结构生物化学/不饱和度

一般信息

烷烃：分子式 CnH2n+2

除了 NMR/IR 光谱和质谱外，“不饱和度”分析是识别分子结构的有用工具。要使用这种方法，必须了解不饱和化合物和饱和化合物的含义。在无环烷烃的情况下，饱和化合物是指具有最大单键数量的化合物，遵循公式 C_nH_2n+2。相反，不饱和化合物的例子包括遵循公式 C_nH_2n（少两个氢，双键的结果）的无环烯烃。同样，环烷烃遵循相同的公式：C_nH_2n。从这些例子可以看出，任何具有额外键（双键或三键）或环的烃都会偏离饱和公式 C_nH_2n+2。这导致了不饱和度概念，它可以定义为分子中环和 pi 键的数量之和。

每个不饱和度是指分子中减少两个氢，这是由于存在 pi 键或环。不饱和度为 0 意味着该分子遵循无环烷烃的公式（C_nH_2n+2）。不饱和度为 1 意味着分子式中减少了两个氢，得到的公式将为 CnH2n。按照相同的逻辑，不饱和度值为 2 将给出分子式 C_nH_2n-2。在这种情况下（不饱和度 = 2），有三种可能的情况。可能存在两个 pi 键、一个 pi 键和一个环，或者只有两个环。

不饱和度可以帮助我们确定烷烃分子的行为方式。链越饱和，流动性越低。这可能对结构生物化学有许多影响，因为它通过改变分子的形状和流动性来改变分子的行为方式或功能。不饱和度可以通过显示存在的双键或三键来阐明结构。这种现象也可以称为氢缺乏。分子中环和双键越多，分子就越不饱和。重要的是要记住这些双键和环可以对分子的功能和行为产生什么影响。通常，在确定不饱和度时，不考虑不是碳和氢的分子。这些可以是氧、氮或任何其他分子。

上面给出的例子适用于不存在杂原子的简单情况。当这些原子存在时，不饱和度计算需要更多工作。涉及相同的过程；然而，卤素的存在减少了饱和所需的氢数量，氮的存在增加了所需的氢数量，而氧的数量不影响所需的氢数量。可以使用一个通用方程从分子式中确定不饱和度：

不饱和度 = (2Nc + 2 + Nn – Nx – Nh)/2

Nc = 碳原子数，Nn = 氮原子数，Nx = 卤素原子数，Nh = 氢原子数

可以通过绘制各种带有各种环、pi 键、卤素、氮和氧的结构来验证此公式。

理解方程式

乙烷

乙醇

氮的存在增加了达到饱和所需的氢数量，因为氮是三价的。向化合物中添加胺会导致一个额外的氢，因为氮成分本质上是去除一个 C-H 键并添加两个 N-H 键和一个 C-N 键。这可以在乙烷 (C₂H₆) 和乙胺 (C₂H₇N) 的比较中看到。对于卤素，本质上是将一个 C-H 键替换为一个 C-X 键；因此，卤素的存在减少了饱和所需的氢数量：比较乙烷 (C₂H₆) 和氯乙烷 (C₂H₅)Cl。氧是二价的，因此它不会影响不饱和度计算。为了验证，比较乙烷 (C₂H₆) 和乙醇 (C₂H₆O)。

示例

丁烯 C4H8。不饱和度值为 1 的一种可能的结构

环丁烷 C4H8。不饱和度值为 1 的一种可能的结构

一个简单的例子是找到分子式 C₄H₈ 的不饱和度。使用上面的公式，不饱和度将为 (2*4 + 2 + 0 - 0 - 8)/2 = 1。因此，分子式为 C₄H₈ 的结构要么存在一个烯烃（1 个 pi 键），要么是环丁烷。一个稍微更具挑战性的例子是分子式 C₅H₉N。在这种情况下，不饱和度将为 (2*5 + 2 + 1 – 0 – 9)/2 = 2。因此，分子中可能存在两个 pi 键、一个 pi 键和一个环，或者两个环。第三个例子是分子式 C₁₀H₁₃ClO，其不饱和度将为 (2*10 + 2 + 0 – 1 – 13)/2 = 4。从这个值可以看出，存在各种 pi 键/环组合（包括羰基）对应于计算的值。