2.3　烷烃的结构、乙烷和丁烷的构象

前面书写的烷烃化合物的结构式只能告诉我们分子中各原子之间的连接次序。例如，甲基（—CH3）的结构式只能说明分子中有三个氢原子与碳原子直接相连，而没有表示出氢原子与碳原子在空间的相对位置，即不能说明分子的立体形状。实验证明，甲烷的分子不是像结构式画的那样一个平面四方形，而是正四面体，即四个氢原子在四面体的四个顶点，碳原子在四面体的中心，四个C—H键键长完全相等，H—C—H间夹角都是109°28'。因此，还必须了解烷烃分子中各原子之间的连接方式、成键类型及其空间结构。

2.3.1　碳原子的sp3杂化

碳原子在基态的电子排布是1s、2s、、，其中2p轨道的两个电子是未成键的价电子。按照未成键电子数目，碳原子应该是二价。实际上，甲烷等有机化合物分子中的碳原子一般都是四价。

根据杂化轨道理论，一个s轨道和3个p轨道杂化形成的四个能量相等的轨道叫sp3轨道，这种杂化方式称为sp3杂化，相当于1/4的s成分和3/4的p成分，其空间取向是指向正四面体的顶点的。

p轨道分为上下两瓣，与s轨道杂化后，波函数符号相同的一瓣增大了，另一瓣缩小了。因此每个杂化轨道绝大多数电子云集中在轨道的一个方向，另一个方向电子云少，使方向性加强，可以与另一个轨道形成更强的键。为了使杂化轨道彼此达到最大的距离和最小的干扰，碳的四个sp3轨道采取一定的排列方式，即以碳原子为中心，四个轨道分别指向正四面体的每个顶点。

sp3杂化轨道特点表现为：杂化轨道有更强的方向性、四个杂化轨道完全等值、四个键尽可能远离、每两个杂化轨道之间的夹角都是109°28'。

2.3.2　甲烷的正四面体结构

甲烷是最简单的烷烃，甲烷中四个氢的地位完全相同。研究烷烃的空间结构一般都从甲烷的结构开始。

1874年范特霍夫和勒贝尔同时提出碳正四面体的概念。他们认为碳原子相连的四个原子或原子团不在一个平面上，而是在空间分布成四面体。四个杂化轨道对称分布在碳原子周围，这样可以使价电子尽可能离得远些，彼此之间的斥力最小。当四个氢原子沿着对称轴方向靠近碳原子时，氢的1s轨道可以同杂化轨道最大程度重叠，形成四个等同的C—H键。碳原子位于四面体的中心，四个原子或原子团在四面体的顶点上。由碳原子向四个顶点所作连线就是碳的四个价键的方向。因此甲烷分子具有正四面体空间结构。

构型是指在具有一定构造的分子中，原子在空间的排列状况。甲烷分子的构型是正四面体，碳原子采取sp3杂化，四个碳氢键的键长为0.109nm，键角为109°28'。甲烷中C—H成键原子的电子云是沿着它们的对称轴的轴向相互重叠的，这样形成的键叫σ键。

与甲烷一样，其他烷烃分子中的碳原子也是以sp3杂化轨道与别的原子形成σ键的，因此也具有正四面体的结构。