烷烃的分类
分子中没有环的烷烃称为链烷烃(acyclic alkane),其通式为CnH2n+2,n为碳原子数。分子中含有环状结构的烷烃叫环烷烃(cycloalkane),又称为脂环化合物(alicyclic compound)。只含有一个环的环烷烃称为单环烷烃,单环烷烃的通式为CnH2n,与单烯烃互为同分异构体。环烷烃按环的大小,分为:
① 小环:三、四元环;
② 普通环:五、六、七元环;
③ 中环:八至十一元环;
④ 大环:十二元环及以上。
含有两个或多个环的环烷烃称为多环烷烃。环系各以环上一个碳原子用单键直接相连而成的多环烷烃称为集合环烷烃(cycloalkane ring assembly)。两个环共用两个或多个碳原子的多环烷烃称为桥环烷烃(bridged cycloalkane)。单环之间共用一个碳原子的多环烷烃称为螺环烷烃(spirocyclic alkane)。如:
烷烃的物理性质
在室温下,含有1~4个碳原子的烷烃为气体;含有5~16个碳原子的烷烃为液体,低沸点(boiling point,bp)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;含有17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℃),其熔点(melting point,mp)都不超过100℃。
正烷烃的沸点随相对分子质量的增加而升高。低级烷烃每增加一个CH2,沸点相差较大;高级烷烃每增加一个CH2,沸点相差较小,故低级烷烃较易分离,高级烷烃分离困难得多。
在同分异构体中,直链烷烃的沸点通常比叉链烷烃的高,叉链越多,沸点越低。例如正戊烷沸点 36.1℃,2-甲丁烷沸点 25℃,2,2-二甲丙烷沸点只有 9℃。下图为正戊烷分子间和 2,2-二甲丙烷分子间接触面积的示意图。
固体烷烃分子的熔点既随相对分子质量的增加而增高,也随分子在晶格中排列紧密度增高而增高。在正烷烃中,含单数碳原子的烷烃其熔点升高较含双数碳原子的少,如下图所示。
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,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。
与碳原子数相等的链烷烃相比,环烷烃的沸点、熔点和密度均要高一些。同分异构体也具有不同的物理性质。下表是若干烷烃的物理常数。
所有烷烃,由于 σ 键极性很小以及分子偶极矩为零,都是非极性分子。根据相似相溶原理,烷烃可溶于非极性溶剂如四氯化碳、烃类化合物中,不溶于极性溶剂如水中。