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烷烃

烷烃(wán tīng),是开链的饱和链烃(saturated group),分子中的碳原子都以单键相连,其余的价键都与氢结合而成的化合物。 [1] 通式为CnH2n+2,是最简单的一种有机化合物。烷烃的主要来源是石油和天然气,是重要的化工原料和能源物资。

只由碳氢两种元素组成的化合物称为碳氢化合物,简称为烃。根据烃分子骨架的不同,烃可分为链烃(脂肪烃)和环烃(脂环烃)两大类。链烃又可以分为饱和烃和不饱和烃。其中饱和烃就是烷烃 [4] ,整体构造大多仅由碳氢原子以碳碳单键与碳氢单键组成的有机化合物,饱和意味着分子中的碳原子和其他原子的结合达到了最大限度。 [1]

上述可知,严格说来烷烃并不包括环烷烃,故本词条着重阐释不含环状的烷烃。

1.当碳原子数小于或等于4时,烷烃在常温下呈气态,其他的烷烃常温下呈固态或液态(新戊烷常温下为气态)

2.都不溶于水,易溶于有机溶剂。

3.随碳原子数的增加沸点逐渐升高。

4.随碳原子数的增加,相对密度逐渐增大。烷烃的密度一般小于水的密度。

烷烃并非是结构式所画的平面结构,而是立体形状的,所有的碳原子都是sp3杂化,各原子之间都以σ键相连,键角接近109°28‘,C-C键的平均键长为154 pm,C-H键的平均键长为109 pm,由于σ键电子云沿键轴呈轴对称分布,两个成键原子可绕键轴“自由”转动。 [4]

从甲烷开始,每增加一个碳原子就相应地增加两个氢原子,因此烷烃的通式为CnH2n+2,n表示碳原子的数目(n=1,2,3,),理论上n可以很大,但已知的烷烃n大约在100以内。 [5] 拥有相同分子通式和结构特征的一系列化合物称为同系列,烷烃同系差为CH2,C原子个数不同的烷烃互为同系物。同系列中的同系物的结构相似,化学性质相近,物理性质随着碳原子的增加而呈现规律性变化。

低沸点(boiling point)的烷烃为无色液体,有特殊气味;高沸点烷烃为黏稠油状液体,无味。

烷烃的物理性质随分子中碳原子数的增加,呈现规律性的变化。

在室温25°下,含有1~4个碳原子的烷烃为气体。

含有5~17个碳原子的烷烃为液体。但实际上含有10~19个碳原子的烷烃正常温度下可以为固体。

含有18个碳原子以上的正烷烃为固体,但直至含有60个碳原子的正烷烃(熔点99℃)后的熔点(melting point)都不超过100℃。 [1] 烷烃为非极性分子(non-polar molecule),偶极矩(dipole moment)为零,但分子中电荷的分配不是很均匀的,在运动中可以产生瞬时偶极矩,瞬时偶极矩间有相互作用力(色散力)。此外分子间还有范德华力,这些分子间的作用力比化学键的小一二个数量级,克服这些作用力所需能量也较低,因此一般有机化合物的熔点、沸点很少超过300℃。 [3]

正烷烃的沸点随碳原子的增多的而升高,这是因为分子运动所需的能量增大,分子间的接触面增大,范德华力随之增强。低级烷烃每增加一个CH2,相对分子质量变化较大,沸点也相差较大;高级烷烃沸点差距逐渐减小。故低级烷烃比较容易分离,高级烷烃分离困难得多。

在同分异构体中,分子结构不同,分子接触面积不同,相互作用力也不同。正戊烷沸点36.1℃,2-甲基丁烷沸点25℃,2,2-二甲基丙烷沸点只有9℃。叉链分子趋于球形,由于支链的位阻作用,使其接触面积减少,从而减少了分子间作用力,沸点较低。

固体分子的熔点也随碳原子的增多增加而增高,但不像沸点变化那样有规律,同系列C1-C3不那么规则,但C4以上的是随着碳原子数的增加而升高。这是由于晶体分子间的作用力,不仅取决于相对分子质量大小,还与分子在晶格中的排列有关。分子对称性高,排列比较整齐就越紧密,分子间吸引力大,熔点就越高。 [4] 在正烷烃中,含奇数碳原子的烷烃其熔点升高较含偶数碳原子的少。以至在直链烷烃的熔点曲线中,含奇数和含偶数的碳原子的烷烃各构成一条熔点曲线,偶数在上,奇数在下。

通过X射线衍射方法分析,固体正烷烃晶体为锯齿形,在奇数碳原子齿状链中两端甲基同处在一边,如正戊烷。偶数碳链中两端甲基不在同一边,如正己烷,偶数碳链彼此更为靠近,相互作用力大,故熔点升高值较单数碳链升值较大一些。

烷烃的密度(density)随相对分子质量增大而增大,这也是分子间相互作用力的结果,分子间引力增大,分子间的距离相应减小,相对密度则增大,密度增加到一定数值后,相对分子质量增加而密度变化很小。最大接近于0.8 gcm-3左右,所以所有的烷烃都比水轻。 [4]

烷烃中的σ键极性很小,且其分子偶极矩为零,是非极性分子。根据相似相溶原则, 烷烃可溶于非极性溶剂如四氯化碳、烃类化合物(乙醚、苯)中,不溶于极性溶剂,如水中。 [4]

与碳原子数相等的链烷烃相比,环烷烃的沸点、熔点和密度均要一些。这是因为链形化合物可以比较自由地摇动,分子间“拉”得不紧,容易挥发,所以沸点低一些。由于这种摇动,比较难以在晶格内做有次序的排列,所以熔点也低一些。由于没有环的牵制,链形化合物的排列也较环形化合物松散些,所以密度也低一些。同分异构体和顺反异构体也具有不同的物理性质。下表是若干烷烃和环烷烃的物理常数。

名称

分子式

沸点/℃

熔点/℃

相对密度

甲烷

CH4

-161.7

-182.6

乙烷

C2H6

-88.6

-182.8

丙烷(环丙烷)

C3H8(C3H6)

-42.2(-32.7)

-187.1(-127.6)

0.5005

丁烷(环丁烷)

C4H10(C4H8)

-0.5(12.5)

-138.4(-80)

0.5788

戊烷(环戊烷)

C5H12(C5H10)

36.1(49.3)

-129.3(-93.9)

0.6264(0.7457)

己烷(环己烷)

C6H14(C6H12)

68.7(80.7)

-94.0(6.6)

0.6594(0.7786)

庚烷(环庚烷)

C7H16(C7H14)

98.4(118.5)

-90.5(-12.0)

0.6837(0.8098)

辛烷(环辛烷)

C8H18(C8H16)

125.6(150)

-56.8(14.3)

0.7028(0.8349)

壬烷

C9H20

150.7

-53.7

0.7179

癸烷

C10H22

174.0

-29.7

0.7298

十一烷

C11H24

195.8

-25.6

0.7404

十二烷

C12H26

216.3

-9.6

0.7493

十三烷

C13H28

245.4

-6

0.7568

十四烷

C14H30

251

5.5

0.7636

十五烷

C15H32

268

10

0.7688

十六烷

C16H34

280

18.1

0.7749

十七烷

C17H36

303

22.0

0.7767

十八烷

C18H38

308

28.0

0.7767

十九烷

C19H40

330

32.0

0.7776

二十烷

C20H42

343

36.4

0.7886

三十烷

C30H62

449.7

66

0.7750

四十烷

C40H82

81

[3]

由于烷烃中只含有C-C单键和C-H单键,这两种键的强度都很大,而且碳和氢的电负性相差很小,所以C-H键极性很小,因此相对于其他有机物来说,烷烃离子型试剂有相当大的化学稳定性,在一般情况下,烷烃与大多数试剂如强酸、强碱、强氧化剂等都不起反应。但在一定条件下,如在高温或有催化剂存在是,烷烃也可以和一些试剂作用。 [1]

烷烃中的氢原子被卤原子取代的反应称为卤化反应(halogenation)。卤化反应包括氟化(fluorinate),氯化(chlorizate),溴化(brominate)和碘化(iodizate)。但有实用意义的卤化反应是氯化和溴化。

1.氯化

烷烃于室温并且在黑暗中与氯气不反应,但在日光或紫外光照射或在高温(250~400℃)作用下,能发生取代反应,烷烃分子中的氢原子能逐步被氯取代,得到不同的氯代烷的混合物。

例如甲烷与氯发生氯代反应生成四种氯代产物的混合物。其中hv表示光照

如果控制氯的用量,用大量甲烷,主要得到氯甲烷;如用大量氯气,主要得到四氯化碳。工业上通过精馏,使混合物一一分开。以上几个氯化产物,均是重要的溶剂与试剂。

甲烷氯化反应的事实是:

①在室温暗处不发生反应;

②于250℃发生反应;

③在室温有光作用下能发生反应;

④用光引发反应,吸收一个光子就能产生几千个氯甲烷分子;

⑤如有氧或有一些能捕捉自由基的杂质存在,反应有一个诱导期,诱导期时间长短与存在这些杂质多少有关。根据上述事实的特点可以判断,甲烷的氯化是一个自由基型的取代反应。

2.甲烷的卤化

在同类型反应中,可以通过比较决定反应速率一步的活化能大小,了解反应进行的难易。

氟与甲烷反应是大量放热的,但仍需+4.2 KJ/mol活化能,一旦发生反应,大量的热难以移走,破坏生成的氟甲烷,而得到碳与氟化氢,因此直接氟化的反应难以实现。碘与甲烷反应,需要大于141 KJ/mol的活化能,反应难以进行。氯化只需活化能+16.7 KJ/mol,溴化只需活化能+75.3 KJ/mol,故卤化反应主要是氯化、溴化。氯化反应比溴化易于进行。

碘不能与甲烷发生取代反应生成碘甲烷,但其逆反应很容易进行。

由基链反应中加入碘,它可以使反应中止。

3.高级烷烃的卤化

在紫外光或热(250~400℃)作用下,氯、溴能与烷烃发生反应,氟可在惰性气体稀释下进行烷烃的氟化,而碘不能。 [3]

自由基反应

1.碳自由基的定义和结构

某一键均裂时会产生带有孤电子的原子或基团,称之为自由基。孤电子在氢原子上的自由基称为氢自由基。孤电子在碳原子上的自由基称为碳自由基。烷烃中的碳氢键均裂时会产生一个氢自由基和一个烷基自由基即碳自由基。自由基碳sp2杂化,三个sp2杂化轨道具有平面 三角形的结构,每个sp2杂化轨道与其它原子的轨道通过轴向重叠形成σ键,成键轨道上有一对自旋相反的电子。一个p轨道垂直于此平面,p轨道被一个孤电子占据。

2.键解离能和碳自由基的稳定性

(1)键解离能

分子中的原子总是围绕着它们的平衡位置做微小的振动,分子振动类似于弹簧连接的小球的运动,室温时,分子处于基态,这时振幅很小,分子吸收能量,振幅增大。如果吸收了足够的能量,振幅增大到一定程度,键就断了,这时吸收的热量,是键解离反应的焓(ΔH),是这个键的键 能,或称键解离能(bond-dissociation energy),用Ed表示。

(2)碳自由基的稳定性

自由基的稳定性,是指与它的母体化合物的稳定性相比较,比母体化合物能量高得多的较不稳定,高得少的较稳定。从上面C一H键的解离能数据可以看出:CH4中CH键解离,其解离能最大,在同列系中第一个化合物往往是比较特殊的;CH3CH3与CH3CH2CH3中断裂一级碳上的氢,解离能较CH4稍低,形成的均为一级自由基;CH3CH2CH3中断裂二级碳原子上的氢, 其解离能又低一些,形成二级自由基;(CH3)3CH中三级碳原子上的氢断裂,其解离能最低,形成三级自由基。这些键解离反应中,产物之一是,均是相同的,因此键解离能的不同,是反映了碳自由基的稳定性不同。解离能越低的碳自由基越稳定。因此碳自由基的稳定性顺序为

3°C>2°C>1°C>H3C

在烷烃分子中,CC键也可解离。

3.自由基反应的共性

化学键均裂产生自由基。由自由基引发的反应称为自由基反应,或称自由基型的链反应(chain reaction)。自由基反应一般都经过链引发(initiation )、链转移(propagation,或称链生成)、链终止(termirrntimi)三个阶段。链引发阶段是产生自由基的阶段。由于键的均裂需要能量,所以链引发阶段需要加热或光照。

有些化合物十分活泼,极易产生活性质点自由基,这些化合物称之为引发剂(initiator)。有时也可以通过单电子转移的氧化还原反应来产生自由基。链转移阶段是由一个自由基转变成另一个自由基的阶段,犹如接力赛一样,自由基不断地传递下去,像一环接一环的链,所以称之为链反应。链终止阶段是消失自由基的阶段。自由基两两结合成键。所有的自由基都消失了,自由基反应也就终止了。

自由基反应的特点是没有明显的溶剂效应,酸、碱等催化剂对反应也没有明显影响,当反应体系中有氧气(或有一些能捕捉自由基的杂质存在)时,反应往往有一个诱导期(induction period) 。 [3]

无氧存在时,烷烃在温(800℃左右)发生碳碳键断裂,大分子化合物变为小分子化合物,这 个反应称为热裂(pyrolysis)。石油加工后除得汽油外,还有煤油、柴油等相对分子质量较大的烷烃;通过热裂反应,可以变成汽油、甲烷、乙烷、乙烯及丙烯等小分子的化合物,其过程很复杂,产 物也复杂;碳碳键、碳氢键均可断裂,断裂可以在分子中间,也可以在分子一侧发生;分子愈大,愈易断裂,热裂后的分子还可以再进行热裂。热裂反应的反应机制是热作用下的自由基反应,所用的原料是混合物。

热裂后产生的自由基可以互相结合。热裂产生的自由基也可以通过碳氢键断裂,产生烯烃。

总的结果是大分子烷烃热裂成分子更小的烷烃、烯烃。这个反应在实验室内较难进行,在工业上 却非常重要。工业上热裂时用烷烃混以水蒸气在管中通过800℃左右的加热装置,然后冷却到 300~400°C,这些都是在不到一秒钟时间内完成的,然后将热裂产物用冷冻法加以一一分离。塑料、橡胶、纤维等的原料均可通过此反应得到。

乙烯的世界规模年产数千万吨,而且还在不断增长。各国所用烷烃原料 不同,产物也有差别,如用石脑油为原料热裂后可得甲烷15%、乙烯31.3%、乙烷3.4%、丙烯13.1 %、丁二烯4.2%、丁烯和丁烷2.8%、汽油22%、燃料油6%,尚有一些少量其它产品。

一般在碳链中间较易断裂,然后再产生一系列的β-断裂。

石脑油中还有支链烷烃、环烷烃、芳香烃,如环烷烃热裂可得乙烯与丁二烯。

芳香烃仅在侧链上发生反应,因芳环稳定,保持不变。因此,如生产乙烯最好是含直链烷烃最多的石油馏分。

如用催化剂进行热裂反应可降低温度,但反应机理就不是自由基反应而是离子型反应。 [3]

在生活中经常碰到这样的现象,人老了皮肤有皱纹,橡胶制品用久了变硬变黏,塑料制品用 久了变硬易裂,食用油放久了变质,这些现象称为老化。老化过程很慢,老化的原因首先是空气 中的氧进入具有活泼氢的各种分子而发生自动氧化反应(autoxidaticm),继而再发生其它反应。 [3]

所有的烷烃都能燃烧,完全燃烧时,反应物全被破坏,生成二氧化碳和水,同时放出大量热。

燃烧时火焰为淡蓝色,不明亮。 [3]

烷烃与硝酸或四氧化二氮进行气相(400~450℃)反应,生成硝基化合物(RNO2)。 这种直接生成硝基化合物的反应叫做硝化(nitration),它在工业上是一个很重要的反应。它之所以重要是由于硝基烷烃可以转变成多种其它类型的化合物,如胺、羟胺、腈、醇、醛、酮及羧酸等。此外,硝基烷烃可以发生多种反应,故在近代文献中有关硝基烷烃的应用的报道日益增多。 在实验室中采用气相硝化法有很大的局限性,所以实验室内主要通过间接方法制备硝基烷烃。 气相硝化法制备硝基烷烃,常得到多种硝基化合物的混合物。 [3]

烷烃在高温下与硫酸反应,和与硝酸反应相似,生成烷基磺酸,这种反应叫做磺化(sulfonation)。

长链烷基磺酸的钠盐是一种洗涤剂,称为合成洗涤剂,例如十二烷基磺酸钠即其中的一种。

高级烷烃与硫酰氯(或二氧化硫和氯气的混合物)在光的照射下,生成烷基磺酰氯的反应称为氯磺化。磺酰氯这个名称是由硫酸推衍出来的。硫酸去掉一个羟基后剩下的基闭称为磺(酸)基,磺(酸)基和烷基或其它烃基相连而成的化合物统称为磺酸。磺酸中的羟基去掉后,就得磺酰基,它与氯结合,就得磺酰氯。

磺酰氯经水解,形成烷基磺酸,其钠盐或钾盐即上述的洗涤剂。其反应机理与烷烃的氯化很相似。 [3]

[3]

碳氢化合物的主要来源是天然气(natural gas)和石油(petroleum)。尽管各地的天然气组分不同,但几乎都含有75%的甲烷、15%的乙烷及5%的丙烷,其余的为较高级的烷烃。而含烷烃种类最多的是石油,石油中含有1至50个碳原子的链形烷烃及一些环状烷烃,而以环戊烷、环己烷及其衍生物为主,个别产地的石油中还含有芳香烃。我国各地产 的石油,成分也不相同,但可根据需要,把它们分馏成不同的馏分加以应用。烷烃不仅是燃料 的重要来源,而且也是现代化学工业的原料。另外,烷烃还可以作为某些细菌的食物,细菌食用烷烃后,分泌出许多很有用的化合物,也就是说烷烃经过细菌的“加工”后,可成为更有用的化合物。

上述情况表明,石油工业的发展对于国民经济以及有机化学的发展都非常重要。

石油虽含有丰富的各种烷烃,但这是个复杂混合物,除了 C1~C6烷烃外,由于其中各组分的相对分子质量差别小,沸点相近,要完全分离成极纯的烷烃,较为困难。采用气相色谱法, 虽可有效地予以分离,但这只适用于研究,而不能用于大量生产。因此在使用上,只把石油分离成几种馏分来应用,石油分析中有时需要纯的烷烃作基准物,可以通过合成的方法制备。

馏分

分馏区间

主要成分

燃料的应用

燃气

bp 20℃以下

C1~C4

炼油厂燃料,液化石油气

汽油

bp 30℃~75℃

C4~C8

辛烷值较低,用作车用汽油的掺和组分

石脑油

bp 75℃~190℃

C8~C12

辛烷值太低,不直接用作车用汽油

煤油

bp 190℃~250℃

C10~C16

家用燃料,喷气燃料,拖拉机燃料

瓦斯油

bp 250℃~350℃

C15~C20

柴油,集中取暖用燃料

常压渣油

bp 350℃以上

C20以上

发电厂、船舶和大型加热设备用的燃料

汽油(petrol)在内燃机中燃烧而发生爆燃或爆震,这会降低发动机的功率并会损伤发动机。燃料引起爆震的倾向,用辛烷值(octane value)表示,在汽油燃烧范围内,将2,2,4-三甲基戊烷的辛烷值定为100。辛烷值越高,防止发生爆震的能力越强。六个碳以上的直链烷烃辛烷值很低,带支链的、不饱和的脂环、特别是芳环最为理想,有的超过100。大部分现代化的设备要求辛烷值在90~100之间。可将石脑油、常压渣油,有时也用瓦斯油经过加工,将辛烷值提到95左右,再掺入汽油中使用。加工方法之一是催化重整(catalytic reforming),主要将石脑油中C6以上成分芳构化(aromatization),即成芳香烃。此法除使石脑油提高辛烷值外,在化工中主要用来生产芳香烃加工方法之二为催化裂化,此法除能提高辛烷值外,在化工中主要用于生产丙烯、丁烯。 [3]

烷烃的命名法常用的有3种,现分述如下(仅限于我国):

普通命名法亦称习惯命名法,适用于比较简单的烷烃。碳原子数在10以下的烷烃,分别用甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸等天干名称表示碳原子数目,例如:CH4称为甲烷,C2H6称为乙烷,C3H8称为丙烷,余此类推;碳原子数在10以上时用汉文数字表示,例如C11H24称为十一烷,C18H38称为十八烷。

为了区别异构体,可用“正”、“异”、“新”等作前缀来表示。“正”表示直链烷烃;“异”表示碳链一端具有(CH3)2CH结构,此外再无其他侧链者;“新”表示碳链一端有(CH3)C结构此外再无其他侧链的含5、6个碳原子的烷烃,例如:

CH3CH2CH2CH2CH2CH3正己烷

CH3CHCH2CH2CH3
  
  CH3

CH3
  |
  CH3CCH2CH3
  |
  CH3

CH3

CH3CHCHCH22,2-二甲基丁烷

CH3

衍生物命名法 [6]

衍生物命名法是以甲烷为母体,把其他烷烃看作是甲烷的烷基衍生物来命名。在命名时选择连有烷基最多的碳原子,烷基按大小顺序排列,较小的排在前面。例如:

CH3CHCH2CH3
  
  CH3
  二甲基乙基甲烷

二甲基乙基异丙基甲烷

这种命名法虽然能反映出烷烃的分子构造,但仍不适用于构造更为复杂的烷烃。

这是采用国际上通用的IUPAC命名原则,并结合我国的文字特点而制定的系统命名法。直链烷烃的命名与普通命名法基本一致,只是把“正”字省略;而把带有支链的烷烃看作是直链烷烃的烷基衍生物,并按下列规定命名:

(1)选择分子中最长的碳链为主链,把支链烷基看做主链上的取代基,根据主链所含的碳原子数称为某烷。

(2)由距离支链最近的一端开始,将主链的碳原子用阿拉伯数字编号,支链所在的位置以它所连接的碳原子的号数表示。

(3)把取代基的名称写在烷烃名称的前面,如果主链上含有几个不同的取代基时,按照由小到大的顺序排列;如果含有几个相同的取代基,可以在取代基名称前面用二、三、四……来表示。

如果从碳链的任一端开始,第一个取代基的位置都相同时,则要求表示所有取代基位置的数字之和是最小的数。


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