不饱和度的计算和应用

有机化合物不饱和度的计算王晓波内蒙古，赤峰市，巴林左旗，林东一中化学组025450摘要：不饱和度揭示了有机物组成与结构的隐性关系和各类有机物间的内在联系，是推断有机物可能结构的一种新思维和新方法。本文定义了不饱和度的概念，整理与归纳了各种计算有机化合物不饱和度的公式和方法，同时运用例题阐述了不饱和度在确定有机化学的结构方面有很重要的应用。因此，掌握了有机物不饱和度的计算方法，为确定有机物的结构打下了坚实的理论基础，务必要加强这方面的学习与总结。关键词：有机化合物；不饱和度；计算与应用有机化合物不饱和度的计算和应用是新课程高中化学教材和教学大纲中并没有要求的学习内容。通过对《有机化学基础》的教学，发现不饱和度涉及的知识面很广，为此现将不饱和度的概念、计算和应用详细介绍给各位同仁和学子们，与大家共同分享。一、不饱和度的概念分子式为CnHm的烃及分子式为CnHmOx的烃的衍生物，若m2n+2，则该烃及其烃基就具有一定的不饱和度（用希腊字母Ω表示）。不饱和度又称缺氢指数或者环加双键指数，是有机化合物分子不饱和程度的量化标志，即有机化合物分子中与碳原子数相等的开链烷烃相比较，每减少2个氢原子，则有机物的不饱和度就相应的增加1。二、不饱和度的计算与饱和烃及其衍生物相比，分子中每减少2个一价原子，对应分子结构就多出1个不饱和度(Ω)，分子结构中就多出一个双键或增加1个环。这里所指的双键相当于1个不饱和度(Ω)，它包含碳碳、碳氮、氮氮、碳氧双键；叁键相当于2个不饱和度(Ω)，它包含碳碳、碳氮叁键；环相当于1个不饱和度(Ω)，它包含三元环、四元环、五元环等等。1、烃及其含氧衍生物化学式为CxHyOz的烃的含氧衍生物，其分子式等价于CxHy-z（OH）z，由于H、OH都是以一价结构与碳原子连接，故分子式CxHyOz等效为CxHy。显然，分子式为CnHm的烃及分子式为CnHmOx的烃的含氧衍生物的不饱和度计算公式为：Ω=(2n+2-m)/2。显而易见，可以根据有机物的分子式，通过计算不饱和度，确定有机化合物分子的可能结构。各类有机化合物的不饱和度详情见下表：有机化合物通式不饱和度（Ω）直链烷烃CnH2n+20环烷烃和烯烃CnH2n1二烯烃和炔烃CnH2n-22苯及其同系物CnH2n-64饱和一元醇CnH2n+2O0饱和一元醛CnH2nO1饱和一元羧酸和酯CnH2nO212、烃的其它衍生物化学式为CxHyNz的烃的含氮衍生物恒等价于CxHy-2z（NH2）z，由于—H、—NH2都以一价结构与碳原子连接，故分子式等效为CxHy-z。按照该法可以计算其它有机化合物分子的不饱和度。有机化合物分子以卤素原子（—X），其他如—NO2、—NH2、—SO3H等一价结构的基团作为取代基，都可以将其视为氢原子计算不饱和度Ω。如：C2H3Cl的不饱和度为1，C2HNO2的不饱和度为2。根据价键原理，在有机化合物分子中如遇到O、S，将其改写为CH2；遇到F、Cl、Br、I，将其改写为H；遇到N、P，将其改写为CH；遇到Na、K，将其改写为H；遇到Si，将其改写为C。例如：甲胺（CH3NH2）将N改写为CH，所以它就可视为C2H6，不饱和度为0；恶唑啉（C3H3NO）将N改写为CH，将O改写为CH2，所以化学式可写作C5H6，不饱和度为3；烯丙基氯（CH2=CH-CH2Cl）将Cl改写为H，其化学式为C3H6，不饱和度为1。除此之外，碳的同素异形体（如金刚石、石墨、C60等）可将它视为氢原子数为0的烃来计CC算其不饱和度Ω。3、常见有机物不饱和度计算公式常见有机物不饱和度计算还可以根据其结构计算，不饱和度（Ω）=双键数+叁键数×2+环数。如苯：Ω=3+0×2+1=4，即苯可看成三个双键和一个环的结构形式。这里的环数等于将环状分子剪成开链分子时，剪开碳碳键的次数，环包含有N、O、S等的芳香族和杂环化合物。4、立体结构有机化合物——多面体或笼状结构高中阶段很少涉及立体结构有机物不饱和度的计算，一般以立体封闭有机化合物分子（多面体或笼状结构）出现来计算不饱和度。不饱和度的计算，其成环的不饱和度比面数少数1，即面数与Ω的关系是：Ω=面数－1。如立方烷、降冰片烷等等。三、有机物不饱和度计算的具体实例例1、某烃的分子式中含有一个苯环，两个C＝C和一个C≡C，则它的分子式可能为（）A、C9H12B、C17H20C、C20H30D、C12H20解：因分子组成中含有一个苯环，两个碳碳双键，一个碳碳叁键，故不饱和度等于8，设此烃的分子式为CxHy，则由得：y=2x-14带入A、B、C、D中进行检验即可。例2、某芳香族有机物的分子式为C8H16O2，它的分子（除苯环外不含其他环）中不可能有（）A、两个羟基B、一个醛基C、两个醛基D、一个羧基解析：根据题意，Ω=6，其中苯环占据了4个不饱和度，苯环上的取代基应拥有2个不饱和度，这2个不饱和度既可以是一个三键，也可以是2个双键。A为、B为、C为、D不可能。答案：D。例3、求算下列有机物的不饱和度①C10H4Cl2C10H4Cl2可转化为C10H6，则Ω=10+1-6/2=8②C20H31O2N3C20H31O2N3可转化为C20H28O2(NH)3，则Ω=20+1-28/2=7Ω=4+0×2+2=6Ω=6+1×2+2=10Ω=8+0×2+3=13例5、计算下列立体有机化合物的不饱和度立方烷面数为6，Ω=5降冰片烷面数为3，Ω=2棱晶烷面数为5，Ω=4例6、A、B、C、D、E五种芳香族化合物都是某些植物挥发油中的主要成分，有的是药物，有的是香料。它们的结构简式如下所示：A．B．C．D．E．这五种化合物中，互为同分异构体的是BC（写编号）。解析：分子中均含苯环外，可看苯环外的结构：A中5个C，Ω=1；B中4个C，Ω=1；C中4个C，Ω=1；D中3个C，Ω=1；E中3个C，Ω=2，所以答案为BC例7、请仔细阅读以下转化关系：A是从蛇床子果实中提取的一种中草药有效成分，是由碳、氢、氧元素组成的酯类化合物；B称作冰片，可用于医药和制香精、樟脑等；C的核磁共振氢谱显示其分子中含有4种氢原子；D中只含一个氧原子，与Na反应放出H2；F为烃。请回答：（1）B的分子式为___________。（2）F的分子式为____________。化合物H是F的同系物，相对分子质量为56，写出H所有可能的结构：_______________。解析：（1）从图中可快速看出B中有10个C，一个O，为面数为3的闭合笼状结构，故Ω=2，分子式为C10HyO,Ω=2=10+1-y/2=18,确定分子式为C10H18O（2）F为烃，E-F为消去反应，70/14=5，F为戊烯，分子式为C5H10H是F的同系物，相对分子质量为56，56/14=4，为丁烯，所有同分异构体为1-丁烯，2-丁烯（存在顺反异构）和甲基丙烯四种。不饱和度（Ω）可运用于确定有机物分子的结构、推导化学式，判断同分异构体、同系物，推断有机物的结构与性质，确定有机反应类型等等。总之，从近几年高考中可以看出，不饱和度在有机化学中发挥着重要的作用，若在教学中能运用好不饱和度，对学生的学习和考试将会起到事半功倍的效果。