[科普中国]-异构体

化学上，同分异构现象是指具有相同化学式**，有同样的化学键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。如：乙醇和甲醚。**

简介化学上，同分异构体是一种有相同化学式****，有同样的化学键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。

许多有机污染物如含氯农药六六六（BHC）有四种异构体，如α体、β体、γ体和δ体。它们在水中溶解度的大小依次为δ>γ>α>β，BHC的毒性依次为β>α>γ>δ; β-BHC易为动物吸收，亦易排出体外。γ体的毒性比β体大5~25倍。多氯联苯（PCB）有210种异构体，现被确定结构的只有100多种，它们扩散分布遍及全球，其异构体的毒性各不相同。

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。

异构体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。

一、书写同分异构体必须遵循的原理

“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。

二、同分异构体的种类

有机物产生同分异构体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：单烯烃与环烷烃；二烯烃、炔烃与环烯烃；醇和醚；酚与芳香醇或芳香醚；醛与酮；羧酸与酯；硝基化合物与氨基酸；葡萄糖与果糖；蔗糖与麦芽糖等。

例⒈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。

三、由分子式分析结构特征

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。

四、书写同分异构体的方法

书写同分异构体时，关键在于书写的有序性和规律性。

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

⑵作为一个支链（乙基）

第四步，去掉最长碳链中的三个碳原子，⑴作为三个支链（三个甲基）

⑵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：

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

五、“等效氢法”推断同分异构体的数目

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）

（A）(CH3)2CHCH2CH2CH3（B）(CH3CH2)2CHCH3

（C）(CH3)2CHCH (CH3)2 （D）(CH3)3CCH2CH3

六、同分异构体的识别与判断

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

例⒏萘分子的结构式可以表示为或，二者是等同的。苯并(a) 芘是强致癌物质（存在于烟囱灰、煤焦油、燃烧烟草的烟雾和内燃机的尾气中）。它的分子由五个苯环并合而成，其结构式可以表示为（Ⅰ）式或（Ⅱ）式，这两者也是等同的。

（Ⅰ）（Ⅱ） （A）（B）（C）（D）

现有结构式A～D，其中

⑴跟（Ⅰ）、（Ⅱ）式等同的结构式是（A、D）

⑵跟（Ⅰ）、（Ⅱ）式是同分异构体的是（B）

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）。

基本内容编辑

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C5H10O2的同分异构体数量众多...

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

立体异构立体异构体（stereoisomerism），根据IUPAC金色书的定义是指具有相同原子连接顺序，但原子在空间排列不相同的同分异构体。这种异构现象称为立体异构。具有不同光学性质的立体异构体又称光学异构体，但“光学异构”一词是IUPAC不推荐的用法。

以前将立体异构划分为几何异构、旋光异构和构象异构三类，但目前较好的分类是将其分为对映异构和非对映异构两类，其中非对映异构又包括顺反异构（即几何异构）和构象异构。

对映异构体对映异构体是指互为镜像关系且不能重合的分子。它们在手性中心的构型是不相同的，因此可以使平面偏振光在不同方面偏转等量的角度。除此之外，它们在非手性环境中的性质基本上是相同的，例如熔点、沸点、溶解度等等。但在手性环境中，它们的性质是不相同的，它们的生理活性（生物体是手性环境）和在手性试剂、催化剂和溶剂作用下的反应速率就可能有很大差异。

由一对对映异构体按相等的的物质的量混合的物质称为外消旋混合物，因为该混合物无法使平面偏振光偏转。混合的过程或使纯的对映异构体物质转变为包含等量对映异构体物质的化学反应称为外消旋化。外消旋体的物理性质如熔点、溶解度等与相应的对映体（以及内消旋体，如果有的话）性质一般不同的。

非对映异构体非对映异构体是指所有不属于对映异构体的立体异构体，即不呈镜像关系的旋光异构体。它包括内消旋化合物、顺反异构体、构象异构体以及具一个或多个手性中心但不呈镜像关系的立体异构体。一般情况下，它们不仅旋光性质不同，而且很多物理和化学性质也不相同1。

本词条内容贡献者为:

陈红 - 副教授 - 西南大学