碳化水素分类及衍生物

碳化水素(烃)分子中的氢原子被其他原子或者原子团所取代而生成的一系列化合物称为烃的衍生物, 这些化合物具有不同于相应烃的特殊性质, 由其他原子或原子团取代的氢原子被称为官能团。这类化合物在不改变烃本身的分子结构的基础上, 通过将烃上的一部分氢原子替换成其他的原子或官能团形成。有机物是否属于烃主要从组成元素上看, 如果要从结构分析, 则看是否含有除烷烃基、苯环、C=C以外的官能团。

常见的官能团包括碳碳双键、-OH、-COOH、-CHO、-NH2等, 常发生的反应有取代、加成、消去、水解(属于取代)。同一系列结构相似, 分子组成上相差一个或若干个“CH2”原子团的一系列化合物称为同系列。同系列中的各个成员称为同系物, 由于结构相似, 同系物的化学性质相似, 它们的物理性质常随分子量的增大而有规律性的变化。同系物结构相似, 分子组成上相差一个或若干个“CH2”原子团, 通式相同的化合物互称为同系物。例如, 烷烃系列中的甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷等互称为同系物。

烃是由碳和氢两种元素构成的一类有机化合物, 亦称“碳氢化合物”。种类很多, 按结构和性质, 开链烃分子中碳原子彼此结合成链状, 而无环状结构的烃, 称为开链烃。根据分子中碳和氢的含量, 链烃又可分为饱和链烃(烷烃)和不饱和链烃(烯烃、炔烃)。脂肪烃亦称“链烃”, 因为脂肪是链烃的衍生物, 故链烃又称为脂肪烃。饱和烃可分为链状饱和烃即烷烃(亦称石蜡烃)和另一类含有碳碳单键而呈环状的饱和烃即环烷烃(参见闭链烃)。烷烃即饱和链烃, 亦称石蜡烃。通式为CnH2n+2(n≥1), 烷烃中的含氢量已达到饱和。烷烃中最简单的是甲烷, 是天然气和沼气的主要成分, 烷烃主要来源是石油、天然气和沼气。

不饱和烃系分子中含有“C=C”或“C≡C”的烃。这类烃也可分为不饱和链烃和不饱和环烃。不饱和链烃所含氢原子数比对应的烷烃少, 化学性质活动, 易发生加成反应和聚合反应。不饱和链烃又可分为烯烃和炔烃。不饱和环烃可分为环烯烃(如环戊二烯)和环炔烃(如苯炔)。

烯烃系分子中含“C=C”的烃。根据分子中含“C=C”的数目, 可分为单烯烃和二烯烃。单烯烃分子中含一个“C=C”, 通式为CnH2n, 其中n≥2。最重要的单烯烃是乙烯H2C=CH2, 次要的有丙烯CH3CH=CH2和1-丁烯OH3CH2CH=CH2。单烯烃简称为烯烃, 烯烃的主要来源是石油及其裂解产物。二烯烃系含有两个“C=C”的链烃或环烃。如1，3-丁二烯、2-甲基-1，3-丁二烯、环戊二烯等。二烯烃中含共轭双键体系的最为重要, 如1，3-丁二烯、2-甲基-1，3-丁二烯等是合成橡胶的单体。

炔烃系分子中含有“C≡C”的不饱和链烃。根据分子中碳碳叁键的数目, 可分为单炔烃和多炔烃, 单炔烃的通式为CnHn-2, 其中n≥2。炔烃和二烯烃是同分异构体。

闭键烃亦称“环烃”。是具有环状结构的烃。可分为两大类, 一类是脂环烃(或称脂肪族环烃)具有脂肪族类的性质, 脂环烃又分为饱和环烷烃和烯烃是同分异构体。环烷烃存在于某些石油中, 环烯烃常存在于植物精油中。环烃的另一类是芳香烃, 大多数芳香烃是有苯环结构和芳香族化合物的性质。

醇烃分子中的一个或几个氢原子被羟基取代后的产物称为醇(若苯环上的氢原子被羟基取代后的生成物属于酚类)。根据醇分子中羟基的数目, 可分为一元醇、二元醇、三元醇等, 根据醇分子中烃基的不同, 可分为饱和醇不饱和醇和芳香醇。由于跟羟基所连接的碳原子的位置, 又可分为伯醇如(CH3)3COH。醇类一般呈中性, 低级醇易溶于水, 多元醇带甜味。醇类的化学性质主要有氧化反应、酯化反应、脱水反应、与氢卤酸反应、与活动金属反应等。

芳香醇系芳香烃分子中苯环的侧键上的氢原子被羟基取代而成的物质。如苯甲醇(亦称苄醇)。酚芳香烃分子中苯环上的氢原子被羟基取代而成的化合物称作酚类。根据酚分子中所含羟基的数目, 可分为一元酚, 二元酚和多元酚等, 如溶液呈变色反应。酚具有较弱的酸性, 能与碱反应生成酚盐。酚分子中的苯环受羟基的影响容易发生卤化、硝化、磺化等取代反应。

醚两个烃基通过一个氧原子连结而成的化合物称作醚。可用通式R-O-R’表示。若R与R’相同, 叫简单醚, 如甲醚CH3-O-CH3、乙醚C2H5-O-C2H5等; 若R与R'不同, 叫混和醚, 如甲乙醚CH3-O-C2H5。

醛类中羰基可发生加成反应, 易被较弱的氧化剂如费林试剂、多伦试剂氧化成相应的羧酸。重要的醛有甲醛、乙醛等。芳香醛分子中醛基与苯环直接相连而形成的醛, 称作芳香醛。如苯甲醛。

羧酸烃基或氢原子与羧基连结而形成的化合物称为羧酸, 根据羧酸分子中羧基的数目, 可分为一元酸、二元酸、多元酸等。一元酸如乙酸饱和酸如丙酸CH3CH2COOH、不饱和酸如丙烯酸CH2=CH-COOH等。羧酸还可以分为脂肪酸、脂环酸和芳香酸等。脂肪酸中, 饱和的如硬脂酸C17H35COOH、等。

羧酸衍生物羧酸分子中羧基里的羟基被其它原子或原子团取代而形成的化合物叫羧酸衍生物。如酰卤、酰胺、酸酐等。酰卤系羧酸分子中羧基上的羟基被卤素原子取代而形成的化合物等。酰胺系羧酸分子中羧基上的羟基被氨基-NH2或者是被取代过的氨基所取代等。

酸酐两个分子的一元羧酸分子间失水或者二元羧酸分子内失水而形成的化合物, 称作酸酐。如两个乙酸分子失去一个水分子形成乙酸酐(CH3-酯羧酸分子中羧基上的羟基被烷氧基-O-R'取代而形成的化合物称油脂系高级脂肪酸甘油酯的总称。在室温下呈液态的叫油, 呈固态的叫作脂肪。可用通式表示：若R、R'、R〃相同, 称为单甘油酯；若R、R'、R〃不同, 称为混甘油酯。天然油脂大都是混甘油酯。

硝基化合物系烃分子中的氢原子被硝基-NO2取代而形成的化合物, 可用通式R-NO2表示, R可以是烷基, 也可以是苯环。如硝基乙烷CH3CH2NO2、胺系氨分子中的氢原子被烃基取代后而形成的有机化合物。根据取根据烃基结构的不同, 可分为脂肪胺如甲胺CH3NH2、二甲胺CH3-NH-CH3和芳香胺如苯胺C6H5-NH2、二苯胺(C6H5)2NH等。也可以根据氨基的数目分为一元胺、二元胺、多元胺。一元胺如乙胺CH3CH2NH2，二元胺如乙二胺H2N—CH2—CH2—NH2，多元胺如六亚甲基四胺(C6H2)6N4。

腈系烃基与氰基(－CN)相连而成的化合物。通式为R-CN，如乙腈CH3CN。重氮化合物大多是通式为R—N2—X的有机化合物，分子中含有是一种重氮化合物，其中以芳香族重氮盐最为重要。可用化学性质活动，是制取偶氮染料的中间体。偶氮化合物分子中含有偶氮基(-N=N-)的有机化合物。用通式R-N=N-R表示，其中R是烃基，偶氮化合物都有颜色，有的可作染料。也可作色素。

磺酸系烃分子中的氢原子被磺酸基-SO3H取代而形成的化合物，可用RSO3H表示。脂肪族磺酸的制备常用间接法，而芳香族磺酸可通过磺化反应直接制得。磺酸是强酸，易溶于水，芳香族磺酸是合成染料、合成药物的重要中间体。

氨基酸系羧酸分子中烃基上的氢原子被氨基取代而形成的化合物。根据氨基取代的位置可分为α-氨基酸、β-氨基酸、γ-氨基酸等。α-氨基酸中的氨基在羟基相邻的碳原子上。α-氨基酸是组成蛋白质的基本单位。蛋白质经水解可得到二十多种α-氨基酸，如甘氨酸、丙氨酸、谷氨酸等，大多是L-型a-氨基酸。在人体所需要的氨基酸中，由食物中的蛋白质供给的，如赖氨酸、色氨酸、苯丙氨酸、苏氨酸等称为“必需氨基酸”，象甘氨酸、丝氨酸、丙氨酸、谷氨酸等可以从其它有机物在人体中转化而得到，故称为“非必需氨基酸”。

肽系一分子氨基酸中的氨基与另一分子氨基酸中的羧基缩合失去水分子后而形成的化合物。两个氨基酸分子形成的肽叫二肽，如两个分子氨基多肽由多个a-氨基酸分子缩合消去水分子而形成含有多个肽键-蛋白质亦称朊。一般分子量大于10000。蛋白质是生物体的一种主要组成物质，是生命活动的基础。各种蛋白质中氨基酸的组成、排列顺序、肽链的立体结构都不相同。目前已有多种蛋白质的氨基酸排列顺序和立体结构搞清楚了。蛋白质按分子形状可分为纤维状蛋白和球状蛋白。纤维蛋白如丝、毛、发、皮、角、蹄等，球蛋白如酶、蛋白激素等。按溶解度的大小可分为白蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和不溶性的硬蛋白等。按组成可分为简单蛋白和复合蛋白，简单蛋白是由氨基酸组成，复合蛋白是由简单蛋白和其它物质结合而成的，如蛋白质和核酸结合生成核酸蛋白，蛋白质与糖结合生成糖蛋白，蛋白质与血红素结合生成血红蛋白等。

糖亦称碳水化合物。多羟基醛或多羟基酮以及经过水解可生成多羟基醛或多羟基酮的化合物的总称。糖可分为单糖、低聚糖、多糖等。一般糖类的氢原子数与氧原子数比为21，但如甲醛CH2O等不是糖类；而鼠李糖C6H12O5属于糖类。单糖系不能水解的最简单的糖，如葡萄糖(醛糖）低聚糖在水解时能生成2～10个分子单糖的糖叫低聚糖。其中以二糖最重要，如蔗糖、麦芽糖、乳糖等。多聚糖亦称多糖。一个分子多聚糖水解时能生成10个分子以上单糖的糖叫多聚糖，如淀粉和纤维素，可用通式(C6H10O5)n表示。n可以是几百到几千。高分子化合物亦称“大分子化合物”或“高聚物”。分子量可高达数千乃至数百万以上。可分为天然高分子化合物和合成高分子化合物两大类。天然高分子化合物如蛋白质、核酸、淀粉、纤维素、天然橡胶等。合成高分子化合物如合成橡胶、合成树脂、合成纤维、塑料等。按结构可分为链状的线型高分子化合物(如橡胶、纤维、热塑性塑料）及网状的体型高分子化合物(如酚醛塑料、硫化橡胶）。合成高分子化合物根据其合成时所经反应的不同，又可分为加聚物和缩聚物。加聚物是经加聚反应生成的高分子化合物。如聚乙烯、聚氯乙烯聚丙烯等。缩聚物是经缩聚反应生成的高分子化合物。如酚醛塑料、尼龙66等。