原子共线、共面问题

在有机化学学习中，常常遇到这样一类问题，即判断某有机物中原子的共线或共面问题。处理这样的问题除了具备一定的化学知识外，还应注意化学与数学的结合，运用所学的立体几何知识，凭借简单分子作母体模型来解决相关问题。以母体模型为基准，注意基团之间的连接方式，即价键的连接方式，从而作出判断。我们需要掌握烃类中甲烷、乙烯、乙炔、苯四种分子的空间构型，以其为母体模型并将其从结构上衍变至复杂有机物，便能准确判断原子是否共线、共面。

一、几个特殊分子的空间构型

1. 熟记四类空间构型

中学有机化学空间结构问题的基石是甲烷、乙烯、乙炔和苯的分子结构。

甲烷型：正四面体结构，4个C―H键不在同一平面上；凡是碳原子与4个原子形成4个共价键时，空间结构都是正四面体结构以及烷烃的空间构型；5个原子中最多有3个原子共平面。

乙烯型：平面结构，六个原子均在同一平面上；凡是位于乙烯结构上的六个原子共平面。

乙炔型：直线型结构，四个原子在同一条直线上；凡是位于乙炔结构上的四个原子共直线。

苯型：平面正六边形结构，六个碳原子和六个氢原子共平面；凡是位于苯环上的12个原子共平面。

2. 理解三键、三角

三键：C―C键可以旋转，而C=C键、CC键不能旋转。

三角：甲烷中的C―H键之间的夹角为109°28′，乙烯和苯环中的C―H键之间的夹角为120°，乙炔中的C―H键之间的夹角为180°。

例1 关于CH3―CH=CH―CC―CF3分子结构的下列叙述中，正确的是（ ）

A. 6个碳原子有可能都在一条直线上

B. 6个碳原子不可能都在一条直线上

C. 6个碳原子有可能都在同一平面上

D. 6个碳原子不可能都在同一平面上

解析 由乙炔分子中所有原子共平面，乙炔分子中所有原子共直线，可将该分子简化并形象成如下图所示。不难发现直线l上2个C原子在平面M上，则l属于M。

[炔直线l][烯平面M][C][C][H][H][C―CC―C]

答案 BC

二、两种思想

1. 代换（取代）思想

如 ―CH3可看作是苯环上的H原子被甲基上的C原子取代了，可以以苯环为母体进行分析；反之，也可看作甲烷上的一个H原子被苯基取代，以甲烷为母体进行分析。

例2 下列分子中的14个碳原子不可能处在同一平面上的是（ ）

[―][CH3][CH3][―][―] [C（CH3）3] [CH3][A. B.][C. D.]

解析 B项中，叔丁基―C（CH3）2相当于CH4中的两个H原子被―CH3取代了，其中心碳位于一个四面体的中心，它连接的4个碳原子不可能在同一个平面上。D项中，同时连在两个苯环上的那个碳原子，如果它跟苯环共平面，则它连接的―CH3和―H，必然一个在环前，一个在环后。因此甲基碳原子不可能再在苯环平面上。注意，C项中的两个甲基是可以同时处在两个苯环所共有的平面上的。有人提出质疑，2个甲基过于拥挤，必须翘起一个。实际上以连接两个苯环的单键为轴旋转180°，则此“空间拥挤”可以消除，两个甲基一个在上，一个在下，都在苯平面上，所以C项的14个C原子仍可在一个平面上。

答案 BD

2. 单键旋转思想

有机物分子中的单键，包括碳碳单键、碳氢单键、碳氧单键等均可旋转。但是形成双键和叁键的原子不能绕轴旋转，对原子的空间结构具有“定格”作用。

如： ―CH3分子中， ―C共平面，甲基上的H原子是否与该基团（ ―C）共平面呢？

分析：若把甲基看作一个可任意旋转的方向盘，则连接苯环和甲基的单键可看作该方向盘的轴，这样由于单键可转动，不难想象，通过旋转可以使也仅能使一个H原子转到 ―C所在平面上。

例3 有机物 [―C=CH2][―CHO][H] 分子中至少有多少个碳原子处于同一平面上？

解析 由苯分子的空问构型可知，苯环上的6个碳原子、4个氢原子以及与苯环直接相连的两个碳原子一定共平面。由乙烯的分子结构可知，CH2=CH―中的原子在同一平面。由乙醛分子结构可知，―CHO中的原子在同一平面。由碳碳单键可以旋转，可知 [―C=CH2][―CHO][H] 分子中所有的原子可以共面。

例4 结构式为 [―][CH3][CH3][―][―]的烃，分子中至少有多少个碳原子处在同一平面上？

解析 由苯分子的空间结构可知，苯环上的六个碳原子以及与它直接相邻的两个碳原子共面。另外与苯环相连的另一苯环对位上的碳原子，处于两苯环旋转的轴线（两苯环之间的碳碳键可以旋转）上，也应该共面。另外，与苯环相连的另一苯环对位上的碳原子，处于两苯环旋转轴线（两苯环之间的碳碳单键可以旋转）上，也应该共平面。所以， [―][CH3][CH3][―][―]分子中至少有9个碳原子共平面。

（指导老师 公安三中 张 明）