关于苯环多元取代同分异构体的系统分析.docx

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关于苯环多元取代同分异构体的系统分析

关于苯环多元取代同分异构体的系统分析

作者：

***

来源：

《化学教学》2016年第09期

        摘要：

从系统论的全新视角，结合实例介绍了分析苯环多元取代同分异构体的思维方法与过程。

该方法能更好地揭示事物自身内在发展的客观规律，培养学生分析问题和解决问题的综合能力。

        关键词：

苯环多元取代；同分异构体；系统分析；基础换元取代法；有机化学教学

        文章编号：

1005–6629（2016）9–0072–05中图分类号：

G633.8文献标识码：

B

        判断苯的衍生物存在几种同分异构体，这是高考的热点问题，学生遇到这类问题经常会感到困惑、混乱和无序。

如何通过创新能力的激发和思维品质的提升从而有效帮助学生解决上述问题，是本文所要重点研究的内容。

        苯环的多元取代有几种同分异构体，这是一个既复杂又饱含智慧的问题。

首先，这是一个系统性的大问题，只有从系统论的高度进行研究才能展现这个问题的全貌。

其次，这个问题由简单到复杂的客观演变过程与原子核外电子排布的“周期性”变化有异曲同工之妙。

最后，这个问题的分析及解决具有明显的阶段性的特点，那些依次呈现出来的不同阶段就相当于同一戏剧的不同剧幕和场景。

        以下将结合实例介绍关于系统分析苯环多元取代同分异构体的思维方法与过程。

        1苯环上的一元取代

        如果苯环上只有一个取代基（如氯苯），显然，只有一种结构。

（注：

下文中所指的同分异构体都是指含有苯环的同分异构体）

        2苯环上的二元取代

        如果苯环上有两个取代基，无论它们是相同的（如二氯苯），还是不相同的（如一氯一溴苯），都有邻、间、对三种同分异构体。

        3苯环上的三元取代

        如果苯环上有三个取代基，则要分三种情况进行讨论：

        3.1三个取代基完全不同

        如果三个取代基是完全不同的，如A、B、C，则共有10种同分异构体。

可以进行如下的思维过程分析：

（1）先在苯环上取代一个A（只有一种产物）；

（2）然后再取代一个B（共有邻AB、间AB、对AB三种可能产物）；

        （3）然后再分别在这三种二取代产物上再取代一个C：

        ①如果在邻AB产物上取代一个C，由于不存在对称轴，共有4种产物（图1-a）；

        ②如果在间AB产物上取代一个C，由于不存在对称轴，共有4种产物（图1-b）；

        ③如果在对AB产物上取代一个C，由于存在对称轴，只有2种产物（图1-c）；

        因此，共有4+4+2=10种产物。

        3.2三个取代基中有两个相同

        如果三个取代基中有两个是相同的，如A、A、B，则共有6种同分异构体。

可以进行如下的思维过程分析：

（1）先在苯环上取代一个A（只有一种产物）；

（2）然后再取代一个A（共有邻AA、间AA、对AA三种可能产物）；

        （3）然后再分别在这三种二取代产物上再取代一个B：

        ①如果在邻AA产物上取代一个B，由于存在一个对称轴，有2种产物（图2-a）；

        ②如果在间AA产物上取代一个B，由于存在一个对称轴，有3种产物（图2-b）；

        ③如果在对AA产物上取代一个B，由于存在两个对称轴，有1种产物（图2-c）；

        因此，共有2+3+1=6种产物。

        3.3三个取代基完全相同

        如果三个取代基是完全相同的，如A、A、A，则共有3种同分异构体。

可以进行如下的思维过程分析：

（1）如果三个AAA连在一起，则为连三A苯（图3-a）；

（2）如果只有两个AA连在一起，则为偏三A苯（图3-b）；

        （3）如果没有任何两个AA连在一起，则为均三A苯（图3-c）。

        4苯环上的四元取代

        如果苯环上有四个取代基，则要分五种情况进行讨论：

        4.1四个取代基完全不同

        如果四个取代基是完全不同的，如A、B、C、D，则共有30种同分异构体。

可以进行如下的思维过程分析：

（1）先在苯环上取代一个A（只有一种产物）；

（2）然后再取代一个B（共有邻AB、间AB、对AB三种可能产物）；

        （3）然后再分别在这三种二取代产物上再取代一个C：

        ①如果在邻AB产物上取代一个C，由于不存在对称轴，共有4种产物（参见图1-a）；

        ②如果在间AB产物上取代一个C，由于不存在对称轴，共有4种产物（参见图1-b）；

        ③如果在对AB产物上取代一个C，由于存在对称轴，只有2种产物（参见图1-c）；

        因此，共有4+4+2=10种产物。

        （4）然后再分别在这10种三取代产物上再取代一个D：

        由于在苯环上取代三个不同取代基A、B、C所得的产物没有任何的对称轴（如图4-a、b、c），再取代一个D时皆有三种可能。

因此，共有10×3=30种产物。

        4.2四个取代基中有两个相同

        如果四个取代基中有两个是相同的，如A、A、B、C，则共有16种同分异构体。

可以进行如下的思维过程分析：

（1）由前述的苯环上的三元取代可知，苯环上含有A、A、B三个取代基的同分异构体共有6种（具体过程详见前面图2-a、b、c）；

（2）然后再分别在这6种三取代产物上再取代一个C：

        因此，共有6+7+3=16种四取代产物。

        4.3四个取代基两两相同

        如果四个取代基中有两个是相同的，另外两个也是相同的，如A、A、B、B，则共有11种同分异构体。

可以进行如下的思维过程分析：

（1）由前述的苯环上的三元取代可知，苯环上含有A、A、B三个取代基的同分异构体共有6种（具体过程详见前面图2-a、b、c）；

（2）然后再分别在这6种三取代产物上再取代一个B：

        AA在间位时共有3+1+0=4种

        AA在对位时共有3种

        因此，共有4+4+3=11种四取代产物。

        4.4四个取代基中三个相同

        如果四个取代基中有三个是相同的，如A、A、A、B，则共有6种同分异构体。

可以进行如下的思维过程分析：

（1）由前述的苯环上的三元取代可知，苯环上含有A、A、A三个取代基的同分异构体共有3种（连三A苯、偏三A苯、均三A苯，参见前面图3-a、b、c）；

（2）然后再分别在这三种三取代产物上再取代一个B：

        由上图可知：

连三A苯有2种取代产物，偏三A苯有3种取代产物，均三A苯有1种取代产物，因此，共有2+3+1=6种取代产物。

        4.5四个取代基完全相同

        如果四个取代基是完全相同的，如A、A、A、A，则共有3种同分异构体。

可以用换位法进行思考分析：

此时苯环上还有两个H原子，而两个H原子只有邻、间、对三种情况，故四个A取代苯环的产物共有3种。

        小结如下：

        5苯环上的五元取代

        如果苯环上有五个取代基，则要分七种情况进行讨论：

        5.1五个取代基完全不同

        如果五个取代基是完全不同的，如A、B、C、D、E，则共有60种同分异构体。

可以进行如下的思维过程分析：

（1）由前述的苯环上的四元取代可知，苯环上含有A、B、C、D四个取代基的同分异构体共有30种（具体过程详见前面图1-a、b、c以及图4-a、b、c）；

（2）然后再分别在这30种四取代产物上再取代一个E：

        由于在苯环上取代四个不同取代基A、B、C、D所得的产物没有任何的对称轴（如图8-a、b、c所示），再取代一个E时皆有2种可能。

因此，共有30×2=60种产物。

        5.2五个取代基最多两个相同

        如果五个取代基中最多有两个是相同的，如A、A、B、C、D，则共有30种同分异构体。

可以进行如下的思维过程分析：

（1）由前述的苯环上的四元取代可知，苯环上含有A、A、B、C四个取代基的同分异构体共有16种（具体参见前面图2-a、b、c以及图5-a、b、c、d、e、f）；

（2）然后再分别在这16种四取代产物上再取代一个D：

通常各有两种取代产物，除了下图所示的两种四取代产物（由于具有对称轴）只有一种一D取代产物外。

        因此，共有取代产物为：

14×2+2×1=30。

        另一种新的具有更高效率的方法是“基础换元取代法”。

整个分析过程如下：

（1）由前面的分析可知：

如果苯环上有四个取代基，且这四个取代基是完全不同的，如A、B、C、D，则共有30种同分异构体。

（2）我们可以把四取代看作是六取代的情况：

如果苯环上有A、B、C、D、H、H六个基团，则共有30种同分异构体。

        （3）把上述的两个H原子看作是两个E基团，那也就是说，如果苯环上有A、B、C、D、E、E六个基团，则共有30种同分异构体。

        （4）然后把其中的单一取代基B、C、D中的任何一个用H原子取代，比如说B用H原子取代，那就是说，如果苯环上有A、H、C、D、E、E六个基团，则共有30种同分异构体。

        （5）如果苯环上有A、H、C、D、E、E六个基团，那就相当于苯环上有A、C、D、E、E五个基团，则共有30种同分异构体。

        整个过程可以用表格的形式清晰展示如下：

        借助于H原子的“中介”，将未知的五元取代通过六元取代的“桥梁”转化为已知的四元取代，这在本质上是数学的换元取代法，然而由于这种换元取代是借助了作为苯环的基础组成原子——H原子，所以笔者把这种方法命名为“基础换元取代法”。

这种方法具有简洁直观的优点，它将苯环上不同的多元取代（如上述的四元取代、五元取代、六元取代）有机地联系在一起，突出了苯环多元取代的系统性和整体性。

        5.3五个取代基最多两个相同，另两个也是相同

        如果五个取代基中最多有两个是相同的，还有另外两个也是相同的，如A、A、B、B、C，则共有16种同分异构体。

用基础换元取代法可以进行如下的思维过程分析：

        5.4五个取代基最多三个相同，另两个不同

        如果五个取代基中最多有三个是相同的，另外两个是不相同的，如A、A、A、B、C，则共有10种同分异构体。

用基础换元取代法可以进行如下的思维过程分析：

        5.5五个取代基最多有三个相同，另两个也相同

        如果五个取代基中最多有三个是相同的，另外两个也是相同的，如A、A、A、B、B，则共有6种同分异构体。

用基础换元取代法可以进行如下的思维过程分析：

        5.6五个取代基最多四个相同

        如果五个取代基中最多有四个是相同的，如A、A、A、A、B，则共有3种同分异构体。

（请自行加以推理）

        5.7五个取代基都相同

        如果五个取代基全都是相同的，如A、A、A、A、A，则只有1种结构。

小结如下：

        6苯环上的六元取代

        如果苯环上有六个取代基，其处理方法类似于五个取代基，只不过是将五取代产物后苯环上所剩下的最后一个H原子再用另外的基团如F基团取代，这在本质上只是换元而已，因此不会影响异构体的种数。

        由五取代基衍变而来的六取代基情况如下：

        当然还多了一些其他的情况（请自行加以推理），如：

        7苯环上多元取代的同分异构体种数的归纳总结

        整个表格的编排结构与原子半径的周期性排布具有显著的相似性：

从上到下同分异构体的种数增多，从左到右同分异构体的种数减少，且相互之间具有内在的客观必然联系。

        上面详尽展示了一个复杂化学问题的系统性解决的方法与过程。

从简单的一元取代、二元取代向较为复杂的三元取代、四元取代衍生并升级到五元取代而后最终达到六元取代，这揭示了事物从小到大、从简单到复杂的螺旋式发展的客观演变过程。

        “海纳百川，有容乃大”，将化学、生物学、数学、哲学、建筑学、文学融而为一，突破基础化学教学领域的思维定势和狭碍视野，不断改革创新，促进内涵发展[3]，揭示事物自身内在发展的客观规律，从而在更高的思维层次和更广阔的视野上促进学生创新能力[4]和综合素质的提升，这将揭开化学时代变革的新篇章。

        参考文献：

        [1]武海军.带苯环有机化合物分子的同分异构体书写[J].化学教学，2014，（9）：

75～77.

        [2]徐俊龙、吴文中.分析法判定苯环上多元取代物的同分异构体[J].化学教学，2015，（11）：

85～89.

        [3]杜玉波.全面推动高等教育内涵式发展[J].中国高等教育，2013，

（1）：

4～9.

        [4]郑金洲.创新能力培养中的若干问题[J].中国教育学刊，2000，

（2）：

13～16.