洪兹田 陈女婷

分析近5年全国卷中有关有机物分子中原子共平面的考查情况（见表1），发现近5年每年都有涉及有机物分子中原子共平面的考查，并且有逐年增加的趋势。从给出的有机物来看，绝大多数为陌生有机物（一般为小分子或苯环加上一些小分子）。从考查题型来看，除了2015年为填空题（涉及选考题）外，其余年份均为选择题（涉及必考题）。从考查的选项看，主要集中在以下三种表达：（1）所有原子是否可能共平面;（2）所有碳原子是否可能共平面;（3）最多多少个原子共平面。从命题的特点来看，试题以教材基本模型（甲烷型、乙烯型、乙炔型、苯型）为基础，注意化学与数学的组合，考查运用立体几何的有关知识及灵活的组合方式，解决有机物分子中原子共平面的问题。

文章在探讨典型有机物分子和不同结构的基团连接后的原子的共线、共面情况的基础上，归纳解决此类问题的思维程序和注意事项。以近5年全国卷中的此类试题为例进行典例剖析和变式训练，希望为有机物分子中原子共平面的复习教学提供指导。

一、典型有机物分子中原子的共线、共面分析

1. 甲烷型分子。

甲烷分子为正四面体结构（键角为109.5°），所有原子不可能共平面，任意3个原子共平面。以甲烷为母体，可衍变成其他结构。但无论什么原子（或原子团）与C原子相连，都相当于取代原来甲烷中H原子的位置，构成四面体结构。例如，CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、CCl4等都是四面体结构（CCl4是正四面体结构）。因此，饱和碳结构（四面体结构），其分子中所有原子不可能共平面，最多有3个原子共平面。

2. 乙烯型分子。

乙烯分子為平面图形（键角为120°），所有原子都在同一个平面内。当乙烯分子中某H原子被其他原子或原子团取代时，则取代该H原子的原子一定在乙烯型分子的平面内。因此，烯烃结构中6个原子均在同一个平面内。

3. 乙炔型分子。

乙炔分子为直线型（键角为180°），所有原子都在同一条直线上内。当乙炔分子中某H原子被其他原子（或原子团）取代时，则取代该H原子的原子一定在乙炔型分子的直线上。因此，炔烃结构中4个原子在同一条直线上（共线必共平面）。

4. 苯型分子。

苯分子为平面六边形（键角为120°），所有原子都在同一个平面内。当苯分子中的一个H原子被其他原子（或原子团）取代时，代替该H原子的原子一定在苯型分子所在的平面内。因此，苯环结构中12个原子共平面。同时，苯环结构中处于对角线位置的4个原子在同一条直线上（共线）。

5. 甲醛型分子。

甲醛（■）分子为平面三角形，所有原子都在同一个平面内。当甲醛分子中的一个H原子被其他原子（或原子团）取代时，代替H氢原子的原子一定在甲醛型分子所在的平面内。因此，甲醛型结构中4个原子共平面。（甲醛型分子中原子的共面情况作为拓展，不作要求）

二、不同结构的基团连接后的原子共线、共面分析

1. 单键、双键和叁键的旋转思想。

单键可绕键轴自由旋转，从数学角度看，即两个平面共有一条直线，两个平面可能重合，也可能不重合。而双键、叁键不能绕键轴自由旋转。

2. 不同类型的组合情况分析。

以基本模型（甲烷型、乙烯型、乙炔型、苯型等）为母体，根据单键的旋转思想和立体几何知识，将不同的结构模型进行组合，整体判断共线和共面的原子个数。常见的组合方式有以下几种：

（1）直线与平面连接。

直线结构中如果有2个原子（或者一个共价键）与一个平面结构共用，则直线在这个平面上。例如，CH2=CH-C≡CH，其空间结构为 ■，中间两个C原子既在乙烯平面上，又在乙炔直线上，所以直线在平面上，所有原子共平面。

（2）平面与平面连接。

若两个平面结构通过单键相连，则由于单键的旋转性，两个平面不一定重合，但可能重合。例如，苯乙烯（■）分子中共平面原子至少12个，最多16个。

（3）立体（或三角锥）与平面连接。

若甲基（-CH3）与平面结构通过单键相连，则由于单键的旋转性，甲基（-CH3）的一个H原子可能暂时处于该平面上。例如，丙烯分子（■）中，共面原子至少6个，最多7个。又如，甲苯中的7个C原子（苯环上的6个C原子和甲基上的1个C原子），5个H原子（苯环上的5个H原子）这12个原子一定共平面。此外，甲基上的1个H原子也可旋转到该平面上，其余2个H原子分布在平面的两侧。因此，甲苯分子中最多有13个原子共平面。

（4）多种结构连接。

直线、平面与立体连接。如图1所示，某复杂有机物分子中共平面原子至少12个，最多19个。分析时应注意以下两点：

①观察大分子的结构，先找出甲烷、乙烯、乙炔和苯分子的“母体”，再将甲烷“正四面体”、乙烯“平面型”、乙炔“直线形”和苯“平面型”等分子构型知识迁移过来即可;

②苯环以单键连接在6号不饱和碳原子上，不管单键如何旋转，8号和9号C原子总是处于乙烯平面上。不要忽视8号C原子对位上的9号C原子。

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三、解决“有机物分子中原子共线、共面”问题的思维程序和注意事项

1. 思维程序。

（1）将题目所给有机物分子的键线式（或结构简式）展开为空间结构式;

（2）将有机物分子的空间结构式进行拆分，拆分为几个典型的基本结构模型（甲烷型、乙烯型、乙炔型、苯型等）;

（3）根据有机物分子中单键（碳碳单键、碳氢单键、碳氧单键等）均可绕键轴自由旋转，确定哪些原子可以旋转到不同的位置。

（4）根据立体几何知识，将不同的基本结构模型进行组合，整体判断不同基本结构模型中共面和共线的原子个数。其中原子共线的判断以乙炔（或苯环对位上的原子）为标准;原子共面的判断以乙烯（或苯）为标准。

2. 注意事项。

（1）注意题目的隐含条件和特殊规定

审题时应特别注意“可能”“不可能”“一定”“最多”“最少”“所有原子”“碳原子”等关键词和限制条件。

（2）熟记常见共线、共面的官能团

①与叁键直接相连的原子共直线。例如，—C≡C—、

—C≡N;

②与双键和苯环直接相连的原子共平面，如 ■、■。

（3）较复杂的有机物分子的空间关系确定

在解题时遇到较复杂的有机物分子，可通过几种典型的空间结构的组合来分析其空间关系（基本结构+连接方式=空间关系）。

四、“有机物分子中原子共平面”典例剖析

【例1】（2015·全国Ⅰ卷，T38，节选）异戊二烯（■）分子中最多有_____个原子共平面。

解析：异戊二烯（即2-甲基-1，3-丁二烯）可视为2个乙烯型（碳碳双键）和1个甲烷型结构的组合。异戊二烯分子中两个碳碳双键（平面型）形成的平面可以共面，旋转碳碳单键，甲基中的1个H原子可以处于碳碳双键形成的平面内，故共平面的原子最多有11个。

【例2】（2016·全国Ⅲ卷，T10）已知异丙苯的结构简式如图2所示，下列说法错误的是（  ）

A. 异丙苯的分子式为C9H12

B. 异丙苯的沸点比苯高

C. 异丙苯中碳原子可能都处于同一平面

D. 异丙苯的和苯为同系物

解析：由异丙苯的键线式，可知分子式为C9H12，故A正确;异丙苯的相对分子质量比苯大，因此异丙苯沸点比苯高，故B正确;苯环是平面结构，当异丙基中间的碳原子为饱和碳结构（四面体结构），该C原子连接3个C原子和1个H原子，形成4条共价键，因此所连接3个C原子中最多有2个C原子都在一个平面，故C错误;异丙苯和苯结构相似，在分子组成上相差3个CH2原子团，二者为同系物，故D正确。答案：C。

【例3】（2017·全国Ⅰ卷，T9）已知■（b）、■（d）、■（p）的分子式均为C6H6，下列说法正确的是（  ）

A. b的同分異构体只有d和p两种

B. b、d、p的二氯代物均只有三种

C. b、d、p均可与酸性高锰酸钾溶液反应

D. b、d、p中只有b的所有原子处于同一平面

解析：b（■）的同分异构体有多种，不止d和p两种，故A错误;d分子中H原子分为2类，根据“定一移一”可知d的二氯代物是6种，故B错误;b（■）、p（■）分子中不存在碳碳双键，不与酸性KMnO4溶液发生反应，故C错误;b（■）是平面六边形，所有原子共平面，b（■）、p（■）中均含有饱和碳原子，饱和碳结构中所有原子不可能共平面，故D正确。答案：D。

【例4】（2018·全国Ⅰ卷，T11）环之间共用一个碳原子的化合物称为螺环化合物，螺[2，2]戊烷（■）是最简单的一种。下列关于该化合物的说法错误的是（  ）

A. 与环戊烯互为同分异构体

B. 二氯代物超过两种

C. 所有碳原子均处同一平面

D. 生成1 mol C5H12至少需要2 mol H2

解析：螺[2，2]戊烷和环戊烯的分子式均为C5H8，但结构不同，因此互为同分异构体，故A正确;螺[2，2]戊烷（■）的二氯化物中两个Cl原子可能位于1号C原子上、可能位于1号和2号C原子上、可能位于1号和3号C原子上、可能位于2号和4号C原子上，所以其二氯化物超过2种，故B正确;螺[2，2]戊烷（■）中间的碳原子为饱和碳原子，该C原子连接4个C原子，饱和碳结构（四面体结构）中所有原子（C原子）不可能处在同一平面上，故C错误;戊烷（C5H12）比螺[2，2]戊烷（C5H8）多4个H原子，所以生成1 mol C5H12至少需要2 mol H2，故D正确。答案：C。

【例5】（2019·全国Ⅰ卷，T8）关于化合物2-苯基丙烯（■），下列说法正确的是（  ）

A. 不能使稀高锰酸钾溶液褪色

B. 可以发生加成聚合反应

C. 分子中所有原子共平面

D. 易溶于水及甲苯

解析：2-苯基丙烯含碳碳双键，能使稀高锰酸钾溶液褪色，能发生加成聚合反应，故A错误、B正确;2-苯基丙烯含饱和碳原子，饱和碳结构（四面体结构）分子中不可能所有原子共平面;2-苯基丙烯不含—OH、—CHO、—COOH等亲水性基团，根据相似相溶原理，其难溶于水和易溶于甲苯，故D错误。答案：B。

【例6】（2019·全国Ⅲ卷，T8）下列化合物的分子中，所有原子可能共平面的是（  ）

A. 甲苯 B. 乙烷 C. 丙炔 D. 1，3-丁二烯

解析：甲苯、乙烷、丙炔中均含有饱和碳原子，饱和碳结构（四面体结构）中所有原子不可能共平面，故A、B、C错误。1，3-丁二烯可视为2个乙烯型（碳碳双键）结构的组合。1，3-丁二烯分子中的两个碳碳双键（平面型）形成的平面可以共面，故D正确。

答案：D。

五、“有机物分子中原子共平面”变式训练

1. 下列化合物分子中的所有碳原子不可能处于同一个平面的是（  ）

A. 甲苯 B. 硝基苯 C. 2—甲基丙烯 D. 2—甲基丙烷

解析：甲苯、硝基苯中的碳原子都在苯环的平面上，2—甲基丙烯中的所有碳原子都在双键的平面上，而2—甲基丙烷中连接甲基（—CH3）的碳原子（即2号碳）为饱和碳原子，该C原子连接3个C原子和1个H原子，形成四面体结构，因此所连接的3个C原子中最多有2个C原子共面，因此2—甲基丙烷中的所有碳原子不可能共面。

答案：D

2. 已知甲醛（■）分子中的4个原子是共平面的，下列分子中所有原子不可能同时存在同一平面上的是（  ）

A. ■ B. ■ C. ■ D. ■

解析：苯型分子是平面结构，乙烯型分子是平面结构，两个平面通过单键相连，由于单键的旋转性，两个分子的平面有可能共平面，故A错误。苯型分子是平面结构，甲醛型分子是平面结构，两个平面通过单键相连，由于单键的旋转性，两个分子的平面有可能共平面，故B错误。苯型分子是平面结构，甲醛型分子是平面结构，两个平面通过单键相连，由于单键的旋转性，两个分子的平面有可能共平面;同时，甲烷型分子是四面体结构，C原子与四个顶点不可能在一个平面内，因此由苯型的平面结构、甲醛型的平面结构和甲烷型的四面体结构构成的有机物分子中所有原子无法共平面，故C正确。苯型分子是平面结构，甲醛型是分子平面结构，羟基及苯基分别取代甲醛的1个H原子，因此分子中所有原子可能同时存在同一平面上，故D错误。

答案：C

3.（2018·东莞）化合物■（甲）、■（乙）、■（丙）的分子式均为C8H8，下列说法正确的是（  ）

A. 甲的同分异构体只有乙和丙两种

B. 甲、乙、丙的氯代物种数最少的是丙

C. 甲、乙、丙均可与溴的CCl4溶液反应

D. 甲中所有原子一定处于同一平面

解析：甲的同分异构体可能为链状不饱和烃，则同分异构体不止有乙和丙，故A错误;甲的二氯代物多于6种，乙的二氯代物有7种，丙的二氯代物中2个Cl可位于面上相邻、相对及体心的相对位置，则丙的二氯代物有3种，则它们二氯代物的同分异构体数目最少的是丙，故B正确;丙不含双键、叁键等，只有单键，不能与溴的CCl4溶液反应，故C错误;苯环、双键为平面结构，且直接相连，但苯环与双键相连的碳碳单键可旋转，甲中所有原子不一定共平面，故D错误。

答案：B

责任编辑 李平安