高中有机物分子中原子的共面、共线专题
一、知识归纳
有机分子结构中由于碳原子形成不同价键，造成空间构型存在差异，成为高考命题的采分点之一，也是同学们的“难以捉摸”的点，掌握有机物分子的空间构型的基准点和判断技巧会使问题迎刃而解。
一.有机分子中原子的共面、共线基准点 1．甲烷的正四面体结构
如图1所示，在甲烷分子中，一个碳原子和任意两个氢原子可确定一个平面，其余两个氢原子分别位于平面的两侧，即甲烷分子中有且只有三个原子共面(称为三角形规则)。 当甲烷分子中某个氢原于被其他原子取代时，讨论取代该氢原子的其他原子的共面问题时，可将与甲基碳原子直接相连的原子看做代替了原来的氢原子。
CH3CH2CH3的结构如图2所示，左侧甲基和②C构成“甲烷”分子，此分子中⑤H、①C、②C构成三角形。中间亚甲基和①C、③C构成“甲烷”分子，此分子中①C、②C、③C构成三角形。同理②C、③C、④H构成三角形，即丙烷分子中最多有三个碳原子(①C、②C、③C)和两个氢原子(④H、⑤H)可能共面。
2．乙烯的平面结构
乙烯分子中的所有原子都在同一平面内，键角为120°(如图3所示)。当乙烯分子中某个氢原子被其他原子取代时，则代替该氢原子的原子一定在乙烯的平面内。
如图4所示是CH3CH=CH2的分子结构。由图可知，三个氢原子(①②③)和三个碳原子(④⑤⑥)一定共面。根据三角形规则(⑤C、⑥C、⑦H构成三角形)，⑦H也可能在这个平面上。同理(CH3)2C=C(CH3)2中至少有6个原子(6个碳原子)共平面，至多有10个原子共平面：6个碳原子和4个氢原子(每个甲基可提供一个氢原子)共平面。
提示：羰基碳原子也是平面形碳原子，如图5甲醛即为平面型结构：
图5 图6
3．苯的平面结构
苯分子的所有原子在同一平面内，键角为120°，结构式如图6，当苯分子中的一个氢原子被其他原子取代时，代替该氢原子的原子一定在苯环所在平面内。如甲苯中的7个碳原子(苯环上的6个碳原子和甲基上的1个碳原子)和苯环上的5个氢原子一定共面，此外甲基上的1个氢原子也可以转到这个平面上，其余两个氢原子分布在平面两侧。故甲苯分子中最多有13个原子共面。同理可分析萘如图7中10个碳原子、8个氢原子均共面，蒽分子如图8中14个碳原子、10个氢原子共面。
图7 图8 图9
4．乙炔的直线结构
乙炔分子中的2个碳原子和2个氢原子一定在一条直线上。键角为180°，结构式为： H—C≡C—H。当乙炔分子中的一个氢原子被其他原子取代时，代替该氢原子的原子一定和乙炔分子中的其他原子共线。如图9 中，①H、②C、③C、④C 4个原子共线，而甲基中的3个氢原子一定不在这条直线上。
二．判断有机分子中原子共面、共线原理
1.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)2C=C(CH3)C(CH3)=C(CH3)2，其结构简式也可写成如图10，该分子中至少6个碳原子(因连接两个平面的碳碳单键旋转，两平面不重合)、最多有10个碳原子共面(因连接两个平面的碳碳单键旋转，两平面重合)。
图10 图11
2．定平面规律：共平面的不在同一直线上的3个原子处于另一平面时，两平面必然重叠，两平面内的所有原子必定共平面。
3.定直线规律：直线形分子中有2个原子处于某一平面内时，该分子中的所有原子也必落在此平面内。
4.展开空间构型法：如CH3CH=CH—C≡CH，可以将该分子展开为如图11，此分子包含一个乙烯型结构、一个乙炔型结构，其中①C、②C、③C、④H 4个原子一定在一条直线上。该分子中至少8个原子在同一平面上。
二、题型训练
1.某有机物分子结构如下：
关于该分子结构的说法正确的是：（ ） A.除苯环外的其余碳原子有可能都在一条直线上 B.除苯环外的其余碳原子不可能都在一条直线上 个碳原子不可能都在同一平面上 个碳原子一定都在同一平面上
2.下列有机分子中，所有的原子不可能处于同一平面的是( ) ．．．
3.已知碳碳单键可以绕键轴自由旋转，结构简式为如下 图所示的烃，下列说法中正确的是（ ）
（A）分子中至少有9个碳原子处于同一平面上。 （B）分子中至少有10个碳原子处于同一平面上。 （C）分子中至少有11个碳原子处于同一平面上。 （D）该烃属于苯的同系物。
4.香兰素是重要的香料之一，它可由丁香酚经多步反应合成。有关上述两种化合物的说法正确的是（ ）
A．常温下，1mol丁香酚只能与1molBr2反应。 B．丁香酚不能FeCl3溶液发生显色反应。
C．1mol香兰素最多能与3mol氢气发生加成反应。 D．香兰素分子中至少有12个原子共平面。
5.在分子中处于同一平面上的原子数最多可能是（ ）。 A. 18 B. 20 C. 21
6.在①丙烯 ②氯乙烯 ③苯 ④甲苯四种有机化合物中，分子内所有原子均在同一平面的是（ )。
A．①② B．②③ C．③④ D．②④ 7.下列化合物分子中的所有碳原子不可能处于同一平面的是（ ）。 A．甲苯 B．硝基苯 C．2-甲基丙烯 D．2-甲基丙烷 8．(1)下列有机分子中，所有的原子不可能处于同一平面的是( )
＝CHCN =CH—CH=CH2 C.苯乙烯
D. 异戊二烯
(2)上述分子中所有原子一定不处于同一平面的是( )
9.下列有机物分子中所有原子一定有6个原子在同一直线的是( )
10.如图所示分子中14个碳原子不可能处在同一平面上的是( )