結構生物化學/不飽和度

一般資訊

烷烴：分子式 CnH2n+2

除了 NMR/IR 光譜和質譜外，“不飽和度”分析是識別分子結構的有用工具。要使用這種方法，必須瞭解不飽和化合物和飽和化合物的含義。在無環烷烴的情況下，飽和化合物是指具有最大單鍵數量的化合物，遵循公式 C_nH_2n+2。相反，不飽和化合物的例子包括遵循公式 C_nH_2n（少兩個氫，雙鍵的結果）的無環烯烴。同樣，環烷烴遵循相同的公式：C_nH_2n。從這些例子可以看出，任何具有額外部索引鍵（雙鍵或三鍵）或環的烴都會偏離飽和公式 C_nH_2n+2。這導致了不飽和度概念，它可以定義為分子中環和 pi 鍵的數量之和。

每個不飽和度是指分子中減少兩個氫，這是由於存在 pi 鍵或環。不飽和度為 0 意味著該分子遵循無環烷烴的公式（C_nH_2n+2）。不飽和度為 1 意味著分子式中減少了兩個氫，得到的公式將為 CnH2n。按照相同的邏輯，不飽和度值為 2 將給出分子式 C_nH_2n-2。在這種情況下（不飽和度 = 2），有三種可能的情況。可能存在兩個 pi 鍵、一個 pi 鍵和一個環，或者只有兩個環。

不飽和度可以幫助我們確定烷烴分子的行為方式。鏈越飽和，流動性越低。這可能對結構生物化學有許多影響，因為它透過改變分子的形狀和流動性來改變分子的行為方式或功能。不飽和度可以透過顯示存在的雙鍵或三鍵來闡明結構。這種現象也可以稱為氫缺乏。分子中環和雙鍵越多，分子就越不飽和。重要的是要記住這些雙鍵和環可以對分子的功能和行為產生什麼影響。通常，在確定不飽和度時，不考慮不是碳和氫的分子。這些可以是氧、氮或任何其他分子。

上面給出的例子適用於不存在雜原子的簡單情況。當這些原子存在時，不飽和度計算需要更多工作。涉及相同的過程；然而，鹵素的存在減少了飽和所需的氫數量，氮的存在增加了所需的氫數量，而氧的數量不影響所需的氫數量。可以使用一個通用方程從分子式中確定不飽和度：

不飽和度 = (2Nc + 2 + Nn – Nx – Nh)/2

Nc = 碳原子數，Nn = 氮原子數，Nx = 鹵素原子數，Nh = 氫原子數

可以透過繪製各種帶有各種環、pi 鍵、鹵素、氮和氧的結構來驗證此公式。

理解方程式

乙烷

乙醇

氮的存在增加了達到飽和所需的氫數量，因為氮是三價的。向化合物中新增胺會導致一個額外的氫，因為氮成分本質上是去除一個 C-H 鍵並新增兩個 N-H 鍵和一個 C-N 鍵。這可以在乙烷 (C₂H₆) 和乙胺 (C₂H₇N) 的比較中看到。對於鹵素，本質上是將一個 C-H 鍵替換為一個 C-X 鍵；因此，鹵素的存在減少了飽和所需的氫數量：比較乙烷 (C₂H₆) 和氯乙烷 (C₂H₅)Cl。氧是二價的，因此它不會影響不飽和度計算。為了驗證，比較乙烷 (C₂H₆) 和乙醇 (C₂H₆O)。

示例

丁烯 C4H8。不飽和度值為 1 的一種可能的結構

環丁烷 C4H8。不飽和度值為 1 的一種可能的結構

一個簡單的例子是找到分子式 C₄H₈ 的不飽和度。使用上面的公式，不飽和度將為 (2*4 + 2 + 0 - 0 - 8)/2 = 1。因此，分子式為 C₄H₈ 的結構要麼存在一個烯烴（1 個 pi 鍵），要麼是環丁烷。一個稍微更具挑戰性的例子是分子式 C₅H₉N。在這種情況下，不飽和度將為 (2*5 + 2 + 1 – 0 – 9)/2 = 2。因此，分子中可能存在兩個 pi 鍵、一個 pi 鍵和一個環，或者兩個環。第三個例子是分子式 C₁₀H₁₃ClO，其不飽和度將為 (2*10 + 2 + 0 – 1 – 13)/2 = 4。從這個值可以看出，存在各種 pi 鍵/環組合（包括羰基）對應於計算的值。