醫(yī)用化學(xué)/烷烴
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一、烷烴的構(gòu)造
烷烴的構(gòu)造特點是其中的碳原子與碳原子都以單鍵相結(jié)合，其余價鍵都和氫原子相連接，含有一個、兩個和三個碳原子的烷烴構(gòu)造如下；
其它烷烴的構(gòu)造與乙烷、丙烷相似。除甲烷外，烷烴分子中的各個碳原子上所連的四個原子或原子團(tuán)不盡相同，所以其鍵角稍有變化，但仍接近于109°28′，因為這樣的空間排布，能量最低，體系最穩(wěn)定。這些分子中碳原子與碳原子連結(jié)成鏈狀，其分子的形狀是一系列共享一個頂點的四面體。如乙烷（圖11-1）
圖11－1 乙烷的鏈狀結(jié)構(gòu)
二、烷烴的同系列和通式
根據(jù)烷烴的構(gòu)造特點和它的原子組成可知，最簡單的烷烴是含有一個碳原子的甲烷CH4，其次是含有兩個碳的乙烷C2H6。按烷烴分子中碳與氫原子數(shù)可排列如表11-1。
表11－1 烷烴的同系列
| 碳原子數(shù) | 分子式 | 同系列差 |
| 1 | CH4 | CH2 |
| 2 | C2H6 | |
| 3 | C3H8 | CH2 |
| 4 | C4H10 | CH2 |
| 5 | C5H12 | CH2 |
| … | … | |
| n-1 | CnH2(n-1)+2 | CH2 |
| n | CnH2(n+2) |
從表11-1可見，任何相鄰的兩個烷烴在分子組成上都相差CH2，這叫做同系列差。這樣的一系列化合物叫做同系列。同系列中的化合物互稱同系物。同系列在有機(jī)化學(xué)中的重要性在于同系物具有相似的化學(xué)性質(zhì)，其物理性質(zhì)一般隨碳原子數(shù)目的增減表現(xiàn)出有規(guī)律的變化，對學(xué)習(xí)及研究有機(jī)化合物帶來了很大方便。但是，如果碳原子數(shù)目相差過多，其性質(zhì)也會表現(xiàn)出較大的差異。因此，在運用同系物的概念時，既要考慮到它們的共性，也要注意其個性。
從同系列中可以看出，烷烴分子中的碳和氫原子數(shù)間有一定的關(guān)系。如果碳原子數(shù)為n，則氫原子數(shù)即為2n+2。因此，烷烴的分子組成通式是CnH2n+2。
三、烷烴的同分異構(gòu)現(xiàn)象和構(gòu)象
（一）碳鏈異構(gòu)
一種物質(zhì)只能有一種特定的構(gòu)造。因此，要了解有機(jī)物的特性和反應(yīng)，常常要研究它們的構(gòu)造。在研究烷烴的同系列時，發(fā)現(xiàn)隨著碳原子數(shù)的逐漸增加，會出現(xiàn)同分異構(gòu)現(xiàn)象。例如：分子式為C4H10的烷烴，碳原子的連結(jié)方式有兩種可能，其構(gòu)造式分別為：
分子式為C5H12的烷烴，碳原子的連結(jié)方式則有三種可能，其構(gòu)造式分別為：
像這樣具有相同的分子式，而有不同的構(gòu)造的化合物互稱同分異構(gòu)體，簡稱異構(gòu)體。若分子式相同，由于碳鏈構(gòu)造的不同而產(chǎn)生的異構(gòu)體叫做碳鏈異構(gòu)體，例如，正丁烷和異丁烷；正戊烷、異戊烷和新戊烷。這種異構(gòu)現(xiàn)象由于組成分子的原子或原子團(tuán)連結(jié)次序不同引起的，所以屬于構(gòu)造異構(gòu)。隨著分子中碳原子數(shù)目的增加，同分異構(gòu)體的數(shù)目會很快地增加，如表11-2。
表11－2 隨著碳原子的增加異構(gòu)體數(shù)目增長的情形
| 碳原子數(shù) | 分子式 | 異構(gòu)體數(shù)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 | |
烷烴中碳鏈構(gòu)造的不同主要是由碳原子之間的結(jié)合方式的不同引起的。在烷烴中碳原子與碳原子之間可能有四種結(jié)合方式，因此把碳原子分為伯（以1°表示）、仲（2°）、叔（3°）、季（4°）四類。 .
只與另外一個碳原子直接相連的碳原子，如上式中的C-1，5，6，7，8叫做伯碳原子；若碳原子與另外兩個碳直接相連如-4，叫做仲碳原子；與另外三個碳原子直接相連的碳如C-3叫做叔碳原子；與另外四個碳原子直接相連的碳如C-2叫做季碳原子。
連在伯、仲和叔碳原子上的氫，分另稱為伯、仲和叔氫原子。不同類型的氫原子的反應(yīng)性不同。
（二）構(gòu)象
有機(jī)物的分子中，以單鍵（σ鍵）相連結(jié)的兩個碳原子，通過沿C-C單鍵的旋轉(zhuǎn)，可使這兩個碳原子上的原子或原子團(tuán)在空間有不同的排布方式。每一種排布方式，都是有機(jī)物分子在空間的一種構(gòu)象。具有一定構(gòu)型的分子，僅由于圍繞單鍵旋轉(zhuǎn)，使分子中各原子在空間有不同的排布，稱為構(gòu)象。
1．乙烷的構(gòu)象
乙烷是含有碳碳單鍵的最簡單的化合物。當(dāng)兩個碳原子圍繞C-C鍵旋轉(zhuǎn)時，兩個碳原子上的兩組原子之間可以相對處于不同的位置，出現(xiàn)無數(shù)的空間排布方式，每一種空間排布方式就是一種構(gòu)象。
不同的構(gòu)象可用透視式或紐曼投影式表示。（Ⅰ）和（Ⅱ）是乙烷的兩種典型構(gòu)象。
紐曼投影式中，離觀察者較遠(yuǎn)的碳原子用圓圈表示，它的三個C-H鍵用圓圈上的實線表示；離觀察者較近的碳原子用圓心的點表示，它的三個C-H鍵則用與圓心相連的三條實線表示。
（Ⅰ）式中兩組氫原子處于交叉的位置，這種構(gòu)象叫做交叉式。式中兩組氫原子彼此相距最遠(yuǎn)，相互斥力最小，能量最低，因而穩(wěn)定性最大。這種構(gòu)象是優(yōu)勢構(gòu)象。（Ⅱ）式中，兩組氫原子兩兩相對重疊，這種構(gòu)象叫重疊式。在重疊式構(gòu)象中，非鍵合氫原子間距離最近，排斥作用最大，這種構(gòu)象具有較高的內(nèi)能，是一種不穩(wěn)定的構(gòu)象。在室溫時，乙烷分子是交叉式、重疊式以及介于它們兩者之間的許多構(gòu)象的平衡混合物，不易分離。
2．正丁烷的構(gòu)象
正丁烷
的構(gòu)象要比乙烷復(fù)雜。當(dāng)圍繞正丁烷的C（2）-C
(3)鍵旋轉(zhuǎn)時，可以有全重疊式，鄰位交叉式、部分重疊式和對位交叉式等不同的典型構(gòu)象。它們的透視式和紐曼投影工表示如下；
透視式 紐曼投影式
在正丁烷的構(gòu)象中，對位交叉式的兩個甲基相距最遠(yuǎn)，相互作用最弱，內(nèi)能最低，是最穩(wěn)定的現(xiàn)象。鄰位交叉式的兩個甲基相距較近些，所以穩(wěn)定性稍差。部分重疊式的甲基和氫原子十分靠近，相互作用大，穩(wěn)定性較鄰位交叉式差。而在全重疊式中，由于兩個甲基處于十分靠近的地位，相互作用最大，穩(wěn)定性最差。因此這幾種構(gòu)象的內(nèi)能高低次序為：全重疊式＞部分重疊式＞鄰位交叉式＞對位交叉式。
可見，正丁烷在一般情況下，對位交叉式是占優(yōu)勢的構(gòu)象。
在鏈狀化合物中，優(yōu)勢構(gòu)象都是類似于正丁烷對位交叉式的構(gòu)象。應(yīng)該注意，分子主要以其優(yōu)勢構(gòu)象存在，并不意味著其它的構(gòu)象不存在，而是所占比例較小而已。
四、烷烴的命名
有機(jī)化合物的種類繁多，數(shù)目龐大，又有許多異構(gòu)體。所以必須有一個合理的命名法，以便于識別。有機(jī)化合物的正確的名稱不僅應(yīng)表示分子的組成，而且要準(zhǔn)確、簡便地反映出分子的構(gòu)造。因此命名法是有機(jī)化學(xué)的重要內(nèi)容之一。烷烴的常用命名法有普通命名法和系統(tǒng)命名法。
（一）普通命名法
1．直鏈烷烴的命名
直鏈烷烴按碳原子數(shù)叫“正某烷”。十個及十個碳原子以下的烷烴分別用天干（甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸）表示。例如，CH4四烷，C2H6乙烷，C3H8丙烷……C10H22癸烷。對含有十個碳原子以上的烷烴用漢語數(shù)字命名。例如，C11H24十一烷，C12H26十二烷，C20H42二十烷等。
2．含側(cè)鏈烷烴的命名
且無其它支鏈的烷烴，則按碳原子總數(shù)叫做異某烷。例如，
（二）系統(tǒng)命名法
對構(gòu)造比較復(fù)雜的化合物的命名可采用系統(tǒng)命名法。系統(tǒng)命名法可用于各種化合物的命名。
1．烷基
烴分子中去掉一個氫原子所剩下的原子團(tuán)叫烴基。脂肪烴去掉一個氫原子所剩下的原子團(tuán)叫做脂肪烴基，通常用R表示。烷烴的基叫做烷基，它的通式CnH2n+1烷基的命名根據(jù)烷烴而定。多于兩個碳原子的烷烴，有可能衍生出多個不同的烷基。例如：
2．系統(tǒng)命名法
我國現(xiàn)用的系統(tǒng)命名法是根據(jù)IUPAC（International Union of Pure and Applied Chemistry）規(guī)定的原則，再結(jié)合我國漢語文字的特點而制定的。烷烴的系統(tǒng)命名法的主要之點是如何確定主鏈和處理取代基的位置。
（1）選擇最長的連續(xù)的碳鏈為主鏈作為母體，叫某烷。較短的鏈為支鏈，作為取代基。
（2） 從靠近支鏈的一端開始，把母體烷烴的各個碳原子依次編號，以確定取代基的位次。取代基的位次號與名稱之間用一短線相連，寫在母體名稱之前。例如：
（3）主鏈上連接幾個不同的取代基時，則按“次序規(guī)則”（見本章第二節(jié)）將取代基的大小順序列出，小者在前，“較優(yōu)”者在后。
（4）若在主鏈上連有相同的取代基，則將取代基合并，用二、三……數(shù)字表示取代基的數(shù)目，寫在取代基前面，各取代基的位次號仍須標(biāo)出。例如：
（5）若同時可能有幾個等長的主鏈時，要選擇含取代基最多的碳鏈為主鏈。例如：
(6)若在主鏈的等距離兩端同時遇到取代基且多于兩個時，則要比較第二個取代基的位次大小，以取代基位次的代數(shù)和最小為原則。例如：
五、烷烴的物理性質(zhì)
在有機(jī)化學(xué)中，物理性質(zhì)通常是指化合物的聚集狀態(tài)、氣味、熔點（mp）、沸點（bp）、密度（ρ）、折射率（nΧD）、溶解度以及波譜數(shù)據(jù)等。
在室溫和常壓下，直鏈烷烴中從甲烷到丁烷都是氣體；含5-15個碳原子的烷烴是液體；16及16個碳原子以上的是固體。不僅物態(tài)隨著正烷烴同系物相對分子質(zhì)量的增加而有明顯的改變，其它一些物理性質(zhì)如熔點、沸點、密度、折射率也呈現(xiàn)出規(guī)律性的變化。
從表11-3可以看出，正烷烴的熔點（前三個除外）和沸點基本上都是隨著碳鏈的增長而變大。這是一個“量的變化會引起質(zhì)的變化”的例證。
表11-3 正烷烴的物理常數(shù)
| 名稱 | 熔點 | 沸點/℃ | 相對密度 | 折射率（n20D） |
| 甲烷 | -183 | -164 | 0.4661 | - |
| 乙烷 | -183 | -89 | 0.5462 | - |
| 丙烷 | -187 | -42 | 0.5853 | - |
| 正丁烷 | -138 | -0.5 | 0.5788 | - |
| 正戊烷 | -130 | 36 | 0.6262 | 1.3575 |
| 正己烷 | -95 | 69 | 0.6603 | 1.3751 |
| 正庚烷 | -91 | 98 | 0.6838 | 1.3878 |
| 正辛烷 | -57 | 126 | 0.7025 | 1.3974 |
| 正壬烷 | -51 | 151 | 0.7179 | 1.4054 |
| 正癸烷 | -30 | 174 | 0.7300 | 1.4102 |
| 正十一烷 | -26 | 196 | 0.7402 | 1.4172 |
| 正十二烷 | -10 | 216 | 0.7487 | 1.4216 |
| 正十三烷 | -6 | 235 | 0.7564 | 1.4256 |
| 正十四烷 | 6 | 254 | 0.7628 | 1.4290 |
| 正十五烷 | 10 | 271 | 0.7685 | 1.4315 |
| 正十六烷 | 18 | 287 | 0.7733 | 1.4345 |
| 正十七烷 | 22 | 302 | 0.7780 | (1.4369) |
| 正十八烷 | 28 | 316 | 0.7768 | (1.1390) |
| 正十九烷 | 32 | 330 | 0.7855 | (1.4529) |
烷烴的熔點變化沒有沸點那樣有規(guī)律，通常是隨著分子的對稱性增大而升高。分子越對稱，它們在晶體中的排列越緊密，熔點就高。例如，正戊烷、異戊烷、新戊烷的熔點分別為-130℃、-160℃、-17℃。新戊烷的熔點最高。
烷烴的相對密度都小于1，且隨著相對分子質(zhì)量的變大而有所增加，最后接近于0.80左右。這也是由于分子間的作用力隨著相對分子質(zhì)量的增加而加大，使分子間的距離相對地減小，密度增大。
烷烴都不溶于水，但能溶于苯、氯仿、四氯化碳等有機(jī)溶劑。它們的溶解度隨著相對分子質(zhì)量的增加而減小。
六、烷烴的化學(xué)性質(zhì)
烷烴的分子中沒有官能團(tuán)。除甲烷只有C-Hσ鍵外，所有烷烴分子中僅含C-C及C-Hσ鍵。
由于烷烴分子中的C-C鍵和C-H鍵都很強(qiáng)，需要較高的能量才能使之?dāng)嗔眩ㄈ鐢嗔袰-Cσ鍵需347.3kJ.mol-1，斷裂C-Hσ鍵需380.7-435.1kJ.mol-1），所以一般情況下，烷烴具有極大的化學(xué)穩(wěn)定性，與強(qiáng)酸、強(qiáng)堿及常用的氧化劑、還原劑都不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。另外，碳原子和氫原子的電負(fù)性差別很小，分子中σ鍵的極性很弱，很難被極化，故烷烴的分子也不易和極性試劑發(fā)生共價鍵異裂的離子型反應(yīng)。但是，在一定的條件下，例如使用高溫、高壓或催化劑，烷烴也能發(fā)生一些化學(xué)反應(yīng)。
（一）鹵化反應(yīng)
烷烴和氯在黑暗中幾乎不起反應(yīng)。但是在日光照射、高溫或催化劑的影響下它們能發(fā)生劇烈的反應(yīng)，生成氯化氫和氯代烷烴。例如甲烷和氯氣在強(qiáng)烈的日光或紫外光照射下反應(yīng)猛烈，甚至發(fā)生爆炸。
在漫射的日光下則起一般的氯化反應(yīng)，生成一氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷（俗稱氯仿）和四氯化碳。
烷烴的氯化過程是逐步的。每一步被取代出來的氫原子與另一個氯原子化合成為氯化氫。
較高相對分子質(zhì)量的烷烴氯化時，常生成復(fù)雜的混合物。
（二）氧化反應(yīng)
烷烴在通常情況下是不被氧化的。但是它能在空氣中燃燒（劇烈氧化）生成二氧化碳和水，同時放出大量的熱能。因此烷烴可以用作燃料。
C2H6+3*1/2*O2→2CO2+3H2O △H=-1426kJ.mol-1
C6H14+9*1/2*O2→6CO2+7H2O △H=-4141kJ.mol-1
一些氣態(tài)烴或極細(xì)微粒的液態(tài)烴與空氣在一定比例范圍內(nèi)混合，點燃時會發(fā)生爆炸。煤礦井的瓦斯爆炸就是甲烷與空氣混合物（體積比約為1：10左右）燃燒時造成的。
七、烷烴氯化的反應(yīng)歷程
化學(xué)反應(yīng)歷程是說明一個化學(xué)反應(yīng)所經(jīng)歷的過程，也就是對每一個化學(xué)反應(yīng)的各個中間步驟的詳細(xì)描述。
已知烷烴的氯化反應(yīng)是一種自由基反應(yīng)。反應(yīng)過程中，反應(yīng)物的共價鍵發(fā)生均裂，生成自由基。一般地說自由基很不穩(wěn)定，極易與其它化合物的分子發(fā)生反應(yīng)，使自己變成穩(wěn)定的分子，又使其它化合物的分子變?yōu)樽杂苫?，從而引起一連串反應(yīng)（鏈反應(yīng)）。例如，氯分子在光照下，均裂為氯自由基。
反應(yīng)由此開始，所以這個步驟叫做鏈的引發(fā)。氯自由基很活潑，它奪取甲烷分子中的氫結(jié)合為氯化氫，產(chǎn)生甲基自由基。
Cl.+CH4→CHl+CH3.
CH3.和CL2反應(yīng)，奪得一個氯原子，生成穩(wěn)定的CH3CL，同時又有一個的CL.產(chǎn)生。
這個過程叫做鏈的增長。反應(yīng)過程表明，只要在開始時有少量的氯原子（自由基），反應(yīng)即會繼續(xù)傳遞下去。
最后由于自由基相互結(jié)合形成穩(wěn)定的化合物，反應(yīng)便終止。如：
Cl.+Cl.→Cl2
CH3.＋Cl.→CH2Cl CH3.＋CH3.→CH3-CH3
上述過程叫做鏈的終止。
八、幾種常用的烷烴混合物
常用的烷烴混合物，除了汽油、煤油和柴油外，還有以下幾種產(chǎn)品。
（一）石油醚
石油醚是低級烷烴的混合物。沸點范圍在30-60℃的是戊烷和己烷的混合物；沸點范圍在90-120℃的是庚烷和辛烷的混合物。它們主要被用作有機(jī)溶劑。石油醚極易燃燒并具有毒性，使用及貯存時要特別注意安全。
（二）液體石蠟
液體石蠟主要成分是18-24個碳原子的液體烷烴的混合物，是呈透明液體。它不溶于水和醇，能溶于醚和氯仿中。液體石蠟性質(zhì)穩(wěn)定。精制的液體石蠟在醫(yī)藥上常用作腸道潤滑的緩瀉劑。
（三）凡士林
凡士林是液體石蠟和固體石蠟的混合物，呈軟膏狀半固體，不溶于水，溶于醚和石油醚。因為它不能被皮膚吸收，而且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不易和軟膏中的藥物起變化，所以在醫(yī)藥上常用作軟膏基質(zhì)。
（四）石蠟
石蠟是C25-C34固體烴的混合物，醫(yī)藥上用作蠟療、藥丸包衣、封瓶、理療等。
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