有序思维突破有机物同分异构体书写

摘要

同分异构体的书写一直都是高考有机化学解题中的难点，分析2025年各省高考试题的考情，总结解决此类问题需要储备的相关知识（特征性质和特征结构），构建同分异构体的书写模型，并以高考真题中同分异构体的书写为例，详细直观地应用模型解决问题，形成限制条件下同分异构体的书写思路，培养学生严谨有序的逻辑思维。有序思维降低了限制条件下同分异构体书写的难度，提高了学生解决问题的能力和效率，提升了学生证据推理和模型认知的化学核心素养。

Graphical abstract

关键词

同分异构体 / 基团片段 / 储备知识 / 有序思维 / 有机物 / 特征性质 / 特征结构

在浩瀚的化学宇宙中，存在着一种奇妙的现象——不同分子拥有相同的分子式，却展现出截然不同的结构和性质，这便是同分异构体。这一现象不仅挑战了我们对物质结构的直观理解，也为化学研究、生物医药及材料科学等领域带来了无限可能。而同分异构体的书写是有机化学中的难点，每年的高考题常会考查同分异构体结构的书写或数目的判断。该知识点既可以考查学生对有机官能团性质的掌握情况，又可以评价学生对有机结构的认识水平，还能检验学生思维的准确性、有序性、发散性、严谨性和敏捷性^［1］。

1 考情分析

综观各省高考试题，可以看到题目中会限制条件，如能发生银镜反应或者能与氯化铁溶液发生显色反应等有关特征性质的限定，又如题目中会提供核磁共振氢谱的峰面积之比，或者是否含有苯环结构等关于特征结构的限定，具体见表1。因此，可从特征性质和特征结构这两方面突破同分异构体书写。

2 储备相关知识

2.1 特征性质

从高考真题中不难发现，解题前需储备能从特征性质中推得官能团基团片段的相应知识，见表2。

2.2 特征结构

对于结构限制条件，首先需认真审题，初步判断碳骨架、是否含有苯环，以及分子的不饱和度情况。不饱和度是用于衡量有机物分子中的不饱和程度，用希腊字母Ω表示，一般与含碳原子数相等的饱和开链烷烃相比，每少2个H，则其不饱和度增加1。具体计算公式如下：\mathrm{\Omega }=N(\mathrm{C})+\mathrm{1}-\frac{N(\mathrm{H})+N(\mathrm{X})-N(\mathrm{N})}{\mathrm{2}}，其中X表示卤素原子，N表示氮、磷原子。但是考场上时间紧迫，计算耗时，建议直接记住几种常见结构的不饱和度，详见表3。

接着判断支链或取代基的位置，采用插入法尽可能先往结构对称的角度去思考。再结合题目所给的核磁共振氢谱的峰面积之比等限制条件作出判断。当然，该点是解题的难点，为解决该难点，需学会判断等效氢。如针对该有机物 ，能否判断其含有几种不同化学环境的氢？核磁共振氢谱的峰面积之比又是如何？通过以下3点便能快速得到答案：①同一碳原子上的氢原子等效，②连在同一碳原子上相同基团上对应的氢原子等效，③处于镜面对称位置的氢原子等效^［2］，如图1所示，虚线左右两边镜面对称，该有机物共含3种不同化学环境的氢，分别用圆圈、黑点、三角形标示，故该峰面积比为12∶2∶2，即6∶1∶1。

从表1可知，很多题目涉及芳香族化合物，取代在苯环上的同分异构体数目判断是高考热点，故也需储备不同数目取代基下苯环上有几种化学环境氢。根据“先定后动，顺时思考”等有序思维方式，归纳出题中常见的苯环上发生二元取代及三元取代的同分异构体数目，见表4，为便于表示，分别用X、Y、Z代表不同的取代基。为节省解题时间，建议学生记忆各自的种类数，方便快速得到答案。如苯环上的三取代，可借助著名运动品牌361°加深记忆，分别为3、6、10种。

3 有序思维建构解题模型

有了相关的储备知识，书写同分异构体只要做到思维有序，按照图2所示的步骤，相信该知识点将不再是难点。

例题1（2023年全国乙卷节选）在D（ ）的同分异构体中，同时满足下列条件的共有____种：①能发生银镜反应；②遇FeCl₃溶液显紫色；③含有苯环。其中，核磁共振氢谱显示为五组峰且峰面积比为2∶2∶2∶1∶1的同分异构体的结构简式为________。

根据图3所示的步骤，有序思维解题，①认真观察该题的研究对象D分子：含有1个苯环、扣除苯环外还有2个C、2个O，Ω=1；②根据题目所给的限制条件推测该有的官能团等基团片段：能发生银镜反应说明含有-CHO或HCOO-，遇FeCl₃溶液显紫色含 ，又因只含2个氧原子，故排除HCOO-；③做减法：将第一步得到的数据扣除第二步审查限制条件推得基团片段，还剩有1个C，Ω=0；④拼装组合：将得到的基团片段 、-CHO、1个C像拼装积木一样组合起来，结合表4，当苯环上连有3个不同取代基时，其同分异构体共有10种，若1个C与-CHO相连（-CH₂-CHO），则苯环上连有2个不同取代基，其同分异构体共有3种，故满足题给条件的同分异构体共有13种。其中，核磁共振氢谱显示为五组峰且峰面积比为2∶2∶2∶1∶1，说明无甲基，属于苯环上二取代结构，从对称角度入手思考，应为对位取代 。

例题2（2022年全国乙卷节选）在E（ ）的同分异构体中，同时满足下列条件的为种：①含有一个苯环和三个甲基；②与饱和碳酸氢钠溶液反应产生二氧化碳；③能发生银镜反应，不能发生水解反应。上述同分异构体经银镜反应后酸化，所得产物中，核磁共振氢谱显示有四组氢（氢原子数量比为6∶3∶2∶1）的结构简式为__。

根据图4所示的步骤组合出一种符合条件的同分异构体 ，结合表4，当苯环上连有3个不同的取代基 ，其同分异构体共有10种^［3］。经银镜反应后酸化，醛基变为羧基，再从对称结构入手，所得产物中核磁共振氢谱显示有4组氢且氢原子数量比为6∶3∶2∶1的结构简式为 、 。

例题3（2024年全国甲卷节选）I（ ）的同分异构体中，同时满足下列条件的共有_____种（不考虑立体异构）：①含有手性碳（连有4个不同的原子或基团的碳为手性碳）；②含有两个苯环；③含有两个酚羟基；④可发生银镜反应。

按照图5所示的步骤，利用有序思维解题。

遵循由整到散的思路，接着在已拼装的主体结构中插入2个酚羟基，利用“先定后动”的思维，定一移一。

①若2个酚羟基均在同一个苯环上。

先固定一个羟基处于其他基团的邻位，顺时针有序思考，另一个羟基可插入图6-a的4个位置；固定一个羟基与之间位，如图6-b，因前面邻位均已考虑，故排除，剩2种；最后固定一个羟基与之对位，存在对称结构，两边相同，如图6-c，无其他结构。

②若2个酚羟基分布在不同苯环上。

先固定一个羟基处于其他基团的邻位，因另一苯环存在对称，上下两边相同，思考一边即可，又因中心碳原子需为手性碳原子，故排除邻位，剩两位置可插入，如图6-d；固定一羟基与之间位，同方法有序思考，只有如图6-e该种结构；最后将一羟基移至对位，另一羟基在邻位、间位均已在前面考虑过，但若插于对位，则中心碳原子便不属于手性碳原子，故排除。

综上所述，该题满足条件的共有4+2+2+1=9种。

4 结语

有序思维是指思考解决问题时遵循一定的顺序、按照特定的线索和步骤去探索，一步步向前推进，直至有效地完成任务、实现目标的一种思维方式^［1］。在有序思维下，采用“拼装组合法”，先依据题目所给信息和储备知识确定满足条件的基团片段，最后在组装基团片段时，采用先定后动，确定主体结构，再有序插入其他基团片段，即可快速、严谨地写出所有满足条件的同分异构体，提高解题效率。同时，使学生考虑问题更具条理性，避免写重或缺漏，从而提高学生运用有序思维解决问题的能力，并发展学生证据推理和模型认知的化学核心素养^［4］。

参考文献

[1] 江雄，周庆隆.同分异构体书写有序性思维的探讨［J］.中学化学教学参考，2023（04）：64-67.

[2] 周学兴.常见有机化合物的核磁共振氢谱图分析［J］.实验教学与仪器，2023，40（11）：7-10.

[3] 肖中荣.有机化学试题命题特点与复习备考策略［J］.中学化学教学参考，2023（02）：42-46.

[4] 冼悄梅.突破限定条件同分异构体书写技巧［J］.中学化学，2024（05）：36-37.

基金资助

教育部福建师范大学基础教育课程研究中心2024年开放课题“学科大概念统摄下的化学项目式教学研究”(KCA2024328)