[科普中国]-同分异构体

定义：化学上，同分异构体是一种有相同分子式而有不同的原子排列的化合物。简单地说，化合物具有相同分子式，但具有不同结构的现象，叫做同分异构现象；具有相同分子式而结构不同的化合物互为同分异构体。很多同分异构体有相似的性质。有机化学中，同分异构体可以是同类物质（含有相同的官能团），也可以是不同类的物质（所含官能团不同）。

基本内容说明同分异构体又称**同分异构物。**在化学中，是指有着相同分子式的分子，各原子间的化学键也常常是相同的；但是原子的排列却是不同的。也就是说，它们有着不同的“结构式”。许多同分异构体有着相同或相似的化学性质。同分异构现象是有机化合物种类繁多数量巨大的原因之一 。

性质同分异构体的组成和分子量完全相同而分子的结构不同、物理性质和化学性质也不相同，

如乙醇和甲醚【C2H6O】。

同分异构体简称异构体。

有机物中的同分异构体分为构造异构和立体异构两大类。具有相同分子式，而分子中原子或基团连接的顺序不同的，称为构造异构。在分子中原子的结合顺序相同，而原子或原子团在空间的相对位置不同的，称为立体异构。

构造异构又分为**（碳）链异构**、位置异构和官能团异构（异类异构 ）。立体异构又分为构象和构型异构，而构型异构还分为顺反异构和旋光异构(又称对映异构)。

应用同分异构现象广泛存在于有机物中，同分异构体的知识也贯穿于中学有机化学的始终。因此，分析、判断同分异构体也就成为有机化学的一大特点。作为高考命题的热点之一，这类试题是考查学生空间想象能力和结构式书写能力的重要手段。考生在平时训练中就应逐渐领会其中的本质，把握其中的规律。

历史雷酸银和氰酸银是人类发现的第一个同分异构体。

1830年，柏济力阿斯提出了一个崭新的化学概念，叫做“同分异性”。意思是说，同样的化学成分，可以组成性质不同的化合物。他认为，氰酸与雷酸，便属于“同分异性”，它们的化学成分一样，却是性质不同的化合物。在此之前，化学界一向认为，一种化合物具有一种成分，绝没有两种不同化合物具有同一化学成分。

书写规则“价键数守恒”原理：在有机物分子中碳原子的价键数为4，氧原子的价键数为2，氢原子的价键数为1，不足或超过这些价键数的结构都是不存在的，都是错误的。

种类有机物产生同分异构体1的本质在于原子的排列顺序不同，在中学阶段主要指下列三种情况：

⑴碳链异构：由于碳原子的连接次序不同而引起的异构现象，如CH3CH(CH3)CH3和CH3CH2CH2CH3。

⑵官能团位置异构：由于官能团的位置不同而引起的异构现象，如：CH3CH2CH=CH2和CH3CH=CHCH3。

⑶官能团异类异构：由于官能团的不同而引起的异构现象，主要有：

①单烯烃与环烷烃：通式为CnH2n（n≥1）

②二烯烃、单炔烃与环单烯烃：通式为CnH2n-2(n≥3)

③苯及其同系物与多烯：通式为CnH2n-6(n≥6)

④饱和一元醇与饱和一元醚：通式为CnH2nO(n≥2)

⑤饱和一元醛、饱和一元酮、烯醇：通式为CnH2nO(n≥3)

⑥饱和一元羧酸、饱和一元酯、羟基醛：通式为CnH2nO2(n≥2)

⑦酚、芳香醇、芳香醚：通式为CnH2n-6O(n≥6)

⑧葡萄糖与果糖；蔗糖与麦芽糖

⑨氨基酸 [R-CH(NH2)-COOH]与硝基化合物（R’-NO2）

例题：

写出C4H8O2的各种同分异构体（要求分子中只含一个官能团）。

【解析】

根据题意，C4H8O2应代表羧酸和酯，其中羧酸（即C3H7COOH）的种类等于—C3H7的种类，故有

酯必须满足RCOOR′（R′只能为烃基，不能为氢原子），R与R′应共含3个碳原子，可能为：

C2—COO—C：

C—COO—C2：

H—COO—C3：

【练习】

已知CH3COOCH2C6H5有多种同分异构体，请写出其含有酯基和一取代苯结构的所有同分异构体。

结构特征在烃及其含氧衍生物的分子式中必然含有这样的信息：该有机物的不饱和度。利用不饱和度来解答这类题目往往要快捷、容易得多。下面先介绍一下不饱和度的概念：

设有机物分子中碳原子数为n，当氢原子数等于2n+2时，该有机物是饱和的，小于2n+2时为不饱和的，每少两个氢原子就认为该有机物分子的不饱和度为1。分子中每产生一个C=C或C=O或每形成一个环，就会产生一个不饱和度，每形成一个C≡C，就会产生两个不饱和度，每形成一个苯环就会产生4 个不饱和度。

例⒉烃A和烃B的分子式分别为C1134H1146和C1398H1278，B的结构跟A相似，但分子中多了一些结构为的结构单元。则B分子比A分子多了33 个这样的结构单元。(注：构成高分子链并决定高分子结构以一定方式连接起来的原子组合称之为结构单元。）

书写方法书写同分异构体时，关键在于书写的有序性和规律性。2

例⒊写出分子式为C7H16的所有有机物的结构简式。

【解析】经判断，C7H16为烷烃

第一步，写出最长碳链：

第二步，去掉最长碳链中一个碳原子作为支链，余下碳原子作为主链，依次找出支链在主链中的可能位置（以下相似）

第三步，去掉最长碳链中的两个碳原子，⑴作为两个支链（两个甲基）：

①分别连在两个不同碳原子上

②分别连在同一个碳原子上

③作为一个支链（乙基）

第四步，去掉最长碳链中的三个碳原子，

①作为三个支链（三个甲基）

②作为两个支链（一个甲基和一个乙基）：不能产生新的同分异构体。

最后用氢原子补足碳原子的四个价键。

例⒋写出分子式为C5H10的同分异构体。

【解析】在书写含官能团的同分异构体时，通常可按官能团位置异构→碳链异构→官能团异类异构的顺序书写，也可按其它顺序书写，但不管按哪种顺序书写，都应注意有序思考，防止漏写或重写。

⑴按官能团位置异构书写：

①：CH2=CH-CH2-CH2-CH3

②：CH3-CH=CH-CH2-CH3

⑵按碳链异构书写：

⑶再按异类异构书写：

①“成直链、一线串”

②“从头摘、挂中间”

③“往边排、不到端”

以C5H12为例，写出C5H12的各种同分异构

(1)“成直链、一线串”：CH3—CH2—CH2—CH2—CH3

(2)“从头摘、挂中间”：

(3)“往边排、不到端”：重复上述两式重复(2)、(3)两步，可写出C5H12的另一种同分异构体 ，所以C5H12共有三种同分异构体。

2.书写各类有机物同分异构体的正确方法

按照官能团异构、碳链异构、位置异构的顺序来书写

等效氢法等效氢法

判断烃的一元取代物同分异构体的数目的关键在于找出“等效氢原子”的数目。“等效氢原子”是指：

①同一碳原子上的氢原子是等效的；

②同一碳原子所连甲基上的氢原子是等效的；

③处于镜面对称位置上的氢原子是等效的（相当于平面成像时，物与像的关系）。

例⒌进行一氯取代反应后，只能生成三种沸点不同的产物的烷烃是（D）3

（A）(CH3)2CHCH2CH2CH3（B）(CH3CH2)2CHCH3

（C）(CH3)2CHCH (CH3)2 （D）(CH3)3CCH2CH3

识别与判断识别与判断同分异构体的关键在于找出分子结构的对称性，在观察分子结构时还要注意分子的空间构型。

例⒍下列事实能够证明甲烷分子是正四面体结构，而不是平面正方形结构的是（B）

（A）CH3Cl不存在同分异构体 （B）CH2Cl2不存在同分异构体

（C）CHCl3不存在同分异构体 （D）CH4是非极性分子

例⒎下列事实能说明苯分子的平面正六边形结构中碳碳键不是以单双键交替排列的是（C）

（A）苯的一元取代物没有同分异构体 （B）苯的间位二元取代物只有一种

（C）苯的邻位二元取代物只有一种 （D）苯的对位二元取代物只有一种

种数烷烃同分异构的种类

碳原子数 异构体数

11：

2 1

3 1

4 2

5 3

6 5

7 9

8 18

9 35

10 75

烷基同分异构体数计算公式没有明确规律，需要记忆，高中阶段只要掌握7个碳之内的同分异构体就够了。

电脑求解摘要本文提出了烷烃同分异构体在计算机中的两种表示方法，并用来求解输出指定碳原子个数烷烃的所有同分异构体的分子构造问题。

正文在种类繁多的有机化合物中，烃是最简单的一种。它的特点是只含有碳和氢两种元素。而烷烃又是烃中构造最简单的。它的分子中碳原子都是饱和4价的，碳原子之间只以单键相互连接，其余的价则完全与氢原子相连。在计算及表示中只需表示出其碳链即可。

在多碳原子的烷烃中由于分子中碳链构造的不同，同一种烷烃会存在多种同分异构体。例如丁烷有两种分子构造：

C

|

C－C－C－C C－C－C

当碳原子数较少时，其同分异构体数量也较少，凭直观还易于写出其所有的同分异构体；但当碳原子数增加时，其同分异构体数将迅速增加，见上表。

算法用计算机解决这个问题实际上模拟了人在解决这个问题时的方法。先写出一个最简单碳链——只有两个碳原子的碳链：

1 4

3 C—C 6

2 5

然后可在这个基础上进一步扩展。具体方法为向这个碳原子加入新的碳原子。现在可供扩展碳原子的位置有六个，可逐一试放。放在一个位置后，与已得到的构造进行比较，如果重复则只算一种；如果构造不同，则把这种新的构造储存下来。在本例中显然六个位置放置后都只算同一种。对于四个碳原子的情况，是根据三个碳原子的结果再推算的。在三个碳原子的结构基础上对新形成的八个空位来试放第四个碳原子，判断重复性，可得两个同分异构体。五个碳原子的情况又是由四个碳原子的两个同分异构体再扩展而来。按这样的算法，实际上计算N个碳原子的烷烃时都要从三个碳原子的情况一步步推过来。

数据结构1、 碳链的计算机表示

碳链可看作是一种无根树结构，每一个碳原子作为一个结点。结点下子树的个数为该结点的度。碳链这种树结构的储存可用邻接矩阵和广义表两种方式。

使用邻接矩阵来表示各结点之间的连通性。对碳链上每个碳原子都编上号。如1号碳原子和2号碳原子相连，则矩阵元素a12和a21均置为1，若无连通关系则置0。例如下面一个碳链的邻接矩阵表示为

1234567

1

2

3

4

5

6

7 0100111

1011000

0100000

0100000

1000000

1000000

1000000

这种表示的优点为扩展碳原子很方便。例如要在上例2号碳原子的右边再增加一个8号碳原子只需将邻接矩阵扩展为8阶方阵，并置元素a28与a82为1，其余新增元素为0即可完成。

另一种表示碳链的方法是用广义表。用字符C表示一个碳原子，用“（”和“）”表示层次关系，类似于集合。如上例的碳链，用广义表可表示为

C（C（CC）CCC）

↑ ↑ ↑↑ ↑↑↑

表示碳原子： 1 2 3 4 5 6 7

可见广义表可直接用一个字符串来表示。这种表示方法的好处为判断所求碳链是否重复时较方便，因为重复的异构体的邻接矩阵经过一定的算法可转化成唯一一种广义表，另外广义表储存时也比较方便。

2、树的两种储存结构的互换

由于程序算法在扩展结点时使用邻接矩阵，判重时使用广义表，因此两种储存结构要相互转换。

广义表转化为邻接矩阵相对简单，可用递归过程实现，在此不再赘述。

邻接矩阵转化为广义表时，为了使重复的同分异构体转化为相同的广义表，必须对邻接矩阵进行以下处理：

(1) 按每个结点的度进行由大到小的排序，若度相同，则比较子结点的度的总和。前面例子中的邻接矩阵即是以排好序的。

(2) 以度最大的第一个结点为根构造广义表，也可用递归方法实现。

编程实现（略）

无机物的同分异构主要出现在配合物中，包括：

举例甲烷：CH₄

乙烷：CH₃CH₃

丙烷：CH₃CH₂CH₃

丁烷：❶CH₃CH₂CH₂CH₃

CH₃
|
❷CH₃CH₂CHCH₃

戊烷：❶CH₃CH₂CH₂CH₂CH₃

CH₃
|
❷CH₃CH₂CHCH₃

CH₃
|
❸CH₃CCH₃

|
CH₃

其他异构1.结构异构：

(1)键合异构。指同一配位体中，由于有不同的可配位原子，在形成配合物时，可以通过不同的配位原子进行键合而形成不同的配合物。例如-NO2与-ONO,-SCN与-NCS

(2)电离异构。如[Co(SO4)(NH3)5]Br与[CoBr(NH3)5]SO4,它们在水溶液中的电离方式完全不同，因而性质各异。

(3)水和异构。

(4)配位异构。如[Co(en)3][Cr(ox)3]与[Co(ox)3][Cr(en)3],其中配体en(乙二胺)与ox-（草酸根）与不同的中心体形成不同的结构单元，而形成不同的配合物。

(5)配位位置异构。多出现于多中心配合物。

2.立体异构：

(1)空间几何异构。包括顺反异构，空间构型不同等。

(2)旋光异构。将一种不具有对称面或对称中心的配合物通过镜面反射得道的异构体。它们的物理、化学性质往往相同，但光学活性有差异。即我们常说的左旋和右旋。

例：PtCL4(NH3)2手性异构

本词条内容贡献者为:

唐浩宇 - 教授 - 湘潭大学