⑦⑧答案④⑧⑤⑦2.有机物的同分异构现象和同分异构体(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。(2)类型(3)常考官能团异构组成通式不饱和度(Ω)可能的类别异构CnH2n1烯烃和环烷烃CnH2n-22炔烃、二烯烃和环烯烃CnH2n+2O0饱和一元醇和醚CnH2nO1饱和一元醛和酮、烯醇等CnH2nO21饱和一元羧酸和酯、羟基醛酮等3.同分异构体的书写(1)烷烃同分异构体的书写缩链法(主链由长到短,支链由整到散,位置由心到边)。小题对点过写出C7H16含有两个支链的同分异构体。、

、

、

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答案(2)烯烃、炔烃同分异构体的书写①顺序:碳架异构→位置异构→官能团异构。②技巧:烷烃邻碳去氢。烷烃邻碳上各去一个H可变成烯烃、邻碳上各去两个H可变成炔烃。小题对点过分别写出碳原子数为4的烯烃、炔烃的同分异构体(不考虑立体异构)。烯烃:、、

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炔烃:、。

答案CH2==CH—CH2CH3CH3CH==CHCH3CH3C≡CCH3CH≡CCH2CH3(3)苯的同系物书写方法:支链由整到散,苯环上排列按邻、间、对(由集中到分散)书写。小题对点过写出C9H12的含有苯环的二元取代物的同分异构体。、、

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答案(4)有含氧官能团的有机物书写顺序:一般按官能团异构(分好类别)→碳架异构→位置异构的顺序书写。小题对点过写出C4H10O属于醇的同分异构体。、、

、。

答案HO—CH2—CH2—CH2—CH31.下列说法正确的是。

①CH3OH和HOCH2CH2OH都属于醇类,互为同系物②分子式为C4H8和C3H6的有机物一定互为同系物③和所含官能团不同,互为官能团异构④若有机物互为同分异构体,其化学性质可能相似,也可能不同⑤相对分子质量相同的有机物一定是同分异构体⑥同分异构体和同系物一定属于同类有机物⑦CH2==CH2和在分子组成上相差一个CH2原子团,两者互为同系物答案③④2.下列说法不正确的是。

A.和互为同分异构体B.与是同一种物质C.和互为同分异构体D.的一氯代物有8种(不考虑立体异构)答案ABC3.分子式为C5H11Cl的同分异构体有种(不考虑立体异构)。

答案8解析C5H12的碳骨架有3种:中有3种不同化学环境的氢原子分别为①~③号碳上所连的氢原子;中有4种不同化学环境的氢原子,分别为④~⑦号碳上所连的氢原子;中四个甲基上氢原子完全相同,即只有一种氢原子,当氯原子分别取代①~⑧号碳原子所连氢原子时,得到8种一氯代物。4.分子式为C4H8Cl2的有机物共有(不含立体异构)种。

答案9解析分子式为C4H8Cl2的有机物可以采取“定一移一”法:、、,共有9种。5.计算分子式为C5H10O2属于酯的同分异构体有种(不考虑立体异构)。

答案9解析将分子按如下组合拆分:①HCOO—与—C4H9形成的酯有1×4=4种;②CH3COO—与—C3H7形成的酯有1×2=2种;③C2H5COO—与—C2H5形成的酯有1×1=1种;④C3H7COO—与—CH3形成的酯有2×1=2种。则同分异构体的种类有4+2+1+2=9种。判断同分异构体数目的常见方法基团连接法将有机化合物看作由基团连接而成,由基团的异构数目可推断有机化合物的异构体数目。如丁基有4种,则C4H9Cl、C4H9OH、C4H9COOH均有4种等效氢法分子中等效氢原子有如下情况:分子中同一个碳原子上连接的氢原子等效;同一个碳原子上所连接的甲基上的氢原子等效;分子中处于对称位置上的氢原子等效定一移一法分析二元取代产物的方法:如分析C3H6Cl2的同分异构体数目,可先固定其中一个氯原子位置,然后移动另一个氯原子组合法一元酯R1COOR2,—R1有m种,—R2有n种,则一元酯共有m×n种本讲感悟疑点:

盲点:

1.(2024·湖南卷)下列有关化学概念或性质的判断错误的是()A.CH4分子是正四面体结构,则CH2Cl2没有同分异构体B.环己烷与苯分子中C—H键的键能相等C.甲苯的质谱图中,质荷比为92的峰归属于D.由R4N+与PF6-组成的离子液体常温下呈液态答案B解析A.CH2Cl2为四面体结构,其中任何两个顶点都是相邻关系,因此CH2Cl2没有同分异构体,故A项说法正确;B.环己烷中碳原子采用sp3杂化,苯分子中碳原子采用sp2杂化,由于同能层中s轨道更接近原子核,因此杂化轨道的s成分越多,其杂化轨道更接近原子核,由此可知sp2杂化轨道参与组成的C—H共价键的电子云更偏向碳原子核,即苯分子中的C—H键长小于环己烷,键能更高,故B项说法错误;C.带1个单位电荷,其相对分子质量为92,因此其质荷比为92,故C项说法正确;D.当阴阳离子体积较大时,其电荷较为分散,导致它们之间的作用力较弱,二者组成的离子液体常温下呈液态,故D项说法正确。2.(2023·辽宁卷)在光照下,螺吡喃发生开、闭环转换而变色,过程如下。下列关于开、闭环螺吡喃说法正确的是()A.均有手性B.互为同分异构体C.N原子杂化方式相同D.闭环螺吡喃亲水性更好答案B解析A.手性是碳原子上连有四个不同的原子或原子团,因此闭环螺吡喃含有手性碳原子如图所示,,开环螺吡喃不含手性碳原子,故A错误;B.根据它们的结构简式,分子式均为C19H19NO,它们结构不同,因此互为同分异构体,故B正确;C.闭环螺吡喃中N原子杂化方式为sp3,开环螺吡喃中N原子杂化方式为sp2,故C错误;D.开环螺吡喃中氧原子显负价,电子云密度大,容易与水分子形成分子间氢键,水溶性增大,因此开环螺吡喃亲水性更好,故D错误。3.(2022·重庆卷)关于M的说法正确的是()A.分子式为C12H16O6B.含三个手性碳原子C.所有氧原子共平面D.与(CH3)2C==O互为同系物答案B解析A.由题干M的结构简式可知,其分子式为C12H18O6,A错误;B.同时连有4个互不相同的原子或原子团的碳原子为手性碳原子,故M中含三个手性碳原子,如图所示:,B正确;C.由题干M的结构简式可知,形成醚键的碳原子均采用sp3杂化,故不可能所有氧原子共平面,C错误;D.同系物是指结构相似(官能团的种类和数目分别相同),组成上相差一个或若干个CH2原子团的物质,故M与(CH3)2C==O不互为同系物,D错误。4.下列说法错误的是。

(1)(2023·辽宁卷)顺-2-丁烯的结构简式:。(2)(2023·浙江1月选考)分子中所有碳原子共平面。(3)(2022·江苏卷)与互为顺反异构体。(4)(2022·江苏卷)分子中含有2个手性碳原子。(5)(2022·天津卷)和互为同系物。(6)(2022·浙江6月选考)丙酮()和环氧丙烷()互为同分异构体。(7)(2022·浙江6月选考)乙醇和丙三醇互为同系物。(8)(2022·江苏卷)分子中所有碳原子不可能全部共平面。答案(1)(4)(5)(7)高考热点总结

基础落实选择题只有1个选项符合题意1.(2024·黑龙江哈尔滨高三期末)下列化学用语正确的是()A.丙酸乙酯的结构简式:CH3CH2COOC2H5B.CH3CHO的球棍模型:C.2-丁烯的键线式:D.乙烯的空间填充模型:答案A解析丙酸乙酯由丙酸与乙醇发生酯化反应得到,丙酸乙酯的结构简式为CH3CH2COOC2H5,故A正确;CH3CHO的球棍模型为,故B错误;2-丁烯中只含1个碳碳双键,键线式为,故C错误;用原子间的相对大小表示分子的真实的空间结构的模型为空间填充模型,乙烯的空间填充模型为,故D错误。2.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-丁二烯答案D解析甲苯、乙烷、丙炔中均含有甲基,其分子中所有原子不可能共平面,A、B、C错误;1,3-丁二烯的结构简式为H2C==CH—CH==CH2,根据乙烯的结构可知,该分子中所有原子可能在同一平面内,D正确。3.下列说法不正确的是()A.乙醇和丙三醇互为同系物B.35Cl和37Cl互为同位素C.O2和O3互为同素异形体D.丙酮()和环氧丙烷()互为同分异构体答案A解析乙醇是饱和一元醇,丙三醇是饱和三元醇,两者所含官能团数目不同,不互为同系物,A错误;35Cl和37Cl质子数相同、中子数不同,互为同位素,B正确;O2和O3是由氧元素组成的不同单质,互为同素异形体,C正确;丙酮和环氧丙烷的分子式相同、结构不同,互为同分异构体,D正确。4.(2025·广东江门高三质检)苯环上的一氯代物只有一种的的同分异构体(不考虑立体异构)有()A.6种 B.5种C.4种 D.3种答案C解析苯环上的一氯代物只有一种就意味着苯环上只有一种化学环境的H原子,则整个结构需要高度对称,符合条件的同分异构体有、、、,C项正确。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原子被1个Br原子和1个Cl原子取代得到的产物。C4H10有正丁烷和异丁烷2种,被Br原子和Cl原子取代时,可先确定Br原子的位置,再确定Cl原子的位置。正丁烷的碳骨架结构为,Br原子分别取代1号碳原子和2号碳原子上的氢原子时,Cl原子均有4种位置关系,异丁烷的碳骨架结构为,Br原子分别取代1号碳原子和2号碳原子上的氢原子时,Cl原子分别有3种和1种位置关系。综上可知,C4H8BrCl共有12种结构,C项正确。6.螺环化合物()可用于制造生物检测机器人,下列有关该化合物的说法错误的是()A.分子式为C5H8OB.是环氧乙烷()的同系物C.一氯代物有2种(不考虑立体异构)D.所有碳原子不处于同一平面答案B解析根据结构确定该化合物的分子式为C5H8O,故A正确;该化合物与环氧乙烷结构不相似,二者不互为同系物,故B错误;该分子中含有2种不同化学环境的氢原子,其一氯代物有2种,故C正确;该分子中所有碳原子都具有甲烷的结构特点,不可能处于同一平面,故D正确。7.(2025·湖北枝江校际联考)两种有机物的分子式均为C3H8O,二者的沸点信息如下图所示。下列说法错误的是()A.二者互为同分异构体B.碳原子均为sp3杂化C.一氯代物均有4种D.丙醇分子间存在氢键答案C解析两种物质分子式一样,但结构不同,丙醇含有羟基属于醇类,甲乙醚含有醚键属于醚类,故二者互为同分异构体,A正确;两结构中碳原子均形成四个价键,即都是sp3杂化,B正确;丙醇的一氯代物有4种,甲乙醚的一氯代物有3种,C错误;丙醇中羟基中的氢原子和另一个羟基中的氧原子可形成分子间氢键,D正确。8.(2025·辽宁沈阳联考)一种制备抗凝剂的原料M的结构简式如图。下列关于M的说法正确的是()A.分子式为C6H10O4B.含有两种官能团C.一氯代物有2种(不考虑立体异构)D.所有碳原子可能共平面答案C解析分子式为C6H8O4,A项错误;分子中只含有酯基一种官能团,B项错误;M的一氯代物有2种(不考虑立体异构),C项正确;分子中两个甲基碳原子不可能都位于六元环的平面上,所以所有碳原子不可能在同一平面,D项错误。9.回答下列问题。Ⅰ.某些烃分子的结构模型如图所示,回答下列问题:(1)属于空间填充模型的是(填“甲”“乙”“丙”“丁”或“戊”,下同)。

(2)表示同一种有机化合物的是。

(3)存在同分异构体的是,写出其同分异构体的结构简式:。

Ⅱ.现有下列几组物质,请将其字母按要求填入空格内:A.CH2==CH—COOH和油酸(C17H33COOH)B.乙醇和乙二醇C.淀粉和纤维素D.与E.和F.和(4)互为同系物的是。

(5)互为同分异构体的是。

(6)既不是同系物,也不是同分异构体,但可看成是同一类物质的是。

答案(1)乙、丙(2)甲、丙(3)戊CH3CH(CH3)CH2CH3、C(CH3)4(4)AD(5)EF(6)BC能力提升10.对羟基苯甲醛是一种用途极广的有机合成中间体。两种主要工业合成路线如图所示。下列说法正确的是()A.苯酚和对羟基苯甲醇互为同系物B.1mol对羟基苯甲醛中含有碳氧π键的数目为2NAC.对甲基苯酚的同分异构体中含有苯环的有3种(不包括其本身)D.对羟基苯甲醛中所有原子可能共平面答案D解析由题图知,苯酚与对羟基苯甲醇结构不相似,则二者不互为同系物,A错误;若苯环上有1个取代基,则取代基为—CH2OH或—OCH3,有2种;若苯环上有2个取代基,取代基为—CH3和—OH,除去本身,有“邻、间”2种,则共有4种,C错误;对羟基苯甲醛中单键可以旋转,则该物质分子中所有原子可能共平面,D正确。11.现有四种有机物,其结构简式如图所示。下列说法不正确的是()A.用溴的CCl4溶液可以鉴别a和bB.b与d互为同分异构体C.c的二氯代物有5种(不考虑立体异构)D.d可以发生取代反应、加聚反应答案C解析a含有碳碳双键,能够使溴的CCl4溶液褪色,而b不可以,A正确;b和d的分子式均为C4H8O,结构不同,互为同分异构体,B正确;c的二氯代物有,共3种,C错误;d分子中含有羟基,可以发生取代反应,含有碳碳双键,可以发生加聚反应,D正确。12.某芳香族化合物甲的分子式为C10H11ClO2,已知苯环上只有两个取代基,其中一个取代基为—Cl,甲能与饱和碳酸氢钠溶液反应放出二氧化碳,则满足上述条件的有机物甲的同分异构体有()A.15种 B.12种C.9种 D.5种答案A解析甲能与饱和碳酸氢钠溶液反应放出二氧化碳,说明含有羧基;苯环上只有两个取代基,其中一个取代基为—Cl,根据分子式C10H11ClO2确定另一个取代基为—C4H7O2,取代基—C4H7O2含有羧基的同分异构体有:—CH2CH2CH2COO