史良君

摘要：從系統(tǒng)論的全新視角，結(jié)合實(shí)例介紹了分析苯環(huán)多元取代同分異構(gòu)體的思維方法與過(guò)程。該方法能更好地揭示事物自身內(nèi)在發(fā)展的客觀規(guī)律，培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的綜合能力。

關(guān)鍵詞：苯環(huán)多元取代；同分異構(gòu)體；系統(tǒng)分析；基礎(chǔ)換元取代法；有機(jī)化學(xué)教學(xué)

文章編號(hào)：1005–6629（2016）9–0072–05 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

判斷苯的衍生物存在幾種同分異構(gòu)體，這是高考的熱點(diǎn)問(wèn)題，學(xué)生遇到這類問(wèn)題經(jīng)常會(huì)感到困惑、混亂和無(wú)序。如何通過(guò)創(chuàng)新能力的激發(fā)和思維品質(zhì)的提升從而有效幫助學(xué)生解決上述問(wèn)題，是本文所要重點(diǎn)研究的內(nèi)容。

苯環(huán)的多元取代有幾種同分異構(gòu)體，這是一個(gè)既復(fù)雜又飽含智慧的問(wèn)題。首先，這是一個(gè)系統(tǒng)性的大問(wèn)題，只有從系統(tǒng)論的高度進(jìn)行研究才能展現(xiàn)這個(gè)問(wèn)題的全貌。其次，這個(gè)問(wèn)題由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的客觀演變過(guò)程與原子核外電子排布的“周期性”變化有異曲同工之妙。最后，這個(gè)問(wèn)題的分析及解決具有明顯的階段性的特點(diǎn)，那些依次呈現(xiàn)出來(lái)的不同階段就相當(dāng)于同一戲劇的不同劇幕和場(chǎng)景。

以下將結(jié)合實(shí)例介紹關(guān)于系統(tǒng)分析苯環(huán)多元取代同分異構(gòu)體的思維方法與過(guò)程。

1 苯環(huán)上的一元取代

如果苯環(huán)上只有一個(gè)取代基（如氯苯），顯然，只有一種結(jié)構(gòu)。（注：下文中所指的同分異構(gòu)體都是指含有苯環(huán)的同分異構(gòu)體）

2 苯環(huán)上的二元取代

如果苯環(huán)上有兩個(gè)取代基，無(wú)論它們是相同的（如二氯苯），還是不相同的（如一氯一溴苯），都有鄰、間、對(duì)三種同分異構(gòu)體。

3 苯環(huán)上的三元取代

如果苯環(huán)上有三個(gè)取代基，則要分三種情況進(jìn)行討論：

3.1 三個(gè)取代基完全不同

如果三個(gè)取代基是完全不同的，如A、B、C，則共有10種同分異構(gòu)體?？梢赃M(jìn)行如下的思維過(guò)程分析：

（1）先在苯環(huán)上取代一個(gè)A（只有一種產(chǎn)物）；

（2）然后再取代一個(gè)B（共有鄰AB、間AB、對(duì)AB三種可能產(chǎn)物）；

（3）然后再分別在這三種二取代產(chǎn)物上再取代一個(gè)C：

①如果在鄰AB產(chǎn)物上取代一個(gè)C，由于不存在對(duì)稱軸，共有4種產(chǎn)物（圖1-a）；

②如果在間AB產(chǎn)物上取代一個(gè)C，由于不存在對(duì)稱軸，共有4種產(chǎn)物（圖1-b）；

③如果在對(duì)AB產(chǎn)物上取代一個(gè)C，由于存在對(duì)稱軸，只有2種產(chǎn)物（圖1-c）；

因此，共有4+4+2=10種產(chǎn)物。

3.2 三個(gè)取代基中有兩個(gè)相同

如果三個(gè)取代基中有兩個(gè)是相同的，如A、A、B，則共有6種同分異構(gòu)體?？梢赃M(jìn)行如下的思維過(guò)程分析：

（1）先在苯環(huán)上取代一個(gè)A（只有一種產(chǎn)物）；

（2）然后再取代一個(gè)A（共有鄰AA、間AA、對(duì)AA三種可能產(chǎn)物）；

（3）然后再分別在這三種二取代產(chǎn)物上再取代一個(gè)B：

①如果在鄰AA產(chǎn)物上取代一個(gè)B，由于存在一個(gè)對(duì)稱軸，有2種產(chǎn)物（圖2-a）；

②如果在間AA產(chǎn)物上取代一個(gè)B，由于存在一個(gè)對(duì)稱軸，有3種產(chǎn)物（圖2-b）；

③如果在對(duì)AA產(chǎn)物上取代一個(gè)B，由于存在兩個(gè)對(duì)稱軸，有1種產(chǎn)物（圖2-c）；

因此，共有2+3+1=6種產(chǎn)物。

3.3 三個(gè)取代基完全相同

如果三個(gè)取代基是完全相同的，如A、A、A，則共有3種同分異構(gòu)體?？梢赃M(jìn)行如下的思維過(guò)程分析：

（1）如果三個(gè)AAA連在一起，則為連三A苯（圖3-a）；

（2）如果只有兩個(gè)AA連在一起，則為偏三A苯（圖3-b）；

（3）如果沒(méi)有任何兩個(gè)AA連在一起，則為均三A苯（圖3-c）。

4 苯環(huán)上的四元取代

如果苯環(huán)上有四個(gè)取代基，則要分五種情況進(jìn)行討論：

4.1 四個(gè)取代基完全不同

如果四個(gè)取代基是完全不同的，如A、B、C、D，則共有30種同分異構(gòu)體?？梢赃M(jìn)行如下的思維過(guò)程分析：

（1）先在苯環(huán)上取代一個(gè)A（只有一種產(chǎn)物）；

（2）然后再取代一個(gè)B（共有鄰AB、間AB、對(duì)AB三種可能產(chǎn)物）；

（3）然后再分別在這三種二取代產(chǎn)物上再取代一個(gè)C：

①如果在鄰AB產(chǎn)物上取代一個(gè)C，由于不存在對(duì)稱軸，共有4種產(chǎn)物（參見(jiàn)圖1-a）；

②如果在間AB產(chǎn)物上取代一個(gè)C，由于不存在對(duì)稱軸，共有4種產(chǎn)物（參見(jiàn)圖1-b）；

③如果在對(duì)AB產(chǎn)物上取代一個(gè)C，由于存在對(duì)稱軸，只有2種產(chǎn)物（參見(jiàn)圖1-c）；

因此，共有4+4+2=10種產(chǎn)物。

（4）然后再分別在這10種三取代產(chǎn)物上再取代一個(gè)D：

由于在苯環(huán)上取代三個(gè)不同取代基A、B、C所得的產(chǎn)物沒(méi)有任何的對(duì)稱軸（如圖4-a、b、c），再取代一個(gè)D時(shí)皆有三種可能。因此，共有10×3=30種產(chǎn)物。

4.2 四個(gè)取代基中有兩個(gè)相同

如果四個(gè)取代基中有兩個(gè)是相同的，如A、A、B、C，則共有16種同分異構(gòu)體。可以進(jìn)行如下的思維過(guò)程分析：

（1）由前述的苯環(huán)上的三元取代可知，苯環(huán)上含有A、A、B三個(gè)取代基的同分異構(gòu)體共有6種（具體過(guò)程詳見(jiàn)前面圖2-a、b、c）；

（2）然后再分別在這6種三取代產(chǎn)物上再取代一個(gè)C：

因此，共有6+7+3=16種四取代產(chǎn)物。

4.3 四個(gè)取代基兩兩相同

如果四個(gè)取代基中有兩個(gè)是相同的，另外兩個(gè)也是相同的，如A、A、B、B，則共有11種同分異構(gòu)體。可以進(jìn)行如下的思維過(guò)程分析：

（1）由前述的苯環(huán)上的三元取代可知，苯環(huán)上含有A、A、B三個(gè)取代基的同分異構(gòu)體共有6種（具體過(guò)程詳見(jiàn)前面圖2-a、b、c）；

（2）然后再分別在這6種三取代產(chǎn)物上再取代一個(gè)B：

AA在間位時(shí)共有3+1+0=4種

AA在對(duì)位時(shí)共有3種

因此，共有4+4+3=11種四取代產(chǎn)物。

4.4 四個(gè)取代基中三個(gè)相同

如果四個(gè)取代基中有三個(gè)是相同的，如A、A、A、B，則共有6種同分異構(gòu)體?？梢赃M(jìn)行如下的思維過(guò)程分析：

（1）由前述的苯環(huán)上的三元取代可知，苯環(huán)上含有A、A、A三個(gè)取代基的同分異構(gòu)體共有3種（連三A苯、偏三A苯、均三A苯，參見(jiàn)前面圖3-a、b、c）；

（2）然后再分別在這三種三取代產(chǎn)物上再取代一個(gè)B：

由上圖可知：連三A苯有2種取代產(chǎn)物，偏三A苯有3種取代產(chǎn)物，均三A苯有1種取代產(chǎn)物，因此，共有2+3+1=6種取代產(chǎn)物。

4.5 四個(gè)取代基完全相同

如果四個(gè)取代基是完全相同的，如A、A、A、A，則共有3種同分異構(gòu)體?？梢杂脫Q位法進(jìn)行思考分析：此時(shí)苯環(huán)上還有兩個(gè)H原子，而兩個(gè)H原子只有鄰、間、對(duì)三種情況，故四個(gè)A取代苯環(huán)的產(chǎn)物共有3種。

小結(jié)如下：

5 苯環(huán)上的五元取代

如果苯環(huán)上有五個(gè)取代基，則要分七種情況進(jìn)行討論：

5.1 五個(gè)取代基完全不同

如果五個(gè)取代基是完全不同的，如A、B、C、D、E，則共有60種同分異構(gòu)體。可以進(jìn)行如下的思維過(guò)程分析：

（1）由前述的苯環(huán)上的四元取代可知，苯環(huán)上含有A、B、C、D四個(gè)取代基的同分異構(gòu)體共有30種（具體過(guò)程詳見(jiàn)前面圖1-a、b、c以及圖4-a、b、c）；

（2）然后再分別在這30種四取代產(chǎn)物上再取代一個(gè)E：

由于在苯環(huán)上取代四個(gè)不同取代基A、B、C、D所得的產(chǎn)物沒(méi)有任何的對(duì)稱軸（如圖8-a、b、c所示），再取代一個(gè)E時(shí)皆有2種可能。因此，共有30×2=60種產(chǎn)物。

5.2 五個(gè)取代基最多兩個(gè)相同

如果五個(gè)取代基中最多有兩個(gè)是相同的，如A、A、B、C、D，則共有30種同分異構(gòu)體?？梢赃M(jìn)行如下的思維過(guò)程分析：

（1）由前述的苯環(huán)上的四元取代可知，苯環(huán)上含有A、A、B、C四個(gè)取代基的同分異構(gòu)體共有16種（具體參見(jiàn)前面圖2-a、b、c以及圖5-a、b、c、d、e、f）；

（2）然后再分別在這16種四取代產(chǎn)物上再取代一個(gè)D：通常各有兩種取代產(chǎn)物，除了下圖所示的兩種四取代產(chǎn)物（由于具有對(duì)稱軸）只有一種一D取代產(chǎn)物外。

因此，共有取代產(chǎn)物為：14×2+2×1=30。

另一種新的具有更高效率的方法是“基礎(chǔ)換元取代法”。整個(gè)分析過(guò)程如下：

（1）由前面的分析可知：如果苯環(huán)上有四個(gè)取代基，且這四個(gè)取代基是完全不同的，如A、B、C、D，則共有30種同分異構(gòu)體。

（2）我們可以把四取代看作是六取代的情況：如果苯環(huán)上有A、B、C、D、H、H六個(gè)基團(tuán)，則共有30種同分異構(gòu)體。

（3）把上述的兩個(gè)H原子看作是兩個(gè)E基團(tuán)，那也就是說(shuō)，如果苯環(huán)上有A、B、C、D、E、E六個(gè)基團(tuán)，則共有30種同分異構(gòu)體。

（4）然后把其中的單一取代基B、C、D中的任何一個(gè)用H原子取代，比如說(shuō)B用H原子取代，那就是說(shuō)，如果苯環(huán)上有A、H、C、D、E、E六個(gè)基團(tuán)，則共有30種同分異構(gòu)體。

（5）如果苯環(huán)上有A、H、C、D、E、E六個(gè)基團(tuán)，那就相當(dāng)于苯環(huán)上有A、C、D、E、E五個(gè)基團(tuán)，則共有30種同分異構(gòu)體。

整個(gè)過(guò)程可以用表格的形式清晰展示如下：

借助于H原子的“中介”，將未知的五元取代通過(guò)六元取代的“橋梁”轉(zhuǎn)化為已知的四元取代，這在本質(zhì)上是數(shù)學(xué)的換元取代法，然而由于這種換元取代是借助了作為苯環(huán)的基礎(chǔ)組成原子——H原子，所以筆者把這種方法命名為“基礎(chǔ)換元取代法”。這種方法具有簡(jiǎn)潔直觀的優(yōu)點(diǎn)，它將苯環(huán)上不同的多元取代（如上述的四元取代、五元取代、六元取代）有機(jī)地聯(lián)系在一起，突出了苯環(huán)多元取代的系統(tǒng)性和整體性。

5.3 五個(gè)取代基最多兩個(gè)相同，另兩個(gè)也是相同

如果五個(gè)取代基中最多有兩個(gè)是相同的，還有另外兩個(gè)也是相同的，如A、A、B、B、C，則共有16種同分異構(gòu)體。用基礎(chǔ)換元取代法可以進(jìn)行如下的思維過(guò)程分析：

5.4 五個(gè)取代基最多三個(gè)相同，另兩個(gè)不同

如果五個(gè)取代基中最多有三個(gè)是相同的，另外兩個(gè)是不相同的，如A、A、A、B、C，則共有10種同分異構(gòu)體。用基礎(chǔ)換元取代法可以進(jìn)行如下的思維過(guò)程分析：

5.5 五個(gè)取代基最多有三個(gè)相同，另兩個(gè)也相同

如果五個(gè)取代基中最多有三個(gè)是相同的，另外兩個(gè)也是相同的，如A、A、A、B、B，則共有6種同分異構(gòu)體。用基礎(chǔ)換元取代法可以進(jìn)行如下的思維過(guò)程分析：

5.6 五個(gè)取代基最多四個(gè)相同

如果五個(gè)取代基中最多有四個(gè)是相同的，如A、A、A、A、B，則共有3種同分異構(gòu)體。（請(qǐng)自行加以推理）

5.7 五個(gè)取代基都相同

如果五個(gè)取代基全都是相同的，如A、A、A、A、A，則只有1種結(jié)構(gòu)。小結(jié)如下：

6 苯環(huán)上的六元取代

如果苯環(huán)上有六個(gè)取代基，其處理方法類似于五個(gè)取代基，只不過(guò)是將五取代產(chǎn)物后苯環(huán)上所剩下的最后一個(gè)H原子再用另外的基團(tuán)如F基團(tuán)取代，這在本質(zhì)上只是換元而已，因此不會(huì)影響異構(gòu)體的種數(shù)。

由五取代基衍變而來(lái)的六取代基情況如下：

當(dāng)然還多了一些其他的情況（請(qǐng)自行加以推理），如：

7 苯環(huán)上多元取代的同分異構(gòu)體種數(shù)的歸納總結(jié)

整個(gè)表格的編排結(jié)構(gòu)與原子半徑的周期性排布具有顯著的相似性：從上到下同分異構(gòu)體的種數(shù)增多，從左到右同分異構(gòu)體的種數(shù)減少，且相互之間具有內(nèi)在的客觀必然聯(lián)系。

上面詳盡展示了一個(gè)復(fù)雜化學(xué)問(wèn)題的系統(tǒng)性解決的方法與過(guò)程。從簡(jiǎn)單的一元取代、二元取代向較為復(fù)雜的三元取代、四元取代衍生并升級(jí)到五元取代而后最終達(dá)到六元取代，這揭示了事物從小到大、從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的螺旋式發(fā)展的客觀演變過(guò)程。

“海納百川，有容乃大”，將化學(xué)、生物學(xué)、數(shù)學(xué)、哲學(xué)、建筑學(xué)、文學(xué)融而為一，突破基礎(chǔ)化學(xué)教學(xué)領(lǐng)域的思維定勢(shì)和狹礙視野，不斷改革創(chuàng)新，促進(jìn)內(nèi)涵發(fā)展[3]，揭示事物自身內(nèi)在發(fā)展的客觀規(guī)律，從而在更高的思維層次和更廣闊的視野上促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新能力[4]和綜合素質(zhì)的提升，這將揭開(kāi)化學(xué)時(shí)代變革的新篇章。

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