淺析不飽和度的計算及在有機化學中的應用

江學軍

【摘 要】近幾年各省化學高考試題中，分析有機物的結構問題呈現日益復雜的趨勢，涉及到的有機物分子式比較復雜，例如2014年北京高考化學25題，2012年浙江高考化學29題等等。用常規思維來解決這類開放性的問題，難免會走歪路和耗時間，而且容易出差錯，考生對這類題目感覺比較抽象，把握度不高。不飽和度能直接反映有機物分子組成與其結構的關系，是解決這類問題的有效手段，筆者在教學過程中發現其推理嚴謹，計算簡單快速，分析結構時可防遺漏，能幫助學生有效快速地對有機試題進行解答，起到事半功倍之功效。

【關鍵詞】不飽和度；缺氫數；同系物；同分異構體；結構；分子式；推斷

一、不飽和度的概念

不飽和度又稱缺氫指數或者環加雙鍵指數，是有機物分子不飽和程度的量化標志，通常用希臘字母Ω表示。規定烷烴的不飽和度為0，烷烴的通式可表示為CnH2n+2，其所能結合H的數目達到最大，即達到飽和，缺氫數為0。Ω越大，說明相對于有機物的缺氫數越多，Ω=缺H數/2。

二、不飽和度的計算

高中階段涉及到的有機物所含元素主要有C、H、O（S和O類似）、N（P和N類似）、X（指鹵素），下面我們討論的范圍主要是由這些元素組成的有機物。

根據有機物的化學式計算

①若有機物分子式為CaHb，則Ω=（2a+2-b）/2，即Ω=a-b/2+1。

②若有機物分子式為CaHbXc，由于X和H成鍵情況類似，故可視作H來處理，則Ω=（2a+2-b-c）/2，即Ω=a-b/2-c/2+1。

③若有機物分子式為CaHbOd，因為O的成鍵數目為2個，故O的存在并不會改變有機物所含H的數目，即不會改變不飽和度。例如：在CH2=CH-CH3中所含H的數目為6，缺氫數為2，Ω=1。當引入O后會出現兩種情況：情況一：O參與兩個單鍵，如CH2=CH-CH2-OH，其所含H的數目仍為6，Ω=1；情況二：O參與雙鍵，如CH3-CH2-CHO，其所含H的數目也為6，Ω=1。因此分子式為CaHbOd的有機物，Ω=（2a+2-b）/2，即Ω=a-b/2+1。

④若有機物分子式為CaHbNe，因為N的成鍵數為3個，增加1個N最多會使有機物多含1個H，例如：CH3-CH3引入N后可變為CH3-CH3-NH2，故有機物CaHbNe的缺氫數為2a+2+e-b，Ω=（2a+2+e-b）/2，即Ω=a+e/2-b/2+1。

⑤若有機物分子式為CaHbXcOdNe，綜合上述的分析，Ω=（2a+2+e-b-c）/2，即Ω=a+e/2-b/2-c/2+1。

根據有機物的結構計算

單鍵對不飽和度不產生影響，因此烷烴的不飽和度是0。雙鍵、三鍵或環的形成會減少有機物所含H的數目，缺氫數增加，產生不飽和度。具體情況如下：

①1個雙鍵貢獻1個不飽和度，包括碳碳雙鍵、羰基、醛基、羧基、酯基、硝基等。如乙烯、丙酮、乙醛、乙酸、乙酸乙酯的不飽和度都為1。

②1個普通的環（如環烷烴）貢獻1個不飽和度。如環己烷的不飽和度為1。

③1個叁鍵貢獻2個不飽和度，如碳碳叁鍵、腈基-CN等。如乙炔、HCN的不飽和度都為2。

④1個獨立的苯環貢獻4個不飽和度，可把它看成是三個雙鍵和一個環來計算。如硝基苯的不飽和度為4（苯環）+1（硝基）=5。

⑤立體封閉有機物分子（多面體或籠狀結構），其成環的不飽和度比面數少1。如正四面體烷的不飽和度為4-1=3。

三、不飽和度的應用

1.判斷有機物分子式是否正確

例：下列有機物分子式一定錯誤的是（ ）

A.C15H25Cl7O4N3 B.C15H30Cl7O4N3 C.C15H28Cl5O4N3

解析：A項C15H25X7O4N3的Ω=15+3/2-25/2-7/2+1=1.5；B項C15H30X7O4N3的Ω=15+3/2-30/2-7/2+1=-1；C項C15H28X5O4N3的Ω=15+3/2-28/2-7/2+1=0。由于不飽和度必須是非負整數（Ω∈Z+或0），故選A、B。

因此對于分子式為CaHbXcOdNe的有機物，b、c、e三者之和必須為偶數，即有機物中一價和三價原子總個數為偶數，而對二價和四價原子的個數沒有要求。

2.判斷是否屬于同系物或同分異構體

同系物是指同系列的有機物，且相差一個或多個CH2（Ω=0）原子團，所以互為同系物的有機物不飽和度必定相同。分子式相同則不飽和度也相同，所以同分異構體的不飽和度也必定相同。

例1：（2012浙江·11）下列說法正確的是（ ）

A.按系統命名法，化合物的名稱為2，6-二甲基-5-乙基庚烷

B.丙氨酸和苯丙氨酸脫水，最多可生成3種二肽

C.化合物是苯的同系物

D.三硝酸甘油酯的分子式為C3H5N3O9

解析：選項A的正確命名應為2，6-二甲基-3-乙基庚烷，選項B可以生成4種二肽，選項C中該有機物中的Ω=14，而苯的Ω=4，故不是同系物的關系，根據三硝酸甘油酯的結構不難看出選項D是正確的。

例2：人們使用四百萬只象鼻蟲和它們的215磅糞物，歷經30年多時間弄清了棉子象鼻蟲的四種信息素的組成，它們的結構可表示如下（括號內表示④的結構簡式）

以上四種信息素中互為同分異構體的是

A ①和② B ①和③ C ③和④ D ②和④

解析：①、②的Ω=3，但為同種物質；③、④的Ω=2，互為同分異構體，故選C。

3.根據結構計算不飽和度并書寫分子式

題目中往往會給出有機物的鍵線式讓我們去求分子式，或者判斷分子式是否正確，對于C、O、N、X這些原子的數目比較容易數，而對于H往往容易數錯。下列具體舉例說明不飽和度對解這類題目的應用。

例1：“褪黑素”（melatonin）是吲哚環衍生物，它具有一定的生物活性，其結構簡式如下：

，則其不飽和度為__，分子式為__。

解析：Ω=4（苯環）+1（環）+2（碳碳雙鍵、羰基）=7，分子式為C13HbO2N2，根據Ω=13+2/2-b/2+1=7，求得b=16，故分子式為C13H16O2N2。

例2：泰雅紫是古代地中海沿岸出產的一種貴重燃料，羅馬帝王用法律規定，只有皇族與教主可穿這種紫色衣袍。當時人們是從小的紫蝸牛中提取它的，制備1.5g泰雅紫需要多達12000只紫蝸牛，現知其結構如圖所示：則其不飽和度為__，分子式為__。

解析：Ω=4×2（苯環）+1×2（環）+1×3（碳碳雙鍵、羰基）=13，分子式為C16HbBr2O2N2，根據Ω=16+2/2-b/2-2/2+1=13，求得b=8，故分子式為C16H8Br2O2N2。

4.輔助推斷有機物的結構和性質

例：（2012浙江·29）化合物X是一種環境激素，存在如下轉化關系：

化合物A能與FeCl3溶液發生顯色反應，分子中含有兩個化學環境完全相同的甲基，其苯環上的一硝基取代物只有兩種。1H-NMR譜顯示化合物G的所有氫原子化學環境相同。F是一種可用于制備隱形眼鏡的高聚物。

不飽和度在推導化學式、判斷同系物和同分異構體、以及推斷有機物的結構方面有著廣泛的應用，不飽和度還可用于共用電子對數目的計算與有機物面數的確定等方面，具體不再贅述。縱觀高中化學教材，沒有涉及不飽和度的概念，而其在這幾年高考中體現較多，作用明顯，故筆者希望借此文引起高中教學對不飽和度的重視。

參考文獻：

[1]王宏.有機物“不飽和度”的概念及其應用[J]；課程教材教學研究（教育研究版）；2008年05期

[2]徐林崗.“不飽和度”巧解有機題[J]；理科考試研究；2012年23期

[3]劉有智.不飽和度及其應用[J]；新課程（上）；2011年07期