對苯環(huán)上一元取代只有一種的同分異構(gòu)體的系統(tǒng)分析

程 果 桂耀榮 范 兵

同分異構(gòu)體的書寫一直都是高考有機試題中的難點,含苯環(huán)的有機物同分異構(gòu)體的書寫更是高考中的?？碱}型．在平時做題甚至高考題中我們經(jīng)常會遇到這樣的問題:某有機物中苯環(huán)上一氯代物只有一種的同分異構(gòu)體有多少種?此類問題主要是讓學生找出苯環(huán)上氫的種類只有一種的物質(zhì)的結(jié)構(gòu),但當苯環(huán)上的取代基有多種情況時,學生容易多寫或漏寫．本文以此考點為基礎(chǔ)對含單苯環(huán)有機物中苯環(huán)上一元取代物只有一種的情況進行系統(tǒng)分析總結(jié),為各位同行以及學生在解答此類問題上帶來方便．

1 對有機物中苯環(huán)上一元取代物的系統(tǒng)分析

文中苯環(huán)上的A、B、C、D代表不同的取代基．

1.1 苯環(huán)上有1個取代基

當苯環(huán)上只有1個取代基(如A)時,顯然苯環(huán)上的一元取代物有3種(如圖1)．

圖1

1.2 苯環(huán)上有2個取代基

如果苯環(huán)上有2個取代基,則需要分2種情況進行討論.

1) 2個取代基相同.

如果2個取代基相同(如A、A)，當2個取代基處于鄰位時,苯環(huán)上一元取代物有2種(如圖2-甲);當2個取代基處于間位時,苯環(huán)上一元取代物有3種(如圖2-乙);當2個取代基處于對位時,苯環(huán)上一元取代物有1種(如圖2-丙)．

2) 2個取代基不同.

如果2個取代基不同(如A、B)．當2個取代基處于鄰位時,苯環(huán)上一元取代物有4種(如圖3-甲);當2個取代基處于間位時,苯環(huán)上一元取代物有4種(如圖3-乙);當2個取代基處于對位時,苯環(huán)上一元取代物有2種(如圖3-丙)．

圖3

綜上所述,當苯環(huán)上有2個取代基,只有當2個取代基相同且在苯環(huán)上處于對位時,該有機物苯環(huán)上的一元取代物有且只有1種．

1.3 苯環(huán)上有3個取代基

如果苯環(huán)上有3個取代基,則需要分3種情況進行討論.

1) 3個取代基完全相同.

如果3個取代基完全相同(如A、A、A)，此時有3種同分異構(gòu)體．當有機物為連三A苯時,苯環(huán)上一元取代物有2種(如圖4-甲);當有機物為偏三A苯時,苯環(huán)上一元取代物有3種(如圖4-乙);當有機物為均三A苯時,苯環(huán)上一元取代物有1種(如圖4-丙)．

圖4

2) 3個取代基中有2個相同.

如果3個取代基中有2個相同1個不同(如A、A、B)，當A、A處于鄰位時,B有2種位置,此時2種有機物苯環(huán)上一元取代物都有3種(如圖5-甲、圖5-乙);當A、A處于間位時,B有3種位置,此時3種有機物苯環(huán)上一元取代物分別是2種、2種、3種(如圖5-丙、圖5-丁、圖5-戊);當A、A處于對位時,B有1種位置,此時該有機物苯環(huán)上一元取代物有3種(如圖5-己)．

圖5

3) 3個取代基都不相同.

如果苯環(huán)上3個取代基都不相同(如A、B、C),此時同分異構(gòu)體有10種,由于沒有對稱結(jié)構(gòu),這10種有機物苯環(huán)上一元取代物均有3種．

綜上所述,有機物苯環(huán)上有3個取代基,只有當3個取代基相同且在苯環(huán)上處于均位時,該有機物苯環(huán)上的一元取代物有且只有1種．

1.4 苯環(huán)上有4個取代基

如果苯環(huán)上有4個取代基,則需要分5種情況進行討論.

1) 4個取代基完全相同.

如果4個取代基完全相同(如A、A、A、A),則共有3種同分異構(gòu)體，這3種有機物苯環(huán)上一元取代物都只有1種(如圖 6-甲、圖6-乙、圖6-丙)．

圖6

圖7

2) 4個取代基中有3個相同.

如果4個取代基中有3個相同(如A、A、A、B),則共有6種同分異構(gòu)體，其中4種苯環(huán)上一元取代物有2種(如圖7-乙、圖7-丁、圖7-戊、圖7-己),2種苯環(huán)上一元取代物有1種(如圖 7-甲、圖 7-丙)．

3) 4個取代基兩兩相同.

如果4個取代基兩兩相同(如A、A、B、B),則共有11種同分異構(gòu)體，其中5種苯環(huán)上一元取代物有2種,6種苯環(huán)上一元取代物有1種,由于同分異構(gòu)體數(shù)目較多,這里僅呈現(xiàn)苯環(huán)上一元取代物只有1種的同分異構(gòu)體的結(jié)構(gòu)簡式(如圖8)．

圖8

4) 4個取代基中有2個相同2個不同.

如果4個取代基中有2個相同2個不同(如A、A、B、C),則共有16種同分異構(gòu)體，其中14種苯環(huán)上一元取代物有2種,2種苯環(huán)上一元取代物有1種,由于同分異構(gòu)體數(shù)目較多,這里僅呈現(xiàn)苯環(huán)上一元取代物只有1種的同分異構(gòu)體的結(jié)構(gòu)簡式(如圖9)．

圖9

5) 4個取代基完全不同.

如果4個取代基完全不同(如A、B、C、D),則共有30種同分異構(gòu)體．同樣由于沒有對稱結(jié)構(gòu),故所有同分異構(gòu)體的一元取代物都有2種．

綜上所述,當苯環(huán)上有4個取代基時,只有4種情況下的同分異構(gòu)體苯環(huán)上的一元取代物只有1種:當取代基為A、A、A、A型時,苯環(huán)上一元取代物只有1種的同分異構(gòu)體有3種;當取代基為A、A、A、B型時,苯環(huán)上一元取代物只有1種的同分異構(gòu)體有2種;當取代基為A、A、B、B型時,苯環(huán)上一元取代物只有1種的同分異構(gòu)體有6種;當取代基為A、A、B、C型時,苯環(huán)上一元取代物只有1種的同分異構(gòu)體有2種．

1.5 苯環(huán)上有5個取代基.

如果苯環(huán)上有5個取代基,由于只有1個氫原子可以被取代,因此,所有同分異構(gòu)體中苯環(huán)上的一元取代物都只有1種．

1.6 含單苯環(huán)有機物中苯環(huán)上一元取代物只有一種的同分異構(gòu)體數(shù)目歸納總結(jié)

表1

2 實例剖析

A. 6種 B. 5種

C. 4種 D. 3種

解析 根據(jù)題意，結(jié)合表1，苯環(huán)上的一氯代物只有1種的同分異構(gòu)體分2種情況討論:1)苯環(huán)上連接2個相同的乙基，符合AA型結(jié)構(gòu)，此時，符合條件的同分異構(gòu)體有1種；2)苯環(huán)上連接4個甲基時，符合AAAA型結(jié)構(gòu)，此時，符合條件的同分異構(gòu)體有3種. 因此，符合條件的同分異構(gòu)體總共有4種，故答案為C．

解析 根據(jù)題意，結(jié)合表1，苯環(huán)上的一氯代物只有1種的同分異構(gòu)體分2種情況討論:1)苯環(huán)上有2個相同的取代基，符合AA型結(jié)構(gòu)，其中A可能為—CH2OH或—OCH3，此時，符合條件的同分異構(gòu)體有2種；2)苯環(huán)上有4個取代基，分別為2個—OH和2個—CH3，符合AABB型結(jié)構(gòu)，此時，符合條件的同分異構(gòu)體有6種. 因此符合條件的同分異構(gòu)體總共有8種，故答案為8．

總之,通過本文的總結(jié)歸納，我們在今后書寫苯環(huán)上一元取代物只有1種的同分異構(gòu)體時,可以先對苯環(huán)上的取代基進行分類,確定類型后再快速寫出相應類別同分異構(gòu)體的種類,此方法簡單快捷,在解此類題型中能節(jié)省大量時間．