聯招化學·官能團與同分異構體：C₄H₈O₂ 的羧酸與酯類計數

題目性質：自編仿真題——題目、材料、選項、數據與情境均為按課程標準與聯招常見考點獨立編寫的原創仿真題，非真題原文，未取自任何題庫、教輔或試卷；解析與採分點為教研整理，非官方評分標準。

一、考點定位與做題順序

數同分異構體，先別急著畫結構。第一步算不飽和度：Ω = (2C + 2 − H)/2 = (2×4 + 2 − 8)/2 = 1，說明分子裡恰有一個雙鍵或一個環；兩個 O 且 Ω = 1，最常見就是一個羰基 C=O，於是落到羧酸或酯這兩類（本題按題設只討論這兩類，不引入羥基醛、羥基酮、環狀結構等其他類別——這是限定條件，不是「只有這些異構體」）。

第二步按類別分層枚舉：羧酸寫成 R−COOH，R 為 C₃H₇，丙基有正丙基/異丙基兩種 → 2 種；酯寫成 R₁COOR₂，把 4 個碳按「酰基側（含羰基碳）+ 烷氧基側」分配，逐檔列完再數烷基異構。第三步回驗：每一類都寫出結構簡式，檢查分子式是否仍為 C₄H₈O₂，且彼此不重複。下面物質、投料、產率與摩爾質量均為自編示意。

二、逐題精講

題1

題1 分層枚舉與結構核驗（單選＋列表）

限定：只討論分子式 C₄H₈O₂ 的羧酸類與酯類同分異構體（不含環狀、不含羥基醛酮等其他類別；不考慮立體異構）。

(1) 下列關於該限定下異構體數目的判斷，正確的一項是（　）
A. 羧酸 2 種、酯 3 種，共 5 種
B. 羧酸 2 種、酯 4 種，共 6 種
C. 羧酸 1 種、酯 4 種，共 5 種
D. 羧酸 2 種、酯 5 種，共 7 種

(2) 寫出全部羧酸與酯的結構簡式（酯按「甲酸某酯／乙酸某酯／丙酸某酯」分組列出），並逐一核驗分子式。

解析

(2) 逐式核驗（均 C₄H₈O₂）：丁酸 CH₃CH₂CH₂COOH：C4 H8 O2 ✓；2−甲基丙酸 (CH₃)₂CHCOOH：C4 H8 O2 ✓；甲酸正丙酯 HCOOCH₂CH₂CH₃：C4 H8 O2 ✓；甲酸異丙酯 HCOOCH(CH₃)₂：C4 H8 O2 ✓；乙酸乙酯 CH₃COOCH₂CH₃：C4 H8 O2 ✓；丙酸甲酯 CH₃CH₂COOCH₃：C4 H8 O2 ✓。六式互不重複：羧酸含 −COOH（有酸性、可與 NaHCO₃ 反應放 CO₂），酯含 −COO− 且無遊離羧基，兩類官能團不同，不會撞車。

防漏口訣：甲酸某酯別漏（R₁ = H 也算一檔）；C₃H₇ 必須拆成兩種；每寫完一個立刻數 C、H、O。A 漏了甲酸異丙酯，C 漏了 2−甲基丙酸，D 多半是把「丁酸正丙酯」這類碳數超標的式子也算了進去。

答案　(1) B（羧酸 2 種、酯 4 種、共 6 種）。(2) 羧酸：CH₃CH₂CH₂COOH、(CH₃)₂CHCOOH；酯：HCOOCH₂CH₂CH₃、HCOOCH(CH₃)₂、CH₃COOCH₂CH₃、CH₃CH₂COOCH₃；逐一均為 C₄H₈O₂。

採分點　Ω=1 計算與羰基判定 1 分；羧酸按 C₃H₇ 兩種拆出 1 分；兩個羧酸結構式各 1 分；酯按 R₁=H/CH₃/C₂H₅ 三檔分層 1 分；四個酯結構式各 1 分；逐一核驗分子式 1 分；指出羧酸與酯官能團不同故不重複 1 分；說明「甲酸某酯不可漏」1 分。

易錯點　漏掉 R₁=H 的甲酸某酯；把 C₃H₇ 只當正丙基一種；把 2−甲基丙酸漏掉；寫出碳數超過 4 的酯；把「限定兩類」誤當成「全部異構體」而額外算羥基醛酮；只報數目不寫結構簡式導致無法核驗。

題2

題2 酯化限量試劑、產率與皂化回代

自編示意：用乙酸與乙醇製備乙酸乙酯（M = 88.11 g/mol），投料乙酸 0.120 mol、乙醇 0.150 mol，反應式 CH₃COOH + C₂H₅OH ⇌ CH₃COOCH₂CH₃ + H₂O（1:1:1:1，示意設定：不計副反應、分離損失已計入收得量）。實際收得酯 8.36 g。

(1) 指出限量試劑，求理論產量（mol 與 g）、實際物質的量與產率。(2) 若把收得的酯全部用 NaOH 皂化：CH₃COOC₂H₅ + NaOH → CH₃COONa + C₂H₅OH，求所需 NaOH 的物質的量；再由「每 mol 酯耗 1 mol NaOH」反推產率，看是否與(1) 一致。另說明：若誤把乙醇 0.150 mol 當限量試劑，理論產量與產率各會偏差多少。

解析

(2) 皂化：1:1 耗 NaOH，n(NaOH) = n(酯) = 0.0949 mol。反推產率 = 0.094882/0.120 = 79.1%，與(1) 完全一致 ✓（這也是計量鏈的自驗：酯化生成的酯與皂化耗鹼走的是同一個物質的量）。
誤用乙醇作限量試劑：理論 n = 0.150 mol、理論質量 = 0.150 × 88.11 = 13.2165 g；產率算成 8.36/13.2165 = 63.25%，比真值 79.1% 低約 15.8 個百分點（相對偏低 20.0%，恰等於 0.120/0.150 = 0.800）。理論產量本身被高估 0.030 mol（+25.0%）。
為何錯：產率的分母必須由限量試劑決定；過量試劑投得多，不代表能多生成產物。酯化還是可逆反應，過量乙醇常用於把平衡往產物側推，但「推動平衡」不改變「按限量試劑計的理論上限」這一口徑，兩個概念不能混。

答案　(1) 乙酸為限量試劑；理論 0.120 mol＝10.57 g；實際 0.0949 mol；產率 79.1%。(2) 需 NaOH 0.0949 mol，反推產率同為 79.1%；誤用乙醇 0.150 mol 作限量試劑時理論 13.22 g、產率 63.25%，偏低 15.8 個百分點（相對 −20.0%）。

採分點　限量試劑判定 1 分；過量 0.030 mol 1 分；理論 0.120 mol 與 10.57 g 各 1 分；實際 n=0.0949 mol 1 分；產率 79.1% 1 分；質量比互驗 1 分；皂化 1:1 與 n(NaOH) 1 分；反推產率一致 1 分；誤用乙醇的理論值與 63.25% 各 1 分；偏低 15.8 個百分點與「可逆≠改上限」說明各 1 分。

易錯點　把過量乙醇當限量試劑；理論產量用 0.150 mol；產率分母用實際產量；皂化寫成 1:2（把酯基兩個 O 當成兩個 NaOH）；忽略酯化可逆卻把「過量推動平衡」當成提高理論上限；產率偏差只報相對值不報百分點。

三、規律小結與對照表

同分異構體的賬要分層記：不飽和度定官能團方向 → 類別限定收窄範圍 → 碳架分檔逐個列式 → 每式數一遍 C/H/O。酯類最易漏的是甲酸某酯，羧酸最易漏的是支鏈酸。到了計量部分，產率分母永遠由限量試劑決定；過量試劑推動的是平衡位置，不是理論上限。最後用皂化 1:1 把物質的量回代一遍，整條鏈就閉合了。本例物質、投料、產率與摩爾質量均為自編示意，不代表真實實驗數據或工業配方。

四、自測清單

• □ 先算 Ω=(2C+2−H)/2，再定官能團方向；
• □ 看清題設「限定羧酸與酯」，不擅自擴類；
• □ 羧酸按 R=C₃H₇ 拆正丙基/異丙基兩種；
• □ 酯按 R₁=H/CH₃/C₂H₅ 三檔分層，甲酸某酯不漏；
• □ 每個結構簡式數一遍 C、H、O，碳數超標即劃掉；
• □ 限量試劑取 1:1 中較小的投料，過量量單獨寫出；
• □ 產率用 n實際/n理論，並用質量比互驗；
• □ 皂化按 1:1 回代，確認與產率同源；
• □ 「過量推平衡」與「理論上限」分開說，不混為一談。