有机物不饱和度的计算与应用

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摘要：为帮助学生更好地理解和掌握有机物不饱和度知识，有别于通常的方法，从价电子的角度解释并计算有机物的不饱和度，以中学生能理解的知识解释了有机物不饱和度的成因，便于学生在理解的基础上记忆，并简单介绍不饱和度在有机化学中的应用。

关键词：有机物；不饱和度；不饱和度的计算和应用

文章编号：1005–6629（2013）9–0074–03 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

1 问题的提出

不饱和度是有机化学中非常重要的概念，它揭示了有机物组成与结构之间的隐性关系，以及官能团类别异构与同分异构体之间的内在联系。较复杂的有机物结构的解题过程中，用常规思维解决，往往会出现遗漏、差错，若能运用不饱和度来处理，则会轻松许多。但如何让学生轻松愉快地理解不饱和度？各种资料中介绍了许多方法，如：Ω[1]=双键数+叁键数×2+环数[2]，不饱和度（US）的求法等，但都是给出结论，未能从本质上去分析，这些方法往往只说其然而未述其所以然，学生记忆与理解都存在一定难度，有没有更好的方法去理解不饱和度呢？

2 追根溯源看本质

不饱和度[3]又称为“缺氢指数”，用希腊字母Ω来表示，顾名思义，它是反映有机物分子不饱和程度的量化标志。

如何理解“缺氢指数”呢？在实际教学中，我们往往理解为缺少氢原子的指数，每缺少两个氢原子指数为1，即不饱和度为1。同时告诉学生卤素原子、氨基应替换为氢原子，氧原子可“视而不见”等等一系列的经验规律。但为什么可以这样计算？学生其实并不理解，机械地记忆不理解的知识，只能加重学生的学习负担，导致学生涉及到较复杂不饱和度计算时经常出错。

如果能从化学键成键的角度，从本质上去理解“缺氢”的原因，有利于我们解决这一问题。

2.1 以烃类为基础理解不饱和度

开链烷烃CnH2n+2，因碳碳之间，碳氢之间形成的都是单键，碳原子已形成最多数目单键，因此开链烷烃的不饱和度Ω=0。

碳原子数为n的烃，应形成最多数目的单键为多少呢？我们知道碳原子的价电子数为4，且n个碳原子之间至少形成n-1条碳碳单键，则剩余的价电子数为 4n-2（n-1）=2n+2，即还需要结合2n+2个价电子数为1的氢原子，形成2n+2条碳氢单键，以达到最多数目的单键。当氢原子为2n时，碳原子剩余2个价电子，形成一对共用电子对，即碳原子间多了一条共价键，或者说是碳原子之间形成了一条双键，形成一个不饱和度。因此对于烃CnHm不饱和度为：Ω= 2 n + 2 2 - m 。

2.2 卤代烃不饱和度的计算

烃类中的氢原子如被卤素原子取代，因其价电子数同为1，对碳原子形成单键数目并无影响，所以对于卤代烃不饱和度计算，可将卤素原子视为氢原子，其本质原因是卤素原子与氢原子价电子数均为1。由此可见，把不饱和度称为“缺氢指数”并不准确。

2.3 含氧衍生物不饱和度的计算

对于分子式为CnHmOx的含氧衍生物，其不饱和度计算同样可以采取价电子计算的方法。如形成最多数目的单键，碳碳及碳氧之间应均形成单键，此时碳原子及氧原子剩余价电子数为（4n+2x）-2（n+x-1）=2n+2，所以其不饱和度Ω= 2 n + 22 - m ，与氧原子无关，因此我们可以对氧原子“视而不见”。

例1 ①当氧原子形成单键时，如苯甲醇，分子式为C7H8O，结构如图1所示，不饱和度Ω=4。

解析：方法1 直接观察法：碳原子数为8个，每个碳原子形成了三条化学键，则每个碳原子还需与一个氢原子成键，所以氢原子数为8，即立方烷的分子式为C8H8 。

方法2 根据不饱和度计算：立方烷有六个四元环，根据一个环形成一个不饱和度，则Ω= =6，计算得m=6，其分子式为C8H6。

我们都知道立方烷的分子式应为C8H8，为什么方法2计算会出错呢？从不饱和度的形成本质分析：如图4所示，为立方烷未形成立体封闭多面体时的结构，因只有一个环，其不饱和度Ω=1，当1、2号碳原子成键时，不饱和度Ω=2，当2、3号碳原子，3、4号碳原子成键时，环数为4，其不饱和度Ω=4，结构式如图5所示。但当4、5号碳原子再成键时，由不饱和度本质知其不饱和度增加1，但同时形成了右侧面和底面两个环，即环数比不饱和度多1。因此，方法2中，不饱和度应为5，可计算得m=8。

3.2 已知有机物（不含立体封闭多面体）结构简式，快速计算有机物的分子式

例5 （2009江苏卷第10题）具有显著抗癌活性的10-羟基喜树碱的结构如图6所示。下列关于10-羟基喜树碱的说法正确的是：

4.2 较复杂的空间立体结构不适用

如图8所示，当1、2号碳原子成键时，会出现“一键三环”的现象，因此本文及众多文献中所述封闭立体多面体的不饱和度Ω=环数-1，也仅适用于简单的封闭立体多面体。对于此类有机物不饱和度的计算，由于水平有限，也期待着有同行能够做进一步的研究，由于中学化学涉及到的有机物均为碳链骨架，对与非碳链骨架的有机物，本文未做研究。

清华大学化学系宋心琦教授在“化学实验改革建议”中指出了化学是以实验为基础的学科，同时也意味着化学知识缺乏普遍适用的规律。如何在繁杂的知识中尽可能的发现规律，本文在不饱和度的计算上做了粗浅的尝试，希望能起到抛砖引玉的作用，期盼更多的专家、同行能够进一步地研究，以期能够让学生从本质上理解、应用不饱和度，减轻学生的学习负担。

参考文献：

[1]肖雪明.高中化学常见烃及其衍生物的分子式熟记技巧——不饱和度的妙用[J].理科考试研究（综合版），2012，（9）：58～59.

[2]李光源.联想与迁移——谈不饱和度在解题中的应用[J].中学教学参考，2009，（23）：139.

[3]肖雪明.高中化学常见烃及其衍生物的分子式熟记技巧——不饱和度的妙用[J].理科考试研究（综合版），2012，（9）：58～59.

[4]王宏.有机物“不饱和度”的概念及其应用[J].课程教材教学研究（教育研究版），2008，（44）：15～16.

[5]兰建祥.从立方烷不饱和度的计算说起[J].化学教育，2004，（11）：59.