環烷（Cycloalkane）

環烷（Cycloalkane）
高雄市立高雄高級中學化學科陳藝菁老師/國立中山大學化學系張祖辛副教授責任編輯

環烷是分子結構中具有一環或數環的烷類（alkanes）。在石油（petroleum）工業中，環烷也被稱為石油質（naphthenes）。烷類是結構中僅以單鍵結合的有機碳氫化合物（organic hydrocarbon compounds），環烷也是飽和的碳氫化合物，因為其結構中，沒有可與氫進行氫化反應（hydrogenate）的碳碳多重鍵。環烷常見的化學式（chemical formula）為CnH2(n+1-g)，n為碳的個數、g則是分子中環的個數。擁有一環的環烷命名方式與烷類類似，以環為字首、加於具有與環同碳數的相對應烷的名稱前，根據環上的碳數依序命名為：環丙烷（cyclopropane）、環丁烷（cyclobutane，結構如圖示）、環戊烷（cyclopentane）、環己烷（cyclohexane）…等。當環烷的碳數大於20時，又被稱環石蠟（cycloparaffins）。在分類上環丙烷和環丁烷被歸為小環烷；環戊烷、環己烷和環庚烷（cycloheptane）為常見的環烷；環辛烷（cyclooctane）到環十三烷（cyclotridecane）是中環烷；其他則為大環烷。

多環烷的命名更為複雜，以碳環的組成碳數來作為命名的基礎，環前的形容詞表示環的數目（例如：雙環），環後數字為每一個環中除橋頭（共用碳）外的碳原子數目。以下為雙環[2,2,1″>庚烷的圖示：

環烷和烷類的物理性質相似，但環烷有較高的沸點（boiling points）、熔點（melting points）和密度（densities），這是因為環烷的環狀結構有較大的接觸面積，造成較強的倫敦力（London forces）所致。環烷和烷類的反應性都不高，因為它們都只有不易起化學反應的碳碳單鍵和碳氫單鍵，但環的張力（strain）使得環烷較具反應性。

環烷的碳原子混成（hybridized）是sp3，但其鍵角和理想的四面體值（鍵角109.47º）有所偏差，這造成位能增加和不安定的效應。環烷的幾何結構導致它的張力能量（strain energy）理論上會增加，這能藉由環烷的標準燃燒焓變化（standard enthalpy change of combustion）和由平均鍵能（average bond energies）計算而得的理論值之差而證實。

環丙烷的環張力最大，其環張力計算出約120 kJ/mol，因為碳原子間形成鍵角60º的三角環。環丁烷的碳以約90º鍵角排列於扭曲的四方形上，其環張力較小約110 kJ/mol。理論上環戊烷的平面環鍵角為108º，與四面體鍵角非常接近；事實上其分子卻是扭曲的，不過這個改變僅造成鍵角的微小變化，因此角張力（angle strain）相當的小。環己烷的環張力極不重要，因為六角環的扭曲，使得環己烷的鍵角與理想的四面體值很接近。環己烷最穩定的椅型構形（chair form）中，軸向（axial）的氫原子會排列在毗鄰碳上的相對位置。

環烷的反應與烷類相似，均有自由基鏈鎖反應（radical chain reactions）。小環烷-尤其是環丙烷的安定性較差，這是拜耳張力（Baeyer strain）和環張力（ring strain）的影響所致。環烷不能進行親電子性加成反應（electrophilic addition），但可進行親核性脂肪族取代反應（nucleophilic aliphatic substitution）。這些反應是開環反應或烴基環烷類（alkyl cycloalkanes）的裂環反應。

參考資料：
http://en.wikipedia.org/wiki/Cycloalkane