化学自习室移动版

环状结构中原子共面问题是常见考点之一，经过一轮复习，学生基本掌握了常见的基本模型，但面对考题中通过组合和连接基本模型推断复杂分子的共面情况时常丢分，当分子中存在sp³杂化的C、N、O原子时尤为明显。

【经典回眸】

例1.（2021·河北卷·T8）苯并降冰片烯是一种重要的药物合成中间体，结构简式如图。关于该化合物，下列说法正确的是

B. 分子中最多8个碳原子共平面

【答案】B

【疑惑】分子中最多共平面的碳原子为什么不是10个？

【错误观点1】认为结构

中C1和C4既在苯环平面又在碳碳双键所在平面，当两平面重合时，C原子数最多，故分子中最多10个碳原子共平面。

【错误观点2】认为结构

中C1和C4为sp3杂化，但最多3原子共面（如图），若C1和C2分别与直接相连的苯环碳和双键碳形成的三角形平面若与苯环平面和碳碳双键平面重合，则共面碳原子数最多，故分子中最多10个碳原子共平面。

【错因分析】对sp³杂化C的空间结构认识不足。

【解疑】由于结构

中1、4号C为sp³杂化，以该C为中心在空间形成四面体结构，键角约为109°28′，即

中∠1、∠/2、∠3约为109°28′，这样的键角决定了碳原子编号为1、4、5、6、7、8、9、10形成的苯环平面与碳原子编号为1、2、3、4形成的碳碳双键平面不会共平面（见下图）。

故，苯并降冰片烯分子中苯环上的6个碳原子和连在苯环上的2个碳原子共平面，共有8个碳原子，B项正确。

【真题感悟】有机化合物分子的共面分析中，存在sp³杂化C（饱和碳原子）时需谨慎！

方法精简总结

一、核心判断原则

1、 平面结构基础模型

双键/苯环类：碳碳双键（乙烯模型）、碳氧双键（甲醛模型）、苯环均为平面结构，中心原子及直接相连原子共平面，双键/苯环结构本身无旋转性。

三键类：碳碳三键（乙炔模型）为直线结构，共线原子必共面，且直线可落入任意平面。

大π键共轭体系：苯环、稠环芳烃、共轭二烯烃等因大π键形成刚性平面，参与原子一定共面，无单键旋转空间。

 2、非平面结构关键因素

sp³杂化原子：饱和碳原子（-CH₃、-CH₂-等）、sp³杂化N原子为四面体/三角锥结构，是“平面破坏者”：

单个sp³杂化碳最多3个原子共面，与平面结构相连时，仅直接相连的1个原子可进入平面；

连续多个sp³杂化碳时，最多含中心碳在内的3个碳原子共面；

sp³杂化N原子连接的原子不可能共面，sp³杂化O原子连接的原子可能共面。

二、环状结构共面分析步骤

1、识别平面结构单元：

先找出分子中的苯环、双键、三键等平面/直线结构单元，明确其固有共面原子范围。

2、排查sp³杂化原子：

重点关注环状结构中是否存在饱和碳原子、sp³杂化N原子等非平面因素：

若环状结构中存在sp³杂化原子，需判断其是否为平面结构的共用原子：

若为共用原子（如苯并降冰片烯中的1、4号碳），

由于四面体键角限制，相连的两个平面无法重合，需分别计算各平面共面原子数；

若为环外取代基中的sp³杂化原子，仅影响取代基本身的共面性，不改变环结构的平面性。

3、考虑单键旋转可能性：

独立平面结构通过单键连接时，可通过单键旋转使平面重合，最大程度扩大共面原子范围，但需注意sp³杂化原子的限制。

速记口诀

双键苯环必平面，三键直线定共面；

大π共轭无旋转，参与原子全共面；

sp³碳是平面杀手，最多三原子共面；

单键旋转可重合，共面可能看连接。