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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

饱和烃（烷烃）链烃不饱和烃烃脂环烃环烃炔烃例如：例如：HCCH例如：H3CCH2CH3HC烯烃例如：H3CCH2

芳香烃例如：

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CH4，甲烷的电子式和结构式为：

HHCHHHCHHH

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，形成甲烷分子时，碳原子的一个2s电子吸收能量激发到2pz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：

CH2CH3CH2CH2CH2CH3

二、烷烃的同系列和同分异构现象