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1832年，對于宇宙，對于地球，或者說對于人類來說是再平常不過的一年。這一年，兩位德國的化學家卻給化學帶來了革命性的變化，尤其是在有機化學領(lǐng)域。弗里德里希·維勒和尤斯圖斯·馮·李比希，由于他們的杰出貢獻才讓有機化學的研究與學習變得容易起來。

雷酸，是一種化合物，分子式為HCNO。它的銀鹽在1800年由愛德華·查爾斯·霍華德（Edward Charles Howard）發(fā)現(xiàn)，后來在1824年由尤斯圖斯·馮·李比希進行了研究。它是一種有機酸，是異氰酸的異構(gòu)體，異氰酸銀鹽在一年后被弗里德里希·維勒發(fā)現(xiàn)。1966年首次制得了雷酸。。

他們因為氰酸與雷酸的研究而相識，并奠定了他們之間半個多世紀的友誼。

弗里德里希·維勒（德語：Friedrich W?hler，1800年7月31日－1882年9月23日），德國化學家。他因人工合成了尿素，打破了有機化合物的“生命力”學說而聞名。

1831年，維勒的妻子不幸離世，維勒悲痛萬分。好友李比希為了維勒能盡快振作起來，特意邀請維勒參與他對苦杏油的研究工作。有了維勒的參與這項研究不到一個月的時間就完成了，研究發(fā)現(xiàn)苦杏油可以轉(zhuǎn)換成一系列含有特定基團（C7H5O）的化合物，這是人們發(fā)現(xiàn)的第一種含有三個元素的基團，他們稱之為苯甲酰基。

a.苯甲醛（C6H5CHO）為苯的氫被醛基取代后形成的有機化合物。苯甲醛為最簡單的，同時也是工業(yè)上最常為使用的芳醛。在室溫下其為無色液體，具有特殊的杏仁氣味。苯甲醛為苦扁桃油提取物中的主要成分，也可從杏，櫻桃，月桂樹葉，桃核中提取得到。該化合物也在果仁和堅果中以和糖苷結(jié)合的形式（扁桃苷，AmyETalin）存在。當今苯甲醛主要由甲苯通過不同的途徑制備。b.苯甲醛在濃堿溶液中進行歧化反應(yīng)（康尼查羅反應(yīng)，Cannizarro反應(yīng)）：一分子的醛被還原成相應(yīng)的醇，另一分子的醛與此同時被氧化成羧酸鹽。此反應(yīng)的速度取決于芳環(huán)上的取代基。

貝采利烏斯對這項研究高度贊揚，他認為這是植物化學界的新紀元！

如果說1869年門捷列夫的元素周期表，為后世的化學研究提供了一個規(guī)范化的途徑。維勒和李比希的發(fā)現(xiàn)就是將有機化學這片星空，劃分成一個一個的星系。他們所給出的基團定義，就是我們所說的官能團。

1834年，李比希確認乙醇，乙醚和鹽酸醚均可看成C2H5基團的化合物，他把這種基團稱為乙基。同年杜馬和貝立果發(fā)表了關(guān)于甲基的研究報告。此后李比希與杜馬展開合作，1837年10月23日，他們聯(lián)合呈送給法國科學院一份研究報告天然氣檢測儀，他們說：“在無機化學中，基是很簡單的存在形式；在有機化學中基則是化合物，這就是有機化學與無機化學唯一的不同點。化合的規(guī)律與反應(yīng)的規(guī)律在這兩個化學分支上都是一樣的。”1838年，李比希給有機基團下了一個定義：i.它是一系列化合物的不變組分；ii.它在化合物中可以被元素置換；iii.在它同元素的化合物中，這元素可以分出或被當量的其他元素取代。一個原子團，至少要滿足這三個條件中的兩個才能稱之為基。

尤斯圖斯·馮·李比希男爵（德語：Justus Freiherr von Liebig，1803年5月12日－1873年4月18日）出生于今日德國黑森州前身黑森大公爵國的達姆施塔特，德國化學家，他最重要的貢獻在于農(nóng)業(yè)和生物化學，他創(chuàng)立了有機化學。作為大學教授他發(fā)明了現(xiàn)代實驗室導(dǎo)向的教學方法，因為這一創(chuàng)新，他被譽為歷史上最偉大的化學教育家之一。他發(fā)現(xiàn)了氮對于植物營養(yǎng)的重要性，因此也被稱為“肥料工業(yè)之父”。

至此，有機化學的研究走上了快車道。后世的研究習慣將官能團以各自最大的特點分成5大類。

僅含有碳氫兩種元素的稱之為烴基，烴基內(nèi)部根據(jù)所含的π鍵不同又分為烷烯炔苯芐五種基團。

甲烷是最簡單的有機化合物，單一的鍵長和各個方向等量的電子斥力，讓它擁有標準的正四面體形。甲烷在烷烴家族中就像沉穩(wěn)的老大，而它的其他兄弟姐妹在結(jié)構(gòu)上就存在著無數(shù)種變體，我們稱之為構(gòu)象。包括乙烷在內(nèi)，所有的直鏈烷烴可以以碳-碳鍵為軸自由的旋轉(zhuǎn)。假設(shè)一個碳原子不動，另一個碳原子繞碳-碳軸旋轉(zhuǎn)，則一個碳原子上的三個氫原子相對于另一個碳原子上的三個氫，可以有無數(shù)個空間排列形式，每一個不同的構(gòu)象，就是一個構(gòu)象異構(gòu)體。這里有一個問題，所有的構(gòu)象之間的能量相同嗎，什么時候構(gòu)象能量最低，什么時候又最高？以后會專門做介紹.

烷烴之間的物理狀態(tài)存在著特定的規(guī)律，碳數(shù)在4及4以內(nèi)的為氣體，5-17的為液體，18及以上為固體。隨著碳數(shù)的增加，沸點升高；但是沸點升高的趨勢伴隨碳素升高減緩。如果烷烴存在支鏈那么支鏈的沸點是小于直鏈的。所有烷烴的密度均小于1，不管碳數(shù)如何增加甲烷，密度值恒小于水。

烷烴的化學性質(zhì)也是有機化學中最簡單的，以取代反應(yīng)為主。說到烷烴的取代反應(yīng)，我們不得不說的是烷烴各種自由基的穩(wěn)定性。以碳原子上少連接幾個氫原子分為三級，如丙烷就有6個一級氫和兩個二級氫，異丁烷有9個一級氫和1個三級氫。

在烷烴反應(yīng)中三級氫被取代的反應(yīng)速率最快，一級氫反應(yīng)最慢。這很好理解，雖然不管是幾級氫它們得到一個電子就可以達到穩(wěn)定狀態(tài)，但是含有單電子的碳上連接的烷基越多，這樣的游離基就越穩(wěn)定。原因在于烷基越多，對它們共同連接的碳原子上的電子的吸引力就越強，那么這個碳也就更需要將它的電子，給具有空軌的基團最終達到穩(wěn)定狀態(tài)。

那么游離基的反應(yīng)活性就很明了了。至于，烷烴的氧化，異構(gòu)化，裂化裂解也是基于游離基的反應(yīng)活性而發(fā)生的。

烷烴是很多星體的大氣組成，例如甲烷就是木星，土星的表面大氣成分。也是地球早起的大氣主成分，至今地球大氣依然含有部分甲烷。1953年諾貝爾獎得主Harold Clayton Urey于1953年和他的學生Stanley Miller 的試驗支持了這種學說，他們發(fā)現(xiàn)甲烷、氫、水和氨的混合物在電火花的作用下，能生成氨基酸等構(gòu)成生物體的許多有機物。

火星上甲烷的循環(huán)

甲烷（化學式：CH4；英語：Methane），是結(jié)構(gòu)最簡單的烷類，由一個碳原子以及四個氫原子組成。它是最簡單的烴類也是天然氣的主要成分。甲烷在地球上有很高的相對豐度，使之成為很有發(fā)展?jié)摿Φ囊环N燃料，但在標準狀態(tài)下收集以及存儲氣態(tài)的甲烷是一個十分有挑戰(zhàn)性的課題。

在自然狀態(tài)下，甲烷可以在地底下或者海底找到，而大氣中也含有甲烷，這些甲烷稱為大氣甲烷。在原始大氣中，甲烷是主要成分之一。自1750年以來，地球大氣中的甲烷濃度增加了約150％，造成的全球暖化效應(yīng)并占總長壽命輻射以及全球所有溫室氣體的20％（不包括水蒸氣）。在太空中，不少星體的表面和大氣中也有甲烷。

甲烷的結(jié)構(gòu)是由一個碳和四個氫原子透過sp3雜化的方式化合而成，并且是所有烴類物質(zhì)中，含碳量最小，且含氫量最大的碳氫化合物甲烷，因此甲烷分子的分子結(jié)構(gòu)是一個正四面體的結(jié)構(gòu)，碳大約位于該正四面體的幾何中心，氫位于其四個頂點，且四個碳氫鍵的鍵的鍵角相等、鍵長等長。標準狀態(tài)下的甲烷是一種無色無味的氣體。一些有機物在缺氧情況下分解時所產(chǎn)生的沼氣主要成分就是甲烷。

甲烷是最簡單的有機分子環(huán)氧乙烷檢測儀，它卻代表了它背后的烷烴家族。

烷類是最單純、最不反應(yīng)的烴類。在商業(yè)上，烷類非常的重要。烷類是汽油與潤滑油的主要成份，并廣泛在有機化學產(chǎn)業(yè)上。純烷類（像是環(huán)己烷）一般則用作溶劑。

烷類與其他有機分子不同的地方，除了僅由碳氫兩種原子構(gòu)成之外，還有其分子必定為飽和。換句話說，烷類不含易于反應(yīng)的雙鍵或者三鍵。

雖然烷類并非完全不反應(yīng)，但是因為在實驗室環(huán)境下較差的反應(yīng)性，令烷類在有機化學的領(lǐng)域上比較少被討論。在后面我們會學到，烷類所含的碳-碳鍵結(jié)與碳-氫鍵結(jié)能量很高，所以較難反應(yīng)。不過如果高速氧化的話，烷類會產(chǎn)生大量的熱。

所以，雖然烷類在產(chǎn)業(yè)上很重要，但是在有機化學研究內(nèi)，烷類的反應(yīng)則不是很多。

甲烷的分子結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

甲烷（CH4，一個碳原子連接著四個氫原子）是最簡單的有機分子。標準狀況(STP)之下是氣體。

甲烷

通過sp3雜化，碳原子與四個氫原子均形成極性共價鍵。

上圖為常見平面化的甲烷分子圖像。實際上，甲烷的氫原子并不是在一個平面上，而是指向四面體的四個角落，之間夾角為cos ^?1(-1/3) ≈ 109.28°。

甲烷性質(zhì)

1:物理性質(zhì):無色、無味的氣體,不溶于水,比空氣輕,是天然氣、沼氣(坑氣)和石油氣的主要成分(天然氣中按體積計,CH4占80%~97%) 。

2:化學性質(zhì):甲烷性質(zhì)穩(wěn)定,不與強酸強堿反應(yīng),在一定條件下能發(fā)生以下反應(yīng):

(1)可燃性(甲烷的氧化反應(yīng))：CH4+2O2→CO2+2H2O

(2)取代反應(yīng)：CH4+Cl2→CH3Cl+HCl

(3)分解反應(yīng)（隔絕空氣加熱至1000℃）：CH4→C+2H2

(4)水合反應(yīng)（形成可燃冰）：mCH4+nH2O→mCH4·nH2O

直鏈烷烴

所有碳原子在一條直線上的烷烴叫做直鏈烷烴。

直鏈烷烴的命名

按照碳的個數(shù)命名。碳的個數(shù)小于等于10個，分別用“甲乙丙丁戊己庚辛壬癸”命名。例如：

C8H18命名為辛烷。

大于十個碳的用大寫數(shù)字表示。例如：C11H24命名為十一烷或者十一碳烷。烷烴的通式為

CnH2n+2，如乙烷C2H2*2+2 =C2H6

有機物的命名一般遵循系統(tǒng)命名法。但由于使用及書寫更為方便，部分命名亦可以按習慣命名法命名，如鄰苯二甲酸、甲基叔丁基甲酮。

需要指出的是，中國大陸高中階段所學系統(tǒng)命名法與實際命名方式存在差異（2010年）。如：

CH3CH(CH3)CH2CH2CH2C(CH3)2CH2CH3

按照教科書所述加和最小方式命名，該物質(zhì)應(yīng)被命名為3,3-二甲基-7-甲基-辛烷。但按照實際系統(tǒng)命名法命名，應(yīng)為第一個取代基位置最小，為：2-甲基-6,6-二甲基-辛烷。

同分異構(gòu)

同種分子式，不同的結(jié)構(gòu)而組成的不同性質(zhì)的一類物質(zhì)。

同分異構(gòu)包括多種異構(gòu)形式，有：結(jié)構(gòu)異構(gòu)、立體異構(gòu)。

結(jié)構(gòu)異構(gòu)

碳鏈異構(gòu)

如：正戊烷CH3CH2CH2CH2CH3和新戊烷CH3C(CH3)2CH3

位置異構(gòu)

如：1,1-二氯乙烷CHCl2-CH3和1,2-二氯乙烷CH2Cl-CH2Cl

官能團異構(gòu)

如：葡萄糖CH2OH-CHOH-CHOH-CHOH-CHOH-CHO和果糖CH2OH-CHOH-CHOH-CHOH-CO-CH2OH；又如：丙烯和環(huán)丙烷

立體異構(gòu)

旋光異構(gòu)（對映異構(gòu)、手性異構(gòu)）

如：D-乳酸和L-乳酸。旋光異構(gòu)通常出現(xiàn)于連有4個不同基團的碳原子上，因此，對于許多聚合物如聚氯乙烯而言，是存在大量旋光異構(gòu)可能的，因其每個連有氯原子的碳原子均為手性中心，而其所連兩非氫原子基團由于碳數(shù)不一致，因而成為不同基團。

構(gòu)象異構(gòu)

如：船式環(huán)己烷和椅式環(huán)己烷。

順反異構(gòu)

如：順-2-丁烯和反-2-丁烯。又如：順式-1,4-聚丁二烯和反式-1,4-聚丁二烯。

非對映異構(gòu)

如：2,3-二氯丁烷。非對映異構(gòu)通常出現(xiàn)于具有多個手性中心的分子上。

烷烴性質(zhì)

所有碳原子都成四鍵飽和，是一類飽和鏈烴。都易燃，碳原子1-4烷烴常溫常壓下呈氣態(tài)。

烷烴制備

武茲反應(yīng)

武茲反應(yīng)（Wurtz reaction）是將兩個鹵烷（haloalkane），以無水醚作溶劑，使用鈉金屬進行耦合。

參與反應(yīng)的自由基為R·。

鈉的一個電子轉(zhuǎn)移到鹵素，產(chǎn)生一個鹵化鈉和一個烷基。

烷基從另一個鈉原子接受一個電子變成帶負電的烷基陰離子，而鈉則形成陽離子。

最后，烷基陰離子在SN2反應(yīng)中取代鹵素甲烷，形成一個新的CC共價鍵。

科里-豪斯合成

科里-豪斯合成（Corey–House_synthesis），又稱Corey–Posner, Whitesides–House合成／反應(yīng)

使用二烴基銅鋰（吉爾曼試劑）與鹵代烴反應(yīng)，偶聯(lián)為烷烴。

機制

反應(yīng)一般分為三步進行。首先是用金屬鋰在醚中處理鹵代烴（RX），將其轉(zhuǎn)變?yōu)闊N基鋰化合物（R-Li）。此處的鹵代烴可以是一級、二級或三級鹵代烴。

第二步是用碘化亞銅（CuI）處理上述烴基鋰化合物，得到反應(yīng)中用到的試劑二烷基銅鋰（R2CuLi）。二烷基銅鋰試劑最早是由美國化學家亨利·吉爾曼（Henry Gilman）制得的，故通常稱為吉爾曼試劑。

最后用二烷基銅鋰與另一分子鹵代烴（R'-X）進行反應(yīng)，偶聯(lián)生成含新生成的碳－碳鍵的產(chǎn)物（R-R'）。

若第二分子鹵代烴與第一分子鹵代烴不同（R ≠ R'），那么該反應(yīng)可以視為一種交叉偶聯(lián)反應(yīng)。

第二分子鹵代烴為甲基鹵、芐鹵、伯鹵代烴和環(huán)狀仲鹵代烴時反應(yīng)進行得較為順利。

克萊門森還原反應(yīng)

克萊門森還原反應(yīng)（Clemmensen reduction）是在濃鹽酸溶液中加熱回流，用鋅汞齊將醛或酮中的羰基還原為亞甲基的化學反應(yīng)。

該反應(yīng)必須在強酸性條件下進行。對酸敏感的羰基化合物不可使用該方法還原，但可考慮采用沃爾夫-凱惜納-黃鳴龍法，或者使用Mozingo還原，先制成縮硫醛或縮硫酮，再用蘭尼鎳還原。

沃爾夫－凱惜納－黃鳴龍還原反應(yīng)

沃爾夫－凱惜納－黃鳴龍還原反應(yīng)（Wolff–Kishner reduction）是一個有機還原反應(yīng)，羰基化合物（醛或酮）在高沸點溶劑如一縮二乙二醇中與聯(lián)氨（（hydrazine））和氫氧化鉀一起加熱反應(yīng)，羰基還原為亞甲基。

機制

首先肼與羰基縮合生成腙（Hydrazone），然后堿作用下氮上的質(zhì)子脫去，雙鍵位移，氮氣離去，生成的碳負離子從水中奪取質(zhì)子。氮氣離去一步在熱力學上推動了反應(yīng)進行。

Mozingo還原

Mozingo還原，或者縮硫酮還原，可將醛酮類轉(zhuǎn)變成烷類。

先使用適當?shù)牧虼紝⑷┩愞D(zhuǎn)成縮硫酮，然后使用蘭尼鎳將其氫解（hydrogenolyzed）成烷類。

烷烴的特性

與其他有機分子相比，烷烴反應(yīng)比較不活躍。因為烷烴的碳骨架上，均形成了四個共價鍵（八隅體規(guī)則 允許碳能擁有的最多共價鍵。這也就是為什么碳的價數(shù)為四）。這四個鍵結(jié)均是σ鍵，而σ鍵比起其他的化學鍵要穩(wěn)定。所以要使烷烴反應(yīng)，常常需要透過熱或者輻射（紫外線……等）來獲得額外的能量。

汽油是烷烴的混合物，而且與其他化學制品不同，可以儲存很長的時間，運送上也較少出現(xiàn)問題。只有在點火時，烷烴（汽油）會獲得足夠的能量不斷反應(yīng)。這個特性讓烷烴很難與其他的有機分子反應(yīng)。

烷烴比重比水小，所以我們可以觀察到，烷烴或者油，會浮在水面上。

烷烴是非極性溶劑。所以烷烴不溶于極性的水，但是可以與其他非極性分子互溶。因為相同的原因，烯烴也不溶于水。

因為烷烴只含碳和氫，所以燃燒過后的產(chǎn)物，其成份只可能會有碳、氫、氧。跟其他的碳氫化合物一樣，大部分燃燒過后的產(chǎn)物都是二氧化碳和水。

不過，因為烷烴的分子需要更多的能量來打斷碳氫鏈結(jié)，所以與其他碳氫化合物分子相比，烷烴燃燒時產(chǎn)生的含氧有機分子（像是醛酮類）會更多。

烷烴化學式的通式為CnH2n+2；最簡單的烷烴是甲烷，CH4。再來是乙烷C2H6；

每個烷烴的碳都是sp3混成軌域。

固態(tài)高級烷烴混合物又稱作石蠟（paraffins）或者石蠟系列。這個說法一般指直鏈的烷烴混合物。有支鏈的烷烴混合物，有時被稱作異石蠟（isoparaffins）

在標準溫度壓力（STP）下，甲烷到丁烷都是易燃的氣體。戊烷是易燃的液體，沸點為36°C。之后的烷烴沸點與熔點均穩(wěn)定上升。辛烷是第一個常溫下為固體的烷烴。分子更長的烷烴成為固體時會類似蠟狀。蠟燭的蠟碳鏈長度一般在C20& C25左右。聚乙烯可以視為有最長碳鏈的烷烴，室溫下為堅硬白色固體。

化學特性

烷烴與極性或者離子分子非常不易反應(yīng)。所有烷烴的pKa值都超過50，所以基本上烷烴不與酸或堿反應(yīng)。其不反應(yīng)性也是「石蠟」（paraffins，源自拉丁文para + affinis，「缺乏親和力（affinity）」)這個英文詞的來源。在石油里面，烷烴在地底下保存了數(shù)百萬年都沒有反應(yīng)。

不過，因為烷烴的碳處于非常還原的狀態(tài)，烷烴可能與氧氣或者鹵素進行氧化還原（redox）反應(yīng)。以甲烷為例，其碳已經(jīng)達到最低的氧化數(shù)（-4）。如果與氧氣，可以進行燃燒反應(yīng)。與鹵素可以進行取代反應(yīng)。

另外，烷烴也可以與特定金屬產(chǎn)生復(fù)合物。

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