第2 讲 有机物的空间结构 同系物和同分异构体
考点一 有机物分子的空间结构
1.有机物组成结构表示方法(如乙酸)
结构式
结构简式
CH3COOH
键线式
球棍模型
空间填充模型
小题对点过
有机物的表示方法多种多样,下面是常用的几种表示方法:
①
②
③CH3CH3
④
⑤
⑥
⑦
⑧
(1)上述表示方法中,属于键线式的为 (填序号,下同),属于空间填充模型的为 ,属于
球棍模型的为 。
(2)写出物质②的分子式: 。
(3)写出物质①中官能团的电子式: 。
(4)物质③的最简式 。
(5)物质⑥分子中所有的碳原子 (填“能”或“不能”)同时在一个平面上。
答案 (1)②⑥ ⑤ ⑧ (2)C6H12
(3)·C
‥
︰
︰O
‥ ︰
O
‥
‥ ︰H (4)CH3 (5)不能
2.有机物的成键方式和空间结构
与碳原子相
连的原子数
4
3
3
2
结构示意
—C≡
碳原子的杂化方式
sp
3
sp
2
sp
2
sp
碳原子的成键方式
σ 键
σ 键、
π 键
σ 键、
π6
6
σ 键、
π 键
碳原子与相邻原子形成的
结构单元的空间结构
四面体形
平面
三角形
平面正
六边形
直线形
原子共面情况
甲烷型分
子中最多
有3 个原
子共面
乙烯型分
子中6 个
原子共面
苯型分子
中12 个原
子共面
乙炔型分
子中4 个
原子共线
小题对点过
下列说法正确的是 。
①有机物分子中与碳碳双键或苯环直接相连的原子一定共平面
②若有机物分子中碳原子只采取sp、sp2杂化,则分子中所有原子一定共平面
③若有机物分子中含有手性碳原子,则分子中所有原子不可能共平面
④戊烷中碳原子的杂化方式有sp3、sp2两种
⑤乙烯的结构简式为CH2CH2
答案 ①③
1.碳原子的不同结合方式使得有机物种类繁多,下列碳原子的结合方式错误的是( )
答案 C
解析 碳原子可形成4 个共价键,而C 项中碳原子形成5 个共价键,不符合碳原子的成键特点。
2.下列物质中所有原子均共面的是( )
A.二氯甲烷
B.1,1,2,2-四氯乙烷
C.1,2-二氯乙烯
D.乙醛
答案 C
解析 结合CH4为正四面体结构可知,含有饱和碳原子的分子中所有原子一定不共平面,A、B、D
中均含饱和碳原子,所有原子不可能共面,1,2-二氯乙烯是乙烯中的两个氢原子被氯原子替代,乙烯为
平面结构,则1,2-二氯乙烯为平面结构,所有原子均共面,C 正确。
3.有机物
分子中最多有 个碳原子在同一平面内,最多有
个原子在同一条直线上,苯环平面内的碳原子至少有 个。
答案 11 6 9
解析
以碳碳双键为中心,根据乙烯、苯、乙炔、甲烷的结构,可以画出如图所示结构。由于碳碳单键可以
绕轴自由旋转,炔直线一定在苯平面内,苯平面和烯平面可能共面,也可能不共面,因而该有机物分子
中的所有碳原子可能共面,最多有5+6=11 个碳原子共面,至少有6+2+1=9 个碳原子在苯平面内。由
于苯分子、乙烯分子的键角均为120°,炔直线与所在苯环正六边形对角线上的碳原子共线,因而5 个
碳原子和炔基上的1 个氢原子共线,即5+1=6。
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)直线与平面连接,则直线在这个平面上。如苯乙炔:
,所有原子共平面。
(3)平面与平面、直线、立体结构连接
①碳碳单键的旋转
碳碳单键两端碳原子所连接的基团能以“C—C”为轴旋转。
②恰当拆分复杂分子
观察复杂分子的结构,先找出类似于甲烷、乙烯、乙炔和苯分子的结构,再将对应的空间结构及键的
旋转等知识进行迁移即可解决有关原子共面、共线的问题。
考点二 同系物和同分异构体
1.同系物
小题对点过
下列物质一定互为同系物的是 。
①
②
③
④C2H4
⑤CH2==CH—CH==CH2
⑥CH2==CHCH2OH ⑦
⑧
答案 ④⑧ ⑤⑦
2.有机物的同分异构现象和同分异构体
(1)概念
化合物分子式相同、结构不同的现象称为同分异构现象。具有同分异构现象的化合物互为同分异
构体。
(2)类型
(3)常考官能团异构
组成通式
不饱和度(Ω)
可能的类别异构
CnH2n
1
烯烃和环烷烃
CnH2n-2
2
炔烃、二烯烃和环烯烃
CnH2n+2O
0
饱和一元醇和醚
CnH2nO
1
饱和一元醛和酮、烯醇等
CnH2nO2
1
饱和一元羧酸和酯、羟基醛酮等
3.同分异构体的书写
(1)烷烃同分异构体的书写
缩链法(主链由长到短,支链由整到散,位置由心到边)。
小题对点过
写出C7H16含有两个支链的同分异构体。
、 、
、 。
答案
(2)烯烃、炔烃同分异构体的书写
①顺序:碳架异构→位置异构→官能团异构。
②技巧:烷烃邻碳去氢。烷烃邻碳上各去一个H 可变成烯烃、邻碳上各去两个H 可变成炔烃。
小题对点过
分别写出碳原子数为4 的烯烃、炔烃的同分异构体(不考虑立体异构)。
烯烃: 、 、
。
炔烃: 、 。
答案 CH2==CH—CH2CH3 CH3CH==CHCH3
CH3C≡CCH3 CH≡CCH2CH3
(3)苯的同系物
书写方法:支链由整到散,苯环上排列按邻、间、对(由集中到分散)书写。
小题对点过
写出C9H12的含有苯环的二元取代物的同分异构体。
、 、
。
答案
(4)有含氧官能团的有机物
书写顺序:一般按官能团异构(分好类别)→碳架异构→位置异构的顺序书写。
小题对点过
写出C4H10O 属于醇的同分异构体。
、 、
、 。
答案 HO—CH2—CH2—CH2—CH3
1.下列说法正确的是 。
①CH3OH 和HOCH2CH2OH 都属于醇类,互为同系物
②分子式为C4H8和C3H6的有机物一定互为同系物
③
和
所含官能团不同,互为官能团异构
④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
⑤相对分子质量相同的有机物一定是同分异构体
⑥同分异构体和同系物一定属于同类有机物
⑦CH2==CH2和
在分子组成上相差一个CH2原子团,两者互为同系物
答案 ③④
2.下列说法不正确的是 。
A.
和
互为同分异构体
B.
与
是同一种物质
C.
和
互为同分异构体
D.
的一氯代物有8 种(不考虑立体异构)
答案 ABC
3.分子式为C5H11Cl 的同分异构体有 种(不考虑立体异构)。
答案 8
解析 C5H12的碳骨架有3 种:
中有3 种不同化学环境的氢原子分别为①~③号碳上所
连的氢原子;
中有4 种不同化学环境的氢原子,分别为④~⑦号碳上所连的氢原子;
中四个甲基上氢原子完全相同,即只有一种氢原子,当氯原子分别取代①~⑧号碳原子所
连氢原子时,得到8 种一氯代物。
4.分子式为C4H8Cl2的有机物共有(不含立体异构) 种。
答案 9
解析 分子式为C4H8Cl2 的有机物可以采取“定一移一”法:
、
、
,共有9 种。
5.计算分子式为C5H10O2属于酯的同分异构体有 种(不考虑立体异构)。
答案 9
解析 将分子按如下组合拆分:
①HCOO—与—C4H9形成的酯有1×4=4 种;
②CH3COO—与—C3H7形成的酯有1×2=2 种;
③C2H5COO—与—C2H5形成的酯有1×1=1 种;
④C3H7COO—与—CH3形成的酯有2×1=2 种。
则同分异构体的种类有4+2+1+2=9 种。
判断同分异构体数目的常见方法
基团
连接法
将有机化合物看作由基团连接而成,由基团的异构数目可推断有机化合物的
异构体数目。如丁基有4 种,则C4H9Cl、C4H9OH、C4H9COOH 均有4 种
等效
氢法
分子中等效氢原子有如下情况:分子中同一个碳原子上连接的氢原子等效;同
一个碳原子上所连接的甲基上的氢原子等效;分子中处于对称位置上的氢原
子等效
定一
移一法
分析二元取代产物的方法:如分析C3H6Cl2的同分异构体数目,可先固定其中
一个氯原子位置,然后移动另一个氯原子
组合法
一元酯R1COOR2,—R1有m 种,—R2有n 种,则一元酯共有m×n 种
1.(2024·湖南卷)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PF6
−组成的离子液体常温下呈液态,与其离子的体积较大有关
答案 B
解析 A.CH2Cl2为四面体结构,其中任何两个顶点都是相邻关系,因此CH2Cl2没有同分异构体,故A
项说法正确;B.环己烷中碳原子采用sp3杂化,苯分子中碳原子采用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 项说法
错误;C.
带1 个单位电荷,其相对分子质量为92,因此其质荷比为92,故C 项说法正确;D.
当阴阳离子体积较大时,其电荷较为分散,导致它们之间的作用力较弱,二者组成的离子液体常温下
呈液态,故D 项说法正确。
2.(2023·辽宁卷)在光照下,螺吡喃发生开、闭环转换而变色,过程如下。下列关于开、闭环螺吡喃说
法正确的是( )
A.均有手性
B.互为同分异构体
C.N 原子杂化方式相同
D.闭环螺吡喃亲水性更好
答案 B
解析 A.手性是碳原子上连有四个不同的原子或原子团,因此闭环螺吡喃含有手性碳原子如图所示,
,开环螺吡喃不含手性碳原子,故A 错误;B.根据它们的结构简式,分子式均为
C19H19NO,它们结构不同,因此互为同分异构体,故B 正确;C.闭环螺吡喃中N 原子杂化方式为sp3,开
环螺吡喃中N 原子杂化方式为sp2,故C 错误;D.开环螺吡喃中氧原子显负价,电子云密度大,容易与水
分子形成分子间氢键,水溶性增大,因此开环螺吡喃亲水性更好,故D 错误。
3.(2022·重庆卷)关于M 的说法正确的是( )
A.分子式为C12H16O6
B.含三个手性碳原子
C.所有氧原子共平面
D.与(CH3)2C==O 互为同系物
答案 B
解析 A.由题干M 的结构简式可知,其分子式为C12H18O6,A 错误;B.同时连有4 个互不相同的原子或
原子团的碳原子为手性碳原子,故M 中含三个手性碳原子,如图所示:
,B 正确;C.由题
干M 的结构简式可知,形成醚键的碳原子均采用sp3杂化,故不可能所有氧原子共平面,C 错误;D.同系
物是指结构相似(官能团的种类和数目分别相同),组成上相差一个或若干个CH2原子团的物质,故M
与(CH3)2C==O 不互为同系物,D 错误。
4.下列说法错误的是 。
(1)(2023·辽宁卷)顺-2-丁烯的结构简式:
。
(2)(2023·浙江1 月选考)
分子中所有碳原子共平面。
(3)(2022·江苏卷)
与
互为顺反异构体。
(4)(2022·江苏卷)
分子中含有2 个手性碳原子。
(5)(2022·天津卷)
和
互为同系物。
(6)(2022·浙江6 月选考)丙酮(
)和环氧丙烷(
)互为同分异构体。
(7)(2022·浙江6 月选考)乙醇和丙三醇互为同系物。
(8)(2022·江苏卷)
分子中所有碳原子不可能全部共平面。
答案 (1)(4)(5)(7)
基础落实
选择题只有1 个选项符合题意
1.(2024·黑龙江哈尔滨高三期末)下列化学用语正确的是( )
A.丙酸乙酯的结构简式:CH3CH2COOC2H5
B.CH3CHO 的球棍模型:
C.2-丁烯的键线式:
D.乙烯的空间填充模型:
答案 A
解析 丙酸乙酯由丙酸与乙醇发生酯化反应得到,丙酸乙酯的结构简式为CH3CH2COOC2H5,故A 正
确;CH3CHO 的球棍模型为
,故B 错误;2-丁烯中只含1 个碳碳双键,键线式为
,故C 错误;
用原子间的相对大小表示分子的真实的空间结构的模型为空间填充模型,乙烯的空间填充模型为
,故D 错误。
2.下列化合物的分子中,所有原子可能共平面的是( )
A.甲苯
B.乙烷
C.丙炔
D.1,3-丁二烯
答案 D
解析 甲苯、乙烷、丙炔中均含有甲基,其分子中所有原子不可能共平面,A、B、C 错误;1,3-丁二烯
的结构简式为H2C==CH—CH==CH2,根据乙烯的结构可知,该分子中所有原子可能在同一平面内,D
正确。
3.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。
4.(2025·广东江门高三质检)苯环上的一氯代物只有一种的
的同分异构体(不
考虑立体异构)有( )
A.6 种
B.5 种
C.4 种
D.3 种
答案 C
解析 苯环上的一氯代物只有一种就意味着苯环上只有一种化学环境的H 原子,则整个结构需要高
度对称,符合条件的同分异构体有
、
、
、
,C 项正确。
5.分子式为C4H8BrCl 的有机物共有(不含立体异构)( )
A.8 种
B.10 种
C.12 种
D.14 种
答案 C
解析 C4H8BrCl 可看成是C4H10分子中的2 个H 原子被1 个Br 原子和1 个Cl 原子取代得到的产物。
C4H10有正丁烷和异丁烷2 种,被Br 原子和Cl 原子取代时,可先确定Br 原子的位置,再确定Cl 原子的
位置。正丁烷的碳骨架结构为
,Br 原子分别取代1 号碳原子和2 号碳原子上的氢原子
时,Cl 原子均有4 种位置关系,异丁烷的碳骨架结构为
,Br 原子分别取代1 号碳原子和2 号
碳原子上的氢原子时,Cl 原子分别有3 种和1 种位置关系。综上可知,C4H8BrCl 共有12 种结构,C 项
正确。
6.螺环化合物(
)可用于制造生物检测机器人,下列有关该化合物的说法错误的是( )
A.分子式为C5H8O
B.是环氧乙烷(
)的同系物
C.一氯代物有2 种(不考虑立体异构)
D.所有碳原子不处于同一平面
答案 B
解析 根据结构确定该化合物的分子式为C5H8O,故A 正确;该化合物与环氧乙烷结构不相似,二者
不互为同系物,故B 错误;该分子中含有2 种不同化学环境的氢原子,其一氯代物有2 种,故C 正确;该
分子中所有碳原子都具有甲烷的结构特点,不可能处于同一平面,故D 正确。
7.(2025·湖北枝江校际联考)两种有机物的分子式均为C3H8O,二者的沸点信息如下图所示。
下列说法错误的是( )
A.二者互为同分异构体
B.碳原子均为sp3杂化
C.一氯代物均有4 种
D.丙醇分子间存在氢键
答案 C
解析 两种物质分子式一样,但结构不同,丙醇含有羟基属于醇类,甲乙醚含有醚键属于醚类,故二者
互为同分异构体,A 正确;两结构中碳原子均形成四个价键,即都是sp3杂化,B 正确;丙醇的一氯代物有
4 种,甲乙醚的一氯代物有3 种,C 错误;丙醇中羟基中的氢原子和另一个羟基中的氧原子可形成分子
间氢键,D 正确。
8.(2025·辽宁沈阳联考)一种制备抗凝剂的原料M 的结构简式如图。下列关于M 的说法正确的是(
)
A.分子式为C6H10O4
B.含有两种官能团
C.一氯代物有2 种(不考虑立体异构)
D.所有碳原子可能共平面
答案 C
解析 分子式为C6H8O4,A 项错误;分子中只含有酯基一种官能团,B 项错误;M 的一氯代物有2 种(不
考虑立体异构),C 项正确;分子中两个甲基碳原子不可能都位于六元环的平面上,所以所有碳原子不
可能在同一平面,D 项错误。
9.回答下列问题。
Ⅰ.某些烃分子的结构模型如图所示,回答下列问题:
(1)属于空间填充模型的是 (填“甲”“乙”“丙”“丁”或“戊”,下同)。
(2)表示同一种有机化合物的是 。
(3)存在同分异构体的是 ,写出其同分异构体的结构简式: 。
Ⅱ.现有下列几组物质,请将其字母按要求填入空格内:
A.CH2==CH—COOH 和油酸(C17H33COOH)
B.乙醇和乙二醇
C.淀粉和纤维素
D.
与
E.
和
F.
和
(4)互为同系物的是 。
(5)互为同分异构体的是 。
(6)既不是同系物,也不是同分异构体,但可看成是同一类物质的是 。
答案 (1)乙、丙 (2)甲、丙
(3)戊 CH3CH(CH3)CH2CH3、C(CH3)4
(4)AD (5)EF (6)BC
能力提升
10.对羟基苯甲醛是一种用途极广的有机合成中间体。两种主要工业合成路线如图所示。
下列说法正确的是( )
A.苯酚和对羟基苯甲醇互为同系物
B.1 mol 对羟基苯甲醛中含有碳氧π 键的数目为2NA
C.对甲基苯酚的同分异构体中含有苯环的有3 种(不包括其本身)
D.对羟基苯甲醛中所有原子可能共平面
答案 D
解析 由题图知,苯酚与对羟基苯甲醇结构不相似,则二者不互为同系物,A 错误;若苯环上有1 个取
代基,则取代基为—CH2OH 或—OCH3,有2 种;若苯环上有2 个取代基,取代基为—CH3和—OH,除去
本身,有“邻、间”2 种,则共有4 种,C 错误;对羟基苯甲醛中单键可以旋转,则该物质分子中所有原
子可能共平面,D 正确。
11.现有四种有机物,其结构简式如图所示。下列说法不正确的是( )
A.用溴的CCl4溶液可以鉴别a 和b
B.b 与d 互为同分异构体
C.c 的二氯代物有5 种(不考虑立体异构)
D.d 可以发生取代反应、加聚反应
答案 C
解析 a 含有碳碳双键,能够使溴的CCl4溶液褪色,而b 不可以,A 正确;b 和d 的分子式均为C4H8O,结
构不同,互为同分异构体,B 正确;c 的二氯代物有
,共3 种,C 错误;d 分子中含有
羟基,可以发生取代反应,含有碳碳双键,可以发生加聚反应,D 正确。
12.某芳香族化合物甲的分子式为C10H11ClO2,已知苯环上只有两个取代基,其中一个取代基为—Cl,甲
能与饱和碳酸氢钠溶液反应放出二氧化碳,则满足上述条件的有机物甲的同分异构体有( )
A.15 种
B.12 种
C.9 种
D.5 种
答案 A
解析 甲能与饱和碳酸氢钠溶液反应放出二氧化碳,说明含有羧基;苯环上只有两个取代基,其中一
个取代基为—Cl,根据分子式C10H11ClO2确定另一个取代基为—C4H7O2,取代基—C4H7O2含有羧基的
同分异构体有:—CH2CH2CH2COOH 、
、
、
和
共5 种,取代基—C4H7O2与取代基—Cl 有邻、间、对三种情况,则满足条件的同分异
构体的数目为5×3=15。
13.(1)C4H8O 属于醛的同分异构体有 种;C4H8O2属于酸的同分异构体有 种;C4H8O2
属于酯的同分异构体有 种。
(2) 某有机物的化学式为C8H8O2, 写出符合下列条件的有机物的结构简式
。
①含有苯环;②属于酯类。
答案 (1)2 2 4 (2)
、
、
、
、
、
解析 (2)审限定条件确定官能团或特殊基团→观察研究对象确定不饱和度→做减法,拆成碎片→重
新组装。
①甲酸某酯→
②乙酸某酯→
③苯甲酸某酯→
符合条件的同分异构体共有6 种。
14.(1)
的一种同分异构体是人体必需的氨基酸,试写出该氨基酸的结构简式:
。
(2) 写出一个符合以下条件的
的同分异构体的结构简式:
。
①能与Fe3+发生显色反应;②能发生银镜反应和水解反应;③苯环上一氯取代物只有1 种。
(3) 遇FeCl3 溶液显紫色且苯环上有两个取代基的
的同分异构体有
种。
(4)
的同分异构体中,既能发生银镜反应,又能与FeCl3溶液发生显色反应的共
有 种,其中核磁共振氢谱为5 组峰,且峰面积比为2∶2∶2∶1∶1 的为 (写结构简
式)。
答案 (1)
(2)
或
(3)3 (4)13
解析 (1)α-氨基苯甲酸,也叫苯丙氨酸,与
互为同分异构体。(2)由条件①可知该
同分异构体中含有酚羟基;结合条件②知,该同分异构体中含有甲酸酯基;再结合条件③,可写出符合
条件的同分异构体为
或
。(3)除苯环外不饱和度为1,还有2
个碳原子,1 个氧原子,可知除酚—OH 外另一取代基为—CH==CH2,苯环上有邻、间、对3 种结构。
(4)根据限定条件确定含有酚羟基和醛基两种官能团,步骤是先确定—OH 和—CHO 在苯环上的位置,
再定最后一个饱和C 原子的位置如图1、2、3。
