異構體

化學上，同分異構體是一種有相同化學式，有同樣的化學鍵而有不同的原子排列的化合物。簡單地說，化合物具有相同分子式，但具有不同結構的現象，叫做 同分異構現象；具有相同分子式而結構不同的化合物 互為同分異構體。很多同分異構體有相似的性質。

許多有機污染物如含氯農藥六六六（BHC）有四種異構體，如α體、β體、γ體和δ體。它們在水中溶解度的大小依次為δ>γ>α>β，BHC的毒性依次為β>α>γ>δ; β-BHC易為動物吸收，亦易排出體外。γ體的毒性比β體大5~25倍。多氯聯苯（PCB）有210種異構體，現被確定結構的只有100多種，它們擴散分佈遍及全球，其異構體的毒性各不相同。

構造異構又分為（碳）鏈異構、位置異構和 官能團異構（異類異構）。立體異構又分為 構象和構型異構，而構型異構還分為 順反異構和 旋光異構。

同分異構現象廣泛存在於有機物中，同分異構體的知識也貫穿於中學有機化學的始終。因此，分析、判斷同分異構體也就成為有機化學的一大特點。作為高考命題的熱點之一，這類試題是考查學生空間想象能力和結構式書寫能力的重要手段。考生在平時訓練中就應逐漸領會其中的本質，把握其中的規律。

一、書寫同分異構體必須遵循的原理

“價鍵數守恆”原理：在有機物分子中碳原子的價鍵數為4，氧原子的價鍵數為2，氫原子的價鍵數為1，不足或超過這些價鍵數的結構都是不存在的，都是錯誤的。

二、同分異構體的種類

有機物產生同分異構體的本質在於原子的排列順序不同，在中學階段主要指下列三種情況：

⑴碳鏈異構：由於碳原子的連接次序不同而引起的異構現象，如CH3CH(CH3)CH3和CH3CH2CH2CH3。

⑵官能團位置異構：由於官能團的位置不同而引起的異構現象，如：CH3CH2CH=CH2和CH3CH=CHCH3。

⑶官能團異類異構：由於官能團的不同而引起的異構現象，主要有：單烯烴與環烷烴；二烯烴、炔烴與環烯烴；醇和醚；酚與芳香醇或芳香醚；醛與酮；羧酸與酯；硝基化合物與氨基酸；葡萄糖與果糖；蔗糖與麥芽糖等。

例⒈寫出C4H8O2的各種同分異構體（要求分子中只含一個官能團）。

【解析】根據題意，C4H8O2應代表羧酸和酯，其中羧酸（即C3H7COOH）的種類等於—C3H7的種類，故有

酯必須滿足RCOOR′（R′只能為烴基，不能為氫原子），R與R′應共含3個碳原子，可能為：

C2—COO—C：

C—COO—C2：

H—COO—C3：

【練習】已知CH3COOCH2C6H5有多種同分異構體，請寫出其含有酯基和一取代苯結構的所有同分異構體。

三、由分子式分析結構特徵

在烴及其含氧衍生物的分子式中必然含有這樣的信息：該有機物的不飽和度。利用不飽和度來解答這類題目往往要快捷、容易得多。下面先介紹一下不飽和度的概念：

設有機物分子中碳原子數為n，當氫原子數等於2n+2時，該有機物是飽和的，小於2n+2時為不飽和的，每少兩個氫原子就認為該有機物分子的不飽和度為1。分子中每產生一個C=C或C=O或每形成一個環，就會產生一個不飽和度，每形成一個C≡C，就會產生兩個不飽和度，每形成一個苯環就會產生4 個不飽和度。

例⒉烴A和烴B的分子式分別為C1134H1146和C1398H1278，B的結構跟A相似，但分子中多了一些結構為的結構單元。則B分子比A分子多了33 個這樣的結構單元。

四、書寫同分異構體的方法

書寫同分異構體時，關鍵在於書寫的有序性和規律性。

例⒊寫出分子式為C7H16的所有有機物的結構簡式。

【解析】經判斷，C7H16為烷烴

第一步，寫出最長碳鏈：

第二步，去掉最長碳鏈中一個碳原子作為支鏈，餘下碳原子作為主鏈，依次找出支鏈在主鏈中的可能位置（以下相似）

第三步，去掉最長碳鏈中的兩個碳原子，⑴作為兩個支鏈（兩個甲基）：

①分別連在兩個不同碳原子上

②分別連在同一個碳原子上

⑵作為一個支鏈（乙基）

第四步，去掉最長碳鏈中的三個碳原子，⑴作為三個支鏈（三個甲基）

⑵作為兩個支鏈（一個甲基和一個乙基）：不能產生新的同分異構體。

最後用氫原子補足碳原子的四個價鍵。

例⒋寫出分子式為C5H10的同分異構體。

【解析】在書寫含官能團的同分異構體時，通常可按官能團位置異構→碳鏈異構→官能團異類異構的順序書寫，也可按其它順序書寫，但不管按哪種順序書寫，都應注意有序思考，防止漏寫或重寫。

⑴按官能團位置異構書寫：

⑵按碳鏈異構書寫：

⑶再按異類異構書寫：

①“成直鏈、一線串”②“從頭摘、掛中間”③“往邊排、不到端”

以C5H12為例，寫出C5H12的各種同分異構

(1)“成直鏈、一線串”：CH3—CH2—CH2—CH2—CH3

(2)“從頭摘、掛中間”：

(3)“往邊排、不到端”：重複上述兩式重複(2)、(3)兩步，可寫出C5H12的另一種同分異構體，所以C5H12共有三種同分異構體。

2.書寫各類有機物同分異構體的正確方法

按照官能團異構、碳鏈異構、位置異構的順序來書寫

五、“等效氫法”推斷同分異構體的數目

判斷烴的一元取代物同分異構體的數目的關鍵在於找出“等效氫原子”的數目。“等效氫原子”是指：①同一碳原子上的氫原子是等效的；②同一碳原子所連甲基上的氫原子是等效的；③處於鏡面對稱位置上的氫原子是等效的（相當於平面成像時，物與像的關係）。

例⒌進行一氯取代反應后，只能生成三種沸點不同的產物的烷烴是（D）

（A）(CH3)2CHCH2CH2CH3（B）(CH3CH2)2CHCH3

（C）(CH3)2CHCH (CH3)2 （D）(CH3)3CCH2CH3

六、同分異構體的識別與判斷

識別與判斷同分異構體的關鍵在於找出分子結構的對稱性，在觀察分子結構時還要注意分子的空間構型。

例⒍下列事實能夠證明甲烷分子是正四面體結構，而不是平面正方形結構的是（B）

（A）CH3Cl不存在同分異構體（B）CH2Cl2不存在同分異構體

（C）CHCl3不存在同分異構體（D）CH4是非極性分子

例⒎下列事實能說明苯分子的平面正六邊形結構中碳碳鍵不是以單雙鍵交替排列的是（C）

（A）苯的一元取代物沒有同分異構體（B）苯的間位二元取代物只有一種

（C）苯的鄰位二元取代物只有一種（D）苯的對位二元取代物只有一種

例⒏萘分子的結構式可以表示為或，二者是等同的。苯並(a) 芘是強致癌物質（存在於煙囪灰、煤焦油、燃燒煙草的煙霧和內燃機的尾氣中）。它的分子由五個苯環併合而成，其結構式可以表示為（Ⅰ）式或（Ⅱ）式，這兩者也是等同的。

（Ⅰ）（Ⅱ） （A）（B）（C）（D）

現有結構式A～D，其中

⑴跟（Ⅰ）、（Ⅱ）式等同的結構式是（A、D）

⑵跟（Ⅰ）、（Ⅱ）式是同分異構體的是（B）

定義：化學上，同分異構體是一種有相同分子式而有不同的原子排列的化合物。簡單地說，化合物具有相同分子式，但具有不同結構的現象，叫做同分異構現象；具有相同分子式而結構不同的化合物互為同分異構體。很多同分異構體有相似的性質。有機化學中，同分異構體可以是同類物質（含有相同的官能團），也可以是不同類的物質（所含官能團不同）。

編輯

同分異構體又稱同分異構物。在化學中，是指有著相同分子式的分子，各原子間的化學鍵也常常是相同的；但是原子的排列卻是不同的。也就是說，它們有著不同的“結構式”。許多同分異構體有著相同或相似的化學性質。同分異構現象是有機化合物種類繁多數量巨大的原因之一。

同分異構體的組成和分子量完全相同而分子的結構不同、物理性質和化學性質也不相同，

如乙醇和甲醚【C2H6O】。

同分異構體簡稱異構體。

有機物中的同分異構體分為構造異構和立體異構兩大類。具有相同分子式，而分子中原子或基團連接的順序不同的，稱為構造異構。在分子中原子的結合順序相同，而原子或原子團在空間的相對位置不同的，稱為立體異構。

構造異構又分為（碳）鏈異構、位置異構和官能團異構（異類異構）。立體異構又分為構象和構型異構，而構型異構還分為順反異構和旋光異構(又稱對映異構)。

C5H10O2的同分異構體數量眾多...

同分異構現象廣泛存在於有機物中，同分異構體的知識也貫穿於中學有機化學的始終。因此，分析、判斷同分異構體也就成為有機化學的一大特點。作為高考命題的熱點之一，這類試題是考查學生空間想象能力和結構式書寫能力的重要手段。考生在平時訓練中就應逐漸領會其中的本質，把握其中的規律。

雷酸銀和氰酸銀是人類發現的第一個同分異構體。

1830年，柏濟力阿斯提出了一個嶄新的化學概念，叫做“同分異性”。意思是說，同樣的化學成分，可以組成性質不同的化合物。他認為，氰酸與雷酸，便屬於“同分異性”，它們的化學成分一樣，卻是性質不同的化合物。在此之前，化學界一向認為，一種化合物具有一種成分，絕沒有兩種不同化合物具有同一化學成分。

“價鍵數守恆”原理：在有機物分子中碳原子的價鍵數為4，氧原子的價鍵數為2，氫原子的價鍵數為1，不足或超過這些價鍵數的結構都是不存在的，都是錯誤的。

有機物產生同分異構體[1]的本質在於原子的排列順序不同，在中學階段主要指下列三種情況：

⑴碳鏈異構：由於碳原子的連接次序不同而引起的異構現象，如CH3CH(CH3)CH3和CH3CH2CH2CH3。

⑵官能團位置異構：由於官能團的位置不同而引起的異構現象，如：CH3CH2CH=CH2和CH3CH=CHCH3。

⑶官能團異類異構：由於官能團的不同而引起的異構現象，主要有：

①單烯烴與環烷烴：通式為CnH2n（n≥1）

②二烯烴、單炔烴與環單烯烴：通式為CnH2n-2(n≥3)

③苯及其同系物與多烯：通式為CnH2n-6(n≥6)

④飽和一元醇與飽和一元醚：通式為CnH2nO(n≥2)

⑤飽和一元醛、飽和一元酮、烯醇：通式為CnH2nO(n≥3)

⑥飽和一元羧酸、飽和一元酯、羥基醛：通式為CnH2nO2(n≥2)

⑦酚、芳香醇、芳香醚：通式為CnH2n-6O(n≥6)

⑧葡萄糖與果糖；蔗糖與麥芽糖

⑨氨基酸 [R-CH(NH2)-COOH]與硝基化合物（R’-NO2）

例題：

寫出C4H8O2的各種同分異構體（要求分子中只含一個官能團）。

【解析】

根據題意，C4H8O2應代表羧酸和酯，其中羧酸（即C3H7COOH）的種類等於—C3H7的種類，故有

酯必須滿足RCOOR′（R′只能為烴基，不能為氫原子），R與R′應共含3個碳原子，可能為：

C2—COO—C：

C—COO—C2：

H—COO—C3：

【練習】

已知CH3COOCH2C6H5有多種同分異構體，請寫出其含有酯基和一取代苯結構的所有同分異構體。

在烴及其含氧衍生物的分子式中必然含有這樣的信息：該有機物的不飽和度。利用不飽和度來解答這類題目往往要快捷、容易得多。下面先介紹一下不飽和度的概念：

設有機物分子中碳原子數為n，當氫原子數等於2n+2時，該有機物是飽和的，小於2n+2時為不飽和的，每少兩個氫原子就認為該有機物分子的不飽和度為1。分子中每產生一個C=C或C=O或每形成一個環，就會產生一個不飽和度，每形成一個C≡C，就會產生兩個不飽和度，每形成一個苯環就會產生4 個不飽和度。

例⒉烴A和烴B的分子式分別為C1134H1146和C1398H1278，B的結構跟A相似，但分子中多了一些結構為的結構單元。則B分子比A分子多了33 個這樣的結構單元。(註：構成高分子鏈並決定高分子結構以一定方式連接起來的原子組合稱之為結構單元。）

書寫同分異構體時，關鍵在於書寫的有序性和規律性。[2]

例⒊寫出分子式為C7H16的所有有機物的結構簡式。

【解析】經判斷，C7H16為烷烴

第一步，寫出最長碳鏈：

第二步，去掉最長碳鏈中一個碳原子作為支鏈，餘下碳原子作為主鏈，依次找出支鏈在主鏈中的可能位置（以下相似）

第三步，去掉最長碳鏈中的兩個碳原子，⑴作為兩個支鏈（兩個甲基）：

①分別連在兩個不同碳原子上

②分別連在同一個碳原子上

③作為一個支鏈（乙基）

第四步，去掉最長碳鏈中的三個碳原子，

①作為三個支鏈（三個甲基）

②作為兩個支鏈（一個甲基和一個乙基）：不能產生新的同分異構體。

最後用氫原子補足碳原子的四個價鍵。

例⒋寫出分子式為C5H10的同分異構體。

【解析】在書寫含官能團的同分異構體時，通常可按官能團位置異構→碳鏈異構→官能團異類異構的順序書寫，也可按其它順序書寫，但不管按哪種順序書寫，都應注意有序思考，防止漏寫或重寫。

⑴按官能團位置異構書寫：

①：CH2=CH-CH2-CH2-CH3

②：CH3-CH=CH-CH2-CH3

⑵按碳鏈異構書寫：

⑶再按異類異構書寫：

①“成直鏈、一線串”

②“從頭摘、掛中間”

③“往邊排、不到端”

以C5H12為例，寫出C5H12的各種同分異構

(1)“成直鏈、一線串”：CH3—CH2—CH2—CH2—CH3

(2)“從頭摘、掛中間”：

(3)“往邊排、不到端”：重複上述兩式重複(2)、(3)兩步，可寫出C5H12的另一種同分異構體，所以C5H12共有三種同分異構體。

2.書寫各類有機物同分異構體的正確方法

按照官能團異構、碳鏈異構、位置異構的順序來書寫

等效氫法

判斷烴的一元取代物同分異構體的數目的關鍵在於找出“等效氫原子”的數目。“等效氫原子”是指：

①同一碳原子上的氫原子是等效的；

②同一碳原子所連甲基上的氫原子是等效的；

③處於鏡面對稱位置上的氫原子是等效的（相當於平面成像時，物與像的關係）。

例⒌進行一氯取代反應后，只能生成三種沸點不同的產物的烷烴是（D）[3]

（A）(CH3)2CHCH2CH2CH3（B）(CH3CH2)2CHCH3

（C）(CH3)2CHCH (CH3)2（D）(CH3)3CCH2CH3

識別與判斷同分異構體的關鍵在於找出分子結構的對稱性，在觀察分子結構時還要注意分子的空間構型。

例⒍下列事實能夠證明甲烷分子是正四面體結構，而不是平面正方形結構的是（B）

（A）CH3Cl不存在同分異構體（B）CH2Cl2不存在同分異構體

（C）CHCl3不存在同分異構體（D）CH4是非極性分子

例⒎下列事實能說明苯分子的平面正六邊形結構中碳碳鍵不是以單雙鍵交替排列的是（C）

（A）苯的一元取代物沒有同分異構體（B）苯的間位二元取代物只有一種

（C）苯的鄰位二元取代物只有一種（D）苯的對位二元取代物只有一種

立體異構體（stereoisomerism），根據IUPAC金色書的定義是指具有相同原子連接順序，但原子在空間排列不相同的同分異構體。這種異構現象稱為 立體異構。具有不同光學性質的立體異構體又稱 光學異構體，但“光學異構”一詞是IUPAC不推薦的用法。

以前將立體異構劃分為幾何異構、旋光異構和構象異構三類，但目前較好的分類是將其分為對映異構和非對映異構兩類，其中非對映異構又包括順反異構（即幾何異構）和構象異構。

對映異構體是指互為鏡像關係且不能重合的分子。它們在手性中心的構型是不相同的，因此可以使平面偏振光在不同方面偏轉等量的角度。除此之外，它們在非手性環境中的性質基本上是相同的，例如熔點、沸點、溶解度等等。但在手性環境中，它們的性質是不相同的，它們的生理活性（生物體是手性環境）和在手性試劑、催化劑和溶劑作用下的反應速率就可能有很大差異。

由一對 對映異構體按相等的的物質的量混合的物質稱為外消旋混合物，因為該混合物無法使平面偏振光偏轉。混合的過程或使純的對映異構體物質轉變為包含等量對映異構體物質的化學反應稱為 外消旋化。外消旋體的物理性質如熔點、溶解度等與相應的對映體（以及內消旋體，如果有的話）性質一般不同的。

非對映異構體是指所有不屬於對映異構體的立體異構體，即不呈鏡像關係的旋光異構體。它包括內消旋化合物、順反異構體、構象異構體以及具一個或多個手性中心但不呈鏡像關係的立體異構體。一般情況下，它們不僅旋光性質不同，而且很多物理和化學性質也不相同。