烷烴

烷[wán]烴（英語名：Alkane）是僅由碳氫原子通過碳碳單鍵和碳氫單鍵組合成的化合物，稱為飽和烴，可分為鏈烷烴和環烷烴。其中鏈烷烴是指分子中不存在環狀結構的烷烴，環烷烴則是分子中存在環狀結構的烷烴，可進一步分為單環烷烴和多環烷烴。其中鏈烷烴結構通式為C_nH_2n+2（n為碳原子數）；環烷烴中的單環烷烴的結構通式為C_nH_2n（n為碳原子數），多環烷烴類別較多，無法歸納統一的結構通式。

常溫常壓下，碳原子數小于5的烷烴為氣態，碳原子數在5-16之間的烷烴為液態，含17個碳原子以上的烷烴為固體。

烷烴的沸點隨碳原子數的增加而升高，因為同系物之間相對分子質量增大，范德華力相應增大。對碳原子數少的烷烴來說，每增加一個

，對相對分子質量影響比較大，引起沸點的變化也會比較大；對于含碳原子數多的烷烴，每增加一個

對相對分子質量影響較小，引起沸點的變化也會比較小。如甲烷比乙烷的沸點低73℃，而癸烷的沸點只比十一烷低了22℃。烷烴的沸點還受分子的對稱性影響，含支鏈的烷烴形狀接近球形，分子間的接觸面變小，范德華力變小，所以含支鏈的烷烴沸點低于相同分子質量的直鏈烷烴。

低沸點的烷烴為無色液體，有特殊氣味；高沸點烷烴為粘稠狀液體，無味。

烷烴的密度隨相對分子質量增大而增大，這也是分子間相互作用力的結果，密度增加到一定數值后，相對分子質量增加而密度變化很小。

直鏈烷烴的熔點隨碳原子數的增加而升高，但相鄰偶數碳原子的直鏈烷烴熔點大于奇數碳原子的直鏈烷烴。需要注意的是，隨著烷烴相對分子質量的增加，兩者的差異會逐漸變小直至趨于一致。相同碳數的條件下，支鏈烷烴的沸點比直鏈烷烴低，原因是支鏈烷烴分子晶格排列不如直鏈烷烴緊密，分子間作用力降低。

遵循相似相溶原則，烷烴難溶于極性溶劑水，易溶于非極性或弱極性有機溶劑。

與碳原子數相等的鏈烷烴相比，環烷烴的沸點、熔點和密度均要高一些。這是因為鏈形化合物可以比較自由地搖動，分子間不緊湊，容易揮發，所以沸點低一些。由于這種搖動，比較難以在晶格內做有次序的排列，所以熔點也低一些。由于沒有環的牽制，鏈形化合物的排列也較環形化合物松散些，所以也低一些。一些鏈烷烴和環烷烴物理常數如下：

在紅外光譜里，烷烴分子中的C一H伸縮振動的吸收峰大約在3000-2800cm，而C-H彎曲振動的吸收峰大約在1475-1300cm,其中，甲基在1375cm左右處有一特征吸收峰；亞甲基在1465cm左右出現特征峰。C-H的面內搖擺振動大約在710-750cm出現吸收峰。若多個CH₂成直鏈時，該區域的吸收峰向低波數方向移動。如一CH₂CH₂一在734-743cm處出現吸收峰，若四個以上CH₂成直鏈時，會在722-724cm處出現吸收峰。

烷烴分子中只含有C和H兩種元素所生成的

鍵，一般為非極性分子，所以HNMR譜非常簡單，如圖所示乙烷的HNMR圖。乙烷CH₃-CH₃中的6個氫質子都是等性的，相互之間無自旋耦合現象，故為相當于6個質子的一個單峰。

大約為1。

因為碳和氫的電負性相近，烷烴中的C-H和C-C鍵相對穩定，難斷裂，所以一般情況下烷烴具有極大的化學穩定性。烷烴與強酸、堿以及常見還原劑、氧化劑均不發生反應；但在光熱或者催化劑的作用下進行鍵均裂的自由基反應。

烷烴中的三級氫（R₃H）能與氧發生自由基反應：

所有烷烴都可以燃燒，完全燃燒時會生成水和二氧化碳，同時放出大量的熱。烷烴燃燒反應通式：

如果氧氣量不足，會生成CO，甚至是C。以甲烷為例：

氧氣不足時，反應如下：

烷烴可在光照或者高溫條件下與氯或者溴進行自由基取代反應，得到對應的鹵代烴。以甲烷為例：

甲烷的鹵代反應很難停留在單一取代物，條件許可能夠得到多鹵代物。

如果想獲得某一類取代產物，可通過控制甲烷和氯的投料比來實現。

異構化反應可以把直鏈烷烴或者帶較少支鏈的烷烴異構轉為帶較多支鏈的烷烴，即將烷烴的一種異構體轉化成另一種異構體。如：

裂化反應是在烷烴隔絕氧氣的條件下進行的熱分解反應，分子量大的烷烴通過C-C或C-H鍵的斷裂生成分子量小的烷烴和烯烴和部分異構化產物。催化劑可以降低裂化反應條件，讓反應在較低溫度下發生。

烷烴的xxx反應和烷烴的鹵代反應類似，取代反應。烷烴在高溫下用濃硝酸、N₂O₄或NO₂直接xxx可制得硝基烷。例如：

但長碳鏈的烷烴在高溫xxx時，常伴隨有碳碳鍵的斷裂，生成一些低級的硝基化合物，不易純化。工業上可將得到的混合物不用分離，直接可用做溶劑。

烷烴在高溫下可以和硫酸反應，生成烷基硫磺酸。例如乙烷和硫酸反應生成乙磺酸：

另外，長鏈烷烴的鈉鹽可以作為洗滌劑，如十二烷基磺酸鈉。磺化反應和鹵代反應相似，叔碳原子上的氫原子最容易被磺化，仲碳原子上的氫次之，伯碳原子上的氫最難。

高級烷烴可在光照下和硫酰氯反應，生成烷基磺酰[xiān]氯，該反應則稱為氯磺化反應。烷基硫酰氯經過水解，可以生成烷基磺酸，以及上面提到的洗滌劑。上述過程反應式如下：

氯磺化反應的機理和氯化相似：

烷烴在宇宙間分布眾多，其中分布最多的是甲烷，而極少見到由50個碳原子以上所構成的烷烴。烷烴分布于太陽系間許多星球的大氣層，有些占了較多的比例，例如天王星（2.3%）、土衛六（5%），但在大多數星球上分布較少，如地球、火星、土星等。地球上的烷烴多為天然氣和石油。盡管各地區的天然氣成份有所不同，但是，大多都含有約75%的甲烷，15%的乙烷及5%的丙烷等低級烷烴和約5%的高級烷烴。石油的主要成份也是含碳數不等的烷烴的混和物。中國的石油和天然氣的資源十分豐富，為發展中國的燃料工業和化學工業提供了取之不盡的原料資源。烷烴還存在于動植物體中，例如某些蔬菜中（大頭菜等）含有烷烴。某些昆蟲的外激素是烷烴。例如，有一種蟻，通過分泌一種有氣味的物質來傳遞警戒信息，經分析可知，這種物質中含有正十一烷和正十三烷。又如雌虎峨的性外激素是2-甲基十七烷。人們可以合成這種激素，利用它把雄虎峨引入捕集器中將其殺死。昆蟲激素是近期發展起來的第三代農藥，它往往具有專一性的特點，所以可以用它來殺死某一種昆蟲而又不能傷害其他昆蟲。熱帶假絲酵母氧化烴類能力強，可利用煤油，在正烷烴C₇～C₂₄的培養基中培養，只能同化壬烷。在230～290℃石油餾分的培養基中，經22h后，可得到相當于烴類重量92%的菌體，是石油蛋白生產的重要酵母。烷烴可以通過細菌產生，產甲烷菌作為一個生理和表型特征獨特的類群，其突出的特征是能夠產生甲烷。它們生活在極端的厭氧環境中：海洋、湖泊、河流沉積物、沼澤地、稻田和動物腸道，與其他類群細菌互營發酵復雜有機物而產生甲烷。

烷烴中最簡單的是甲烷，分子式是CH₄，隨碳原子數逐漸遞增，可以得到一系列的烷烴：甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷等，分子式：CH₄、C₂H₆、C₃H₈、C₄H₁₀、C₅H₁₂等。以上的一系列烷烴中，相鄰的兩個化合物之間的組成差是CH₂，稱為同系差。在有機化合物中，把結構相似、在分子組成上相差1個或幾個CH₂原子團的一系列化合物稱為同系列。同系列中的化合物互稱為同系物。烷烴分子隨著碳原子數的增加，碳鏈增長，氫原子數也隨之增多。如果碳原子數目是n，則氫原子數目是2n+2，所以烷烴的組成通式可用C_nH_2n+2表示。

烷烴的同分異構現象主要有碳鏈異構和構象異構，碳鏈異構是指由于碳原子結合的順序不同，從而產生直鏈烷烴和帶支鏈的烷烴的異構現象。烷烴中除甲烷、乙烷、丙烷沒有碳鏈異構現象外，其余烷烴都有碳鏈異構，例如丁烷有兩種，正丁烷和異丁烷，戊烷有三種異構體，正戊烷、2-甲基丁烷和2,2-二甲基丙烷。隨著烷烴分子碳原子數的增加，異構體的數目迅速增多。例如己烷有5種，庚烷有9種，辛烷有18種，癸烷有75種之多。

鏈烷烴的通式為C_nH_2n+2（n=1,2,3.....），具有相同通式，組成相差n個CH₂的化合物為同系物，同系物具有相似的化學性質。

直鏈烷烴可直接用“碳原子數+烷”來表示。對于碳原子數在1~10的烷烴，可以依次用"甲乙丙丁戊己庚辛壬癸"表示。如果直鏈烷烴含有的碳原子數超過10，則用數字表示。比如含5個碳原子的直鏈烷烴為戊烷，含有12個碳原子的直鏈烷烴為十二烷。下表是常見正烷烴的中英文名稱：表中，正（n-）代表直鏈烷烴，可省略。

伯碳，用1℃表示：碳原子與一個碳相連，1℃上的氫為一級氫，記作1°H。仲碳，用2℃表示：碳原子與兩個碳相連，2℃上的氫為一級氫，記作2°H。叔碳，用3℃表示：碳原子與三個碳相連，3℃上的氫為一級氫，記作3°H。季碳，用4℃表示：碳原子與四個碳相連。

1.尋找最長的碳鏈作為主鏈，根據碳原子數命名主鏈，如果支鏈烷烴中存在多個相同碳數的碳鏈，則選擇側鏈數最多的碳鏈作為主鏈。如果主鏈碳數為4個，命名為丁烷，如果主鏈碳數為12個，則命名為十二烷。2.從最近的取代基位置進行編號，當有多種編號方案時，需要逐項對比不同方案取代基的編號，選擇最先遇到的取代基，位次最小的方案。用數字1,2,3...表示取代基的位置。同時要用-將數字和文字隔開。3.如果碳鏈上存在兩個以上相同的取代基，在取代基前加入中文數字：一、二、三...，例如：三甲基，并加在取代基前面，通過“，”將中文數字和取代基隔開。例如：

命名：2,3,4-三甲基己烷。

使用普通命名法對烷烴進行命名時，對直鏈烷烴的命名和系統命名一致。對于存在支鏈的烷烴，“正”表示烷烴無分支，“異”表示端鏈有

結構，“新”表示端鏈有

結構。例如戊烷的三個同分異構體普通命名法：

正戊烷

異戊烷

新戊烷普通命名法只適用于5個碳原子以下的同分異構體，正、異、新在命名多于5個碳原子的烷烴時就比較困難了。

烷烴的衍生物命名法以甲烷為母體，其他部分均作為甲烷的取代基進行命名。例如：

使用衍生物命名法叫做：二甲基正丙基異丙基甲烷。

只有一個環的環烷烴稱為單環烷烴。環上沒有取代基的環烷烴命名時只需在相應的烷烴前加環，英文名稱只需在相應的英文名稱前加cyclo。例如：

無取代基的單環烷烴命名

環上有取代基的單環烷烴命名分兩種情況。環上的取代基比較復雜時，應將鏈作為母體，將環作為取代基，按鏈烷烴的命名原則和命名方法來命名。例如：

2-甲基-4-環己基己烷

而當環上的取代基比較簡單時，通常將環作為母體來命名。例如：

乙基環己烷

當環上有兩個或多個取代基時，要對母體進行編號，編號仍遵守最低系列原則。例如：

1，4-二甲基-2-乙基環己烷

含有兩個或多個環的環烷烴稱為多環烷烴。環系各以環上一個碳原子用單鍵直接相連而成的多環烷烴稱為集合環烷烴；兩個環共用兩個或多個碳原子的多環烷烴稱為橋環烷烴；單環之間共用一個碳原子的多環烷烴稱為螺環烷烴。多環烷烴的命名較為復雜，三種類別的多環烷烴命名各有區別，此處只做簡單介紹。如集合環烷烴命名方法，大環作母體，小環作取代基，名稱：1-環丙基環己烷。

橋環烷烴，根據碳斷鏈確定環數，繼而將不包括橋頭碳的橋頭碳之間的碳原子數由多到少排在放括弧內并用圓點隔開，最后寫上包括橋頭碳在內的環烴碳原子總數的烷烴名稱，名稱二環[1.1.0]丁烷。

螺環烷烴，編號從端螺原子相連的小環上的碳開始順序編號，命名時先寫詞頭螺，再在方括弧內按編號順序寫出除螺原子外的環碳原子數，數字間圓點隔開，最后寫出包括螺原子在內的碳原子數烷烴名稱，名稱螺[4.5]癸烷。

碳氫化合物的主要來源是石油和天然氣。天然氣中主要含有甲烷（最多）、乙烷和丙烷，以及少量的高級烴。石油中則含有1~50個碳原子的鏈烷烴和環烷烴，個別產地的石油還有芳香烴。

烯烴催化氫化，反應式：

還原鹵代烴，一般選用的還原劑有四氫鋰鋁、催化氫化、Zn+酸等。例如：

鹵代烴和金屬有機物偶聯反應（伍爾茲偶聯，Wurtz-Fittig），反應式：

科里-豪斯（Corey–House）反應，反應分三步，反應式：

科爾伯（Kolbe）電解法，在弱酸或者中性溶液中，電解高濃度羧酸鹽獲得烷烴。

工業上獲取烷烴的方式主要是三種：烯烴催化加氫制取、石油分餾獲取和費托合成。烯烴催化加氫制取成本較高，所以工業上一般通過石油分餾和費托合成制取烷烴。

石油分餾得到的產物大致如下：

石油分餾后物質的作用及用途

費托合成是以合成氣為原料，在催化劑和適當反應條件下合成以烷烴為主的烴類液體燃料的過程，是將煤、天然氣和生物質轉化為烴類液體燃料的核心技術。費托合成烷烴生成反應如下所示，工業上用鐵作催化劑。基于最佳選擇性要求，反應過程應該在等溫下進行，為此要有效地移出反應熱。nCO+2nH₂→[-CH₂-]_n+nH₂O

沼氣主要成分是甲烷，其制備過程是將生物質與空氣隔絕，用厭氧細菌（又稱嫌氣細菌）發酵而產生甲烷。厭氧細菌生長在各種缺氧的環境中，如下水污泥、沼澤、垃圾堆、動物的消化系統中。熱化學氣化是指將固體燃料如媒碳、木質廢棄物、農作物殘渣等與空氣隔絕，加熱分解以產生可燃氣體。

烷烴在農醫藥、國防等領域具有重要的應用價值，日常生活中汽車飛機使用的燃料以及實驗室中使用的溶劑都離不開烷烴。

某些烷烴的取代物可以作為溶劑，在工業上是很有用的，可以用于溶解假漆、醋酸纖維、合成橡膠、及其他有機物。如石油醚（低級烷烴混合物）不溶于水，可溶解大多數有機物，特別能溶解油和脂肪，因此常用它做溶劑。

烷烴的主要用途之一是作為內燃機的燃料，例如小分子烷烴的硝基化合物都是可燃的，衡量燃料質量優劣的標準是辛烷值，通過異構化或裂化反應，可以提高汽油的辛烷值。烷烴的主要作用是做燃料，石油餾分的主要用途如下：1.C?~C?（40℃以下餾分）石油氣，作為燃料，廣泛應用的清潔能源天然氣中含有大量的甲烷；2.C?~C??（40℃~200℃時的餾分）汽油，可作為燃料也可作為化工原料；3.C?~C??（150℃~250℃時的餾分）柴油，作燃料。

烷烴xxx生成的硝基烷烴可以制作炸藥。例如在硝基甲烷中添加多酸多縮糖可以制作火箭發射劑，將硝基甲烷加入過氯酸脲[niào]中可以制作能在水下使用的炸藥。

液體石蠟主要成分是18～24個碳原子的液體烷烴的混合物，是透明的液體。不溶于水和醇，能溶于醚和氯仿中。液體石蠟性質穩定，精制的液體石蠟在醫藥上常用作腸道潤滑的緩泄劑。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，而且化學性質穩定，不易和軟膏中的藥物反應，所以在醫藥上常用作軟膏基質。

正烷烴是構成石油的主要組分之一，廣泛分布于古代沉積巖、現代沉積物以及各種生物體中。長期以來，人們對于正烷烴的地球化學習性及其與石油生成、運移和變質的關系較為關注。飽和烴分布模式和長鏈正構烷烴碳、氫同位素組成逐漸成為風成沉積序列中古氣候、古環境研究的重要代用指標。

在烷烴分子中，碳原子形成4個完全相同的sp雜化軌道。碳氫鍵和碳碳鍵是由碳的sp雜化軌道分別與氫原子的1s軌道和其他碳的雜化軌道沿鍵軸方向發生“頭碰頭”軸向重疊形成的，這種重疊方式形成的鍵稱為

鍵。烷烴所有的碳碳鍵和碳氫鍵都是

鍵。甲烷是烷烴中最簡單的分子，分子中的碳原子以4個sp雜化軌道分別與4個氫原子的s軌道重疊，形成4個C-H

鍵，并且相互間的夾角為109.5°，呈正四面體結構。十二種烷烴的分子式及三維模型如下：

烷烴均可燃燒，其中C₁到C₄的烷烴為極易燃氣體，遇熱可能會爆炸，存儲時需要遠離火花、明火、熱源等。以壬烷、庚烷等為代表的液態烷烴，其蒸氣與空氣混合會形成爆炸性混合物。

吸入丙烷、乙烷或丁烷的混合氣體會導致急性中毒，引起頭暈、頭痛、惡心、嘔吐等癥狀，嚴重時會導致意識喪失。長期低濃度吸入丙烷、丁烷，會引發神經衰弱綜合癥、脈搏不穩、多汗等癥狀。液態烷烴如壬烷，吸入蒸氣后會引發神志不清、咳嗽等癥狀，將液態壬烷吸入呼吸道會引發吸入性肺炎。

烷烴的環境污染是伴隨著石油產品的開發、應用而出現的。在大氣中，烷烴主要存在于煤炭礦坑的空氣中、天然氣及石油氣中、各種工業可燃氣體應用場合的空氣中、石油煉制和加工場合的空氣中。在水體中，在石油采集、煉制廢水中含有大量的烷烴。水上原油運輸、輸送過程中漏油和溢油造成的地面水污染，另外，城市因路面沖刷，使得污水中含有一定量的烷烴類物質。在土壤中，烷烴的污染是因采油、煉油、石油的應用過程造成的。