烷烴

主要由碳、氫、碳-碳單鍵與碳氫單鍵構成的飽和烴

ㄨㄢˊㄊㄧㄥ[2][3](英語:Alkane),俗稱石蠟烴Paraffin[4][5],又常簡稱為烷類[6],是碳氫化合物下的一種飽和烴,其整體構造大多僅由兩種原子構成,且只有碳─碳與碳─氫兩種單鍵鍵結而成[7],是最簡單的一種有機化合物。其下又可細分出鏈烷烴(鏈狀烷類)與環烷烴(環狀烷類)[8]

圖為最簡單的烷烴類:甲烷(CH4),僅由組成,並且全由單鍵連接,符合烷烴類的特點。[1]

其名[9]雖為《集韻》裡收錄的字,讀音同「完」,但化學家取「碳」右下角的「火」,加上「完」也造出此同形異義字;「碳」表示其結構中含有碳,而「完」表示其分子結構中碳原子化合價完足的意思[10]

性質概論

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烷類皆難溶於水,在完全燃燒下可轉化為二氧化碳[11],反應式如下:

 

烷類會因組合結構的不同,其性質可能會有極大的差異。若結構相似,則性質相近;若結構不同,性質不同。[11] 正因此,烷類種類繁多;但也由此許多化學式相同的物質,其性質不相同。如戊烷C
5
H
12
[12]

結構圖 IUPAC命名 普通命名 熔點 沸點
  戊烷 正戊烷 -130[13] 36[13]
  2-甲基丁烷 異戊烷 -160[14] 27.85[14]
  2,2-二甲基丙烷 新戊烷 -19.5[15] 9.5[15]

物理性質

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人工合成的正十二面體烷(C20H20)結構。左圖為球棍模型,右圖為左圖省略氫原子的版本。

烷烴有許多物理性質:

  • 密度皆小於1*10^3kg/m^3。即密度小於4攝氏度的水(常壓)
  • 不溶於水,但溶於有機溶劑。
  • 熔點沸點隨著分子量增大和碳鏈增長而升高,同碳數的烷烴,支鏈越多沸點越低。
  • 一般情況下,碳數小於5的烷類(甲烷丁烷)為氣態,5-16之間的烷類(戊烷十六烷)為液態,17個碳(十七烷)及以上的烷類為固態(十七烷的熔點為21~23℃)。[16]
烷烴 化學式 沸點 [°C] 熔點 [°C] 20 °C下的狀態 密度 [g·cm3]
甲烷 CH4 -162 -182.5 氣體 0.000656
乙烷 C2H6 -89 -182.8 氣體 0.00126
丙烷 C3H8 -42 -187.7 氣體 0.00201
丁烷 C4H10 0 -138.0 氣體 0.00248
戊烷 C5H12[17] 35.2 [17] -130 [17] 液體 [17] 0.649 [17]
己烷 C6H14 69 -95 液體 0.659
庚烷 C7H16[18] 98.8 [18] -91 [18] 液體 [18] 0.695 [18]
辛烷 C8H18[19] 126 [19] -57 [18] 液體 [18] 0.708 [18]
壬烷 C9H20[20] 151.7 [20] -53 [20] 液體 [20] 0.724 [20]
癸烷 C10H22 [21] 174.9 [21] -30 [21] 液體 [21] 0.734 [21]
十一烷 C11H24[22] 196.3 [22] -26 [22] 液體 [22] 0.743 [22]
十二烷 C12H26[23] 216 [23] -12 [23] 液體 [23] 0.753 [23]
十六烷 C16H34 287 18 液體[24] 0.773
十七烷 C17H36 302.2 22 固體 0.777[25]
二十烷 C20H42[26] 343.4 [26] 37 [26] 固體 0.787 [26]
三十烷 C30H62 449.7 66 固體 0.810
四十烷 C40H82 523.88[27] 82 固體 0.817
五十烷 C50H102 575 91 固體 0.824

化學性質

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在正常情況下,烷烴性質很穩定,因為碳-氫鍵碳-碳鍵相對穩定,難以斷裂[28] 、以及烷烴不會搶奪官能團,所以不容易發生反應(如:不能使酸性高錳酸鉀褪色;不能使溴水褪色),除了下面三種反應,小分子的烷烴幾乎不能進行其他反應。但支鏈多的烷烴,鍵角可能不同於 即109.5度,導致其容易發生反應。

燃燒反應

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反應通式: CnH2n+2 + (3n+1)÷2 O2 → n CO2+ n+1 H2O

所有的烷烴都能燃燒,而且反應放熱極多[29]。烷烴完全燃燒生成CO2H2O[11]。如果O2的量不足,就會產生有毒氣體一氧化碳(CO),甚至炭黑(C)[30]。(純淨的烷烴燃燒沒有特殊的顏色,一般完全燃燒為淡藍色,不完全燃燒為黃色或黃白色。)

以甲烷為例:

  • CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O

O2供應不足時,反應如下:

  • 2CH4 + 3 O2 → 2CO + 4 H2O
  • CH4 + O2 → C + 2 H2O

分子量大的烷烴經常不能夠完全燃燒,它們在燃燒時會有黑煙產生,就是炭黑。

鹵代反應

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反應通式: [註 1]

由於烷烴的結構太牢固,一般的有機反應不能進行。烷烴的代反應是一種自由基取代反應,反應的起始需要光能來產生自由基。

以下是甲烷被鹵代的步驟。這個高度放熱的反應可以引起爆炸。

  1. 鏈引發階段:在紫外線的催化下形成兩個Cl的自由基
    • Cl2 → Cl* / *Cl
  2. 鏈增長階段:一個H原子從甲烷中脫離;CH3Cl開始形成。
    • CH4 + Cl*→ CH3* + HCl (慢)
    • CH3* + Cl2 → CH3Cl + Cl*
  3. 鏈終止階段:兩個自由基重新組合
    • Cl* 和 Cl*, 或
    • R* 和 Cl*, 或
    • CH3* 和 CH3*.[31]

裂解反應

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裂化反應是大分子烴在高溫、高壓或有催化劑的條件下,分裂成小分子烴的過程。裂化反應屬於消除反應,因此烷烴的裂化總是生成烯烴。如十六烷(C16H34)經裂化可得到辛烷(C8H18)和辛烯(C8H16)。

由於每個鍵的環境不同,斷裂的機率也就不同,下面以丁烷的裂化為例討論這一點:

  1. CH3-CH2-CH2-CH3 → CH4 + CH2=CH-CH3
    • 過程中CH3-CH2鍵斷裂,可能性為48%;
  2. CH3-CH2-CH2-CH3 → CH3-CH3 + CH2=CH2
    • 過程中CH2-CH2鍵斷裂,可能性為38%;
  3. CH3-CH2-CH2-CH3 → CH2=CH-CH2-CH3 + H2
    • 過程中C-H鍵斷裂,可能性為14%。[31]

裂化反應中,不同的條件能引發不同的機理,但反應過程類似。熱分解過程中有碳自由基產生,催化裂化過程中產生碳正離子氫負離子。這些極不穩定的中間體經過重排、鍵的斷裂、氫的轉移等步驟形成穩定的小分子烴。

在工業中,深度的裂化叫做裂解,裂解的產物都是氣體,稱為裂解氣

命名

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烷類的命名多採IUPAC命名法。
命名烷類的首要步驟是分析其為環狀亦或是鏈狀,再進行命名步驟。[32]

鏈烷烴

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化學通式:C
n
H
2n+2
[33]
鏈烷烴的命名步驟為:

  1. 找出最長的鏈當主鏈,依碳數命名主鏈,前十個以天干[註 2]代表碳數,碳數多於十個時,以中文數字命名,如:十一烷。
  2. 從最近的取代基位置編號:1、2、3...(使取代基的位置數字越小越好)。以數字代表取代基的位置。數字與中文數字之間以 - 隔開。
  3. 有多個取代基時,以取代基數字最小且最長的碳鏈當主鏈,並依甲基、乙基、丙基的順序列出所有取代基。
  4. 有兩個以上的取代基相同時,在取代基前面加入中文數字:一、二、三...,如:二甲基,其位置以「,」(逗號)隔開,一起列於取代基前面。

因為烷類一般簡單,故亦會使用「正、異、新」去區隔同樣化學式的烷類。IUPAC也曾推薦過此種命名方式[34]。例如己烷命名方式:

普通命名 IUPAC命名 結構簡式 結構式
己烷、
正己烷
己烷 CH3(CH2)4CH3  [35]
異己烷 2-甲基戊烷 (CH3)2CH(CH2)2CH3  [36]
新己烷 2,2-二甲基丁烷 CH3C(CH3)2CH2CH3  [37]

環烷烴

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化學通式:C
n
H
2(n+1-g)
[註 3] 簡單的環烷烴的命名方式基本上和烷類方式相同,僅需在前添加一環字,以做識別。例如環丙烷

 
環丙烷,化學式為C
3
H
6
[38]

具多環的環烷烴的命名法

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除非有俗名,否則具多環的環烷烴如橋環烷烴及螺環烷烴的命名較為複雜。名字包括表示環數量的前綴(如「二環」)、各環內碳原子總數的後綴以及表示各端點之間碳原子數的數字前綴(表示於中括號內。多個環公用的碳原子,即橋頭碳不計入內)。 如例一、例二:

 
例一,二環[3.2.0]庚烷。
 
例二,雙環[2.2.1]庚烷(俗稱降冰片烷

這個環烷總碳數為七,由兩個環組成,尾為「庚烷」,頭為「雙環」。兩個被共用的碳原子間有三個連接路線:一為五元環的部分,共三個碳(兩個橋頭碳不計入內,下同);二為四元環的部分,共二個碳;三為兩環之間共用的邊綫,只由兩橋頭碳直接連結,中間沒有碳。由此得出中括號內的數字(以降序表示數字之間用點分隔),[3.2.0]。故上圖的環烷名為二環[3.2.0]庚烷,而數字的個數總比環數多一個(在此有兩個環及三個數字)。「[3.2.0]二環庚烷」亦可接受,但環上有取代基時「二環[3.2.0]庚烷」有保留前面的位置的好處,方便加上其他含數字的前綴,以符合IUPAC命名常規。

上圖環烷總碳數為七,全為單鍵,詞尾為庚烷;兩共用碳間有兩對二碳碳鏈,也被一個碳原子連接著,故詞尾之前的數字前綴為[2,2,1](共用碳不計入內);這個環烷由兩個環組成,故前綴為「雙環」,最後得出「雙環[2.2.1]庚烷」。

特例

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出於化工習慣,異辛烷不是2-甲基庚烷,而是2,2,4-三甲基戊烷。

結構

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烷烴中,每個碳原子都是四的,採用sp3雜化軌道,與周圍的4個碳或氫原子形成牢固的σ鍵,可以旋轉,故烷類無順反異構物
為了使鍵的排斥力最小,連接在同一個碳上的四個原子形成四面體。甲烷是標準的正四面體形態,其鍵角 ,大約等於109°28′。[39]
下面是前10種直鏈烷烴的分子式和結構模型圖。

異構體

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不同的四碳烴類(從左到右): 正丁烷異丁烷同分異構體,化學式皆為C4H10[40]環丁烷異丁烯同分異構體,化學式皆為C4H8
雙環[1.1.0]丁烷是唯一化學式為C4H6的烷烴。

烷類的異構物大多是鏈異構(由於支鏈不同而造成的異構物)。超過3個碳原子的烷烴可以以多種方式排列,形成同分異構體。烷烴異構物的數目會隨著碳數增加而增加(OEIS數列A000602[41]

鏈烷烴的異構體

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  • C1:沒有同分異構體: 甲烷
  • C2:沒有同分異構體: 乙烷
  • C3:沒有同分異構體: 丙烷
  • C4:兩個異構體: 正丁烷, 異丁烷
  • C5:三個異構體: 正戊烷, 異戊烷, 新戊烷
  • C6:五個異構體: 己烷
  • C12:355個異構體
  • C32: 27,711,253,769個異構體
  • C60: 22,158,734,535,770,411,074,184個異構體,其中有很多為非穩定狀態。[42]

分佈

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烷烴是木星大氣層的主要成分[43]

烷烴在宇宙間分布眾多,其中分布最多的是甲烷,而極少見由10,050個碳原子以上所構成的烷烴[44]

太陽系的分布

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烷烴分布於太陽系間許多星球的大氣層。有些佔了較多的比例,例如天王星(2.3%)[45]土衛六(5%)[46],但在大多星球上,分布較少,如地球火星土星等等[47]

地球上的分布

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地球上的烷烴多為甲烷,而甲烷的濃度隨地球緯度降低而遞減,並在北緯40度及赤道附近都有明顯濃度下降。北半球與南半球平均濃度各為1.65ppm及1.55ppm。[48]

應用

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工業上的應用

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異辛烷(2,2,4-三甲基戊烷)的結構式。

由於烷烴的製取成本較高(一般要用烯烴催化加氫),所以在工業上不製取烷烴,而是直接從石油中提取。由於烷烴不易發生反應,所以工業上也不把它作為化工基本原料。烷烴的作用主要是做燃料。天然氣和沼氣(主要成分為甲烷)是近來廣泛使用的清潔能源。

由於烷烴大多來自於石油,所以必須經過分餾的過程,以得到各種不同用途的烷烴類。 分餾結果大約如下:

成分 碳數 分餾溫度 用途
石油氣 C1–C4 <20℃ 燃料化工原料
石油醚 C5–C6 20℃-60℃ 有機溶劑
汽油 C7–C9 60℃-200℃ 燃料
煤油 C10–C16 175℃-300℃ 燃料
柴油 C15–C20 250℃-10,400℃ 燃料

其他

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注釋

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  1. ^ X即為鹵素
  2. ^ 天干:甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸
  3. ^ n為碳原子數,g為環的數量。

參考文獻

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延伸閱讀

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外部連結

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參見

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