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.
文中苯環(huán)上的A、B、C、D代表不同的取代基.
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
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.
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.
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.
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.
表1
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.