答案：D

题目分析：所含元素的质量分数相同，则最简式相同；同系物指结构相似，在分子组成上相差一个或若干个CH₂原子团的物质；同分异构体指具有相同的分子式，但具有不同的结构式的化合物；则A、乙烯和丙烯最简式相同，二者结构相似，相差一个CH₂原子团，互为同系物，故A不符合；B、异戊二烯和3-甲基-1-丁炔分子式相同为C₅H₈，二者分子式相同，结构不同，是同分异构体，故B不符合；C、甲烷和乙烯，二者分子式不同，不是同分异构体，最简式不同，二者结构不同不是同系物，所含元素的质量分数不相同，故C不符合；D、苯和苯乙烯分子式分别为C₆H₆、C₈H₈，二者分子式不同，不是同分异构体，最简式都为CH，苯不含有碳碳双键，苯乙烯含有碳碳双键，二者结构不相似，不是同系物，故D不符合，答案选D。