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 unsaturation)，又称缺氢指数或者环加双键指数（index of hydrogen deficiency (IHD) or rings plus double bonds），是有机物分子不饱和程度的量化标志，通常用希腊字母表示。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，= （其中C和H分别代表碳原子和氢原子的数目）例如：CH2=CH2的不饱和度=1第二种方法：若有机物中只含碳、氢、氧、氮和单价卤族元素，=（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：C3H7O2N的不饱和度=1补充理解说明：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的不饱和度为1。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）的不饱和度均为1。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）的不饱和度为0。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)的不饱和度为61。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CnH2n+2O），所以其不饱和度为零，依此类推，饱和一元醛（CnH2nO），饱和一元羧酸（CnH2nO2），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=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=0，说明有机分子呈饱和链状，分子中的碳氢原子以CnH2n+2（此为饱和烃分子式通式）关系存在。 若=1，说明有机分子中含有一个双键或一个环。 若=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=双键数+三键数2+环数例如：乙烯苯的不饱和度=4+1=5补充理解说明：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）。一个双键（烯烃、亚胺、羰基化合物等）贡献1个不饱和度。一个三键（炔烃、腈等）贡献2个不饱和度。一个环（如环烷烃）贡献1个不饱和度。一个苯环贡献4个不饱和度（可以看成一个环和三个双键）。一个-NO2贡献1个不饱和度。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。AC2H3O B.C7H5Br3C.C6H4FNO2 D.C4H8NO解析：A =3/2，因此，该分子式不能成立。B =4，因此，该分子式能成立。如三溴甲苯。C =5，因此，该分子式能成立。如对硝基氯苯。D =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CC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：3432119。C原子个数为24， 所以H原子个数为：224221912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（括号内表示的结构简式）以上四种信息素中，互为同分异构体的是（）、和、和、和、和解析：观察可知1,2,3,4的碳原子数分别为11,10,11,11。=2+1=3，=1+1=2，=2=1=3，=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CC或两个C=O。但若该分子中含有一个羧基（=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=+1，不过，这里的仅仅指由环产生的，而没有包括双键及三键产生的。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：C60分子中每个碳原子只跟相邻的三个碳原子形成共价键；C60中含有五边形和六边形；多面体的顶点数、面数和棱边数的关系，遵循欧拉公式：顶点数+面数-棱边数=2.试求C60分子中的双键数，单键数，面数，五边形和六边形的个数?解析：=(2n+2-m)=(602+20)=612=60/2=30，因=n+2故n=61-30=31因C60顶点数=60，面数=n+1=31+1=32故棱边数：顶点数+面数-2=60+32-2=90因2=30，棱边数=90，故单键数=90-30=60设五边形的个数为X，六边形的个数为Y，则有X+Y=32， (5X+6Y)3=60，解得X=12，Y=20。即有12个五边形，20个六边形。