链烃--　烷烃

第十一章　链烃

分子中只含有碳和氢两种元素的有机化合物叫碳氢化合物，简称烃。烃是有机化合物的母体，其它各类有机化合物可以看作是烃的衍生物。烃的种类很多，根据烃分子中碳原子互相连接的方式不同，可将烃分为两大类；开链烃和闭链烃。

开链烃简称链烃，它的构造特征是分子中碳原子互相连接成不闭合的链。链烃按分子中所含碳与氢的比例不同分为饱和链烃和不饱和链烃。饱和链烃又称烷烃。不饱和烃包括烯烃、二烯烃和炔烃等。

闭链烃分子中的碳原子连接成闭合的环，所以又叫环烃。环烃可分为脂环烃和芳香烃两类。

各类烃的分子构造特征和实例如下：

第一节　烷烃

一、烷烃的构造

烷烃的构造特点是其中的碳原子与碳原子都以单键相结合，其余价键都和氢原子相连接，含有一个、两个和三个碳原子的烷烃构造如下；

其它烷烃的构造与乙烷、丙烷相似。除甲烷外，烷烃分子中的各个碳原子上所连的四个原子或原子团不尽相同，所以其键角稍有变化，但仍接近于109°28′，因为这样的空间排布，能量最低，体系最稳定。这些分子中碳原子与碳原子连结成链状，其分子的形状是一系列共用一个顶点的四面体。如乙烷（图11-1）

二、烷烃的同系列和通式

根据烷烃的构造特点和它的原子组成可知，最简单的烷烃是含有一个碳原子的甲烷CH4，其次是含有两个碳的乙烷C2H6。按烷烃分子中碳与氢原子数可排列如表11-1。

表11－1　烷烃的同系列

碳原子数 分子式 同系列差 1 CH ₄ CH ₂

　　　 2 C ₂ H ₆ 3 C ₃ H ₈ CH ₂ 4 C ₄ H ₁₀ CH ₂ 5 C ₅ H ₁₂ CH ₂

　　　 … … n-1 CnH _2(n-1)+2 CH ₂ n C _n H _2(n+2)

从表11-1可见，任何相邻的两个烷烃在分子组成上都相差CH2，这叫做同系列差。这样的一系列化合物叫做同系列。同系列中的化合物互称同系物。同系列在有机化学中的重要性在于同系物具有相似的化学性质，其物理性质一般随碳原子数目的增减表现出有规律的变化，对学习及研究有机化合物带来了很大方便。但是，如果碳原子数目相差过多，其性质也会表现出较大的差异。因此，在运用同系物的概念时，既要考虑到它们的共性，也要注意其个性。

从同系列中可以看出，烷烃分子中的碳和氢原子数间有一定的关系。如果碳原子数为n，则氢原子数即为2n+2。因此，烷烃的分子组成通式是CnH2n+2。

三、烷烃的同分异构现象和构象

（一）碳链异构

一种物质只能有一种特定的构造。因此，要了解有机物的特性和反应，常常要研究它们的构造。在研究烷烃的同系列时，发现随着碳原子数的逐渐增加，会出现同分异构现象。例如：分子式为C4H10的烷烃，碳原子的连结方式有两种可能，其构造式分别为：

分子式为C5H12的烷烃，碳原子的连结方式则有三种可能，

像这样具有相同的分子式，而有不同的构造的化合物互称同分异构体，简称异构体。若分子式相同，由于碳链构造的不同而产生的异构体叫做碳链异构体，例如，正丁烷和异丁烷；正戊烷、异戊烷和新戊烷。这种异构现象由于组成分子的原子或原子团连结次序不同引起的，所以属于构造异构。随着分子中碳原子数目的增加，同分异构体的数目会很快地增加，如表11-2。

表11－2　随着碳原子的增加异构体数目增长的情形

碳原子数 分子式 异构体数目 1 CH4 2 C2H6 3 C3H8 4 C4H10 2 5 C5H12 3 6 C6H14 5 7 C7H16 9 8 C8H18 18 9 C9H20 35 10 C10H22 75 15 C15H32 4　347 20 C20H42 366　319 40 C40H82 62 491 178 805 831

烷烃中碳链构造的不同主要是由碳原子之间的结合方式的不同引起的。在烷烃中碳原子与碳原子之间可能有四种结合方式，因此把碳原子分为伯（以1°表示）、仲（2°）、叔（3°）、季（4°）四类。 .

只与另外一个碳原子直接相连的碳原子，如上式中的C-1，5，6，7，8叫做伯碳原子；若碳原子与另外两个碳直接相连如-4，叫做仲碳原子；与另外三个碳原子直接相连的碳如C-3叫做叔碳原子；与另外四个碳原子直接相连的碳如C-2叫做季碳原子。

连在伯、仲和叔碳原子上的氢，分另称为伯、仲和叔氢原子。不同类型的氢原子的反应性不同。

（二）构象

有机物的分子中，以单键（σ键）相连结的两个碳原子，通过沿C-C单键的旋转，可使这两个碳原子上的原子或原子团在空间有不同的排布方式。每一种排布方式，都是有机物分子在空间的一种构象。具有一定构型的分子，仅由于围绕单键旋转，使分子中各原子在空间有不同的排布，称为构象。

1．乙烷的构象

乙烷是含有碳碳单键的最简单的化合物。当两个碳原子围绕C-C键旋转时，两个碳原子上的两组原子之间可以相对处于不同的位置，出现无数的空间排布方式，每一种空间排布方式就是一种构象。

不同的构象可用透视式或纽曼投影式表示。（Ⅰ）和（Ⅱ）是乙烷的两种典型构象。

纽曼投影式中，离观察者较远的碳原子用圆圈表示，它的三个C-H键用圆圈上的实线表示；离观察者较近的碳原子用圆心的点表示，它的三个C-H键则用与圆心相连的三条实线表示。

（Ⅰ）式中两组氢原子处于交叉的位置，这种构象叫做交叉式。式中两组氢原子彼此相距最远，相互斥力最小，能量最低，因而稳定性最大。这种构象是优势构象。（Ⅱ）式中，两组氢原子两两相对重叠，这种构象叫重叠式。在重叠式构象中，非键合氢原子间距离最近，排斥作用最大，这种构象具有较高的内能，是一种不稳定的构象。在室温时，乙烷分子是交叉式、重叠式以及介于它们两者之间的许多构象的平衡混合物，不易分离。

2．正丁烷的构象

　　正丁烷