不饱和度在高中化学中的妙用

不饱和度在高中化学中的妙用

一、不饱和度的概念

不饱和度 (英文名称:Ｄegree ｏｆ ｕn ｓａtu ｒa ｔi ｏn)，又称缺氢指数或者环加双键指数(inde ｘ of h ｙdro ｇｅn de ｆｉcienc ｙ （ＩＨＤ) or ri ｎｇs ｐl ｕs d ｏu ｂｌe bon ｄs)，是有机物分子不饱和程度的量化标志，通常用希腊字母Ω表示。

二、不饱和度的计算方法

（１)、从有机物的分子式计算不饱和度的方法

第一种方法

若有机物中只含碳、氢元素， Ω＝2

22H C -+ (其中C 和H 分别代表碳原子和氢原子的数目）

例如：CH ２=CH 2的不饱和度Ω＝2

4222-+⨯=１ 第二种方法:

若有机物中只含碳、氢、氧、氮和单价卤族元素，

Ω=21H N C -++

（其中C 代表碳原子数目,Ｈ代表氢原子和卤素原子的总数，Ｎ代表氮原子的数目)

例如：C 3H ７O 2Ｎ的不饱和度Ω=27113-++=1

补充理解说明：

①有机物分子中含有卤素等一价元素时，可视为氢原子计算不饱和度,例如：C2H3Cｌ的不饱和度Ω为1。

②有机物分子中含有氧、硫等二价元素时，因为“C=O”与“C=C”等效,故计算不饱和度时可忽略氧原子,例如：ＣＨ２=CH２(乙烯）、CH3CHO（乙醛)、CH３COＯH（乙酸)的不饱和度Ω均为1。

③有机物分子中含有氮、磷等三价元素时，每增加一个三价原子,则等效为减少一个氢原子，例如:CＨ3ＮH2(氨基甲烷）的不饱和度Ω为0。

④碳的同素异形体，可将其视作氢原子数为０的烃，例如C60(足球烯，或者富勒烯,Bucｋminｓｔer fｕlｌerene)的不饱和度Ω为６1。

⑤对于烃的含氧衍生物（CｎHｍＯz）,由于氢原子的最大值是2n+2(如饱和一元醇C nＨ２n＋２O),所以其不饱和度为零,依此类推,饱和一元醛（C n H2nＯ）,饱和一元羧酸(C nＨ２nＯ2）,由于含有一个碳氧双键而比同碳数的饱和一元醇减少了2个氢原子,也可视为其不饱和度Ω=1。这样，对于一个有机物分子——烃或烃的含氢衍生物,只要知道了其不饱和度，就能推断出其可能的结构。即有下列关系: 若Ω=0,说明有机分子呈饱和链状,分子中的碳氢原子以Ｃn H2n＋

2(此为饱和烃分子式通式)关系存在。

若Ω＝１，说明有机分子中含有一个双键或一个环。

若Ω＝2，说明有机分子中含有两个双键或一个三键或一个双键

一个环或两个环。

若Ω≥4,说明有机分子中可能含有苯环（C6Ｈ6）。

第三种方法:

通用公式

（其中代表某元素的化合价,代表该种元素原子的数目，代表总和。)

(2）、从有机物的分子结构计算不饱和度的方法

Ω=双键数＋三键数×２＋环数

例如：乙烯苯的不饱和度Ω＝4+1＝５

补充理解说明:

①单键对不饱和度不产生影响，因此烷烃的不饱和度是0（所有原子均已饱和）。

②一个双键(烯烃、亚胺、羰基化合物等）贡献1个不饱和度。

③一个三键(炔烃、腈等)贡献2个不饱和度。

④一个环（如环烷烃）贡献1个不饱和度。

⑤一个苯环贡献４个不饱和度（可以看成一个环和三个双键）。

⑥一个-NO2贡献1个不饱和度。

⑦立体封闭有机化合物分子(多面体或笼状结构），其不饱和度比面数少1。例如：

立方烷的面数为6,不饱和度为５。

棱晶烷的面数为5,不饱和度为4。

盆烯的面数为4,不饱和度为3。

金刚烷的面数为4,不饱和度为3。

三、不饱和度的应用

(１）用不饱和度判断有机化合物的分子式是否成立

有机化合物的不饱和度只能是0和正整数，不可能是分数或负数，否则,该分子式不成立。

例1、判断下列有机物的分子式能否成立?成立的说出一种化合物。

A．C２H3O B．C7Ｈ5Br３

C．ﻩC６Ｈ4FNO2Ｄ.C4H8NO

解析：

A．Ω=3／2，因此，该分子式不能成立。

B．Ω＝4,因此,该分子式能成立。如三溴甲苯。

C．Ω=５，因此,该分子式能成立。如对硝基氯苯。

D．Ω=3/2，因此,该分子式不能成立。

(2）、用不饱和度书写有机化合物的分子式

判断结构复杂的有机物分子式时，通过不饱和度可在仅知道碳原子数的前提下，迅速地求出氢原子从而确定有机物的分子式。

例2、(2003上海高考化学）自2０世纪90年代以来,芳炔类大环化合物的研究发展十分迅速,具有不同分子结构和几何形状的这一类物质在高科技领域有着十分广泛的应用前景。合成芳炔类大环

的一种方法是以苯乙炔（）经过反应得到一系列的芳块类大环化合物，其结构为:

则上述系列中第１种物质的分子式为。

解析：

第1种物质中含有3个苯环、３个C≡C键，且相互间连成一个大环（不饱和度为1）,所以其不饱和度为:3×4+3×2＋1=1９。

C原子个数为24，所以H原子个数为：2×２4+2－２×１9＝12 所以分子式为C24H12

(３）、用不饱和度推断有机化合物的同分异构体

互为同分异构体的有机化合物的分子式相同,则其不饱和度也相同,因此，通过不饱和度可以帮助判断和书写同分异构体。

例3、人们使用四百万只象鼻虫和它们的２15磅粪便物，历经30多年时间弄清了棉子象鼻虫的四种信息素的组成,它们的结构可表示如下（括号内表示④的结构简式）以上四种信息素中,互为同分异构体的是（）

A、①和②

B、①和④Ｃ、③和④D、②和④

解析:观察可知１,2，3，４的碳原子数分别为１1,１０,1１,11。①Ω=2+1=3,②Ω=１+1＝２,③Ω＝2=1=3，④Ω=1+１=2，因碳原子数和不饱和度均需相同，故答案为D。

（４)、用不饱和度推断有机化合物的结构和性质

通过有机物的分子式确定其不饱和度,由不饱和度可推测该有机化合物具有的结构和性质。

例4、某芳香族有机物的分子式为C８H６O2,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:该分子不饱和度是6除去苯环4个不饱和度外,还有两个不饱和度，则推测结构中有1个C≡C或两个Ｃ=Ｏ。但若该分子中含有一个羧基（Ω=1),余下的一个碳原子不可能再与其他原子形成不饱和键，无法是不饱和度达到6。故该分子中不可能含有一个羧基。答案为D。

（5）、用不饱和度来计算笼状化合物的面数

笼状化合物的面数=Ω+1,不过，这里的Ω仅仅指由环产生的Ω,而没有包括双键及三键产生的Ω。因此，我们可用不饱和度来计算笼状化合物的面数等其他几何元素。

例５、199６年诺贝尔化学奖授予对发现Ｃ６０有重要贡献的3位科学家,C６0分子是形如球状的多面体，该结构的建立基于以下考虑：①C60分子中每个碳原子只跟相邻的三个碳原子形成共价键；⑦C60中含有五边形和六边形;③多面体的顶点数、面数和棱边数的关系，遵循欧拉公式：