Alkane

Dieser Artikel behandelt die Stoffgruppe der Alkane in der Chemie, weitere Bedeutungen finden sich unter Alkan (Begriffsklärung)

Alkan bezeichnet in der organischen Chemie die Stoffgruppe von Kohlenwasserstoffen (Verbindungen, die nur aus Kohlenstoff und Wasserstoff bestehen) ohne Mehrfachbindungen zwischen den Kohlenstoffatomen; diese Art der Bindung nennt man gesättigt. Sie bilden eine homologe Reihe mit der allgemeinen Summenformel C_nH_2n+2 und sind eine besonders einheitliche Stoffgruppe, die die Basisgruppe für viele weitere organische Stoffgruppen ist und nur aus CH₂- und CH₃-Gruppen besteht. Kohlenstoffketten bilden das Gerüst der Alkane, sie können verzweigt oder unverzweigt sein; aufgrund dessen haben viele Alkane eine Vielzahl von theoretischen Isomeren (Moleküle der gleichen Summenformel aber mit unterschiedlichem Aufbau und unterschiedlichen Eigenschaften). Die Bindungsart der Alkane ist wie bei allen organischen Verbindungen die kovalente Bindung.

Methan ist das einfachste Alkan und Grundbaustein für sämtliche folgende Alkane. Alle Alkane weisen die charakteristische Endung -an auf; für die Gesamtheit der Alkane wird häufig das Symbol R verwendet. Während früher Paraffin (lat. para+affinis: wenig teilhabend) eine Trivialname für die Alkane war, der auf die relative Reaktionsträgheit hinwies, bezeichnet dies heute meist nur noch ein Stoffgemisch bestimmter fester Alkane.

Räumlicher Aufbau und Struktur

Strukturfomel des Ethans ohne Zickzackanordnung

Alkane bestehen nur aus CH₂- und CH₃-Gruppen, die nur C-H- und C-C-Bindungen (Kohlenstoffeinfachbindungen) aufweisen; hieraus ergibt sich die allgemeine Strukturformel C_nH_2n+2 der Alkane. Obwohl die Bindungen zwischen den Kohlenstoffatomen der n-Alkane durch die Strukturformel vollkommen gradlinig dargestellt werden, ist dies in Wirklichkeit keineswegs der Fall; die Bindungen zwischen den Kohlenstoffatomen stehen in einem Winkel von 109,47°. Dadurch ergibt sich eine Tetraederstruktur, die häufig auch durch eine Zickzackanordnung stilisiert wird. Andere Kohlenwasserstoffmoleküle bauen zunächst auf dieser Grundstruktur auf, weisen aber auch "Verbiegungen" auf, z. B. wenn Doppelbindungen im Molekül vorhanden sind.

Die Bindungslänge beträgt für die C-H-Bindung 109 pm und 154 pm für die C-C Bindung. Während die so bezeichneten n-Alkane unverzweigt sind, weisen alle Isomere der n-Alkane Verzweigungen im Aufbau auf. Die Kohlenstoffatome der Alkanketten sind sp³-hybridisiert. Die räumliche Struktur der Alkane wirkt sich direkt auf deren Siedepunkt und Reaktivität aus. Auch zu beachten ist die freie Beweglichkeit der CH₃-Gruppen um die C-C-Bindungen, welche schon ab dem Ethan eintritt. Durch diese freie Beweglichkeit kann eine gestaffelte Konfirmation erreicht werden, welche energetisch günstiger als die ekliptische Konfirmation ist.

Konstitutionsisomerie

Name	Summenformel	Zahl der (theoretisch) möglichen Isomeren
Butan	C₄H₁₀	2
Pentan	C₅H₁₂	3
Hexan	C₆H₁₄	5
Heptan	C₇H₁₆	9
Octan	C₈H₁₈	18
Nonan	C₉H₂₀	35
Decan	C₁₀H₂₂	75
Eicosan	C₂₀H₄₂	366319

Beim Butan tritt der Fall ein, dass bei gleicher Summenformel C₄H₁₀ unterschiedliche Anordnungsmöglichkeiten (Konstitutionen) für die Kohlenstoffatome im Alkanmolekül möglich sind. Butan existiert in zwei verschiedenen Konstitutionen: n-Butan und iso-Butan. Alle Alkane mit höherer Kohlenstoffanzahl als Propan weisen Isomere auf; mit wachsender Anzahl der Kohlenstoffatome steigt auch die Zahl der möglichen Isomere stark. Allerdings bestehen die meisten dieser Isomere nur theoretisch, in der Natur sind nur wenige dieser theoretischen Isomere existent; für die chemische Industrie sind nur wenige von Bedeutung.


n-Butan	iso-Butan

Alkylrest

Wenn einem Alkanmolekül ein Wasserstoffatom entzogen wird, ensteht ein Molekül mit einem ungebundenen Elektron, es ist also einwertig. Den Namen des Alkylrestes erhält man, wenn man bei der Endung des Alkans, dem das Wasserstoffatom entzogen ist, das -an durch ein -yl ersetzt. Alkylereste sind häufig Bestandteil von Iso-Alkanen und reagieren sehr gut mit Halogenradikalen.

Cycloalkane

Datei:Cyclobutan.png

ringförmige Strukturformel von Cyclobutan

Eine Sonderform der Isomere der Alkane sind die Cycloalkane. Die Kohlenstoffbindungen dieser Alkane bilden einen geschlossenen Kreis. Die Cycloalkane sind eine Sonderform der Alkane, da sie einerseits nicht in die homologe Folge der Alkane mit der allgemeinen Summenformel C_nH_2n+2 passen sondern die allgemeine Summenformel C_nH_2n besitzen (aufgrund der kreisförmigen Struktur sind die zwei äußeren CH₃ der n-Alkane nicht vonnöten), anderseits aber nur aus den gesättigten C-H- und C-C-Bindungen bestehen. Die ringförmige Struktur der Cycloaalkane wirkt sich auf die Reaktivität und Siedepunkte dieser aus (siehe: Chemische- und physikalische Eigenschaften).

Nomenklatur

Datei:3-Methylbutan.png

Beispiel zur Bezeichnung eines iso-Alkans.

Die Bennenung der Alkane ist durch die IUPAC genau festgelegt.

Alle Alkane werden mit der Endung -an bezeichnet, dieser Endung wird das jeweilige griechische Zahlenwort vorangestellt, das auf die Anzahl der Kohlenstoffatome hinweist. Für die ersten vier Alkane wurden allerdings unabhängig davon, historisch bedingt, die Namen Methan, Ethan, Propan und Butan vergeben. Alkane ohne Abzweigungen werden meist einfach n-Alkane genannt (n wird meist weggelassen), Isomere der Alkane meist nur iso-Alkane, ohne weiter zu konkretisieren. Alkane werden wie folgt benannt (alles nicht Vorhandene wird weggelassen, die Beschreibung der Bennenung erfolgt hier von vorne nach hinten):

1) Die Nummern der Kohlenstoffatome, an denen Alkylgruppen abzweigen werden durch Kommata getrennt aufgeschrieben, hierbei werden immer die Zahlen verwendet, die zusammenaddiert die kleinste Summe ergeben.
2) Die Anzahl der abzweigenden Alkylgruppen wird in ihrer griechischen Schreibweise als Zahlwort hinter einem Bindestrich geschrieben.
3) Der Name der abzweigenden Alkylgruppe wird klein dahinter geschrieben. Gibt es mehrere abzweigende Alkylgruppen, wird ein Bindestrich gesetzt und die anderen Abzweigungen werden nach den Schritten 1, 2 und 3 abgearbeitet.
4) Der Stammname der längsten Kolenstoffkette wird hinzugefügt; ist das Alkan ringförmig, wird ein cyclo vorangehängt.
5) Die für die Alkane spezifische Endung -an wird an Ende hinzugefügt.

Bezeichnung der n-Alkane ab einem Kohlenstoffanteil von 5 Atomen, welche über das griechische Zahlwort und die Endung -an erfolgt:
Pentan (C₅H₁₂) - Hexan (C₆H₁₄) - Heptan (C₇H₁₆) - Oktan (C₈H₁₈) - Nonan (C₉H₁₈) - Dekan (C₁₀H₂₂) - usw. (z. B. Pentadekan (C₁₅H₃₂))

Chemische- und physikalische Eigenschaften

Name	Flammpunkt	Siedepunkt	Dichte
Methan	/	-161 °C	0,466 g/cm³*
Ethan	/	-88 °C	0,572 g/cm³*
Propan	/	-42 °C	0,585 g/cm³*
Butan	/	-0,5°C	0,601 g/cm³*
Pentan	-50 °C	+36 °C	0,626 g/cm³
Hexan	-23 °C	+69 °C	0,659 g/cm³
Heptan	-4 °C	+98 °C	0,684 g/cm³
Octan	+16 °C	+126 °C	0,730 g/cm³
Nonan	+31 °C	+151 °C	0,718 g/cm³
Decan	+46 °C	+174 °C

Alkane bilden eine besonders einheitliche Stoffklasse. Die Kenntnis der Eigenschaften weniger Vertreter genügt, um das Verhalten der übrigen vorherzusagen. Dieses gilt sowohl für die intra- bzw. intermolekularen Wechselwirkungen der Alkane, die sich auf die Schmelz- und Siedepunkte auswirken, wie auch bei der Betrachtung ihrer Synthesen und Reaktionen.

Die Molekülstruktur, speziell die Größe der Angriffsfläche, bestimmt den Siedepunkt des Isomeres, je kleiner die Angriffsfläche ist umso niedriger ist der Siedepunkt, da so die dort wirkenden Van-der-Waalsschen Kräfte geringer sind; eine Verkleinerung der Angriffsfläche kann durch Verzweigungen oder ringförmige Struktur erreicht werden. Das bedeutet in der Praxis, dass Alkane mit höherem Kohlenstoffanteil immer einen höheren Siedepunkt als Alkane mit geringerem Kohlenstoffanteil haben; verzweigte Alkane haben einen niedrigeren Siedepunkt als unverzweigte Isomere und ringförmige noch geringere Siedepunkte als nur teilweise verzweigte Alkane. Ab fünf Kohlenstoffatomen sind unverzweigte Alkane unter Normalbedingungen flüssig, ab siebzehn fest. Auch der Schmelzpunkt der Alkane steigt bei Zunahme der Kohlenstoffatome, mit einer Ausnahme beim Propan; allerdings driften die Siedpunkte den Schmelzpunkten bei den höheren Alkanen weg; von Alkanen mit ungeradem Kohlenstoffanteil zu Alkanen mit geradem Kohlenstoffanteil steigt der Schmelzpunkt stärker als geradem zu ungeradem. Alkane sind hydrophob und lipophil; untereinander sind sie bei gleichem Aggregatzustand in jedem Verhältnis mischbar; alle Alkane sind elektrische Nichtleiter. Bis auf einige Ausnahmen nimmt die Dichte der Alkane bei Zunahme der Kohlenstoffatome auch zu, die Alkane haben eine geringere Dichte als Wasser und schwimmen dementsprechend auf diesem.

Alle Alkane sind brennbar, ihr Flammpunkt steigt jedoch mit zunehmender Kohlenstoffanzahl. Zwar reagieren die Alkane exotherm mit der Luft zu Kohlenstoffdioxid und Wasser und sind brandfördernd, Alkene und Alkine reagieren allerding viel exothermer. Die Alkane haben eine geringe Reaktivität, weil die C-H- und C-C Bindungen relativ stabil sind und nicht einfach zerbrochen werden können; mit Radikalen reagieren sie gut, mit ionischen Stoffen jedoch schlecht. Weil bei Cycloalkanen an sp³ hybridisierten C-Atome eine Abweichung des Bildungswinkels eintritt, tritt in dem Molekül eine erhebliche Ringsspannung auf durch die das Molekül wesentlich reaktiver wird.

Alkane sind gesättigt und können keine weiteren Wasserstoffatome aufnehmen. Die Zweifach- und Dreifachbindungen der Kohlenstoffatome bei den Alkinen und Alkenen können mehr Energie freisetzen; die Kohlenstoffeinfachbindung kann nur etwa 340 kJ/mol freisetzen.
*in flüssigen Zustand nahe dem jeweiligen Siedepunkt

Verwendung und Weiterverarbeitung

Die Anwendung der Alkane als Brennstoff ist die wichtigste. Die ersten vier Alkane werden hauptsächlich für Heiz- und Kochzwecke verwendet. Propan und Methan werden im Erdgas, Propan und Butan im Flüssiggas verwendet. Sie finden hier zum Beispiel im Feuerzeuggas und in Propangasbrennern Anwendung. Früher wurde das Flüssiggas sogar als Kraftstoff benutzt. Flüssige Alkane kommen hauptsächlich im Erdöl vor, welches in der Erdölraffinerie durch Destillation zu vielen weiteren wichtigen Produkten wie zum Beispiel Kunstoff und Benzin weiterverarbeitet wird. Flüssige Alkane werden auch als Lösungsmittel und als Schmieröl verwendet. Viele feste Alkane in Paraffinen werden als Kerzenwachs benutzt. Höhere Alkane haben wenig Bedeutung und werden deshalb meist durch Cracken in niedere Alkane zerlegt.

Im Treibstoff sind nur höhere Alkane erwünscht und eher verzweigte, weil diese nicht wie die unverzweigten leicht zur Frühzündung neigen. Ein Maß für die Frühzündung einer Benzinart ist seine Oktanzahl. Die Oktanzahl gibt an, in welchem Maße ein Stoff zur frühzeitigen Selbstentzündung neigt. Als Bezugszahl für die Oktanwerte wurden willkürlich die zwei Alkane Heptan (n-Heptan) und iso-Octan (2,2,4-Trimethlpentan) gewählt, welche jeweils die Oktanzahl 0 (Heptan, neigt zu Frühzündung) und die Oktanzahl 100 (Iso-Octan, neigt kaum zur Selbstentzündung) erhielten.

Desweiteren werden Alkane als Ausgangsprodukt für Reaktionen zu Alkenen und Halogenalkanen/-alkinen und Weiterem in der chemischen Industrie verwendet. Die technische Bedeutung der Alkane ist hoch.

Vorkommen

Die wichtigsten Quellen für Alkane sind Erdöl und Erdgas. Das Erdöl wird destilliert und Rohbenzin gewonnen. Dieses Rohbenzin enthält Alkane mit 5 bis 10 Kohlenstoffatomen. Das Erdgas enthält Methan, Ethan, Propan und Butan. Alkane sind die einzigen organischen Verbindungen, die in der Natur mineralisch vorkommen. Nur etwa die ersten 100 Alkane kommen in der Natur überhaupt vor. Auf der Erde werden einige Alkane ständig im großen Maße neu gebildet, andere werden in der Natur nicht neu gebildet. Ihr Vorkommen wird in einigen Jahrzenten erschöpft sein. Einer noch unbewiesenen Theorie nach soll es auf der Erde und auf dem Jupiter große Methanquellen geben, die nicht durch biologische Vorgänge entstanden sind. Erdöl und Erdgas, welche die Hauptvorkommen der Alkane darstellen, enstanden, als tote Merestiere von Sedimenten bedeckt wurden und unter hohen Temperaturen und Drücken zu den jeweiligen Naturstoffen umgewandelt wurden.

Die Alkane in der belebten Natur

Alkane kommen in der Natur auf vielfältige Weise vor und finden dort außergewöhnliche Anwendungen, obwohl sie biologisch nicht essentiell sind. Bestimmte Bakterienarten fressen die Alkane; geradzahlige Kohlenstoffketten werden von ihnen bevorzugt (durch Experimente nachgewiesen), weil diese leichter abbaubar als ungeradzahlige Alkane sind. Von Pflanzen werden feste Alkane aufgrund ihrer wasserabweisenden Eigenschaften als Wachs auf Pflanzenblättern benutzt. Von Tieren werden die Alkane als Sexuallockstoffe benutzt; dies wird von einigen Pflanzen imitiert um Bestäuber anzulocken. Bestes Beispiel hierfür sind die Pilzsporen. Eine Kuh produziert tagtäglich etwa 150 l Methangas.

Gefahren

Methan kann ab einem Luftvolumenanteil von 1 bis 8 % ohne Zündquelle explodieren, einige weitere Gemische der niederen Alkane und Luft sind ab einem bestimmten Alkananteil selbstentzündlich. Alkane können aufgrund ihrer Brennbarkeit eine Gefahr darstellen; mit zunehmenden Kohlenstoffanteilen steigt allerdings auch der Flammpunkt. Propan, Butan, Pentan, Hexan, Heptan und Oktan und einige weitere Alkane sind Gefahrenstoffe, ihr MAK-Wert ist aber relativ hoch angesetzt, für Pentan beträgt der MAK-Wert 2950 mg/m³ für Hexan nur 180 mg/m³. Pentan, Heptan und Hexan sind weiterhin umweltgefärhdend und reizend, Oktan nur reizend und brandfördernd, höhere Alkane sind meist höchstens noch reizend oder gar keine Gefahrstoffe mehr.

Herstellung

Die Alkane mit geringen Kohlenstoffatomen können aus den Elementen selbst hergestellt werden; höhere Alkane müssen nach dem Bergius-Verfahren unter hohem Druck produziert werden. Einige der Reaktionen zur Herstellung haben ihren eigenen Namen erhalten. Die Herstellung von Alkanen kann auf mehrere Weisen erfolgen:

Über katalytische Hydrierung von Alkenen.Beispiel:
- $C_{2}H_{4}+H_{2}\rightarrow C_{2}H_{6}$
- Ethen und Wasserstoff reagieren zu Ethan.
Darstellung aus Halogenalkane mit Hilfe von Wasserstoff. Beispiel:
- $CCl_{4}+4H_{2}\rightarrow 4HCl+CH_{4}$
- Tetrachlormethan reagiert mit Wasserstoff zu Methan und Chlorwasserstoff
Über die Kolbe-Elektrolyse, hierbei werden Alkancarboxylate zum Radikal reduziert, welches unter Kohlendixodiabgabe zu Alkylresten zerfällt, diese dimerisieren zu Alkanen.
Über die Wurtzsche Synthese, hierbei enstehen Alkane unter Bildung von Metallhalogeniden aus Halogenalkanen und Metallorganylen . Allgemeine Reaktionsgleichung:
- $R-Hal+M-R\rightarrow R-R+MHal$
- Halogenalkane reagieren mit Metallorganylen zu Alkanen und Metallhalogene
Über das Bergius-Verfahren, die Herstellung der Alkane erfolgt unter hohem Druck aus Kohle und Wasserstoff.
Über das Fischer-Tropsch-Verfahren, die Herstellung von flüssigen Alkanen erfolgt aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff. Beispiel:
- $CO+3H_{2}\rightarrow CH_{4}+H_{2}O$
- Kohlenmonoxid reagiert mit Wasserstoff zu Methan und Wasser.

Reaktionen

Alkane können mit Sauerstoff reagieren; bei vollständiger Verbrennung reagieren die Alkane mit Sauerstoff exotherm zu Kohlendioxid und Wasser. Alkane reagieren zwar gut mit Sauerstoff und Radikalen und gehen gerne Substitutionsreaktionen ein, mit Ionenbindungen, Säuren und Basen aber relativ schlecht und haben eine relativ niedrige Reaktionsfähigkeit, worauf auch der Trivialname Paraffin hinweist. Im Erdöl sind die Alkanmoleküle sogar seit Millionen von Jahren chemisch unverändert geblieben.

Reaktionen mit Sauerstoff

$CH_{4}+2O_{2}\rightarrow 2H_{2}O+CO_{2}$
Methan reagiert mit Sauerstoff zu Wasser und Kohlendioxid.

Werden Alkane nicht vollständig verbrannt, weil zu wenig Sauerstoff vorhanden ist, enstehen unerwünschte Nebenprodukte wie Alkene, Kohlenstoff und Kohlenmonoxid und die Energieausbeute ist geringer; eine vollständige Verbrennung der Alkane ist daher wichtig. Beispiel:

$2C_{8}H_{1}8+13O_{2}\rightarrow 2CO_{2}+7CO+4C+C_{3}H_{6}+15H_{2}O$
Octan reagiert mit Sauerstoff zu Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Kohlenstoff (Ruß!), Propen und Wasser.

Reaktionen mit den Halogenen

Bei der Halogenierung werden die Wasserstoffatome des Alkans werden teilweise oder vollständig durch Halogenradikale ersetzt, es entstehen Halogenalkane. Mit Fluor und Chlor reagieren die Alkane kaum kontrollierbar, mit Brom schwach und nur unter Lichteinwirkung, mit Jod reagieren sie kaum, diese Iodierung wäre energetisch ungünstig, Iod wird sogar bei Reaktionen der Alkane als Radikalfänger verwendet, um die Alkanreaktionen abzubrechen. Beispiel für die Halogenierung:

$CH_{4}+Cl\rightarrow CH_{3}+HCl$
Methan reagiert mit einem Chlor-Radikal zu einem Methyl-Radikal und Chlorwasserstoff.

CH_{3}+Cl_{2}\rightarrow CH_{3}Cl+Cl

Das Methylradikal reagiert mit Chlor zu Monochlormethan und einem Chlor-Radikal.

Weitere Reaktionen

Weitere unbedeutendere Reaktionen als die bereits genannten sind die Sulfochlorierung, die Nitrierung (Reaktion mit Salpetersäure), welche besondere Bedingungen erfordert. Weitaus technisch bedeutender ist die Fermentation zu Alkansäuren und das Cracken, bei dem unbrauchbare höhere Alkane unter hohen Drücken und Temperaturen zu niederen Alkanen umgewandelt werden.

Weiterführende Informationen

Interwiki

Alken, Alkin, Van-der-Waals-Kraft, Alkylrest, Organische Chemie, Paraffin, Cycloalkan, Alkansäure, Halogenalkane

Literatur

Pfeifer Reichelt: H₂O & Co Organische Chemie. Oldenburg, München 2003, ISBN 3-486-16032-X
K. P. C. Vollhardt, Neil E. Schore: Organische Chemie. Wiley-VCH Verlag, April 2000, ISBN 3527298193
Eberhard Breitmaier, Günther Jung: Organische Chemie. Thieme, Stuttgart September 2001, ISBN 313541504X
Clayden, Greeves, Warren & Wothers : Organic Chemistry. Oxford University Press, August 2004, ISBN 0198503466