第13章　第57讲　有机化合物的空间结构　同系物　同分异构体

第57讲有机化合物的空间结构同系物同分异构体[复习目标]1.掌握有机化合物分子中碳原子的成键特点，能正确判断简单有机物分子中原子的空间位置。2.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。考点一有机化合物的空间结构1.有机化合物的空间结构与碳原子的杂化轨道类型、碳原子的成键方式有关。完成下列表格：结构示意图每个碳原子连接原子数目碳原子的杂化轨道类型碳原子的成键方式空间结构4sp3σ键四面体形3sp2σ键、π键平面形—C≡C—2spσ键、π键直线形2.有机化合物常用的表示方法(以乙酸为例)结构式结构简式键线式球棍模型空间填充模型CH3COOH一、有机物分子中成键方式的判断1.(1)某种烃的球棍模型如图所示：，该烃的结构简式是CH3CH3，每个分子中含有7个σ键。(2)1mol乙炔分子中含有3NA个σ键和2NA个π键。(3)1mol丙酮()中σ键和π键的数目之比是9∶1。(4)1mol环氧乙烷()中，含有σ键的数目是7NA。二、有机物分子中原子共面、共线的判断2.下列有关有机物共面、共线的判断，正确的打“√”，错误的打“×”。(1)Y()分子中所有原子共平面(2025·四川，9B)()(2)分子中含有平面环状结构(2023·海南，12A)()(3)中所有碳原子处于同一平面(2023·全国甲卷，8B)()(4)除氢原子外，中其他原子可能共平面(2023·山东，12B)()(5)中的碳原子不可能全部共平面(2022·山东，7C)()(6)中至少有7个碳原子共直线(2022·浙江1月选考，15A)()(7)化合物1()分子中所有原子共平面(2022·全国乙卷，8A)()(8)某“小分子胶水”()分子中所有碳原子一定共平面(2021·辽宁，6A)()答案(1)×(2)×(3)×(4)√(5)√(6)×(7)×(8)×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)把握三种组合：以“C—C”为轴可以旋转①直线结构与平面结构连接，则直线在这个平面上。②平面结构与平面结构连接，如果两个平面结构通过单键相连，由于单键可以旋转，两个平面不一定共面。③甲基与平面结构相连，甲基上的氢原子最多有一个在这个平面上。(3)审准题目要求的限制条件：“可能”“一定”“最多”“最少”等。考点二同系物同分异构体1.同系物(1)概念：分子结构相似，组成上彼此相差一个或若干个CH2的一系列有机化合物互称为同系物。(2)特点①“三相同”：分子通式相同，官能团的种类及数目相同。②化学性质相似，物理性质不同。如甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)、丙烷(C3H8)、丁烷(C4H10)具有相似的化学性质，但随着碳原子数目增多，物质的熔、沸点逐渐升高。[应用举例]下列物质中，一定属于乙烯的同系物的是(填序号)。

①②③C4H8④CH2CH—CHCH2⑤CH3CHCHCH3答案①⑤2.有机物的同分异构现象和同分异构体(1)概念：分子式相同而结构不同的现象称为同分异构现象。分子式相同而结构不同的化合物互为同分异构体。(2)类型1.CH3OH和HOCH2CH2OH都属于醇类，互为同系物()2.和所含官能团不同，互为官能团类型异构()3.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()4.相对分子质量相同的有机物一定互为同分异构体()5.同分异构体和同系物一定属于同类有机物()答案1.×2.√3.√4.×5.×一、基本概念辨析1.下列几组物质中，互为同分异构体的是(填序号，下同)；互为同系物的是；互为同素异形体的是；互为同位素的是。

①C60、C70、金刚石、石墨②612C、613C、614C④HOCH2CHO、HOCH2CH2CHO⑤和CH2CHCH2CH3答案③⑤④①②2.已知碳原子上连有四个不同的原子或基团时，该碳原子称为不对称碳原子。回答下列问题：(1)某有机物的结构如图：。用标出分子中的不对称碳原子。答案(2)青蒿素是治疗疟疾的特效药，其结构如图所示：。该分子中有7个不对称碳原子。3.下列有机物中，存在顺反异构体的是()A.CH3—CHCH2 B.C. D.答案D二、简单有机物同分异构体的书写4.写出C6H14的同分异构体(用碳骨架表示)。答案(1)主链6个碳：C—C—C—C—C—C。(2)主链5个碳：，甲基(—CH3)可以连在①或②碳原子上，共2种结构。(3)主链上4个碳原子：①两个—CH3连在同一个碳原子上有1种结构：。②两个—CH3连在不同碳原子上有1种结构：。C6H14共5种同分异构体。5.烯烃、炔烃同分异构体的书写。分别写出碳原子数为4的烯烃、碳原子数为5的炔烃的同分异构体(不考虑立体异构)。(1)碳原子数为4的烯烃的同分异构体：①先写出4个碳原子的碳骨架，有2种结构，分别是。②在每种碳骨架中，分别插入双键。直链结构双键有2种位置：；支链结构双键有1种位置：。故碳原子数为4的烯烃有3种同分异构体：CH2CH—CH2CH3、CH3CHCHCH3、。(2)碳原子数为5的炔烃的同分异构体：①先写出5个碳原子的碳骨架，有3种结构，分别是。②在每种碳骨架中，分别插入三键。直链结构三键有2种位置：；支链结构三键有1种位置：。故碳原子数为5的炔烃有3种同分异构体：HC≡C—CH2CH2CH3、H3C—C≡C—CH2CH3、。6.苯的同系物同分异构体的书写写出C9H12的含有苯环的同分异构体。同分异构体的结构简式一元取代物、二元取代物(邻、间、对)、、三元取代物(连、偏、均)、、苯的同系物同分异构体的书写技巧支链由整到散，苯环上排列按邻、间、对(由集中到分散)书写。7.卤代烃同分异构体的书写(不考虑立体异构)。(1)C4H9Cl的同分异构体有种。

(2)分子式为C4H8Cl2的同分异构体有种。

(3)分子式为C4H8ClBr的同分异构体数目为种。

答案(1)4(2)9(3)12解析(2)第一步：根据分子式可知其Ω=0，该有机物为链状结构，则只存在碳骨架异构和官能团的位置异构。4个碳原子的碳架只有两种，分别是C—C—C—C和。第二步：对碳架进行对称分析：(1、1'等效；2、2'等效)、(1、1a、1b等效)。第三步：将两个氯原子按照“同”“邻”“间”的顺序放入碳架上：同:1、1;2同:1、1综上所述，C4H8Cl2的同分异构体有9种。(1)烷烃一卤代物的同分异构体数目等于同碳烷基种类数(2)熟记常见烷基的结构及种类数目烷基—CH3—C2H5—C3H7—C4H9烷基种类数124(3)二卤代物同分异构体书写方法构建碳架→对碳架对称分析→将两个卤原子按同、邻、间的相对位置放入碳架中。注若两个取代基不同，当二者连在“不对称”的两个碳上时，有两种连接方式。三、取代产物数目的综合判断8.下列有关同分异构体(不考虑立体异构)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种一硝基取代物答案B解析含3个碳原子的烷基有正丙基和异丙基两种结构，甲基与该烷基在苯环上有邻、间、对3种位置关系，故产物的结构共有2×3=6种，A项正确；的分子式为C7H8O，与其互为同分异构体的芳香族化合物有5种：、、、、，B项错误；正戊烷的一氯代物有3种，C项正确；菲的结构具有对称性，含有5种不同化学环境的氢原子，D项正确。1.(2025·北京，4)物质的微观结构决定其宏观性质。乙腈(CH3CN)是一种常见的有机溶剂，沸点较高，水溶性好。下列说法不正确的是()A.乙腈的电子式：B.乙腈分子中所有原子均在同一平面C.乙腈的沸点高于与其分子量相近的丙炔D.乙腈可发生加成反应答案B解析乙腈中存在碳氢单键、碳碳单键和碳氮三键，各原子均满足稳定结构，A、D正确；乙腈中甲基碳原子是四面体结构，所有原子不可能共面，B错误；乙腈与乙炔都是分子晶体，乙腈是极性分子，乙炔是非极性分子，乙腈分子间作用力大，沸点高于乙炔，C正确。2.(2024·湖南，4)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PF答案B解析CH2Cl2为四面体结构，任何两个顶点都相邻，故CH2Cl2没有同分异构体，故A正确；环己烷中碳原子采取sp3杂化，苯分子中碳原子采取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错误；带1个单位正电荷，其相对分子质量为92，其质荷比为92，故C正确；当阴、阳离子体积较大时，其电荷较为分散，离子键作用力较弱，以至于熔点接近室温，故D正确。3.(2022·河北，11改编)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9种答案C解析由题中信息可知，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不正确；N分子中有5种不同化学环境的H原子，因此其一溴代物有5种，C正确；萘分子中有8个H原子，但是只有两种不同化学环境的H原子(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；若先取代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不正确。4.[2025·黑吉辽蒙，19(4)]E()的同分异构体中，含苯环(不含其他环)且不同化学环境氢原子个数比为3∶2∶1的同分异构体的数目有种。

答案4解析E的分子式为C8H6Br2O，不饱和度为5，E的同分异构体(记作E')中含苯环，则还剩余2个C、2个Br、1个O和1个不饱和度，根据不同化学环境氢原子个数比与氢原子总数可知，三种环境的氢原子个数分别为3、2、1，其中3个相同化学环境的H原子来自1个甲基，结合不饱和度为1可知，E'分子中有1个苯环、1个甲基、1个CO、2个—Br，除CO外的基团能组成的符合题意的结构为、，再将CO插入上述两结构中，可得到4种结构：、、、。课时精练[分值：50分](1~12题，每小题3分)1.下列说法正确的是()A.凡是分子组成相差一个或几个CH2原子团的物质，彼此一定互为同系物B.两种化合物组成元素相同，各元素质量分数也相同，则两者一定互为同分异构体C.相对分子质量相同的几种化合物，互为同分异构体D.组成元素的质量分数相同，且相对分子质量也相同的不同化合物，一定互为同分异构体答案D解析丙烯与环丁烷分子组成相差一个CH2原子团，但是结构不相似，不互为同系物，A项错误；若两种化合物组成元素相同，各元素的质量分数也相同，则它们的最简式必定相同，最简式相同的化合物不一定互为同分异构体，B项错误；相对分子质量相同的物质有很多，如C2H6O(乙醇)与CH2O2(甲酸)，但它们的分子组成不同，所以它们不互为同分异构体，C项错误；当不同化合物组成元素的质量分数相同，相对分子质量也相同时，其分子式一定相同，一定互为同分异构体，D项正确。2.(2022·浙江6月选考，7)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。3.下列有关化学用语表示正确的是()A.CN-的电子式：B.甲酸甲酯的实验式：HCOOCH3C.丙烷分子的空间填充模型：D.的名称：2，4⁃二甲基⁃2⁃丁烯答案A解析甲酸甲酯的结构简式为HCOOCH3，实验式为CH2O，故B错误；选项中是丙烷的球棍模型，C错误；由结构简式可知，烯烃分子中含有碳碳双键的最长碳链有5个碳原子，侧链为甲基，名称为2⁃甲基⁃2⁃戊烯，故D错误。4.下列说法错误的是()A.与互为同分异构体B.有机物与溴单质按物质的量之比1∶1发生加成反应，生成的产物有4种C.有机物的系统命名为2，4⁃二甲基己烷D.CH3CH2OH和具有相同的官能团，但不互为同系物答案B解析两者分子式均为C8H8且结构不同，互为同分异构体，A正确；共轭二烯烃能发生1，2⁃加成和1，4⁃加成，与溴单质按物质的量之比1∶1发生加成反应时，得到的产物共有5种，B错误；主链碳原子数为6，从离取代基最近的一端开始编号，命名为2，4⁃二甲基己烷，C正确；虽然二者具有相同的官能团，但官能团个数不同，分子组成上也不相差n个CH2原子团，所以不互为同系物，D正确。5.(2026·河北承德模拟)模型建构是化学学习的一种重要方法，下列说法正确的是()A.图a甲烷的二氯代物有2种B.与图b互为同分异构体的烷烃还有4种C.图c立方烷的分子式为C8H16D.由图d推测CH2CH—CH3中3个碳原子共直线答案B解析甲烷分子为正四面体形，故甲烷的二氯代物只有1种，A项错误；由图b烷烃的碳架结构知该烷烃的分子式为C6H14，其结构简式为(CH3)2CHCH(CH3)2，其同分异构体的结构简式为CH3(CH2)4CH3、CH3CH2CH(CH3)CH2CH3、(CH3)2CHCH2CH2CH3、(CH3)3CCH2CH3，共4种，B项正确；由图c立方烷的键线式知，其分子式为C8H8，C项错误；乙烯分子中2个碳原子和4个氢原子共平面，CH2CH—CH3中3个碳原子共平面，但不共直线，D项错误。6.下列描述CH3—CHCH—C≡C—CF3分子结构的叙述正确的是()A.连接氟原子的碳原子不一定在乙烯平面内B.6个碳原子不可能都在一条直线上C.最多有11个原子在同一平面上D.6个碳原子不可能都在同一平面上答案B解析可以把该有机物看成乙烯分子中H原子被—CH3和—C≡C—CF3取代，由乙烯和乙炔分子结构知识迁移可知如下规律：①双键碳原子及与之直接相连的原子在同一平面上；②三键碳原子及与之直接相连的原子在同一直线上。根据数学知识，在同一直线上必在同一平面上。由此可知6个碳原子一定在同一平面上，但不可能在同一直线上。7.(2025·武汉华中师范大学第一附属中学一模)下列物质在给定条件下的同分异构体数目(不包括立体异构)正确的是()A.分子式为C7H16的同分异构体有多种，其中含有三个甲基的结构有2种B.分子式为C5H11Cl且分子中有两个—CH3、两个—CH2—、一个和一个—Cl的结构有2种C.组成和结构可用表示的有机物共有16种D.分子式为C4H6O2且结构中含有碳碳双键和的结构简式有8种答案D解析C7H16含三个甲基的同分异构体有3种：(CH3)2CH(CH2)3CH3、CH3CH2CH(CH3)CH2CH2CH3、CH3CH2CH(CH2CH3)CH2CH3，故A错误；该结构有4种：CH3CHClCH2CH2CH3、CH3CH2CHClCH2CH3、CH3CH(CH2Cl)CH2CH3、(CH3)2CHCH2CH2Cl，故B错误；—C4H9有4种结构，但由于两个取代基相同，有6种结构重复，根据排列组合规律共有4+3+2+1=10种，故C错误；含有碳碳双键和羧基时有3种：CH2CHCH2COOH、CH3CHCHCOOH、CH2C(CH3)COOH，含有碳碳双键和酯基时有5种：HCOOCHCHCH3、HCOOCH2CHCH2、CH2CCH3OOCH、CH3COOCHCH2、CH2CHCOOCH3，故8.金刚烷是一种重要的化工原料，工业上可通过下列途径制备。下列说法正确的是()A.环戊二烯中的所有原子共平面B.二聚环戊二烯与Cl2发生加成反应，最多可得到4种加成产物(不考虑立体异构)C.四氢二聚环戊二烯与金刚烷互为同系物D.金刚烷的二氯代物有6种(不考虑立体异构)答案D解析分子结构中含有饱和碳原子，分子中所有原子不可能共平面，故A错误；二聚环戊二烯含有两个双键：，与Cl2发生加成反应时，若只加成一个双键，有两种产物，若两个双键均被加成，有1种产物，即最多得到3种加成产物，故B错误；和分子式均为C10H16，结构不同，互为同分异构体，故C错误；金刚烷的二氯代物有6种：、、、、、，故D正确。9.下列说法正确的是()A.CH3CHCHCH3分子中的四个碳原子在同一直线上B.a()和c()分子中所有碳原子均处于同一平面上C.中所有碳原子可能都处于同一平面D.化合物(b)、(d)、(p)中只有b的所有原子处于同一平面答案D解析A项，根据乙烯的空间结构可知，CH3CHCHCH3分子中的四个碳原子处于同一平面，但不在同一直线上，错误；B项，a与c分子中均有连接3个碳原子的饱和碳原子，故所有碳原子不可能共平面，错误；D项，d、p分子中都存在饱和碳原子，故只有b的所有原子处于同一平面，正确。10.下列说法不正确的是()A.分子式为C3H6O2的有机物在酸性条件下可水解为酸和醇，若不考虑立体异构，这些醇和酸重新组合可形成的酯共有5种B.四联苯()的一氯代物有5种C.与具有相同官能团的同分异构体的结构简式为CH2CHCH2COOH、CH3CHCHCOOHD.兴奋剂乙基雌烯醇()可能有属于芳香族的同分异构体答案A解析分子式为C3H6O2的酯可能是HCOOC2H5、CH3COOCH3，水解得到的醇分别是C2H5OH、CH3OH，得到的酸分别是HCOOH、CH3COOH，C2H5OH、CH3OH与HCOOH、CH3COOH形成的酯共有4种，A项错误；四联苯是具有两条对称轴的物质，即，有5种不同化学环境的氢原子，故有5种一氯代物，B项正确；乙基雌烯醇分子中含有4个环和1个碳碳双键，不饱和度为5，苯环的不饱和度为4，所以该有机物可能有属于芳香族的同分异构体，D项正确。11.(2025·湖北腾云联盟一模)我国科研团队首次成功合成了由14个碳原子组成的环形纯碳分子材料，其合成原理如图所示。下列说法正确的是()A.甲中所有原子不可能共面B.甲的一氢取代物共有5种C.C14与C60互为同分异构体D.C14化学性质与金刚石有差异答案D解析甲中所有原子都在一个平面上，故A错误；由甲的结构简式可知，其存在两条对称轴，分子中含有3种不同化学环境的氯原子，则一氢取代物共有3种，故B错误；C14与C60为结构不同的单质，互为同素异形体，故C错误；C14和金刚石的结构不同，化