有机化学基础：烯烃的结构、性质与同分异构体

有机化学基础：烯烃的结构、性质与同分异构体

烯烃是有机化学中一类重要的化合物，它们在石油化学工业中占据着举足轻重的地位。本文将从结构、命名规则、物理性质、化学性质以及同分异构体等多个方面，全面介绍烯烃的基本知识。

烯烃的结构

观察以下简单烯烃（乙烯、丙烯、1-丁烯、1-戊烯）的结构：

写出其分子式和简化结构式：

单烯烃（仅含一个碳碳双键的烯烃）比相同碳原子的链烷烃少两个氢原子，故分子式通式为C_nH_2n（n≥2）。

官能团的结构（以乙烯为例）：

形成碳-碳双键的碳原子全部sp²杂化。碳原子的杂化轨道与氢原子的原子轨道重叠，形成σ键。两个碳原子之间的原子轨道重叠形成σ键。未杂化的2p原子轨道重叠形成π键，从而形成碳碳双键（1个σ键和1个π键）。

共价键之间的夹角约为120°，碳碳双键不能绕键轴旋转，因此乙烯分子中的6个原子（以碳碳双键为中心的6个原子）都处于同一平面。请注意，烯烃中形成碳-碳双键的碳原子是sp²杂化的，但其他碳原子是sp³杂化的并保持四面体。

烯烃的命名

烯烃的命名与烷烃类似，也遵循“最长、最多、最近、最简单、最小”的原则，但必须优先考虑碳碳双键官能团。

第一步，以最长的碳链作为主链，但必须含有碳碳双键。根据主链碳原子数的不同，称为“某种烯烃”。

第二步，编号必须从最靠近碳碳双键的一端开始。

第三步，书写名称时，必须用阿拉伯数字标明官能团的位置。其他规则与烷烃相同。

烯烃的物理性质

烯烃的物理性质与乙烯相似。随着碳原子数的增加，物理性质会逐渐发生变化：

• 纯乙烯是一种无色、微臭的气体，不溶于水，密度略小于空气。
• 随着碳原子数的增加，烯烃的沸点逐渐升高，状态由气态（碳原子数≤4的烯烃）转变为液态和固态。
• 烯烃不溶于水，密度比水低。

烯烃的化学性质

碳碳双键中的π键容易断裂，因此烯烃的化学性质比较活泼，与乙烯相似，很容易被氧化，可以发生加成反应和加成聚合反应。但由于它们的结构不同，其化学性质也不同。

氧化反应

碳碳双键可被酸性高锰酸钾溶液氧化，碳碳双键断裂，得到两个酮羰基，生成羧酸、酮或碳酸（会分解成二氧化碳和水，如如乙烯）。因此，烯烃可以被酸性高锰酸钾溶液氧化，导致其褪色。

烯烃是易燃的，完全燃烧形成二氧化碳和水。由于烯烃含碳量高，燃烧时火焰明亮，并产生黑烟。

加成反应

与乙烯类似，烯烃也能与氢、卤族元素、卤化氢、水等物质发生加成反应。反应机理是π键断裂，每个碳原子与原子或原子团形成共价键。

以丙烯为例，比较乙烯、丙烯与溴、氯化氢、水的反应。

加成聚合反应

含有碳碳双键的有机化合物（不一定是烯烃）在一定条件下可以发生加成聚合反应，得到高分子化合物。

烯烃的同分异构体

烯烃的异构体包括碳架异构、位置异构、官能团异构和顺反异构。

在写烯烃的异构体时，我们一般先写碳架异构，然后写碳碳双键的位置异构，最后考虑顺反异构和官能团异构。

例如C₄H₈的异构体有两种碳链异构体，然后碳碳双键在不同碳原子之间移动，得到三种异构体。

• CH₂=CH—CH₂—CH₃
• CH₃—CH=CH—CH₃

由于碳碳双键不能绕键轴旋转，如果碳原子所连接的基团不同，它们的空间排列就会不同，从而产生顺反异构现象。如图所示，若R₁≠R₂、R₃≠R₄，则存在顺反异构。

位于双键同一侧的两个相同的原子或原子团称为顺式结构，位于双键两侧的两个相同的原子或原子团称为反式结构。 2-丁烯有两种顺式反应异构体：顺式2-丁烯和反式2-丁烯。

顺式和反式异构体的化学性质基本相同，但物理性质不同。

单烯烃和环烷烃具有异构现象。例如，丙烯和环丙烷、丁烯和环丁烷或甲基环丙烷是彼此的异构体。