Степень ненасыщенности

Термин, определяющий общее число колец и π-связей

При анализе молекулярной формулы органических молекул степень ненасыщенности (DU) (также известная как индекс дефицита водорода (IHD) , эквиваленты двойных связей (DBE) или индекс ненасыщенности ^[1] ) представляет собой расчет, который определяет общее количество колец и π-связей . Формула используется в органической химии для того, чтобы помочь нарисовать химические структуры. Она не дает никакой информации об этих компонентах по отдельности — конкретное количество колец или двойных связей (одна π-связь каждая) или тройных связей (две π-связи каждая). Окончательная структура проверяется с использованием ЯМР , масс-спектрометрии и ИК-спектроскопии , а также качественного контроля. Она основана на сравнении фактической молекулярной формулы с тем, что было бы возможной формулой, если бы структура была насыщенной — не имела колец и содержала только σ-связи — со всеми атомами, имеющими свою стандартную валентность .

Общая формула

Формула степени ненасыщенности:

\mathrm {DU} = {\sum n_{i}(v_{i}-2) \over 2}+1

где n _i — число атомов с валентностью v _i . ^[2]

То есть атом, имеющий валентность x, вносит в степень ненасыщенности общий вклад x − 2. Затем результат делится пополам и увеличивается на 1.

Упрощенные формулы

Для некоторых классов молекул общая формула может быть упрощена или переписана более наглядно. Например:

{\text{Эквивалент двойной связи}}=(a+1)-{\frac {b-c+f}{2}}

где

а = число атомов углерода в соединении

b = число атомов водорода в соединении

c = число атомов азота в соединении

f = число атомов галогена в соединении

или

\mathrm {кольца+\пи \ связи} =C-{\frac {H}{2}}-{\frac {X}{2}}+{\frac {N}{2}}+1\,

где C = число атомов углерода, H = число атомов водорода, X = число галогенов и N = число атомов азота, ^[3] дает эквивалентный результат.

В любом случае кислород и другие двухвалентные атомы не вносят вклад в степень ненасыщенности, так как 2 − 2 = 0.

Объяснение

Для углеводородов DBE (или IHD) говорит нам о количестве колец и/или дополнительных связей в ненасыщенной структуре, что равно количеству пар водорода , необходимых для того, чтобы сделать структуру насыщенной, просто потому, что соединение двух элементов для образования кольца или добавление одной дополнительной связи (например, одинарной связи, измененной на двойную) в структуре уменьшает потребность в двух H. Для неуглеводородных элементов элементы в паре могут включать любые элементы из семейства лития и семейства фтора в периодической таблице, не обязательно все H.

Популярная форма формулы выглядит следующим образом:

{\text{IHD}}=C+1+{\frac {N}{2}}-{\frac {H}{2}}-{\frac {X}{2}}

где $C$ , $N$ , $H$ и $X$ представляют число атомов углерода , азота , водорода и галогена соответственно. Каждый из терминов в правой части может быть объяснен следующим образом:

За исключением терминальных углеродов, каждый углерод, присоединенный к структуре двумя одинарными связями, требует пары атомов водорода, присоединенных к нему. Количество углеродов в формуле на самом деле представляет собой количество пар водорода, необходимых для того, чтобы это количество углеродов образовало насыщенную структуру. (Это также верно, если углерод добавляется к структуре, независимо от того, вставлен ли он в основную цепь, присоединен к терминальному атому для замены водорода или ответвлен от углерода для замены водорода.)
Каждому из двух конечных атомов углерода в основной цепи требуется один дополнительный водород — вот почему к формуле добавляется «1». (Концевая часть ветви не нуждается в добавлении H в расчете, поскольку H, замененный ветвью, можно считать H, добавленным к конечной части ветви. Это также верно для ветви, заканчивающейся любым элементом.)
За исключением концевых азотов, каждому азоту в цепи требуется только один присоединенный к нему атом H, что составляет половину пары водородов — вот почему $+ ⁠ Н / 2 ⁠$ находится в формуле, которая дает значение 1 для каждых двух азотов. (Это также верно, если азот добавляется в структуру, независимо от того, вставлен ли он в основную цепь, присоединен к концу для замены H или ответвлен от C для замены H.)
⁠ $$ $ЧАС / 2 ⁠$ представляет собой число пар водорода, поскольку оно дает значение 1 для каждых двух атомов водорода. Оно вычитается в формуле, чтобы подсчитать, сколько пар атомов водорода отсутствует в ненасыщенной структуре, что говорит нам о степени дефицита водорода. (Ни одна пара водорода не отсутствует, если $IHD = 0$ , что соответствует отсутствию дефицита водорода.)
Присутствие $⁠$ $Х / 2 ⁠$ по причине, аналогичной $⁠$ $ЧАС / 2 ⁠$ .

Добавление атома кислорода в структуру не требует добавления водорода, поэтому число атомов кислорода не отображается в формуле. Кроме того, формулу можно обобщить, включив все элементы группы I (семейство водорода и лития), группы IV (семейство углерода), группы V (семейство азота) и группы VII (семейство фтора) группы CAS A в периодической таблице следующим образом:

{\text{IHD}}=G_{4}+1+{\frac {G_{5}}{2}}-{\frac {G_{1}}{2}}-{\frac {G_{7}}{2}}

Или просто,

{\text{IHD}}=G_{4}+1+{\frac {G_{5}-G_{1}-G_{7}}{2}}

Смотрите также

Йодное число — практическая мера количества двойных связей в образце.

Ссылки

^ Спаркман, Дэвид О. (2006). Справочник по масс-спектрометрии . Питтсбург: Global View Pub. стр. 54. ISBN 0-9660813-9-0.
^ Бадерчер, М.; Бишофбергер, К.; Мунк, М.Е.; Преч, Э. (2001). «Новый формализм для характеристики степени ненасыщенности органических молекул». Журнал химической информации и моделирования . 41 (4): 889–93 . doi :10.1021/ci000135o. PMID 11500105.
^ Органическая структурная спектроскопия , глава 1.

Янг, Пол Р. (2000). Практическая спектроскопия . ISBN 0-534-37230-9.

Внешние ссылки

Калькулятор молекулярной массы и степени ненасыщенности
Степень ненасыщенности Архивировано 2014-01-04 на Wayback Machine

[isbn0-9660813-9-0-1] Спаркман, Дэвид О. (2006). Справочник по масс-спектрометрии . Питтсбург: Global View Pub. стр. 54. ISBN 0-9660813-9-0.

[2] Бадерчер, М.; Бишофбергер, К.; Мунк, М.Е.; Преч, Э. (2001). «Новый формализм для характеристики степени ненасыщенности органических молекул». Журнал химической информации и моделирования . 41 (4): 889–93 . doi :10.1021/ci000135o. PMID 11500105.

[3] Органическая структурная спектроскопия , глава 1.