烷烃和环烷烃的制备方法及其用途

海南医学院 张万科 李 娟

烷烃和环烷烃的制备方法及其用途

海南医学院 张万科 李 娟

一、烷烃和环烷烃的制备

1. 烷烃和环烷烃的主要来源。 烷烃和环烷烃的主要来源为石油和天然气。动植物复杂的有机化合物经过数百万年的腐烂过程以及地质应力的作用，变成了烷烃和环烷烃的混合物。烷烃和环烷烃的大小从1个碳至30或40个碳不等。石油工业中称环烷烃为脂环烃。加利福尼亚的石油中有含量十分丰富的环烷烃；天然气中包含的成分是碳原子数较少、分子量较低的烷烃，主要有甲烷、少许乙烷、丙烷和级别更高一些的烷烃，包含的数量是依次降低的。

经过蒸馏的石油可以分成各种馏分，沸点和分子量具有一定的相关性，因此这种蒸馏方式相当于按碳原子数对这些馏分进行粗略的分离。但是分馏之后得到的成分并不是纯净的，而是一个非常复杂的混合物，这是一定范围碳原子数的烷烃组成了每个馏分，而且同一碳原子数还拥有许多的异构体。利用各个馏分的主要是根据它们的挥发性或黏度，与它是复杂混合物还是单纯的化合物没有关联。

除了不挥发的馏分之外，其他的馏分主要用作燃料。气体馏分主要用于燃烧供热，如石油气。要求燃料较易挥发的内燃机主要用汽油作为燃料。拖拉机及喷气式发动机的燃料采用的是煤油，柴油机多用粗柴油作为燃料。煤油和粗柴油也用于燃烧供热。人们熟知的护油就是粗柴油。

润滑油馏分中含有大量的长链烷烃（＞C20～C34），它们的熔点相当高。当天气严寒的时候，油中若有这些烷烃存在，就会在油管中发现一些蜡状固体生成。为了防止出现蜡状固体，可先把油冷冻，过滤去蜡之后通过纯化作固体石蜡（熔点50～55 ℃）。固体石蜡可以出售或用于制造凡士林。

2. 实验室合成烷烃、环烷烃方法。从石油和燃气的混合物中分离得到纯净的烷烃是十分困难的，常常通过以下实验室方法合成烷烃。

（1）采用还原反应制备烷烃 。

烯烃经催化氢化得烷烃。即

还原卤代烷得烷烃。即

卤代烃与金属有机物的偶联反应制备烷烃。伍尔兹（Wurtz）偶联 ，即卤代烃在金属钠作用下的反应生成烷烃。即

科里–豪斯反应（Corey–House）。反应经3步进行:卤代烷与锂作用生成烷基锂烷烃和环烷烃的主要来源烷基锂与氯化亚铜反应生成二烃基铜锂 烷烃和环烷烃的主要来源二烃基铜锂与卤代烃偶联生成烷烃。即

科尔比（Kolbe）电解法。在中性或弱酸性溶液中，通过电解高浓度的羧酸盐制备烷烃，例如甲烷的制备。

（2）环烷烃的制备 。

分子内关环反应。用 Zn 或 Na 与二卤代烷反应，合成小环环烷烃，大环产率很低。当用Na反应时，可看作是发生在分子内的伍尔兹反应。

以卡宾为活性中间体制备三元化合物。反应转化率： 伯卤代烷＞ 仲卤代烷 ＞ 叔卤代烷；卤代烷：溴代烷，碘代烷。应用：产率低（40%～60%），副反应多。

3. 几种烷烃的制备方法。烷烃和环烷烃可以分别由工业和实验室合成得到。工业制造主要考虑到经济因素，需要大量生产产品。如果一种反应生成的产物可以通过某些方法分离成具有经济价值的各种成分，这个方法就是可行的。实验室中制备烷烃和环烷烃主要看反应的产率和选择性两个方面。随着绿色化学概念的提出，人们越来越重视原料和产物的环保性。制备一类化合物的方法有很多，选择方法的依据是目的物的结构要求和反应条件。下面举一实验例子。

直链奇数正构烷烃的制备。实验主要步骤：低级奇数卤代烷和对应的正构卤代烷混合，搅拌均匀之后形成溴代烷的混合溶液。称取一定量的金属钠以备用。将石油醚和溴代烷混合之后投入反应釜内，将金属钠加入混合溶液中搅拌，并使温度升高到50～60 ℃。将溴代烷的混合溶液向反应釜中缓慢滴加；反应时间持续1 h左右。按照顺序在溶液中滴加水和无水乙醇，干燥剂采用无水硫酸镁。对反应成分进行蒸馏，获得的馏分用浓硫酸进行洗涤，洗涤至酸层颜色变为无色或者淡黄色。洗涤之后对馏分进行干燥。收集柱对馏分进行收集之后进行蒸馏，直链奇数正构烷烃即是收集到的正馏分。

该制备方法的优点是得到的成分中副产物少，提纯比较容易进行，是地质分析研究的有效原料。

二、烷烃和环烷烃的用途

烷烃在医药、农药、国防等领域具有重要的应用价值，日常生活中的交通燃料和实验室的溶剂都离不开烷烃，有机合成中应用烷烃的量也在不断加大。

1. 作为溶剂。一些烷烃的取代物可以用来作为溶剂使用，并且一些对烷烃溶解力差的取代物可以用来分离烷烃和芳烃和对润滑油进行精炼等。

2. 作为燃料。烷烃和环烷烃的作用主要是做燃料。在环烷烃里，工业用途较广的有环己烷，它是无色液体，易挥发、易燃烧。天然气和沼气中含有大量的甲烷，近年来被用作清洁能源得到广泛的使用。石油分馏成分的用途简要概括如下：C1～C4（40 ℃以下时的馏分）为石油气，用作燃料；C5～C11（40～200 ℃时的馏分）为汽油，既可以用作燃料，也可以用作化工原料；C9～C18（150～250 ℃时的馏分）为煤油，用作燃料； C14～C20（200～350 ℃时的馏分）为柴油，用作燃料； C20以上的馏分为重油，经过减压蒸馏反应之后得到润滑油、沥青等。

3. 合成炸药。烷烃经过硝化反应之后生成硝基烷烃，可以制成炸药，例如三硝酸甲酯硝基甲烷就是一种威力强大的炸药。硝基甲烷还可可用作火箭发射剂，在其中添加多酸多缩糖即可。硝基甲烷加入到过氯酸脲中可以作为水下使用的炸药。液体炸药可以用硝基甲烷和硝铵混合物制得。

4. 用于有机合成。烷烃衍生物的用途十分广泛，其中一些可以用于有机合成，制成润滑剂、防腐剂、除味剂等在日常生活中使用。

5. 用于科研。正烷烃是构成石油的主要组分之一，广泛分布于古代沉积岩、现代沉积物以及各种生物体中。长期以来，人们对于正烷烃的地球化学习性及其与石油生成、运移和变质的关系较为关注。本文，笔者主要基于多年工作经验，讨论在石油地球化学工作中利用正烷烃的分布特征作为研究生油岩及原油运移等方面指标的可能性。尤其需要注意的是，某些烷烃还具有病毒抑制作用。