Степень ненасыщенности

При анализе молекулярной формулы органических молекул степень ненасыщенности (DU) (также известная как индекс дефицита водорода (IHD) , эквиваленты двойной связи (DBE) или индекс ненасыщенности ^[1]) — расчет, определяющий общее количество колец и π-связей . используются формулы, В органической химии помогающие рисовать химические структуры. Он не дает никакой информации об этих компонентах по отдельности — о конкретном количестве колец, или о двойных связях (по одной π-связи), или о тройных связях (по две π-связи). Окончательная структура проверена с помощью ЯМР , масс-спектрометрии и ИК-спектроскопии , а также качественного контроля. Он основан на сравнении фактической молекулярной формулы с той, которая была бы возможной формулой, если бы структура была насыщенной — не имеющей колец и содержащей 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 количество атомов с валентностью vi _— . ^[2]

То есть атом, имеющий валентность x, вносит общий вклад x - 2 в степень ненасыщенности. Затем результат уменьшается вдвое и увеличивается на 1.

Упрощенные формулы

Для определенных классов молекул общую формулу можно упростить или переписать более четко. Например:

{\text{Double bond equivalent}}=(a+1)-{\frac {b-c+f}{2}}

где

a = количество атомов углерода в соединении

b = количество атомов водорода в соединении

c = количество атомов азота в соединении

f = количество атомов галогена в соединении

или

\mathrm {rings+\pi \ bonds} =C-{\frac {H}{2}}-{\frac {X}{2}}+{\frac {N}{2}}+1\,

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

В любом случае кислород и другие двухвалентные атомы не вносят вклада в степень ненасыщенности, поскольку 2 - 2 = 0.

Объяснение

Для углеводородов DBE (или IHD) сообщает нам количество колец и/или дополнительных связей в ненасыщенной структуре, что равно числу пар водорода , необходимых для того, чтобы сделать структуру насыщенной, просто потому, что при соединении двух элементов образуется кольцо или добавление одной дополнительной связи (например, замена одинарной связи на двойную) в структуре уменьшает потребность в двух H. Что касается неуглеводородных элементов, то элементы в паре могут включать любые элементы 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 собой количество атомов углерода , азота , водорода и галогена соответственно. Каждый из терминов RHS можно объяснить соответственно следующим образом:

За исключением концевых атомов углерода, каждый углерод, присоединенный к структуре двумя одинарными связями, требует присоединенной к нему пары атомов водорода. Количество атомов углерода в формуле фактически представляет собой количество пар водорода, необходимое для того, чтобы это количество атомов углерода образовало насыщенную структуру. (Это также верно, если к структуре добавляется углерод, независимо от того, вставлен ли он в основную цепь, прикреплен к концу для замены водорода или разветвлен от углерода для замены водорода.)
Каждому из двух концевых атомов углерода основной цепи требуется один дополнительный водород, поэтому к формуле добавляется «1». (Терминал ветки не требует добавления H при расчете, поскольку H, замененный веткой, может считаться H, добавленным к терминалу ветки. Это также верно для ветки, заканчивающейся любым элементом.)
За исключением концевых атомов азота, каждому азоту в цепи требуется только один присоединенный к нему H, который представляет собой половину пары атомов водорода, поэтому $+ .mw-parser-output .sfrac{white-space:nowrap}.mw-parser-output .sfrac.tion,.mw-parser-output .sfrac .tion{display:inline-block;vertical-align:-0.5em;font-size:85%;text-align:center}.mw-parser-output .sfrac .num{display:block;line-height:1em;margin:0.0em 0.1em;border-bottom:1px solid}.mw-parser-output .sfrac .den{display:block;line-height:1em;margin:0.1em 0.1em}.mw-parser-output .sr-only{border:0;clip:rect(0,0,0,0);clip-path:polygon(0px 0px,0px 0px,0px 0px);height:1px;margin:-1px;overflow:hidden;padding:0;position:absolute;width:1px}⁠ N / 2 ⁠$ находится в формуле, которая дает значение 1 на каждые два азота. (Это также верно, если в структуру добавляется азот, независимо от того, вставлен ли он в основную цепь, присоединен к концу для замены H или разветвлен от C для замены H.)
The $⁠ H / 2 ⁠$ представляет количество пар водорода, поскольку оно дает значение 1 для каждых двух атомов водорода. Его вычитают из формулы, чтобы подсчитать, сколько пар атомов водорода недостает в ненасыщенной структуре, что говорит нам о степени дефицита водорода. (Ни одна водородная пара не отсутствует, если $IHD = 0$ , что соответствует отсутствию дефицита водорода.)
Наличие $⁠ X / 2 ⁠$ по причине аналогичной $⁠ H / 2 ⁠$ .

Добавление атома кислорода в структуру не требует добавления водорода, поэтому количество атомов кислорода не указано в формуле.Кроме того, формулу можно обобщить, включив в нее 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 периодическую таблицу 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}}

См. также

Йодное число - практическая мера количества двойных связей в образце.

Ссылки

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

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

Внешние ссылки

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

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

[3] Органическая структурная спектроскопия , глава 1.

[1]

[2]

[3]