只含有碳氢两种元素化合物

第九章 烃

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两大类。链烃又叫脂肪烃，它又分为饱和烃和不饱和烃。

表9－1 烃的分类

烃

链烃

环烃饱和烃（烷烃）

不饱和烃

烯烃炔烃脂环烃

芳香烃例如：例如：例如：例如：例如：HC CH H 3C H C CH 2

H 3C CH 2CH 3

第一节 烷 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。最简单的烷烃是甲烷。

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 C

H

H H C H H H

H

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1.09×10-10 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9－1）

图9－1甲烷的空间结构模型

（a）正四面体模型(b)凯库勒模型(c)斯陶特模型

怎样解释甲烷分子的立体结构呢？

（一）碳原子的sp3杂化

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

轨道上，形成四个子时，碳原子的一个2s电子吸收能量激发到2p

z

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sp3杂化，形成的新轨道叫sp3杂化轨道。每个sp3杂化轨道均含有1/4s轨道成分和3/4p轨道成分，sp3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sp3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sp3杂化轨道之间夹角为109。28′，这样排布使四个sp3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。

图9－2碳原子的sp3杂化

（二）σ键

甲烷分子中的C－H键是由氢原子的1s轨道，沿着碳原子sp3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σ键。σ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，σ键是一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sp3杂化轨道形成C－Cσ键和C－Hσ键（图9－3），例如乙烷分子中有六个C－Hσ键和一个C－Cσ键，彼此键角均为109。28′。

图9－3烷烃分子中的σ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：

CH3CH2

2

CH2

2

CH3

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

4

，随碳原子数逐渐递增，可以得到一系列的烷烃：

名称：甲烷乙烷丙烷丁烷戊烷……

分子式：CH

4C

2

H

6

C

3

H

8

C

4

H

10

C

5

H

12

……

以上的一系列烷烃中，相邻的两个化合物之间的组成差CH

2

，

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

2

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。

丁烷C

4H

10

:CH3CH2CH2CH3

CH3CH CH3

CH3

正丁烷异丁烷

戊烷C

5H

12

:

CH3

C CH3

3

CH3

CH3CH2CH2CH2CH3CH3CHCH2CH3

CH3

正戊烷异戊烷新戊烷

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