# 有机化学笔记（一）：烷烃与环烷烃

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Author: onlymatt
Published: 2026-10-21T12:00:00.000Z
Updated: 2026-10-21T11:21:55.771Z
Categories: Chemistry, Organic Chemistry
Tags: Alkanes, Cycloalkanes

## 语言基础

甲（methane）、乙（ethane）、丙（propane）、丁（butane）、戊（pentane）、己（hexane）、庚（heptane）、辛（octane）、壬（nonane）、癸（decane）、十一（undecane）、十二（dodecane）

-ane 烷、-ene 烯、-yne（炔）、-ol 醇

n-(noraml) 正、iso- 异、neo- 新

<!-- more -->

<figure class="ch1-structure"><img src="/assets/organic-chemistry/ch1/ch1-web-1.svg?v=3" alt="伯碳、仲碳、叔碳、季碳的英文名称及结构式" loading="lazy" width="620"><figcaption>伯碳、仲碳、叔碳与季碳</figcaption></figure>

> $1^\circ$ 可视为连接了一个碳。

## 物理性质

$C_1$ ～ $C_4$ 气体、$C_5$ ～ $C_{16}$ 液体，大于等于 $C_{17}$ 固体；烷烃的相对密度都小于 1，即密度都小于水；对称性增加，熔点更高；同碳原子数下，支链越多，熔点越低；环烷烃的熔沸点比对于的链状要高。

### 石油馏分

| 馏分 | 分馏区间 | 主要成分 | 燃料的应用 |
| --- | --- | --- | --- |
| 气体 | $\mathrm{bp}<20\,^{\circ}\mathrm{C}$ | $\mathrm{C}_1\sim\mathrm{C}_4$ | 炼油厂燃料、液化石油气 |
| 汽油 | $\mathrm{bp}\ 30\sim75\,^{\circ}\mathrm{C}$ | $\mathrm{C}_4\sim\mathrm{C}_8$ | 辛烷值较低，用做车用汽油的掺和组分 |
| 石脑油 | $\mathrm{bp}\ 75\sim190\,^{\circ}\mathrm{C}$ | $\mathrm{C}_8\sim\mathrm{C}_{12}$ | 辛烷值太低，不直接用做车用汽油 |
| 煤油 | $\mathrm{bp}\ 190\sim250\,^{\circ}\mathrm{C}$ | $\mathrm{C}_{10}\sim\mathrm{C}_{16}$ | 家用燃料、喷气燃料、拖拉机燃料 |
| 瓦斯油 | $\mathrm{bp}\ 250\sim350\,^{\circ}\mathrm{C}$ | $\mathrm{C}_{15}\sim\mathrm{C}_{20}$ | 柴油、集中取暖用燃料 |
| 常压渣油 | $\mathrm{bp}>350\,^{\circ}\mathrm{C}$ | $\mathrm{C}_{20}$ 以上 | 发电厂、船舶和大型加热设备用的燃料 |

## 化学性质

相关反应：

1. 燃烧
2. 热烈（pyrolysis）、催化
3. 卤代，氧化还原（加氢、失氢）

### 热裂

<figure class="ch1-structure"><img src="/assets/organic-chemistry/ch1/ch1-web-2.svg?v=3" alt="丁烷热裂：脱氢生成氢气和丁烯；裂解生成甲烷和丙烯，或乙烷和乙烯" loading="lazy" width="760"><figcaption>丁烷的热裂反应</figcaption></figure>

### 自由基反应 / 卤化反应

对于

$$
\mathrm{CH_4+Cl_2}\xrightarrow[\text{or }\Delta]{h\nu}\mathrm{CH_3Cl+HCl}
$$

为自由基反应，分为“链引发”、“链增长”、“链终止”。

1. 链引发：

   $$\mathrm{Cl_2}\xrightarrow{h\nu}2\mathrm{Cl}^{\boldsymbol{\cdot}}$$

2. 链终止：

   $$\begin{aligned}
   \mathrm{Cl}^{\boldsymbol{\cdot}}+\mathrm{CH_4}&\longrightarrow\mathrm{HCl}+\mathrm{CH_3}^{\boldsymbol{\cdot}}\\
   \mathrm{CH_3}^{\boldsymbol{\cdot}}+\mathrm{Cl_2}&\longrightarrow\mathrm{CH_3Cl}+\mathrm{Cl}^{\boldsymbol{\cdot}}
   \end{aligned}$$

3. 链终止：

   $$\begin{aligned}
   \mathrm{Cl}^{\boldsymbol{\cdot}}+\mathrm{Cl}^{\boldsymbol{\cdot}}&\longrightarrow\mathrm{Cl_2}\\
   \mathrm{CH_3}^{\boldsymbol{\cdot}}+\mathrm{CH_3}^{\boldsymbol{\cdot}}&\longrightarrow\mathrm{CH_3CH_3}\\
   \mathrm{CH_3}^{\boldsymbol{\cdot}}+\mathrm{Cl}^{\boldsymbol{\cdot}}&\longrightarrow\mathrm{CH_3Cl}
   \end{aligned}$$

活性顺序：$3^\circ>2^\circ>1^\circ\gg\mathrm{CH_4}$

自由基稳定性：烯丙基、苄基 > 叔 > 仲 > 伯 > 甲基 > 环丙基 > 乙烯基

张力能 = 非键能 + 键长能 + 键角能 + 扭转能；但环己烷没有张力。

a 键：axial 键，竖直键；e 键：equational 键，平伏键。要点：大的取代基在 e 键位置上能量更低。

氯的取代比例：1:3.8:5（3，2，1）

溴取代比例：1600:82:1

## 环烷烃的开环与卤代

**要点：** 用碳正离子稳定性去理解 $3^\circ>2^\circ>1^\circ$。

高温高压下，会发生开环与氧化反应。

牢记下面反应所揭示的机理。

### 环烷烃的催化加氢开环

<figure class="ch1-structure"><img src="/assets/organic-chemistry/ch1/ch1-web-3.svg?v=3" alt="环丙烷、乙基环丙烷和环丁烷的催化加氢开环反应，含温度、催化剂与碳编号" loading="lazy" width="640"><figcaption>环烷烃的催化加氢开环</figcaption></figure>

### 环烷烃与卤素的反应

<figure class="ch1-structure"><img src="/assets/organic-chemistry/ch1/ch1-web-4.svg?v=3" alt="环丙烷与溴和氯的开环反应，以及环丁烷在室温下与溴不反应" loading="lazy" width="640"><figcaption>环烷烃与卤素的反应</figcaption></figure>

### 环烷烃的光照氯代反应

<figure class="ch1-structure"><img src="/assets/organic-chemistry/ch1/ch1-web-5.svg?v=3" alt="环丙烷在光照下与氯气发生取代反应" loading="lazy" width="460"><figcaption>环烷烃的光照氯代反应</figcaption></figure>

### 环烷烃与碘化氢及水的开环反应

<figure class="ch1-structure"><img src="/assets/organic-chemistry/ch1/ch1-web-6.svg?v=3" alt="环丙烷及甲基环丙烷与碘化氢、水的开环反应，保留碳编号和取代位置" loading="lazy" width="640"><figcaption>环烷烃与碘化氢及水的开环反应</figcaption></figure>

### 不同环结构与溴的反应对比

<figure class="ch1-structure"><img src="/assets/organic-chemistry/ch1/ch1-web-7.svg?v=3" alt="环丁烷与桥环结构对溴的不同反应：桥头连接断开并加成溴" loading="lazy" width="680"><figcaption>不同环结构与溴的反应对比</figcaption></figure>