只含有碳氢两种元素的化合物

第九章只含有碳氢两种元素的化合物，称为碳氢化合物，简称烃。

烃是一类非常重要的有机化合物，广泛存在于自然界中，如石油和煤中就存有大量的烃类物质。

烃是有机化合物的“母体”其它各类有机化合物可视为它的衍生物。

根据烃分子中的碳架呈链状或环状，可以把烃分为链烃和环烃表9 - 1 烃的分类第一节甲烷。

r 饱和烃（烷烃）例如：H3C-CH2-CH3J烯烃例如:HH3C—C=CH2 1不饱和烃h炔烃例如: HC 三CH ”脂环烃例如：0 0芳香烃例如：0 00链烃环烃两大类。

链烃又叫脂肪烃，它又分为饱和烃和不饱和烃。

分子中碳原子间都以单键相连结，碳原子的其余价键都与氢原子结合，这样的开链烃称为饱和链烃，简称烷烃。

最简单的烷烃是一、甲烷的分子结构甲烷由一个碳原子和四个氢原子组成，分子式为CH 4，甲烷的电子式和结构式为：H * ■+ H 丨 C i HH上述甲烷分子的结构式并不能反映出甲烷分子的立体构型。

经物理实验方法证明，甲烷的四个C — H 键键长相等，都是1.09 X 10-10 m,四个键角相同，都是109。

28 '。

据此甲烷应是一个正四面体结构 的分子，碳原子位于正四面体的中心，四个价键伸向正四面体的四 个顶角，与四个氢原子结合。

(见图怎样解释甲烷分子的立体结构呢？(一) 碳原子的sp 3杂化H ——C —H(a )正四面体模型 (b) 凯库勒模型(c )斯陶特模型甲烷的空间结构模型图9 — 1鲍林等人提出了原子轨道杂化理论，该理论认为，形成甲烷分 子时，碳原子的一个2s 电子吸收能量激发到2p z 轨道上，形成四个 单电子轨道，碳原子从基态变为激发态，激发后，碳原子就可以形 成四个共价键，但实验证明，甲烷分子的四个碳氢键是完全相同的。

为了解决这一矛盾，鲍林等人进一步提出了原子轨道的杂化，即碳 原子的1个2s 轨道、3个2p 轨道重新组合形成四个能量相等的新 轨道，这个过程叫做原子轨道的杂化。

这种由1s 轨道和3个P 轨道 参加的杂化，叫sp 3杂化，形成的新轨道叫sp 3杂化轨道。

每个sp 3 杂化轨道均含有1/4S 轨道成分和3/4p 轨道成分，sp 3杂化轨道的形 状既不是S 轨道的球形，也不是P 轨道的哑铃形，而是一头大一头 小的不对称的葫芦形，这样更有利于形成共价键时的轨道最大重叠（图9 — 2 ）。

四个sp 3杂化轨道以碳原子为中心，大头伸向正四面体 的四个顶点，四个sp 3杂化轨道之间夹角为109。

28 ‘ ，这样排布使 四个sp 3杂化轨道尽可能彼此远离，电子云之间相互斥力最小，体 系最稳定，因此甲烷具有正四面体的空间结构。

曲LLlIUd 苗11山11朶化.帀寸币1（二） 键甲烷分子中的C — H 键是由氢原子的1s 轨道，沿着碳原子sp 3图9 一 2 碳原子的sp3杂化子价层电子坦恋）（i ）（4 tsp-fr ft轨诅）闿iEt 护ilM 卵愉杂化轨道对称轴方向正面重叠“头碰头”重叠）而成，这种共价键 的成键电子云围绕两个成键原子的键轴对称分布，称为e 键。

e 键 的特点是电子云对键轴呈圆柱形对称分布，成键两原子可以围绕键 轴相对旋转而不影响电子云的分布和改变键的强度。

所以，e 键是 种比较稳定的共价键。

其它烷烃分子中所有的碳原子都是以sp 3杂化轨道形成C — C e 键和C — H c 键（图9 — 3）,例如乙烷分子中有六个C — H e 键和一个 C — C e 键，彼此键角均为109。

28图9 — 3 烷烃分子中的e 键由于烷烃分子的键角基本保持109。

28 ',因此碳链的立体形状不是直线型，而呈锯齿状。

例如已烷的碳链可表示为：二、烷烃的同系列和同分异构现象（一）同系列烷烃中最简单的是甲烷，分子式是CH ，随碳原子数逐渐递增， 可以得到一系列的烷烃：CH 3CH 2CH 2CH 3CH 2CH 2C —Ho 熠C —丁烷 C 4H I 0：CH 3CH 2CH 2CH 3CH 3以上的一系列烷烃中，相邻的两个化合物之间的组成差CH ， 称为同系差。

在有机化合物中，把结构相似、在分子组成上相差1 个或几个CH 原子团的一系列化合物称为同系列。

同系列中的化合 物互称为同系物。

烷烃分子随着碳原子数的增加，碳链增长，氢原子数也随之增 多。

如果碳原子数目是n ,则氢原子数目是2n+2,所以烷烃的组成通 式可用C n H 2n + 2表示。

有了通式，只要知道烷烃分子中所含碳原子的 数目，就能写出它的分子式。

（二）烷烃的同分异构现象有机物的同分异构现象非常普遍，烷烃的同分异构现象主要有 碳链异构和构象异构，本章只讨论碳链异构。

碳链异构是指由于碳 原子结合的顺序不同，从而产生直链的和带支链的异构体的异构现 象。

烷烃中除甲烷、乙烷、丙烷没有碳链异构现象外，其余烷烃都 有碳链异构，例如丁烷有两种，戊烷有三种异构体。

CH 3一CH ——CHs分子式：甲烷 乙烷 CH 4 C 2H 6 丙烷 C 3H 8 丁烷 戊烷C 4 H l 0C 5 H I 2正丁烷 异丁烷随着烷烃分子碳原子数的增加，异构体的数目迅速增多。

例如已烷有5种，庚烷有9种，辛烷有18种，癸烷有75种之多。

（三）碳原子的类型观察烷烃异构体的结构式，可以发现碳原子在碳链中所处的地 位并不相同，为加以识别，通常把碳原子分为四类:伯碳原子：只与一个碳原子直接相连的碳原子，又称一级碳原 子，用1表示。

仲碳原子：与两个碳原子直接相连的碳原子，又称二级碳原子， 用2表示。

戊烷C 5H 12:CH 3CH 3CH 2CH 2CH 2CH 3CH 3CHCH 2CH 3CH 3C ——CH 3正戊烷CH 3CH 3异戊烷新戊烷叔碳原子：与三个碳原子直接相连的碳原子，又称三级碳原子，3表示。

季碳原子：与四个碳原子直接相连的碳原子，又称四级碳原子，4。

表示。

例如下列烷烃结构中的各类碳原子:1 ° CH 31 ° 4° CH3—C — C H2 4°CH 3 1° CHCH 33°连接在伯、仲、叔碳上的氢原子分别叫做伯（1。

）、仲（2。

）、 （3。

）氢原子。

四种碳和三种氢原子所处的环境不同，反应性能也有差异。

三、烷烃的命名有机化合物的种类繁多，掌握有机化合物的命名法是学习有机 化学的一项基本任务。

正确的名称不仅能反映出有机物的组成，还能反映出其分子结构。

烷烃的命名法有两种，即普通命名法和系统 命名法。

（一）普通命名法普通命名法又称习惯命名法，只适用于结构比较简单的烷烃，命名原则如下:1、按分子中碳原子数目称为“某烷”，对含有1〜10个碳原子的烷烃，采用天干（甲乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸）命名，从含有11个碳原子以上的烷烃，用中文数字命名。

例如：CH4甲烷C4H10 丁烷C10H22 癸烷C13H28 十三烷2、为区别异构体，常用“正”、“异”、“新”来区别，不含支链的烷烃叫“正”某烷，若在碳链一端含有特定结构（异丙基）的烷烃叫“异”某烷，若在碳链一端含有特定结构（叔丁基）的烷烃叫“新”某烷。

例如：戊烷的三个异构体的习惯命名法。

CH3 CH 3CH 2CH 2CH 2CH 3 CH 3CHCH 2CH 3 CH 3——C ——CH3CH3 CH3正戊烷异戊烷新戊烷（二）系统命名法系统命名法是根据国际纯粹与应用化学联合会（IUP AC）制定的命名原则，结合我国文字特点而制定的。

要学习系统命名法，首先要了解烷基的概念，烷烃分子去掉个氢原子剩余的部分称为烷基，通式为C n H2n+1 -，常用R—表示。

常见的烷基有:CH 3 — 甲基 CHCH — 乙基 CH 3CH 2CI4 —正丙基3H C — C — CCH 3CH —CH 2CH 3CH 3H 3C — g —CH 3CH 31、选择最长的碳链作为主链，按主链所含碳原子数称为“某烷”;2、把支链作为取代基，从靠近取代基的一端开始用阿拉伯数 字给主链碳原子编号，确定取代基的位置；3、把取代基的名称写在“某烷”之前，把取代基的位置写在取代基的名称和数目的前面，中间用短线隔开；如果有相同的取代 基则合并写，并在取代基前用二、三、四等注明相同取代基的数目;CH 3CH 3CH 2CH 2CH 2—正丁基CH 3CH 2CHCH 3仲丁基H s C、CH —H 3C 一 异丙基CH 3CH 2CHCH 2CH 2CH 3CH 2CH 3出“卡―CH 2CH 3CH 3CH 3CHCH 2CHCH 2CH 3CH 3 CH 33 —乙基已烷2, 2 —二甲基丁烷2, 4 —二甲基已烷5、若主链上有几个不同的取代基，应把小的基团写在前面，把 大的基团写在后面；所谓大小“顺序规则”主要是比较原子序数， 原子序数大的原子叫较大基团，例如：—I > — Br > — Cl > — SH > — OH > — NH 3 > — CH 3 > — H烷基的优先顺序：异丙基＞异丁基＞丁基＞丙基＞乙基＞甲基例如:CH 2CH 3 I HH 3C —CH —C —C -------- C —CH 3H 2 I ICH 3 CH 32， 3,5 —三甲基一3 —乙基已烷四、烷烃的性质（一）物理性质物理性质主要是指化合物存在的状态、颜色、气味、密度、溶解度、熔点、沸点和折光率等。

纯净的物质在一定条件下有固定的 密度、溶解度、熔2,2，3 —三甲基戊烷 2,2 —二甲基丙烷CH 3CH3 —甲基CHCH —乙基CH3CH2CI4 —正丙基点、沸点和折光率等物理性质，称为物理常数，物理常数对有机化合物的鉴定、分离、纯化具有重要意义。

例如戊3 烷在常温常压下沸点为36.1 r、熔点—129 r、密度0.6264g cm ，折光率（n D20）1.3575 o在常温常压下，C1〜C4的直链烷烃是气体；C5~C6是液体；C17以上是固体。

它们的沸点和熔点随碳原子数目的增加而升高，同系物之间，每增加一个CH2，沸点约升高20〜30 r 0例如戊烷C5H12在同分异构体中沸点随支链的增多而降低。

原因是分子中的支链，阻碍分子之间的紧密排列，减弱分子间的引力，从而降低了沸点。

例如：正戊烷沸36.1 r沸点36.1 C ,已烷C6H14沸点68.7 C。

此外，异戊烷沸点25 r，新戊烷沸点9 r 0烷烃的密度都小于1g cm-3,因此比水轻，属非极性化合物，不溶于极性的水，而溶于有机溶剂，服从“相似相溶”规贝Uo（二）化学性质1、稳定性由于烷烃的结构都与甲烷相似，分子中各个原子间都以C键相结合，C键比较牢固，因而烷烃的化学性质比较稳定，通常不与强酸、强碱、强氧化剂作用。