楊焱+曠湘平

摘要：歸納梳理了兩種常見的含氮原子有機物同分異構(gòu)體數(shù)目判斷的方法，將陌生的含氮原子有機物同分異構(gòu)體問題與熟悉的有機物碳鏈異構(gòu)問題和官能團位置異構(gòu)問題建立本質(zhì)聯(lián)系，構(gòu)造等價替代模型。運用該模型分析鏈狀含氮原子有機物、芳香族含氮原子有機物及含多個氮原子有機物同分異構(gòu)體數(shù)目，得出CxHyNmOz的同分異構(gòu)體數(shù)目與Cx+mHyOzXm（X為鹵原子）的同分異構(gòu)體數(shù)目相同（一個碳原子最多連接一個鹵原子）。若是芳香族化合物，與其非苯環(huán)上的多鹵代物數(shù)目相同。該模型有效克服了判斷時遺漏或重復考慮的情況，降低了思維難度，大大提高了判斷準確率。

關(guān)鍵詞：同分異構(gòu)體；含氮有機物；構(gòu)造等價替代法；有機化學教學

文章編號：1005–6629（2017）5–0084–05 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1 問題的提出

同分異構(gòu)體是高中有機化學課程基本的核心概念之一，在中學化學學科100個關(guān)鍵詞中，重要程度排在第44位[1]，其理解及應用貫穿于有機化學學習的始終。同分異構(gòu)體數(shù)目判斷問題知識覆蓋面廣、綜合程度深、思維靈活度大，一直是高考考察的熱點和難點。特別是近幾年高考多次出現(xiàn)含氮原子有機化合物同分異構(gòu)體數(shù)目的判斷問題，新課標全國Ⅰ卷體現(xiàn)得尤為明顯。

2014年新課標全國Ⅰ卷38（4）：

查閱多種高考復習資料和網(wǎng)上的相關(guān)資源，發(fā)現(xiàn)目前流行的解法有兩種：

（1）基團接入法

①苯環(huán)上連接氨基的同分異構(gòu)體還有8種情況，具體如下：

②乙基上連接氨基有2種情況；甲基上連接氨基有3種情況；

③氨基上連接乙基有1種情況；氨基上連接一個甲基有4種情況；氨基上連接二個甲基有1種情況。符合條件的同分異構(gòu)體還有19種。

（2）基團組合法

①苯環(huán)上有3個取代基有6種情況：兩個-CH3可鄰位、間位和對位，-NH2可能的位置分別有2種、3種和1種；

②苯環(huán)上有2個取代基有8種情況：-C2H5和-NH2可鄰位和間位，-CH3和-CH2NH2可鄰位、間位和對位，-CH3和-NHCH3可鄰位、間位和對位；

③苯環(huán)上有1個取代基有5種情況：分別為-CH2CH2NH2、-CH（CH3）NH2、-N（CH3）2、-NHCH2CH3和-CH2NHCH3。符合條件的同分異構(gòu)體還有19種。

該方法進行數(shù)目判斷時，容易出現(xiàn)分類不全面的問題。由于受思維定勢的影響，經(jīng)常遺漏苯環(huán)上有1個取代基的情況。特別是未考慮-CH（CH3）NH2、-N（CH3）2這兩個基團的連接方式。

運用上述兩種方法解題時，多數(shù)學生存在分類不全面或重復考慮的情況。主要原因是高中化學課程標準和高考大綱沒有明確要求學生必須掌握含氮原子有機化合物的結(jié)構(gòu)，學生對這類有機化合物的結(jié)構(gòu)特點缺乏深刻的認識；忽視苯環(huán)結(jié)構(gòu)的對稱性，尤其是苯環(huán)對位是相同取代基時，容易重復考慮[2]。為突破這一難點，本文歸納梳理了兩種常見的判斷方法，并將陌生的含氮原子有機化合物同分異構(gòu)體問題與熟悉的碳鏈異構(gòu)問題和官能團位置異構(gòu)問題建立本質(zhì)聯(lián)系，構(gòu)造等價替代模型，降低思維難度，有效地克服了含氮原子有機化合物同分異構(gòu)體數(shù)目判斷時遺漏或重復考慮的情況，大大提高判斷準確率。運用該方法在教學中收到了很好的效果。

2 方法的運用

通過查閱相關(guān)文獻、結(jié)合教學實踐經(jīng)驗，總結(jié)歸納出兩種常見的判斷方法并提出一種新的方法。以例題的形式進行說明。

例1 分子式為C4H11N的有機化合物有多少種同分異構(gòu)體[3]？（不考慮立體異構(gòu)）

首先將C4H11N改寫成C4H9-NH2，分析該化合物的不飽和度Ω=0。分子中所有原子均以單鍵形式連接[4]。

2.1 分類接插法

根據(jù)氮原子的連接方式，可以分成三種情況：

（1）氮原子連接在碳原子上，共有4種同分異構(gòu)體。詳見圖1。

（2）氮原子插入碳原子之間，共有3種同分異構(gòu)體。詳見圖2。

（3）氮原子為中心與碳原子連接，共有1種同分異構(gòu)體。詳見圖3。

綜上分析，C4H11N的同分異構(gòu)體共有8種。運用這種方法判斷數(shù)目時，由于采用分類討論的思想，需要嚴密的邏輯思維，若考慮不周全，容易出現(xiàn)遺漏的情況。教學實踐中發(fā)現(xiàn)氮原子為中心與碳原子連接的同分異構(gòu)體遺漏的情況十分普遍。

2.2 基團組合法

根據(jù)氮原子的成鍵特點，可以形成三種不同的結(jié)構(gòu)類型，然后進行基團的組合[5]。詳見表1。

運用這種方法進行R1-NH-R2類型基團組合時，由于忽視仲胺基（-NH-）的對稱性，容易出現(xiàn)重復的情況，如圖4。

上述兩種方法使用時，遺漏或重復考慮的情況經(jīng)常發(fā)生。下面構(gòu)建一種能有效克服這些缺點，快速準確地判斷同分異構(gòu)體數(shù)目的方法——等價替代法。

2.3 等價替代法

有機物中氮原子與其他原子能形成三對共用電子對，次甲基（≡CH）也可以與其他原子形成三對共用電子對。將有機物中氮原子替換成次甲基（≡CH），不會改變有機物的不飽和度。首先將C4H11N中的氮原子替換成次甲基（≡CH），得到分子式為C5H12。判斷該分子的不飽和度Ω=0，寫出該分子碳鏈異構(gòu)的同分異構(gòu)體，然后將連接有氫原子的碳原子替換為氮原子即可。詳細步驟如圖5。

等價替代法得出C4H11N的同分異構(gòu)體為8種，C5H12的一氯代物也是8種，兩者之間存在必然的聯(lián)系。因為碳原子上連接有氫原子時才能被氯原子取代，與碳原子上連接有氫原子才能被氮原子替換是等價關(guān)系，所以C4H11N的同分異構(gòu)體數(shù)目與C5H11X（X為鹵素原子）的同分異構(gòu)體數(shù)目相同。

3 模型的建構(gòu)

基于以上分析，構(gòu)建等價替代法的理論模型如圖6。

等價替代法的優(yōu)點是使復雜問題簡單化，將陌生的含氮原子有機化合物同分異構(gòu)體問題等價轉(zhuǎn)化為熟悉的碳鏈異構(gòu)問題和官能團位置異構(gòu)問題，大大降低了思維難度，有效地避免了分類討論和基團組合時頻繁出現(xiàn)遺漏或重復考慮的情況，提高了判斷的準確率。

例2 鏈狀有機化合物C4H9N有多少種同分異構(gòu)體？（不考慮立體異構(gòu)）

運用等價替代模型分析過程如圖7。

戊烯的一鹵取代物數(shù)目用等效氫法[6]判斷，具體解答過程如表2。

規(guī)則三：CxHyN等價替代法模型適用于不飽和度Ω≠0的情況。

例3 （2014·新課標全國卷Ⅰ，38）C8H11N的同分異構(gòu)體中含有苯環(huán)的有多少種？（不考慮立體異構(gòu)）

運用等價替代模型分析過程如圖8。

芳香烴的一鹵取代物數(shù)目用等效氫法判斷，具體解答過程如表3。

等價替代法判斷含有氮原子的芳香族化合物同分異構(gòu)體數(shù)目時，如果苯環(huán)上的碳原子被氮原子替換，苯環(huán)就變成了含氮原子的六元雜環(huán)，因此運用等效氫法進行一鹵取代時，苯環(huán)上的氫原子不能被取代。

規(guī)則四：CxHyN的芳香族同分異構(gòu)體數(shù)目與Cx+1HyX（鹵原子不能直接與苯環(huán)連接）的同分異構(gòu)體數(shù)目相同。

①分子中含有羧基；

②1H-NMR譜顯示分子中含有苯環(huán)，且苯環(huán)上有兩種不同化學環(huán)境的氫原子。

運用等價替代模型分析過程如圖9。

根據(jù)不飽和度Ω=5和①、②兩個限定條件，可以得出該芳香族化合物有兩個取代基且位于對位，并含有一個羧基。其一鹵取代物數(shù)目用等效氫法判斷，具體解答過程如表4。

當含氮原子有機化合物中有氧原子時，仍然可以運用等價替代法進行判斷。由于替換一個氧原子需要一個氮原子和一個氫原子，因此有機物中的氧原子不能被氮原子替換，氧原子對替換過程沒有影響。

規(guī)則五：CxHyNOz的同分異構(gòu)體數(shù)目與Cx+1HyOzX的同分異構(gòu)體數(shù)目相同。若是芳香族化合物，與其非苯環(huán)上的一鹵代物數(shù)目相同。

例5 有機化合物C3H10N2有多少種同分異構(gòu)體？（不考慮立體異構(gòu)）

運用等價替代模型分析過程如圖10。

烷烴的二鹵代物數(shù)目用定一移二法[7]判斷，具體解答過程如表5。

等價替代法判斷含有多個氮原子的有機化合物同分異構(gòu)體數(shù)目時，碳鏈中的每個碳原子最多被氮原子替換一次，因此運用定一移二法進行多鹵取代時，每個碳原子連接的氫原子也最多被取代一次。

規(guī)則六：CxHyNm的同分異構(gòu)體數(shù)目與Cx+mHyXm（一個碳原子最多連接一個鹵原子）的同分異構(gòu)體數(shù)目相同。

4 結(jié)論

綜上分析，可以得出如下結(jié)論：

結(jié)論一：CxHyNmOz替換成Cx+mHy+mOz時，有機化合物的不飽和度不改變；

結(jié)論二：CxHyNmOz等價替代法模型適用于不飽和度Ω≠0的情況；

結(jié)論三：CxHyNmOz的同分異構(gòu)體數(shù)目與Cx+mHyOzXm的同分異構(gòu)體數(shù)目相同（一個碳原子最多連接一個鹵原子）。若是芳香族化合物，與其非苯環(huán)上的多鹵代物數(shù)目相同。

參考文獻：

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