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| 烃类 | |
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烃类，化合物是碳氢化合物的统称，是由碳与氢原子所构成的化合物，主要包含烷烃、环烷烃、烯烃、炔烃、芳香烃。烃类均不溶于水。衍生物众多。[1]
烃取碳中之火,氢去头以成字。烃的三大副族以分子的饱和程度来区分。烷(alkanes)是饱和烃类，无法再接纳氢了。烯(alkenes)是少了一分子氢的烃,故加氢便产生烷;一个烯分子可以有多于一处的不饱和双键。故这类型化合物包括二烯、三烯等。比烯更缺氢的烃称为炔(alkynes)，它们含有三键。
定义
烃是碳氢化合物的统称,中文译名往往以元素组合并简化来表示.烃取碳中之火,氢去头以成字.烃的三大副族以分子的饱和程度来区分.烷(alkanes)是饱和烃类,它们无法再接纳氢了.烯(alkenes)是少了一分子氢的烃,故加氢便产生烷;一个烯分子也可以有多于一处的不饱和双键,故这类型化合物包括二烯、三烯,……等等。比烯更缺氢的烃称为炔(alkynes)，它们含有三键。
常见的烃有甲烷(沼气),丙烷和丁烷(打火机油),异辛烷,石蜡.高级汽油常夸耀异辛烷值,此值与汽油在内燃机内燃烧时引起的震荡成反比.聚乙烯的名字要注意,乙烯聚合后生成的是高分子烷(末端可能有其他基团).很多植物精油是烯类化合物所组成,如苎(limonene, 图二)是橙,柚等果皮挤出的油之主要成分,由松树压出的油含有两种异构蒎烯(pinene)与少量的他种单化合物。
动物肝脏有制造鲨烯(squalene)的功能,它是胆固醇及一些性激素的中间体.天然橡胶是含有多个双键(作规律性分布)的烯类化合物.β胡萝卜素(β-carotene)内有一个很长的共轭多烯系统,在碳链上单键与双键互替,故能吸收部分的可见光波而显色.乙炔(图三)是我们最熟悉又是最简单的含三键碳氢化合物,它可由碳化钙的水解而制得.在电灯未普及之前,路旁小摊在夜间照明多用即生即燃的乙炔.现在它的最大用途是焊接.[2]
碳与氢各为四价及一价原子,烷类的分子式是CnH2n+2,烯类为CnH2n,炔类为CnH2n-2(n是自然数).二烯与单炔的分子式相同,余可类推.有机化合物中除了链状结构,还有环型的.含一个环的烷(三个碳原子以上才可成环),也具有与单烯相同的分子式,故每一环代表一不饱和度〔注一〕.然而环烷不会立即脱去溴或高锰酸钾的颜色,在定性检测饱和或不饱和有机化合物时,往往用此方法.环烯与环炔当然是不饱和的烃.我们从前提过的烯二炔抗癌化合物的碳环系统中,就有一个双键及两个三键,这个特殊的结构单元正是破坏癌细胞的中枢.
芳香烃是带有多个双键的环状化合物〔注二〕.最著名的当然是苯了.放在衣橱以防虫的樟脑丸,也是常见的芳香烃〔注三〕.
烃类均不溶于水。
分类
醇
有机化合物中有羟基(OH)〔注四〕接联碳原子的,都属醇类(alcohols)〔注五〕.甲醇,乙醇最常见.甘油是丙三醇,和醣类(如图四)一样是多元醇.一般醣类的分子式是Cn(H2O)n,故俗称碳水化合物.
碳环上的醇也很多,如薄荷醇(menthol)是环己烷的衍生物.它的骨架与苎一样,但因没有双键,却有一个羟基(OH),两物质性质(如香气)大异.
胆固醇是具有四个环的不饱和醇.虽然它含有一个双键,我们通常不把它叫烯醇.一般惯例下,烯醇是指有羟基直接连到双键的碳原子上的化合物.虽然要有特别的结构才能把烯醇稳定下来(如酚phenol),但这单元是羰基化合物(参看下一节)反应中常要经过的形式.
紫杉醇(taxol)是近来常在报章上看到的,其中的醇基只是众多复杂官能基之一种.
醛,酮
顾形思义,羰基化合物有氧与碳原子.组成官能基的碳与氧以双键组合,即呈C = O形式.四价的碳还要和其他原子结合〔注六〕,如其中一个原子是氢,另一原子是碳时,该羰基化合物属醛类(aldehydes);所接的两原子皆为碳时则是酮(ketones).甲醛只有一个碳,碳接上氧外,其他两原子是氢.甲醛是一种无色气体,它的水溶液是防腐用(如动物标本)的福尔马林(formalin).最小的酮必需有三个碳原子,它便是广用的溶剂丙酮(图五)〔注七〕.
小分子的醛,酮,都有强烈气味.有些是芳香的,有的却是刺激性,讨人厌的.柠檬醛(citral)有柠檬香味,它又可被改变为薄荷醇(只经三个化学反应).苯甲醛则是杏仁中某种成分的水解物.香草醛(vanillin, 图六),肉桂醛(cinnamaldehyde)在食品工业有很重要的地位.在酮类中,除丙酮外,也许以环己酮最为重要;我们可以用它制造尼龙6.
一般醣类也有醛基或酮基,不过多以隐藏形式存在.分子内的一个羟基与羰基结合,生成半缩醛或半缩酮.这些新种类化合物在溶液中是与羰基化合物呈平衡的,所以它们可显示羰基的化学活性.
在芳香环上引进羰基,生成类(quinones)化合物.在传统摄影的定像过程,曝光的溴化银藉对苯二酚还原成银(底片黑色的部分),对苯二酚被氧化为苯.
如果羰基化合物与两个羟基作脱水缩合反应,得到的缩醛或缩酮便不再具有羰基的性质.但它们一般在酸性水溶液中不稳定,会分解成原来的羰基化合物与醇.
醚
醚(ethers)类化合物的中文名称来自乙醚的生理活性:乙醚能令动物昏迷.这是医学上一项重大的发现,外科手术因之跃进一大步.手术中的病人因中枢神经系统被麻醉,失去知觉而无痛楚,手术进行也因病人不会乱动而更趋容易.虽然乙醚在这方面的用途已完全被别的麻醉剂所取代,但它在历史上的意义是不应被忘却的.
醚的结构通式是R-O-R'(R, R'是可同或异的碳原基).它们与醇有异构关系,如乙醚与乙醇均为C2H6O.然而乙醚的结构是CH3-O-CH3,而乙醇是CH3CH2OH.醚的脂溶性高,水溶性小,醇的性质相反.醚也是常用的有机溶剂,如乙醚,四氢喃(一种环状醚)是制备格林纳试剂(Grignard reagents)采用最广的.
冠醚(crown ethers, 如图七)是多元环状醚.因为这些分子有多个氧原子,可以构成一些金属离子的配位基(ligands),两者有良好的空间配合时,生成稳定的错合物.现在我们可以藉冠醚把无机盐(如高锰酸钾)带进非极性有机溶剂中.其实冠醚的发现是非常偶然的:在美国杜邦化学公司研究部工作的佩德生(C. Pedersen)初次在无意中合成冠醚时,起自观察到些微的白色晶状副产物,而这些晶体可以溶解氢氧化钠,但是并无羟基(尤其是酚或羧酸).这新奇的现象引起他的极度兴趣,持续的研究终于才使真相大白.
有些天然抗生素具有多元醚结构,虽然不全都是环醚,但可以同样螯合金属离子.药效的发挥与这特性有关.
硫醇,硫醚
硫与氧是同族元素,它们的最外层电子组态一样,故两者的化合物有很多相似性质,最显著的区别是气味.蒸气压高的二价硫化合物具恶臭,如臭鼬制造的防敌喷洒液主要成分是丁硫醇.硫醇是醇内氧原子换作硫原子的化合物.口臭的人是因口腔内产生了甲硫醇的缘故.洋葱及蒜所含的刺激性挥发油中,便有多种有机硫化物,二丙烯基硫醚是其中的一种特殊成分.
值得一提的硫化物是高半胱胺酸(homocysteine, HSCH2CH2CH(NH2)COOH)〔注八〕.最近有些人认为它才是引起动脉粥状硬化的元凶.硫醚的氧化物有亚(sulfoxides)及(sulfones).
羧酸
我们一般所指的有机酸是羧酸(carboxylic acids)RCOOH.它们是一级醇(RCH2OH)或醛的氧化产物.乙酸最为人类熟悉,醋就是乙酸的稀薄水溶液.只有一个碳原子的甲酸,是蚂蚁的化学防御武器.蚁咬引起的痛感,是由甲酸刺激引起.丁酸,戊酸的气味恶劣,有若粪便.
长链的饱和脂肪酸是固体,它们常在动物体内以甘油酯的形式存在.天然脂肪酸大多有偶数碳原子,因为它们的组成单元是乙酸.
多元羧酸是指一个分子内有两个以上COOH基团,如草酸(乙二酸),琥珀酸(丁二酸).含有他种官能基的羧酸也有多类;羟酸包括乳酸,苹果酸,酒石酸.法国科学家巴斯德(L. Pasteur)发现两种酒石酸(盐)结晶有镜像关系,打开实验立体化学的大门.
由两个羧酸分子联合并脱去一分子水,生成酸酐(anhydride).酸酐很容易与水反应,重得羧酸;又如与醇反应,产物为一酯及一羧酸.羧酸比一般无机酸弱,但可以生成盐.较强的磺酸R-SO3H与膦酸R-PO(OH)2是硫酸及磷酸的一个羟基被碳基取代的酸.具有长碳链的磺酸盐(如钠盐)具表面活性,是非常良好的人造清洁剂,它们的钙,镁盐不会在水中沉淀,故可用于硬水,功效比传统的肥皂优异.肥皂由植物油(羧酸甘油酯)水解生成,所含羧酸钠盐与硬水中的钙离子交换,溶解度低的钙盐就会沉积,失去清除污垢之能力.也许值得指出的是,人体内的胆酸生成的盐,性质近似肥皂,在肠内能产生大量泡沫,藉表面张力把污物包围清除.
酯
可水解的脂肪都是酯(esters).酯包括一切酸与醇的脱水缩合产物,其中以甲酸甲酯HCOOCH3最为简单.像这些低分子量的酯,都有良好气味〔注九〕.花果的香味,多是由于酯类所贡献.内酯(lactones)也有类似性质,有些像桃子,有些像茴香;大环内酯有麝香味.
磷酸酯(单酯,二酯,三酯)是生物化学上重要的分子.磺酸酯往往有很大的化学活性,容易进行置换及消除反应.硝酸酯则是含有高能量的化合物,易分解.最初发现的无烟火药,是棉布纤维的硝酸酯化所成.炸药用的三硝酸甘油酯,对振荡非常敏感.而诺贝尔就是因找到稳定它的方法而发财的.有趣的是,三硝酸甘油酯也是一种心脏病的药品.
胺与醯胺
胺(amines)是氨分子内的氢原子被有机团(R)置换而成,在制造时的确是可以用这方法.因置换的程度不同,胺分为第一级的RNH2,第二级的RR'NH,与第三级的RR'RN,其中R, R', R可以相同或相异.
胺类的氮原子仍拥有一孤对电子,保持碱性,可与酸结合生成盐类.第四级铵盐的氮原子有四个不同的R,是可以呈光学活性的.
胺的气味不佳.鱼腥正是挥发性胺所引起.外国人吃鱼前,在其上挤以柠檬汁,用意是除腥,原理则是把胺固定成不挥发的盐.腐尸与精液的独特气味,主要来自尸胺(cadaverine)与精胺(spermine).
甲醛与氨的溶液混合,蒸发后,便可得一种白色晶体.此物有金刚钻晶格单元结构,六个亚甲基CH2与四个氮原子(三级胺)形成.它可用作利尿剂,尿道消毒剂等.
胺是一般有机化学类型中具有最显著生理作用的.天然界的胺,很多是来自胺基酸代谢.动物大脑中产生多巴胺(dopamine, 图八)的代谢失调时,巴金森氏病(Parkinson's disease)就出现.
生物碱(alkaloids)多是环状胺类,又常具剧毒.环型结构内嵌入杂原子(氧,氮,硫,……等非碳原子)时,属杂环化合物.简单的咯,啶,,是芳香性杂环,它们往往是药物的结构单元.组成核酸的嘧啶与嘌呤碱基,也是杂环系统〔注十〕.
由羰酸与胺(包括氨)相加并脱水,即可得醯胺(amides).醯基(acyl group)是 R-CO,是烷基与羰基的组合,在酯内也有.醯胺有三亚种,是随氮原子上的取代基数目而分的.但无论如何,胺接上了醯基就失去了碱性.
蛋白质是由多个胺基酸组合而成,键结正是醯胺.尼龙也是聚醯胺,不过一个醯胺的氮原子与另一醯胺的羰基是以若干亚甲基CH2隔开.又有尼龙是二胺与二酸缩合而成的.
硝基化合物
烃类直接硝化可得硝基化合物(nitro compounds).因为这方法的成本低,在化学工业上很重要.硝基化合物容易被还原,生成第一级胺,故许多芳香胺的大量制造靠这两步骤.2, 4, 6-多硝基化合物含有高能量,许多炸药是根据这特性开发的.三硝基甲苯(TNT, 如图九)是一熟知的例子.
卤素有机化合物
不久以前,含卤素的有机化合物(organohalogen compounds)是重要的溶剂及合成中间体.但此类物质常有毒性,致癌性,及对环境危害,已渐渐被取代.氯仿(CHCl3)有很好的麻醉能力,但这几十年来已完全停用.曾经大量生产,用作冷媒,清洗溶剂,发泡剂等的氟氯烃(freons),因蒸发至高空后,受太阳的紫外线照射会分解产生氯原子,破坏了有保护地球上生物功能的臭氧层,故已经被禁止生产了.
"滴滴涕"(DDT, 如图十)是一种十分有效的杀虫剂,因为它的制造成本很低,用量极大.只是它(及很多其他含卤素的烃)在地表不易被分解而消除,又会沿食物链聚积在生物体(脂肪组织),引起多种不良后果.据说野生鸟类繁殖率降低的原因之一,是鸟类不断从食物吸收DDT后,体内矿物质的代谢改变,产下的卵壳厚度减低,承受不起孵坐压力而破损.不过当初若是没有使用DDT使用的话,亚热带及热带地区的开发,必是困难重重.病媒蚊虫的扑灭,DDT应居首功.
氟是最活泼的元素,但它在引进有机化合物之中时,被驯化了.铁弗龙(teflon),人造血液的主要成分,都含有氟.
烃类污染
中国经济高速发展，环境却遭受严重破坏，惨痛的现实教训触动着国人的神经，也触动着国家政策的不断改变。资料统计，目前每年有800多万吨石油进入世界环境。原油污染土壤，损害植物根部，阻碍根的呼吸与吸收，导致植物死亡。芳香烃类物质对人及动物的毒性较大，如果经较长时间较大浓度接触，会引起恶心、头疼、眩晕等症状。此外，石油中的多环芳烃类物质具有强烈的三致作用。泄漏的原油等烃类物质如遇明火，会造成火灾事故;如果泄漏的烃类进入受限空间内，VOC达到爆炸下限，极易发生爆炸，甚至造成群死群伤的灾难性事故发生。
解决技术:烃类污染防治产品是一种能降低液体表面张力的化合物，使液体更加容易扩散或"湿润"，降低两种液体间(像油和水)或一种液体和一种固体间的界面张力。表面活性剂的分子结构由亲水性"头"和亲油性"尾"组成。亲水性"头"迁移到水表面;亲油性的"尾"可以延伸到空气，或是如果水混合了油，成油相。表面活性剂分子在表面的队列和集合改变了水在水/空气、水/油或者水/固体界面的表面性质。在适当条件下，表面活性剂分子形成胶团-球形结构，完全密封油滴使其在水溶液中被乳化。
降低挥发性:使溢出燃油不燃烧、减少油罐清洗的爆炸下限、抑制修整现场的VOCs
增加可溶性:使碳氢化合物从土壤中提取出、去除坚硬表面的除油污和油脂、控制油井&天然气井的石蜡积聚
加速生物降解:使碳氢化合物更容易进行自然生物降解