同分异构

本页讲解中五碳化合物一章的内容标准 10.5：同分异构。当你能写出烷烃和烯烃的分子式之后，课程标准要求的下一项技能，就是认识到一个分子式可以描述不止一种化合物。

正确地画出并命名这些异构体是可靠的得分点，它训练的正是考试所看重的那种细心、有系统的思维。

什么是同分异构？

异构体是两种或以上、分子式相同但结构式不同的化合物。分子式数的是原子；结构式显示这些原子实际上是如何连接的。

异构体含有每种原子的数目相同，但原子的排列方式不同，碳链在一个异构体里可能是直的，在另一个里是带支链的，或者官能团沿着碳链处在不同的位置。

须背的定义。 同分异构是指存在两种或以上、分子式相同但结构式不同的化合物。每一种这样的化合物称为一个异构体。

由于原子的连接方式不同，异构体确实是不同的物质，各有自己的名称和自己的物理性质。不过，属于同一同系列的异构体（例如某烷烃的两个异构体）化学性质相近，因为它们含有相同的官能结构。

为何碳化合物形成这么多异构体？

碳很特别：每个碳原子形成四个共价键，并能与其他碳原子成键，构成直链、支链和环。分子里的碳原子越多，排列的方式就越多，因此当碳链变长时，可能的异构体数目迅速上升。

这正是已知碳化合物多达数百万种的原因之一。

烷烃的异构体

头三个烷烃，甲烷（CH₄）、乙烷（C₂H₆）和丙烷（C₃H₈），各只有一种可能的结构，所以没有异构体。同分异构从丁烷 C₄H₁₀ 开始，它有两个异构体：

• 丁烷，四个碳原子的不带支链（直）链；
• 2-甲基丙烷，三个碳的碳链，中间那个碳上带一个甲基（CH₃）支链。

两者的分子式都是 C₄H₁₀，但原子的连接方式不同，所以它们是异构体。戊烷 C₅H₁₂ 有三个异构体：戊烷、2-甲基丁烷和 2,2-二甲基丙烷。

命名异构体

用 IUPAC 系统命名一个异构体：

1. 找出最长的连续碳链，这给出母体名称（例如四个碳 → 丁-）。
2. 从能让支链得到最小编号（位标）的那一端给碳链编号。
3. 把每个支链命名为烷基（CH₃ = 甲基，C₂H₅ = 乙基），并把它的位置编号写在前面。
4. 合起来：位置 + 支链 + 母体名，例如 2-甲基丙烷。

例题

问题。 画出戊烷 C₅H₁₂ 所有结构异构体的结构式，并为每一个命名。

第一步，从直链开始。 把全部五个碳原子排成一条连续的链，其余的键用氢填满。

最长链有 5 个碳，所以这个异构体是戊烷：

CH₃，CH₂，CH₂，CH₂，CH₃

第二步，把主链缩短到四个碳，加一个支链。 从末端取下一个碳，把它作为甲基支链接上。

最长链现在有 4 个碳（丁-），碳 2 上有一个甲基。这个异构体是 2-甲基丁烷：

CH₃，CH(CH₃)，CH₂，CH₃

第三步，把主链缩短到三个碳，加两个支链。 把两个甲基接到三碳链的中间碳上。

最长链是 3 个碳（丙-），碳 2 上有两个甲基。这个异构体是 2,2-二甲基丙烷：

CH₃，C(CH₃)₂，CH₃

第四步，检查。 每个结构都恰好有 5 个碳原子和 12 个氢原子，与 C₅H₁₂ 吻合。

按最长链来看，没有两个结构是相同的，所以恰好有三个异构体。

答案。 C₅H₁₂ 有三个结构异构体：戊烷、2-甲基丁烷和 2,2-二甲基丙烷。

练习题

问题。 说出分子式 C₄H₁₀ 有多少个结构异构体。

画出每一个并写出它的名称。

答案。 C₄H₁₀ 有两个结构异构体。第一个是丁烷，四个碳原子的直链：CH₃，CH₂，CH₂，CH₃。第二个是 2-甲基丙烷，三个碳的碳链、中间碳上带一个甲基支链：CH₃，CH(CH₃)，CH₃。两者的分子式都是 C₄H₁₀（四个碳原子和十个氢原子），但碳原子以不同的方式排列，所以它们是异构体。

支链如何影响物理性质

异构体是不同的物质，所以物理性质不同。最明显的趋势是沸点：带支链的异构体通常比分子式相同的直链异构体沸点更低。

带支链的分子更紧凑、表面积更小，因此相邻分子之间的吸引力（范德华力）更弱，把它们分开所需的能量更少。例如，2-甲基丙烷比丁烷沸点低，2,2-二甲基丙烷比戊烷沸点低。

能够解释这个差别，而不只是说出它，正是拿到更高分的关键。

考试提示

这个题目里最常见的失误，就是把同一个异构体画了两次，例如在四碳链的碳 2 上画一个支链，然后又在碳 3 上画一次，其实那是同一个分子翻转过来而已。在断定两个结构不同之前，永远先找出最长链、并从给出最小位标的那一端编号。

用数碳原子和氢原子的方法把每个异构体对照分子式检查：如果数目对不上，你就是多加或少了一个原子。记住同一系列的异构体化学性质相近、但物理性质不同，这是很受欢迎的一道比较兼解释题。

本节定位

这是 碳化合物 一章的内容标准 10.5，它直接建立在同系列与命名法的命名规则之上。在本章 例题 里练习画完整结构式和简写结构式，并用 常见错误 页面避免把同一个异构体重复计算。

在我们的在线一对一 SPM化学课上，以英文授课，每小时 RM50 起，老师会一步一步带你画出并命名异构体，直到这套系统方法成为本能。因为画出并命名异构体在整个 SPM化学 里反复出现，你在这里养成的系统习惯会在每一道有机题里得到回报。

快速回顾

• 异构体 = 分子式相同，结构式不同。
• 烷烃的同分异构从丁烷 C₄H₁₀ 开始（2 个异构体）；戊烷 C₅H₁₂ 有 3 个。
• 按最长链命名，编号使支链得到最小位标。
• 同一系列 → 化学性质相近、但物理性质不同。
• 带支链的异构体沸点比直链异构体更低（范德华力更弱）。