3-1 飽和烴
班級： 座號： 姓名： 一、有機化合物的簡介 (一) 有機化合物： 1. 舊定義：僅能由生命體製出的化合物；「機」表生命體。 2. 第一種人工合成的有機化合物─尿素 (1) 發現者：1828 年德國化學家烏勒（Friedrich Wohler）在試管中製造出第一個有機化合物— 尿素，其化學式為 CO(NH2)2，學名為胺基甲醯胺。 (2) 反應：① (NH4)2SO4 + 2KOCN → 2NH4OCN + K2SO4 （硫酸銨） （氰酸鉀）（氫酸銨） （硫酸鉀） ② 加熱氰酸銨水溶液，製得尿素(CO(NH2)2)，反應式如下： (3) 重要性：打破有機化合物必源自於生命體的觀念，改變了有機化合物的定義。 3. 現今定義：含有碳元素的化合物，稱為有機化合物。有機化合物為碳氫化合物及其衍生物， 其它常見的原子有氧、氮、硫、磷、鹵素等。 4. 例外：一般不含 C－C 鍵或 C－H 鍵之化合物，歸類為無機化合物。 類別 實例 類別 實例 類別 實例 碳的氧化物 CO、CO2 碳酸鹽 (HCO3－、CO32－) NaHCO3、CaCO3 氰化物 (CN－) NaCN 硫氰化物 (SCN－) KSCN 氰酸鹽 (OCN－) KOCN 碳化鈣 CaC2 碳化矽 SiC 5. 來源：煤、石油或天然氣等化石燃料。 6. 種類：超過 2000 萬種，遠遠高於無機化合物。 (二) 有機化合物種類繁多的原因： 1. 碳可和其他原子形成強的共價鍵，能穩定存在，並且能形成長鏈架構。 2. 碳有 4 個價電子，每個碳原子間最多可以接另外 4 個原子，形成不同長度的直鏈、支鏈 或環，碳原子又可形成單鍵、雙鍵、參鍵（如下表），故衍生物極多。 甲烷 乙烯（含 C=C） 乙炔（含 C≡C） 環丙烷 H－C≡C－H ▼ 常見原子的共價鍵結方式 元素 碳 氮 氧 鹵素（或氫） 價電子數 4 5 6 7（1） 鍵結方式(三) 最簡單的有機化合物 烴類 1. 定義：只含碳及氫的有機化合物，稱為烴。 2. 分類： 類 別 系別 結構 通式 最簡單 的烴 烴 脂環烴 (不含苯環) 鏈 狀 飽和烴 烷烴 全為單鍵 CnH2n+2 n≥1 甲烷 不飽和烴 烯烴 含 1 雙鍵 CnH2n n≥2 乙烯 不飽和烴 炔烴 含 1 參鍵 CnH2n-2 n≥2 乙炔 環 狀 飽和烴 環烷烴 含 1 環 CnH2n n≥3 環丙烷 不飽和烴 環烯烴 1 環 1 雙 CnH2n-2 n≥3 環丙烯 不飽和烴 環炔烴 1 環 1 參 CnH2n-4 n≥8 環辛炔 芳香烴 (含苯環) 不飽和烴 苯系烴 具有苯環 CnH2n-6 n≥6 苯 萘系烴 萘 為 母 體 的結構 CnH2n-12 n≥10 萘 蒽系烴 蒽 為 母 體 的結構 CnH2n-18 n≥14 蒽 (1) 從形狀區分為： ① 鏈烴：碳原子間以開鏈方式鍵結者，例如：烷、烯、炔。 ② 環烴：碳原子間以環狀方式鍵結者，例如：環烷、環烯、芳香烴。 (2) 從鍵結方式區分為： ① 飽和烴：碳原子間全部以單鍵鍵結者，例如：烷、環烷。 ② 不飽和烴：碳–碳間含有雙鍵或參鍵者，例如：烯、炔、環烯、芳香烴。 (3) 從有無苯環區分為： ① 芳香烴：含有苯環結構的烴類，例如：苯、萘、蒽、菲。 ② 脂肪烴：不具有苯環結構的烴類，例如：鏈烴和脂環烴。 註： 1. 屬於脂肪烴且具有環狀結構者稱為脂環烴，例如：環烷、環烯； 2. 芳香烴的苯環，其環上的氫若被脂肪烴基所取代者，即具有支鏈的芳香烴稱為脂芳烴，， 例如：乙苯（C6H5C2H5） 。 3. 烷類為飽和烴（均為 C－C 單鍵），含 C＝C 或 C≡C 多鍵者為不飽和烴。 4. 烴中的氫原子數若與飽和鏈狀烴（CnH2n+2）作比較，每含個雙鍵(C＝C) 或 1 個環減少 2 個氫，；每 含一個參鍵(C≡C)將減少 4 個氫含 1 個苯環者少 8 個 H。；故可以推求各種烴類的通式： 烯 CnH2n、炔 CnH2n–2、環烷 CnH2n、環烯 CnH2n–2、苯系烴 CnH2n–6 … (四) 烴類結構的表示法 以正丁烷為例 物 質 球－棍模型 結構式 示性式 全部展開 僅寫骨架 去掉鍵結 正丁烷 （C4H10） CH3－CH2－CH2－CH3 C－C－C－C CH3CH2CH2CH3 CH3(CH2)2CH3
鍵－線結構（line-angle structure）： 1. 特性：可以簡單表示有機分子結構的圖像。 2. 畫法： (1)鍵－線圖以碳的骨架為主，碳有 4 個鍵結量，氫有 1 個鍵結量，氫原子可以省略不畫出。 (2)每一條線的轉折處表示一個碳原子，線條端點也表示有一個碳原子。 (3)以線數代表鍵數。 ※C－C 單鍵可以旋轉，許多結構式的畫法不同，但卻是指同一物質。 以丙烷、丁烷為例： 物質 結構式畫法 球－棍模型 丙烷 （C3H8） 丁烷 （C4H10） (五) 同系物與同分異構物： 1. 同系物：具有相同官能基(官能基的種類和個數均需相同)，通式相同、性質相似，在分子組成 上相差一個或數個 CH2 (亞甲基，Methylene)的一系列化合物（即分子量相差 14 的整數倍）。 例如：甲烷（CH4）及乙烷（C2H6），或甲醇（CH3OH）及乙醇（C2H5OH）等。 ※ 官能基：具有「特殊物性」或「化性」的原子或原子團，如 CH3COOH 中的 COOH。
2. 同分異構物： (1) 定義：分子式相同，但結構不同，或原子在空間的幾何位置不同的物質，稱為同分異構物， 簡稱異構物，其物性、化性彼此不同。 (2) 分類： ① 結構異構物：分子式相同，但原子連接方式或次序不同的化合物。 ② 立體異構物：分子式相同，原子連接方式相同，但原子在空間幾何排列不同的化合物。 【範例1】 判斷有機化合物 下列何者為有機化合物？
(A) CH3NH2 (B) CH3COOCH3 (C) KHCO3 (D) NH4SCN (E) (NH2)2CO。
答 (A)(B)(E)
解 (E) 即尿素，為有機化合物。
[類題 1] 下列何者為有機化合物？
(A) CaCO3 (B) HCN (C) CaC2 (D) CO (E) C2H5OH。
答 (E) 【範例2】 烴的分類 下列何者為飽和烴？ (A) (B) (C) (D) (E) 答 (B)(C) 解 僅含 C－C 單鍵的碳氫化合物為飽和烴。(D)含氧原子，非烴類。
[類題 2] 下列何者為不飽和烴？ (A) C4H10 (B) CH2＝CH2 (C) (D) (E) CH3－C≡CH。 答 (B)(C)(E) 含 C＝C 或 C≡C 者為不飽和烴。 (A) 為丁烷，符合鏈狀飽和烴通式 CnH2n＋2。 (D) C、C 間均為單鍵，為飽和烴。 【範例3】 結構判斷 某有機化合物的化學式為 C3H6，其分子內可能含有何種結構？ (A) 1 個雙鍵 (B) 1 個環 (C) 1 個雙鍵及 1 個環 (D) 2 個雙鍵 (E) 1 個參鍵。 答 (A)(B) 解 3 個 C 的鏈狀飽和烴為 C3H8，此分子少了 8－6＝2（個）氫，故可能含有 1 個 C＝C 或 1 個 3 碳環。 [類題 3] 檸檬烯為薑的揮發性成分之一，屬於烴類，其分子結構中含有 10 個碳原子、2 個雙鍵、1 個環，則檸檬烯的分子式為何？ 答 C10H16 鏈狀飽和烷烴的 H 數＝2×10＋2＝22 2 個雙鍵少 2×2＝4（個）H，1 個環少 2 個 H，共少 6 個 H，故知分子式為 C10H16。 【範例4】 有機化合物的結構式 立可白的溶劑為甲基環己烷，揮發性大，其結構如右圖。甲基環己烷的分子式為何？ 答 C7H14 解 每個轉折點有 1 個碳原子： [類題 4] 下列何項的寫法或畫法不適宜表示正丁烷的結構？ (A) (B) (C) C－C－C－C (D) (E) CH3CH2CH2CH3。【大考中心評分標準說明】 答 (B) (B) 【範例5】 相同結構判斷 下列何者為同一物質？ (A) C－C－C－C－C (B) (C) (D) (E) 。 答 (B)(C)(D) 解 把最長鏈水平放置就可判斷。(B) 。(C) 。(D) 。
[類題 5] 下列何者為相同的物質？ (A) (B) (C) (D) (E) 。 答 (A)(C)(D) C、C 間之單鍵可以旋轉。(C) 【範例6】 異構物 下列何項的化合物互為結構異構物？ (A) CH3CH2CH2CH3 和 (B) CH3CH2CH2CH2CH3 和 (C) 和 (D) 和 (E) 和 。 答 (B) 解 (A)分子式不同，非異構物。(C)為同一物質。(D)為同一物質。(E)為順反異構物。 [類題 6] 下列有關烴類的敘述，何者正確？ (A) H3C－CH2－CH2－CH3 與 互為異構物 (B) 與 互為異構物 (C) CH4、CH3－CH3、 三者為同系物 (D) CH2＝CH2 與 CH3－CH2－CH3 均屬於脂肪烴 (E) 均屬於芳香烴。 答 (A)(D) (B) 分子式不同，不是異構物。 (C) CH4、CH3－CH3 為同系物， 呈環狀，不是前兩者的同系物。 (E) 沒有 結構，非芳香烴。 延伸學習區 有機化合物結構的判斷 註此部分對本章有機化合物的分類、異構物數目的判斷很有幫助。 1. 由分子式判斷結構：鏈狀飽和烷烴為 CnH2n＋2 (1) 若含有一個雙鍵或一個環 分子式少 2 個 H 原子 例 －2H ──→ 或 C3H8 C3H6 C3H6 (2) 若含有一個參鍵 分子式少 4 個 H 原子 例 －4H ──→ C3H8 C3H4
(3) 若含有一個苯環 環：少 2 個 H 苯環中有 3 個雙鍵：少 6 個氫 分子式共少 8 個 H 原子 例 －8H ──→ C6H14 C6H6 (4) 分子中若含有 1 個 N 原子，則可以多接 1 個 H 原子，鏈狀飽和有機化合物的分子式為 CnH2n＋3N。 例 多 1 個 N ─────→ C2H6 C2H7N (5) 分子中氧的個數不影響 H 的數目。 例 多 1 個 O ─────→ C2H6 C2H6O (6) 鹵素原子 X 可視同 H，因為均為單鍵鍵結。 例 C2HF3 可看成 C2H4，含有 1 個 C＝C。 2. 範例：某有機化合物的分子式為 C5H8，其可能結構的判斷步驟如下： (1) 5 個 C 時，鏈狀飽和烷烴的 H 數＝2×5＋2＝12 (2) 該有機化合物僅含有 8 個 H，比鏈狀飽和烷烴少了 12－8＝4 個 H，故可能的結構有： ① 2 個雙鍵；② 1 個雙鍵及 1 個環；③ 2 個環；④ 1 個參鍵。 3. 參考公式：依據上述說明可推得，某有機化合物的分子式為 CnHaNbOc，其可能的結構有 m＝2n＋2＋b－a 2 ，m 值 【範例7】 結構判斷 下列哪一個分子可能擁有環狀結構或具有一個雙鍵？
(A) C5H10Cl2 (B) C5H10O (C) C5H11Cl (D) C5H11ClO (E) C5H12O2。 【97 指考】
答 (B) 解 Cl 原子可視同 H 原子（均為單鍵），O 原子的個數不影響 H 原子的數目。飽和的碳、氫、 氧化合物的通式為 CnH2n+2O，而具有一環或一個雙鍵者，比飽和時少 2 個 H，分子式為 CnH2nO，故選(B)。 [類題 7] 分子式為 C3H7NO 的物質，可能含有下列哪一種結構？ (A) 1 個雙鍵 (B) 2 個環 (C) 1 個參鍵 (D) 2 個參鍵 (E) 3 個參鍵。 答 (A) 多 1 個 N 原子，可多接 1 個 H，鏈狀飽和烷的 H 數＝2×3＋2＋1＝9，故此分子少了 9－7＝2 （個）H，含有 1 個雙鍵或 1 個環。
二、飽和烴－烷類與環烷的結構： 1. 烷類：碳氫化合物中，碳原子與碳原子間皆以單鍵鍵結，稱為烷類，又稱「石蠟烴」。 2. 種類：烷類均為非平面分子；依結構可分為鏈狀烷 (通式為 CnH2n+2)，最簡單的鏈狀烷是甲烷 (CH4)；環狀烷 (通式為 CnH2n)，最簡單的環狀烷為環丙烷(C3H6) 三、烷類的命名 1. 俗名：以總碳數命名 (1) 碳數 10 以下的烷類，以甲、乙、丙……癸代表其所含之碳原子數，再於其後加「烷」字； 碳數 11 以上者，以中文數字表示，例如：十二烷。 (2) 己烷以下的烷類，有異構物者，以正代表直鏈；第 2 個碳上有支鏈者，以異表示；第三種異 構物以新表示。 化合物 異構物 戊烷 （C5H12） CH3－CH2－CH2－CH2－CH3 正戊烷 異戊烷 新戊烷 2. IUPAC 系統命名法：以最長碳鏈為主鏈，稱為某烷，支鏈稱為某基。 (1) IUPAC：國際純化學暨應用化學聯合會的簡稱。 (2) 烷基（取代基、支鏈）：某烷少一個氫稱某烷基，烷基接在主鏈上。 烷類 甲烷 乙烷 丙 烷 正丁烷 異丁烷 分子式 CH4 C2H6 C3H8 C4H10 烷基名 稱及結 構 CH3－ 甲基 C2H5－ 乙基 CH3－CH2－CH2－ 正丙基 正丁基 異丁基 異丙基 二級丁基 三級丁基 (3) 步驟： ① 找出最長的碳鏈為主鏈，此鏈決定烷的名稱、其餘短鏈為支鏈，為取代基。 若有兩個等長的碳鏈同時存在時，則選擇取代基較多者為主鏈(鏈長支鏈多)。 正確，2 個取代基 錯誤，1 個取代基 ② 從最接近取代基的一端開始，賦予最長鏈編號（阿拉伯數字）。 例 正確，2 個取代基 錯誤，1 個取代基
③ 系統命名時，取代基置於前面，烷的名稱置於最後。編號與國字之間以短線分開。 例 3-甲基己烷 ④ 有兩個以上取代基存在時，分別給予各取代基符合其在最長鏈上位置的編號，且碳數少 的取代基在前。 例 2-甲基-4-乙基己烷（甲基在前，乙基在後） ⑤ 有兩個以上相同取代基時，須合併命名。利用字首二、三、四……表示相同取代基的總 數，以逗點分開兩編號。 例 3,3-二甲基戊烷 (4) 結論： 提示 數字間加「,」，數字與國字間加「-」，先小基再大基（主鏈要長，其餘都要小）。 3. 由示性式命名：技巧——將示性式寫成結構式。 例 2,2-二甲基-3-乙基己烷 【範例8】 烷類命名 右列化合物的系統命名為何？ (A) 3,5-二甲基己烷 (B) 2-乙基-4-甲基戊烷 (C) 2,4,4-三甲基己烷 (D) 2-甲基-4-乙基戊烷 (E) 2,4-二甲基-2-乙基戊烷。 答 (C) 解 [類題 8] 右列化合物的系統命名為何？ 答 3,4,5,6-四甲基辛烷
【範例9】 烷類命名 化學式為 (CH3)2CH(CH2)3C(CH3)3 的有機化合物，其系統命名為何？ 答 2,2,6-三甲基庚烷 解 其結構為： [類題 9] 化學式為 C(CH3)4 的有機化合物，其系統命名為何？ 答 2,2-二甲基丙烷 三、簡單烷類的異構物 1. 甲烷、乙烷及丙烷各僅有 1 種結構，丁烷以上才有更多異構物。 化合物 異構物 丁烷 （C4H10） CH3－CH2－CH2－CH3 正丁烷 異丁烷 烷類（CnH2n+2）異構物的數目隨碳數的增加而急速增加，例如：丁烷 2 個，戊烷 3 個…。 分子式 C6H14 C7H16 C8H18 C9H20 C10H22 異構物數目 5 9 18 35 75 2. 異構物的求法－減碳法 (1) 先算 DBN：由 DBN 值判斷是否具環、雙鍵或參鍵。 (2) 先畫最長鏈：儘量將主鏈畫在一條直線上，較容易判斷結構是否相同。碳鏈異構物的求法 可依碳數 n、n 1 … 依次畫出主鏈，餘下的碳做為支鏈，進行排列組合。 支鏈長度必＜1 2×主鏈碳數。 (3) 畫出主鏈對稱軸，支鏈一定要出現在主鏈中間的碳原子上，而不可連在兩端的碳原子上。 (4) 支鏈原則：先長再短、先同後異。 (5) 以己烷 C6H14為例 可形成 5 種異構物。 步 驟 畫 法 結 構 步驟 1 畫出 6 個碳的主鏈 C C C C C C（正己烷） 步驟 2 畫出 5 個碳的主鏈， 再畫出 5 個碳鏈的對稱軸 剩下的碳形成支鏈，成為 1 個 甲基（CH3） （注意：支鏈不可接碳鏈兩端） 可形成 2 種異構物 （2-甲基戊烷） （3-甲基戊烷） 步驟 3 畫出 4 個碳的主鏈， 再畫出4 個碳鏈的對稱軸 剩下的碳可為 1 個乙基 （C2H5）或 2 個甲基（CH3）， 但乙基無法形成新的異構物， 又 2 個甲基可接在同一個碳 上，或不同碳上 可形成 2 種異構物 （2,2-二甲基丁烷） （2,3-二甲基丁烷）
【範例10】 烷類的異構物 己烷（C6H14）有多少種異構物？ 答 5 解 6 個 C 的主鏈：C－C－C－C－C－C；5 個 C 的主鏈： 、 ； 4 個 C 的主鏈： 、 。 [類題 10] 戊烷的三種異構物，其系統命名為何？ 答 正戊烷、2-甲基丁烷、2,2-二甲基丙烷 、 、 四、環 烷 1. 通式： (1) CnH2n，n3，為飽和烴，與同碳數的烯互為同分異構物；環烷為非平面分子。 (2) 最簡單的環烷為環丙烷（ ），為易爆炸的無色氣體，也可作為全身麻醉劑。 2. 性質： (1) 與鏈狀烷相似。 (2) 亦為飽和烴，化性安定。 3. 命名： (1) 命名與一般直鏈烷相似，於字首加一"環"字 (2) 從支鏈連接的碳開始編號，且使取代基的數目總和最小，若有不同取代基，按天干次序排列。 (3) 以環某烷為主名，若只有 1 個取代基，則不必編號。 (4) 若在環上有不同碳數的烷基時，命名時依烷基增加順序(甲基、乙基、…)依序命名。 環戊烷 甲基環丁烷 （不要寫為 1-甲基環丁烷） 1,1-二甲基環戊烷 1,2-二甲基環己烷 1,3-二甲基環己烷 1,4-二甲基環己烷 1-甲基-2-乙基環戊烷 順-1,2-二甲基環戊烷 反-1,2-二甲基環戊烷 【範例11】 環烷的結構式 畫出下列物質的結構式： (1)甲基環丙烷 (2) 1-甲基-3-乙基環己烷 (3)反-1,2-二甲基環丙烷 答 (1) (2) (3)
[類題 11] 下列物質之系統命名為何？ (1) (2) 答 (1)乙基環戊烷 (2) 1,1-二甲基環丙烷 五、烷類概論 (一) 通式：鏈狀烷類為 CnH2n＋2，n1，最簡單的烷為甲烷（CH4）； 環烷類為 CnH2n，n3，最簡單的烷為環丙烷（C3H6）；。 (二) 結構：原子間的鍵結均為單鍵，烷類均為非平面分子。 (三) 來源：天然氣、石油分餾。 (四) 性質： 1. 鏈狀烷： (1) 烷類物性： 物 性 情形 溶解度 均不溶於水，易溶於有機溶劑 (如乙醚、苯)。 外觀 烷類無色、無臭、無毒。 天然氣和瓦斯的臭味是添加乙硫醇(C2H5SH)而有的，其目的是使人容易 察覺氣 體外漏。 沸點 正烷類的沸點隨碳數的增加 (分子量增加)而升高。 沸點：甲烷(－162℃)＜乙烷(－88℃)＜丙烷(－42℃)＜正丁烷(－0.5℃) 熔點 除乙烷和丙烷外，正烷類的熔點大致隨碳數的增加 (分子量增加)而升高。 熔點：丙烷(－192℃)＜乙烷(－182.76℃)＜甲烷(－182.5℃)＜ 正丁烷(－138℃) 狀態 (常溫、常壓) ①含碳數為 1 到 4 的直鏈烷類為氣體。 ②含 5 到 17 個碳的直鏈烷類為液體。 ③含碳數等於或大於 18 的直鏈烷類為蠟狀固體，故烷類又稱為石蠟烴。 水果表面塗一層薄石蠟，可以抑制水分蒸發，防止微生物侵入，可延長水 果保 鮮時間；石蠟也是蠟燭的原料。 密度 正烷類的密度隨碳數的增加而增大，但均比水小。 (2) 烷類化性： ① 烷類的化性十分安定，常溫時幾乎不具反應性(不與強酸、強鹼、強氧化劑等反應)。 ② 高溫時，烷類可與氧氣進行燃燒反應。完全燃燒之產物為二氧化碳和水。 2. 環烷的性質： (1) 環丙烷及環丁烷因鍵角小、扭力大，性質較不安定。 ① 環丙烷的碳原子鍵之間的角度僅 60°，比正常的 109.5°低，故化學性質活潑，具有 麻醉功能。 ② 環丙烷與氧氣的混合氣可作為速效型麻醉劑，常用於嬰、幼兒手術時的麻醉，作用 迅速且恢復較快。 (2) 環戊烷（五元環）、環己烷（六元環）性質則較安定，其中又以環己烷最為安定。 (3) 環己烷性質安定，常用於有機反應的溶劑。 六、簡單烷類的物質： 物 質 主要成分 天然氣 甲烷（CH4）、乙烷（C2H6） 液化石油氣 丙烷（C3H8）、丁烷（C4H10） 罐裝瓦斯、打火機油 丁烷（C4H10） 蠟燭、地板蠟 成分為石蠟，含 18 ～ 50 個 C 的烷 故烷類又稱為石蠟烴 提示甲烷又稱沼氣；厭氧細菌分解水中落葉、白蟻分解纖維素，均可產生甲烷。
【範例12】 烷類概論 下列有關烷類的敘述，何者正確？ (A)烷類又稱為石蠟烴 (B)甲烷為平面分子 (C)甲烷俗稱沼氣，可溶於水 (D)液化瓦斯的主要成分為甲烷及乙烷 (E)乙烷、丁烷為同系物。 答 (A)(E) 解 (B)為四面體形。(C)烷類均不溶於水。(D)為丙烷及丁烷。 [類題 13] 蠟燭的主要成分含有下列何者？
(A) CH4 (B) C4H10 (C) C6H6 (D) C20H44 (E) C2H5OH。
答 (D)
