有機(jī)物不飽和度的計(jì)算與應(yīng)用

侯現(xiàn)樂 陳雪金

摘要：為幫助學(xué)生更好地理解和掌握有機(jī)物不飽和度知識(shí)，有別于通常的方法，從價(jià)電子的角度解釋并計(jì)算有機(jī)物的不飽和度，以中學(xué)生能理解的知識(shí)解釋了有機(jī)物不飽和度的成因，便于學(xué)生在理解的基礎(chǔ)上記憶，并簡單介紹不飽和度在有機(jī)化學(xué)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：有機(jī)物；不飽和度；不飽和度的計(jì)算和應(yīng)用

文章編號(hào)：1005–6629（2013）9–0074–03 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1 問題的提出

不飽和度是有機(jī)化學(xué)中非常重要的概念，它揭示了有機(jī)物組成與結(jié)構(gòu)之間的隱性關(guān)系，以及官能團(tuán)類別異構(gòu)與同分異構(gòu)體之間的內(nèi)在聯(lián)系。較復(fù)雜的有機(jī)物結(jié)構(gòu)的解題過程中，用常規(guī)思維解決，往往會(huì)出現(xiàn)遺漏、差錯(cuò)，若能運(yùn)用不飽和度來處理，則會(huì)輕松許多。但如何讓學(xué)生輕松愉快地理解不飽和度？各種資料中介紹了許多方法，如：Ω[1]=雙鍵數(shù)+叁鍵數(shù)×2+環(huán)數(shù)[2]，不飽和度（US）的求法等，但都是給出結(jié)論，未能從本質(zhì)上去分析，這些方法往往只說其然而未述其所以然，學(xué)生記憶與理解都存在一定難度，有沒有更好的方法去理解不飽和度呢？

2 追根溯源看本質(zhì)

不飽和度[3]又稱為“缺氫指數(shù)”，用希臘字母Ω來表示，顧名思義，它是反映有機(jī)物分子不飽和程度的量化標(biāo)志。

如何理解“缺氫指數(shù)”呢？在實(shí)際教學(xué)中，我們往往理解為缺少氫原子的指數(shù)，每缺少兩個(gè)氫原子指數(shù)為1，即不飽和度為1。同時(shí)告訴學(xué)生鹵素原子、氨基應(yīng)替換為氫原子，氧原子可“視而不見”等等一系列的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律。但為什么可以這樣計(jì)算？學(xué)生其實(shí)并不理解，機(jī)械地記憶不理解的知識(shí)，只能加重學(xué)生的學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)，導(dǎo)致學(xué)生涉及到較復(fù)雜不飽和度計(jì)算時(shí)經(jīng)常出錯(cuò)。

如果能從化學(xué)鍵成鍵的角度，從本質(zhì)上去理解“缺氫”的原因，有利于我們解決這一問題。

2.1 以烴類為基礎(chǔ)理解不飽和度

開鏈烷烴CnH2n+2，因碳碳之間，碳?xì)渲g形成的都是單鍵，碳原子已形成最多數(shù)目單鍵，因此開鏈烷烴的不飽和度Ω=0。

碳原子數(shù)為n的烴，應(yīng)形成最多數(shù)目的單鍵為多少呢？我們知道碳原子的價(jià)電子數(shù)為4，且n個(gè)碳原子之間至少形成n-1條碳碳單鍵，則剩余的價(jià)電子數(shù)為 4n-2（n-1）=2n+2，即還需要結(jié)合2n+2個(gè)價(jià)電子數(shù)為1的氫原子，形成2n+2條碳?xì)鋯捂I，以達(dá)到最多數(shù)目的單鍵。當(dāng)氫原子為2n時(shí)，碳原子剩余2個(gè)價(jià)電子，形成一對(duì)共用電子對(duì)，即碳原子間多了一條共價(jià)鍵，或者說是碳原子之間形成了一條雙鍵，形成一個(gè)不飽和度。因此對(duì)于烴CnHm不飽和度為：Ω= 2 n + 2 2 - m 。

2.2 鹵代烴不飽和度的計(jì)算

烴類中的氫原子如被鹵素原子取代，因其價(jià)電子數(shù)同為1，對(duì)碳原子形成單鍵數(shù)目并無影響，所以對(duì)于鹵代烴不飽和度計(jì)算，可將鹵素原子視為氫原子，其本質(zhì)原因是鹵素原子與氫原子價(jià)電子數(shù)均為1。由此可見，把不飽和度稱為“缺氫指數(shù)”并不準(zhǔn)確。

2.3 含氧衍生物不飽和度的計(jì)算

對(duì)于分子式為CnHmOx的含氧衍生物，其不飽和度計(jì)算同樣可以采取價(jià)電子計(jì)算的方法。如形成最多數(shù)目的單鍵，碳碳及碳氧之間應(yīng)均形成單鍵，此時(shí)碳原子及氧原子剩余價(jià)電子數(shù)為（4n+2x）-2（n+x-1）=2n+2，所以其不飽和度Ω= 2 n + 22 - m ，與氧原子無關(guān)，因此我們可以對(duì)氧原子“視而不見”。

例1 ①當(dāng)氧原子形成單鍵時(shí)，如苯甲醇，分子式為C7H8O，結(jié)構(gòu)如圖1所示，不飽和度Ω=4。

解析：方法1 直接觀察法：碳原子數(shù)為8個(gè)，每個(gè)碳原子形成了三條化學(xué)鍵，則每個(gè)碳原子還需與一個(gè)氫原子成鍵，所以氫原子數(shù)為8，即立方烷的分子式為C8H8 。

方法2 根據(jù)不飽和度計(jì)算：立方烷有六個(gè)四元環(huán)，根據(jù)一個(gè)環(huán)形成一個(gè)不飽和度，則Ω= =6，計(jì)算得m=6，其分子式為C8H6。

我們都知道立方烷的分子式應(yīng)為C8H8，為什么方法2計(jì)算會(huì)出錯(cuò)呢？從不飽和度的形成本質(zhì)分析：如圖4所示，為立方烷未形成立體封閉多面體時(shí)的結(jié)構(gòu)，因只有一個(gè)環(huán)，其不飽和度Ω=1，當(dāng)1、2號(hào)碳原子成鍵時(shí)，不飽和度Ω=2，當(dāng)2、3號(hào)碳原子，3、4號(hào)碳原子成鍵時(shí)，環(huán)數(shù)為4，其不飽和度Ω=4，結(jié)構(gòu)式如圖5所示。但當(dāng)4、5號(hào)碳原子再成鍵時(shí)，由不飽和度本質(zhì)知其不飽和度增加1，但同時(shí)形成了右側(cè)面和底面兩個(gè)環(huán)，即環(huán)數(shù)比不飽和度多1。因此，方法2中，不飽和度應(yīng)為5，可計(jì)算得m=8。

3.2 已知有機(jī)物（不含立體封閉多面體）結(jié)構(gòu)簡式，快速計(jì)算有機(jī)物的分子式

例5 （2009江蘇卷第10題）具有顯著抗癌活性的10-羥基喜樹堿的結(jié)構(gòu)如圖6所示。下列關(guān)于10-羥基喜樹堿的說法正確的是：

4.2 較復(fù)雜的空間立體結(jié)構(gòu)不適用

如圖8所示，當(dāng)1、2號(hào)碳原子成鍵時(shí)，會(huì)出現(xiàn)“一鍵三環(huán)”的現(xiàn)象，因此本文及眾多文獻(xiàn)中所述封閉立體多面體的不飽和度Ω=環(huán)數(shù)-1，也僅適用于簡單的封閉立體多面體。對(duì)于此類有機(jī)物不飽和度的計(jì)算，由于水平有限，也期待著有同行能夠做進(jìn)一步的研究，由于中學(xué)化學(xué)涉及到的有機(jī)物均為碳鏈骨架，對(duì)與非碳鏈骨架的有機(jī)物，本文未做研究。

清華大學(xué)化學(xué)系宋心琦教授在“化學(xué)實(shí)驗(yàn)改革建議”中指出了化學(xué)是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，同時(shí)也意味著化學(xué)知識(shí)缺乏普遍適用的規(guī)律。如何在繁雜的知識(shí)中盡可能的發(fā)現(xiàn)規(guī)律，本文在不飽和度的計(jì)算上做了粗淺的嘗試，希望能起到拋磚引玉的作用，期盼更多的專家、同行能夠進(jìn)一步地研究，以期能夠讓學(xué)生從本質(zhì)上理解、應(yīng)用不飽和度，減輕學(xué)生的學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)。

參考文獻(xiàn)：

[1]肖雪明.高中化學(xué)常見烴及其衍生物的分子式熟記技巧——不飽和度的妙用[J].理科考試研究（綜合版），2012，（9）：58～59.

[2]李光源.聯(lián)想與遷移——談不飽和度在解題中的應(yīng)用[J].中學(xué)教學(xué)參考，2009，（23）：139.

[3]肖雪明.高中化學(xué)常見烴及其衍生物的分子式熟記技巧——不飽和度的妙用[J].理科考試研究（綜合版），2012，（9）：58～59.

[4]王宏.有機(jī)物“不飽和度”的概念及其應(yīng)用[J].課程教材教學(xué)研究（教育研究版），2008，（44）：15～16.

[5]蘭建祥.從立方烷不飽和度的計(jì)算說起[J].化學(xué)教育，2004，（11）：59.