Calculator pentru Gradul de Nesaturație | Calculator DoU și IHD

Ce este gradul de nesaturație?

Gradul de nesaturație (DoU) este un număr care arată câte cicluri și legături π (legături duble sau triple) conține o moleculă, calculat numai pe baza formulei sale moleculare. Se mai numește și indicele de deficit de hidrogen (IHD), deoarece măsoară câți atomi de hidrogen lipsesc în comparație cu o moleculă complet saturată cu același număr de atomi de carbon. Un chimist care cunoaște formula unui compus, dar nu și structura sa, poate folosi DoU ca prim indiciu despre cum ar putea arăta acea structură.

De exemplu, formula moleculară a cofeinei este C₈H₁₀N₄O₂. DoU este 6, ceea ce îi arată chimistului că molecula trebuie să conțină în total șase cicluri și/sau legături multiple, înainte de efectuarea oricărei analize spectroscopice.

Formula gradului de nesaturație

Formula standard, valabilă pentru molecule alcătuite din carbon, hidrogen, azot, fosfor, halogeni și metale monovalente, este:

$\text{DoU} = \frac{2C + N + P - H - X - M + 2}{2}$

• C = numărul atomilor de carbon
• N = numărul atomilor de azot
• P = numărul atomilor de fosfor
• H = numărul atomilor de hidrogen
• X = numărul atomilor de halogen (F, Cl, Br, I)
• M = numărul atomilor de metale monovalente (Li, Na, K, Rb, Cs, Fr)

Oxigenul și sulful sunt omise din formulă. Ambele sunt divalente (formează două legături), astfel încât adăugarea unuia dintre ele într-o formulă nu schimbă numărul de atomi de hidrogen pe care molecula îi poate conține. Prin urmare, C₂H₆O (etanolul) și C₂H₆ (etanul) au același DoU.

Formula se bazează pe valența atomică, adică pe numărul de legături pe care le formează în mod obișnuit un atom. Carbonul formează patru legături, azotul trei, oxigenul două, iar hidrogenul una. Fiecare atom de carbon adaugă două „poziții de legare” peste cele ale unui atom dintr-un lanț, fiecare atom de azot adaugă una, iar fiecare atom de hidrogen, halogen sau metal monovalent elimină una. Un ciclu sau o legătură dublă ocupă două dintre aceste poziții, care altfel ar fi ocupate de încă doi atomi de hidrogen, astfel încât fiecare adaugă exact 1 la DoU. O legătură triplă ocupă patru poziții, astfel că adaugă 2.

Acest calculator acceptă și siliciul și germaniul, care se comportă precum carbonul (câte patru legături), precum și borul și aluminiul, care se comportă precum azotul (câte trei legături). Seleniul se comportă precum oxigenul și sulful și nu afectează rezultatul. Elementele fără o valență fixă, precum majoritatea metalelor de tranziție, nu sunt acceptate și generează o eroare.

Cum se calculează gradul de nesaturație

1. Numărați fiecare atom al fiecărui element din formula moleculară.
2. Introduceți valorile în DoU = (2C + N + P − H − X − M + 2) / 2.
3. Interpretați rezultatul: 0 înseamnă că nu există cicluri sau legături multiple, 1 înseamnă un ciclu sau o legătură dublă, ș.a.m.d. Fiecare legătură triplă contează ca 2.

Totalul este suma tuturor ciclurilor și legăturilor π din moleculă, dar nu indică poziția sau tipul acestora. Un DoU de 4 poate însemna un ciclu benzenic (un ciclu plus trei legături duble), patru legături duble separate sau două cicluri plus două legături duble. Pentru a le deosebi sunt necesare date suplimentare, precum spectroscopia RMN sau în infraroșu.

Exemplu de calcul

Etan, C₂H₆. C = 2, H = 6. DoU = (2×2 − 6 + 2) / 2 = 0. Etanul este o hidrocarbură saturată, fără cicluri sau legături multiple.

Etenă, C₂H₄. C = 2, H = 4. DoU = (2×2 − 4 + 2) / 2 = 1. Această valoare corespunde singurei legături duble C=C a etenei.

Ciclohexan, C₆H₁₂. C = 6, H = 12. DoU = (2×6 − 12 + 2) / 2 = 1. Ciclohexanul are un ciclu și nu are legături duble.

Benzen, C₆H₆. C = 6, H = 6. DoU = (2×6 − 6 + 2) / 2 = 4. Benzenul are un ciclu și trei legături duble, care însumează 4.

Cofeină, C₈H₁₀N₄O₂. C = 8, H = 10, N = 4 (O este ignorat). DoU = (2×8 + 4 − 10 + 2) / 2 = 6. Structura cu cicluri condensate a cofeinei explică toate cele șase grade.

Greșeli frecvente

Un rezultat fracționar, precum 4,5 pentru C₆H₅, înseamnă că formula nu aparține unei molecule neutre cu strat electronic închis. Valorile semiîntregi aparțin radicalilor și ionilor, pe care acest calculator nu îi gestionează, astfel că formula este raportată ca eroare. În utilizarea obișnuită, o fracție indică o numărare greșită sau introducerea incorectă a unui atom. Un rezultat negativ înseamnă că formula este imposibilă din punct de vedere chimic, de obicei din cauza unui atom de hidrogen în plus sau a unui indice introdus greșit, și este de asemenea raportat ca eroare. Un rezultat de 0 nu este o eroare; înseamnă pur și simplu că substanța este complet saturată, precum propanul (C₃H₈) sau un acid gras cu lanț lung.

Utilizarea calculatorului

Introduceți o formulă moleculară în câmpul de intrare, precum C6H12O6 sau CH3COOH, folosind scrierea standard cu litere mari și mici: simbolurile elementelor încep cu o literă majusculă, iar a doua literă, dacă există, este minusculă (de exemplu Cl, nu CL). Numerele urmează fiecare element și pot fi omise atunci când există un singur atom. Indicele 0 nu este acceptat, deoarece o formulă enumeră doar atomii prezenți. Repetarea unui element este permisă: CH3CH2OH și C2H6O dau același rezultat. Rezultatul, numărul atomilor fiecărui element și o scurtă explicație apar imediat ce este introdusă o formulă validă. Un element neacceptat, o formulă incorectă, un rezultat negativ și un rezultat fracționar generează fiecare propriul mesaj de eroare. Butonul Reset golește câmpul.

Utilizări în chimie

DoU este cel mai util imediat după ce formula moleculară devine cunoscută, de exemplu prin spectrometrie de masă, dar înainte ca structura să fie determinată. El stabilește o limită superioară pentru numărul de cicluri și legături multiple care trebuie să fie prezente, restrângând structurile posibile înainte de începerea analizei spectroscopice. Spectroscopia RMN indică apoi poziția legăturilor duble și a atomilor de hidrogen; spectroscopia în infraroșu identifică grupe funcționale precum grupa carbonil pe baza absorbției sale caracteristice în apropierea valorii 1715 cm⁻¹; iar cristalografia cu raze X poate oferi o structură tridimensională completă atunci când sunt disponibile cristale. Chimiștii folosesc în mod obișnuit DoU ca verificare rapidă a compatibilității unei structuri propuse cu formula: dacă valoarea DoU calculată nu corespunde ciclurilor și legăturilor multiple din structura propusă, structura este greșită.

Istoric

Ideea aflată la baza DoU s-a dezvoltat în urma eforturilor din secolul al 19-lea de a corela formulele moleculare cu structura. După ce Friedrich August Kekulé a propus în anii 1850 că carbonul formează întotdeauna patru legături și a descris ulterior structura ciclică a benzenului în 1865, chimiștii au avut un cadru pentru tratarea ciclurilor și a legăturilor duble ca trăsături structurale numărabile. Metoda de numărare care a devenit formula modernă a DoU era folosită în mod curent în chimia organică la începutul secolului al 20-lea. Denumirea alternativă, indicele de deficit de hidrogen, a devenit populară la mijlocul secolului al 20-lea, deoarece descrie direct ceea ce măsoară numărul.

Întrebări frecvente

Ce este gradul de nesaturație în chimie? Este numărul total de cicluri și legături π (legături duble sau triple) dintr-o moleculă, calculat pe baza formulei sale moleculare. Un DoU de 0 înseamnă o moleculă complet saturată, fără cicluri sau legături multiple.

Cum se calculează gradul de nesaturație dintr-o formulă moleculară? Numărați atomii fiecărui element, apoi aplicați DoU = (2C + N + P − H − X − M + 2) / 2, unde X este numărul total de halogeni, iar M este numărul total de metale monovalente, precum sodiul sau potasiul.

Poate gradul de nesaturație să fie fracționar? Nu în cazul unei molecule neutre cu toți electronii împerecheați. Valorile semiîntregi apar numai la radicali și ioni, precum radicalul fenil C₆H₅ cu valoarea 4,5. Pentru o formulă obișnuită, o fracție înseamnă că numărul atomilor este greșit, astfel că acest calculator o raportează ca eroare.

Poate gradul de nesaturație să fie negativ? Nu, nu în cazul unei molecule reale. Un rezultat negativ înseamnă că formula conține prea mulți atomi de hidrogen pentru numărul său de atomi de carbon și descrie o structură imposibilă.

De ce nu este inclus oxigenul în formulă? Oxigenul și sulful sunt divalente, formând exact două legături, astfel că adăugarea unuia într-o formulă nu schimbă niciodată numărul de atomi de hidrogen necesar pentru saturare. Etanolul (C₂H₆O) și etanul (C₂H₆) au același DoU.

Cât adaugă o legătură triplă la gradul de nesaturație? O legătură triplă adaugă 2, adică de două ori mai mult decât un ciclu sau o legătură dublă. Acetilena (C₂H₂), care are o legătură triplă, are un DoU de 2.

Este indicele de deficit de hidrogen același lucru cu gradul de nesaturație? Da. DoU și IHD sunt două denumiri pentru aceeași mărime, calculată cu aceeași formulă. „Gradul de nesaturație” este denumirea mai frecventă în manualele actuale.

Referințe

1. Vollhardt, K. P. C., & Schore, N. E. (2018). Chimie organică: structură și funcție (ed. a 8-a). W. H. Freeman and Company.
2. Clayden, J., Greeves, N., & Warren, S. (2012). Chimie organică (ed. a 2-a). Oxford University Press.
3. IUPAC. "Compendium of Chemical Terminology (Gold Book)." https://goldbook.iupac.org/
4. Chemistry LibreTexts. "Degree of Unsaturation." https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Organic_Chemistry/Supplemental_Modules_(Organic_Chemistry)/Fundamentals/Degree_of_Unsaturation