Als Alkane ( Grenzkohlenwasserstoffe , fruher Paraffine ) bezeichnet man in der organischen Chemie die Stoffgruppe der gesattigten , acyclischen Kohlenwasserstoffe . Das heißt, ihre Vertreter bestehen nur aus den beiden Elementen Kohlenstoff  (C) und Wasserstoff  (H), weisen nur Einfachbindungen und keine Kohlenstoffringe auf. Damit sind sie eine Untergruppe der aliphatischen Kohlenwasserstoffe . Fur sie gilt die allgemeine Summenformel C _n H _{2 n +2} mit n  = 1, 2, 3, … ^{[1] [2]} Das Grundgerust der Alkane kann ab n = 4 aus unverzweigten (linearen) oder aus verzweigten Kohlenstoffketten bestehen. Die unverzweigten Verbindungen werden als n -Alkane bezeichnet und bilden eine homologe Reihe der Alkane. Die verzweigten Alkane werden Isoalkane ( i -Alkane) genannt.

Gesattigte cyclische Kohlenwasserstoffe haben eine abweichende allgemeine Summenformel und bilden die Gruppe der Cycloalkane und werden dort beschrieben.

n -Alkane

Das einfachste Alkan ist das Methan . Die ersten zwolf n -Alkane sind in der folgenden Tabelle angegeben. Sie bilden die Homologe Reihe der Alkane .

Unter Normalbedingungen

Name	Summenformel	Molare Masse	Schmelzpunkt	Siedepunkt	Dichte	Kugel-Stab-Modell
Methan	CH 4	16,04 g·mol ?1	90,65 K	111,4 K	0,72 kg/m 3 gasformig 0,42 g/cm 3 flussig
Ethan	C 2 H 6	30,07 g·mol ?1	90 K	185 K	1,36 kg/m 3 (g) 0,54 g/cm 3 (fl.)
Propan	C 3 H 8	44,10 g·mol ?1	85 K	231 K	2,01 kg/m 3 (g) 0,58 g/cm 3 (fl.)
n - Butan	C 4 H 10	58,12 g·mol ?1	135 K	272,5 K	2,71 kg/m 3 (g) 0,60 g/cm 3 (fl.)
n - Pentan	C 5 H 12	72,15 g·mol ?1	144 K	309 K	0,626 g/cm 3
n - Hexan	C 6 H 14	86,18 g·mol ?1	178 K	342 K	0,659 g/cm 3
n - Heptan	C 7 H 16	100,2 g·mol ?1	182 K	371 K	0,684 g/cm 3
n - Octan	C 8 H 18	114,2 g·mol ?1	216 K	399 K	0,703 g/cm 3
n - Nonan	C 9 H 20	128,3 g·mol ?1	222 K	424 K	0,718 g/cm 3
n - Decan	C 10 H 22	142,3 g·mol ?1	243 K	447 K	0,73 g/cm 3
n - Undecan	C 11 H 24	156,3 g·mol ?1	248 K	469 K	0,74 g/cm 3
n - Dodecan	C 12 H 26	170,3 g·mol ?1	263 K	489 K	0,75 g/cm 3

i -Alkane

n -Butan	iso -Butan (Methylpropan)

Mit steigender Anzahl an Kohlenstoffatomen steigt auch die Anzahl der Moglichkeiten fur deren kovalente Verknupfung. Deswegen kommen alle Alkane mit einer hoheren Zahl an Kohlenstoffatomen als Propan in einer Vielzahl von Konstitutionsisomeren ? Molekulen mit der gleichen Summenformel, aber unterschiedlichem Aufbau ( Konstitution ) ? vor. Diese werden als Isomere bezeichnet.

Beim Butan tritt der Fall ein, dass bei gleicher Summenformel C ₄ H ₁₀ zwei unterschiedliche Anordnungsmoglichkeiten fur die Kohlenstoffatome im Alkanmolekul moglich sind. Butan existiert also in zwei verschiedenen Konstitutionen: n -Butan und iso -Butan ( isomeres Butan ). Davon leitet sich der Begriff iso-Alkane ? abgekurzt i-Alkane ? ab.

Pentan tritt bereits in drei verschiedenen Konstitutionen auf, dem n - Pentan mit einer unverzweigten Kette, dem iso -Pentan mit einer Verzweigung am zweiten Kohlenstoffatom und dem neo -Pentan mit zwei Verzweigungen am zweiten Kohlenstoffatom.

Mit wachsender Anzahl der Kohlenstoffatome steigt rasch auch die Zahl der moglichen Isomere, von denen die meisten allerdings nur theoretisch bestehen ? in Natur und Technik sind nur wenige von Bedeutung (siehe Anzahl der Isomere von Alkanen weiter unten). Icosan (ehemals Eicosan) mit einer Kette aus zwanzig Kohlenstoffatomen besitzt bereits 366.319 verschiedene Konstitutionsisomere. Bei Alkanen mit 167 Kohlenstoffatomen ubersteigt die Anzahl der theoretisch moglichen Isomere die geschatzte Zahl der Teilchen im sichtbaren Universum.

Langkettige, verzweigte Alkane werden auch als Isoparaffine bezeichnet.

Stereochemie der Alkane

Verzweigte Alkane konnen chiral sein, d. h. bei gleicher Konstitution sind unterschiedliche Konfigurationen moglich. Sind zwei Molekule exakt spiegelbildlich, handelt es sich um Enantiomere , andernfalls um Diastereomere . So existieren beispielsweise bei 3-Methylhexan durch die vier verschiedenen Gruppen am Kohlenstoffatom in Position 3 zwei Enantiomere. Diastereomere sind z. B. bei 3,4-Dimethylhexan moglich. Die Stereochemie ist in vielen Biomolekulen relevant. So handelt es sich beispielsweise bei der Seitenkette des Chlorophylls oder des Tocopherols ( Vitamin E ) um eine verzweigte chirale Alkylgruppe .

Chirale Alkane konnen durch enantioselektive Gaschromatographie in ihre Enantiomere getrennt werden. ^[3]

Nomenklatur

Die Nomenklatur der Alkane ist durch die International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) genau festgelegt.

Alle Stammnamen weisen die Endung -an auf. Dieser Endung wird ein griechisches Zahlenwort vorangestellt, das auf die Anzahl der Kohlenstoffatome hinweist. Fur die ersten vier Alkane werden historisch bedingt die Trivialnamen Methan, Ethan (vormals Athan), Propan und Butan vergeben. Wie die Namen von Alkanen mit mehr als zehn Kohlenstoffatomen gebildet werden, findet sich im Artikel Nomenklatur .

Fur verzweigte Alkane gelten die folgenden Benennungsregeln: ^[4]

1. Die Kohlenstoffatome der langsten durchgehenden Kohlenstoffkette werden so durchnummeriert, dass die tertiaren bzw. quartaren Kohlenstoffatome, also jene mit den Seitenketten, jeweils eine moglichst niedrige Zahl erhalten (im Bild von rechts nach links 2,3,4 und nicht von links nach rechts 3,4,5 ). Entsprechend dieser langsten Kette erhalt das Molekul seinen Stammnamen (Beispielmolekul oben: 6 Kohlenstoffatome → Hexan ).
2. Die Namen der abzweigenden Alkylgruppen (Seitenketten) werden ebenfalls durch ihre Lange bestimmt und alphabetisch aufsteigend sortiert dem Stammnamen des Alkans vorangestellt (s. u. 4. Zusatzregel).
3. Diesen Alkylgruppennamen werden die Nummern der Kohlenstoffatome, an denen sie abzweigen, vorangestellt (s. u. 4. Zusatzregel). Die Nummern werden durch Bindestriche von den Alkylgruppennamen getrennt.
4. Zusatzregel: Zweigt mehr als eine Alkylgruppe mit gleichem Namen von der Hauptkette ab, wird dieser Name nur einmal erwahnt. Dafur wird die Anzahl der gleichen Gruppen zusatzlich in der griechischen Schreibweise ( di  = zwei, tri  = drei usw.) als Zahlwort vorangestellt. Zu beachten ist dabei, dass diese Zahlenworter bei der alphabetischen Sortierung nicht berucksichtigt werden. Die Nummern aller identischen Gruppen werden mit aufsteigendem Wert durch Kommata getrennt notiert. Zweigen zwei gleiche Alkylgruppen an einem quartaren Kohlenstoffatom ab, dann wird die Nummer des Kohlenstoffatoms doppelt notiert.

Ein Beispiel fur die Zusatzregel ist das 3-Ethyl-2,2,4-trimethylhexan: Am oben abgebildeten 3-Ethyl-2,4-dimethylhexan ware am zweiten Kohlenstoffatom das Wasserstoffatom durch eine Methylgruppe ersetzt. Anmerkung: Die beiden genannten Verbindungen haben mehrere je zwei Chiralitatszentren , so dass diese Nomenklatur unvollstandig ist.

Fruher wurden Alkane als ?Grenzkohlenwasserstoffe“ oder Paraffine bezeichnet. Letzteres leitet sich von lateinisch parum affinis ab, was sich mit ?wenig verwandt“ ubersetzen lasst ? man glaubte fruher, dass Stoffe, die miteinander reagieren, irgendeine Art von ?Verwandtschaft“ aufweisen mussten ? und brachte damit die relative Reaktionstragheit dieser Verbindungen zum Ausdruck. Heute bezeichnet der Name meist nur noch ein Stoffgemisch aus bestimmten festen Alkanen.

Alkylrest

Wird einem Alkanmolekul ein Wasserstoffatom entzogen, entsteht ein Radikal , ein Molekul mit einem ungebundenen Elektron , das man als Alkylradikal bezeichnet. Den Namen dieses Alkylrestes erhalt man, wenn man bei der Endung des Alkans, dem das Wasserstoffatom entzogen wurde, das -an durch ein -yl ersetzt. Symbolisch werden Alkyle haufig mit R notiert; sind die Alkylreste unterschiedlich, wird dieses durch R ¹ , R ² , R ³ usw. kenntlich gemacht.

Molekulgeometrie

• 
  sp³- Hybridisierung bei Methan .
• 
  Tetraederstruktur des Methans.

Die raumliche Struktur der Alkane wirkt sich direkt auf ihre physikalischen und chemischen Eigenschaften aus. Entscheidend fur ihr Verstandnis ist die Elektronenkonfiguration des Kohlenstoffs. Dessen Atome weisen im Grundzustand vier freie Elektronen, die so genannten Valenzelektronen auf, die fur Bindungen und Reaktionen zur Verfugung stehen. Im ungebundenen Kohlenstoffatom befinden sich diese vier Elektronen in Orbitalen unterschiedlicher Energie, in Alkanen dagegen ist das Kohlenstoffatom immer sp³-hybridisiert , das bedeutet, dass durch Uberlagerung der vier Ausgangsorbitale (ein s-Orbital und drei p-Orbitale ) vier neue Orbitale gleicher Energie vorhanden sind. Diese sind raumlich in der Form eines Tetraeders angeordnet, der Winkel zwischen ihnen betragt daher 109,47 Grad.

Bindungslangen und Bindungswinkel

• 
  Bindungslangen und -winkel des Methanmolekuls
• 
  Bindungslangen und -winkel des Ethanmolekuls

Ein Alkanmolekul weist nur C-H- und C-C-Bindungen (Kohlenstoffeinfachbindungen) auf. Erstere entstehen durch Uberlappung eines sp³-Hybridorbitals des Kohlenstoffs mit dem 1s-Orbital des Wasserstoffs, Letztere durch Uberlappung zweier sp³-Hybridorbitale unterschiedlicher Kohlenstoffatome.

Die Bindungslange betragt 109 Pikometer fur die C-H-Bindung und 154 Pikometer fur die C-C-Bindung, der Abstand zweier Kohlenstoffatome ist also etwa 50 Prozent großer als der Abstand zwischen einem Kohlenstoff- und einem Wasserstoffatom, was in erster Linie mit den unterschiedlichen Atomradien zusammenhangt.

Die raumliche Anordnung der Bindungen folgt aus der Ausrichtung der vier sp³-Orbitale ? da diese tetraedrisch angeordnet sind, sind dies auch die C-C- und C-H-Bindungen, auch zwischen ihnen liegt also jeweils ein fester Winkel von 109,47 Grad. Die Strukturformel , die die Bindungen der Molekule vollkommen geradlinig dargestellt, entspricht also in dieser Hinsicht nicht der Realitat.

Konformation der Alkane

Die Kenntnis der Strukturformel und der Bindungswinkel legt in der Regel noch nicht vollstandig den raumlichen Aufbau eines Molekuls fest. So besteht fur jede Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung ein weiterer Freiheitsgrad : der Winkel, den die an die beiden Bindungsatome gebundenen jeweils drei Atome beziehungsweise Atomgruppen zueinander einnehmen. Die durch diese Winkel beschriebene raumliche Anordnung bezeichnet man als Konformation des jeweiligen Molekuls.

Ethan

Den einfachsten Fall bildet innerhalb der Stoffklasse der Alkane das Ethan; hier existiert genau eine C-C-Bindung. Blickt man entlang der dadurch definierten Achse auf das Molekul, so ergibt sich die so genannte Newman-Projektion : Ein Kohlenstoffatom ist in der Projektion mit seinen drei Wasserstoffatomen im Vordergrund zu sehen, das andere wird symbolisch durch einen Kreis abgedeckt und befindet sich definitionsgemaß im Hintergrund; die Bindungen zu seinen drei Wasserstoffatomen sind im Diagramm entsprechend nur teilweise zu sehen. Sowohl die vorderen als auch die hinteren drei Wasserstoffatome nehmen in der Projektion 120-Grad-Winkel zueinander ein, wie dies fur die Projektion eines Tetraeders in die Ebene auch gelten muss. Nicht festgelegt ist jedoch der Winkel θ zwischen den beiden Gruppen von Wasserstoffatomen ? er beschreibt im Ethanmolekul die Konformation.

Der Konformationswinkel kann beliebige Werte zwischen 0 und 360 Grad annehmen, qualitativ sind jedoch nur zwei verschiedene Konformationen interessant:

• In der ekliptischen Konformation betragt der Konformationswinkel 0, 120 oder 240 Grad, in der Projektion fallen je ein vorderes und ein hinteres Wasserstoffatom zusammen.
• In der gestaffelten Konformation betragt der Konformationswinkel 60, 180 oder 300 Grad, so dass in der Projektion jeweils ein hinteres Wasserstoffatom zwischen zwei vorderen zu liegen kommt.

Die beiden Konformationen, auch Rotamere genannt, unterscheiden sich in ihrer Energie, die in diesem Fall als Torsionsenergie bezeichnet wird, um etwa 12,6 Kilojoule pro Mol. Wahrend die ekliptische Konformation diese maximiert und daher instabil ist, wird sie von der gestaffelten Konformation minimiert, diese ist folglich energetisch bevorzugt. Alle anderen Konformationen liegen bezuglich ihrer Energie zwischen diesen beiden Extremen. Die Ursache fur die Differenz ist noch nicht vollstandig aufgeklart: Bei der ekliptischen Konformation ist der Abstand zwischen den C-H-Bindungselektronen des vorderen und hinteren Kohlenstoffatoms geringer, die elektrostatische Abstoßung zwischen ihnen und damit die Energie des Zustandes folglich hoher. Umgekehrt erlaubt die gestaffelte Konformation eine starkere Delokalisation der Bindungselektronen, ein quantenmechanisches Phanomen, das die Struktur stabilisiert und die Energie herabsetzt. Heute gilt der Letztere Erklarungsansatz als wahrscheinlicher.

Die Torsionsenergie des Ethanmolekuls ist bei Raumtemperatur klein gegenuber der thermischen Energie, so dass es sich dann in konstanter Rotation um die C-C-Achse befindet. Allerdings ?rastet“ es in regelmaßigen Abstanden in der gestaffelten Konformation ?ein“, so dass sich zu jedem Zeitpunkt etwa 99 Prozent aller Molekule nahe dem Energieminimum befinden. Der Ubergang zwischen zwei benachbarten gestaffelten Konformationen dauert aber nur durchschnittlich 10 ^?11 Sekunden.

Hohere Alkane

Wahrend fur die beiden C-C-Bindungen des Propanmolekuls qualitativ dasselbe gilt wie fur Ethan, ist die Situation fur Butan und alle hoheren Alkane komplexer.

Betrachtet man die mittlere C-C-Bindung des Butanmolekuls, so ist jedes der beiden Kohlenstoffatome an jeweils zwei Wasserstoffatome und eine Methylgruppe gebunden. Wie an der Newman-Projektion erkennbar ist, lassen sich vier qualitativ unterschiedliche Rotamere unterscheiden, zwischen denen wiederum beliebige Ubergangszustande moglich sind. Sie entsprechen wie schon beim Ethan Konformationen maximaler beziehungsweise minimaler Energie:

• Liegen in der Projektion die beiden Methylgruppen an derselben Stelle, also bei einem Torsionswinkel von 0 Grad, spricht man von der voll-ekliptischen oder synperiplanaren Konformation. Sie entspricht einem globalen Maximum der Torsionsenergie, da sich die Wasserstoffatome der Methylgruppen so nahe kommen, dass es zur Abstoßung zwischen ihren Elektronenwolken kommt.
• Bei einem Torsionswinkel von 60 oder 300 Grad nennt man die Konformation schiefgestaffelt oder synklinar ; anders als bei den ekliptischen Strukturen kommen hier alle Atome beziehungsweise Atomgruppen des vorderen Kohlenstoffatoms in der Projektion zwischen denen des hinteren zu liegen. Dadurch ergibt sich ein Minimum der Energie; aufgrund der Nahe der beiden Methylgruppen zueinander ist es allerdings nur lokal, es existiert also noch eine energetisch gunstigere Konformation.
• Betragt der Torsionswinkel 120 oder 240 Grad, so ist die Konformation partiell-ekliptisch . Sie ist aus den gleichen Grunden wie beim Ethan energetisch ungunstig. Anders als in der voll-ekliptischen Konformation kommen sich die beiden Methylgruppen jedoch nicht zu nahe, so dass die Energie nur lokal ein Maximum darstellt.
• Bei einem Torsionswinkel von 180 Grad schließlich liegt eine antiperiplanare Konformation vor. Wie bei der gestaffelten Konformation des Ethan tritt hier eine nur quantenmechanisch erklarbare verstarkte Delokalisation der Elektronen auf, zugleich nehmen die beiden Methylgruppen den großtmoglichen raumlichen Abstand zueinander ein. Die Torsionsenergie wird daher fur diesen Zustand global minimiert.

Der Energieabstand zwischen syn- und antiperiplanarer Konformation betragt etwa 19 Kilojoule pro Mol und ist damit bei Raumtemperatur immer noch klein gegenuber der thermischen Energie. Daher sind Drehungen um die mittlere C-C-Achse immer noch leicht moglich. Wie beim Ethan ist jedoch die Wahrscheinlichkeit dafur, ein Molekul in einem bestimmten Zustand zu finden, nicht gleich groß; fur die antiperiplanare Konformation ist sie etwa doppelt so hoch wie fur die synklinale, wahrend sie fur die beiden ekliptischen Konformationen vernachlassigbar gering ist.

Bei den hoheren Alkanen ergibt sich grundsatzlich dasselbe Bild ? fur alle C-C-Bindungen ist immer die antiperiplanare Konformation, bei der die angebundenen Alkylgruppen den großtmoglichen Abstand einnehmen, die energetisch gunstigste und daher die am wahrscheinlichsten anzutreffende. Aus diesem Grund wird die Struktur der Alkane meist durch eine Zickzackanordnung wiedergegeben; dies ist auch in den weiter oben zu sehenden Molekulmodellen der Fall. Die tatsachliche Struktur wird sich bei Raumtemperatur immer etwas von dieser idealisierten Konformation unterscheiden ? Alkanmolekule haben also keine feste Stabchenform, wie das Modell suggerieren konnte.

Andere Kohlenwasserstoffmolekule wie die Alkene bauen auf dieser Grundstruktur auf, enthalten durch Doppelbindungen aber auch versteifte Abschnitte, die zu permanenten ?Verbiegungen“ fuhren konnen.

Die Ketten der hoheren Alkane haben grundsatzlich eine gestreckte Konformation. Ab 18 bis 19 Kettengliedern lassen sich bei tiefen Temperaturen auch gefaltete Haarnadelstrukturen nachweisen. Zur Bildung von Haarnadelstrukturen mussen die Kohlenwasserstoffketten zunachst erhitzt und anschließend mithilfe eines Tragergases extrem schnell auf minus 150 °C abgekuhlt werden. ^[5]

Anzahl der Isomere von Alkanen

Zur Bestimmung der Anzahl von Isomeren der Alkane gibt es keine einfache Formel; man muss mit einem Algorithmus und einer Baumstruktur arbeiten. ^{[6] [7] [8]}

Anzahl der C-Atome	Anzahl der Konstitutionsisomeren	Anzahl der Konstitutions- und Konfigurationsisomere
1	1	1
2	1	1
3	1	1
4	2	2
5	3	3
6	5	5
7	9	11
8	18	24
9	35	55
10	75	136
11	159	345
12	355	900
13	802	2.412
14	1.858	6.563
15	4.347	18.127
16	10.359	50.699
17	24.894	143.255
18	60.523	408.429
19	148.284	1.173.770
20	366.319	3.396.844
21	910.726	9.892.302
22	2.278.658	28.972.080
23	5.731.580	85.289.390
24	14.490.245	252.260.276
25	36.797.588	749.329.719
26	93.839.412	2.234.695.030
27	240.215.803	6.688.893.605
28	617.105.614	20.089.296.554
29	1.590.507.121	60.526.543.480
30	4.111.846.763	182.896.187.256
31	10.660.307.791	554.188.210.352
32	27.711.253.769	1.683.557.607.211
33	72.214.088.660	5.126.819.371.356
34	188.626.236.139	15.647.855.317.080
35	493.782.952.902	47.862.049.187.447
36	1.295.297.588.128	146.691.564.302.648
37	3.404.490.780.161	450.451.875.783.866
38	8.964.747.474.595	1.385.724.615.285.949
39	23.647.478.933.969	4.270.217.915.878.409
40	62.481.801.147.341	13.180.446.189.326.135

Bei diesen Zahlen handelt es sich um die theoretisch moglichen Isomere. Viele davon sind aber aus sterischen Grunden nicht existenzfahig. In dieser Liste ^[9] ist die Anzahl der Konstitutionsisomere bis 100 C-Atome aufgefuhrt. Wie die Zahlen berechnet werden, wird hier ^[10] beschrieben.

Eigenschaften

Alkane bilden eine besonders einheitliche Stoffklasse, die Kenntnis der Eigenschaften weniger Vertreter genugt, um das Verhalten der ubrigen vorherzusagen. Dies gilt sowohl fur die intra- beziehungsweise intermolekularen Wechselwirkungen der Alkane, die sich auf die Schmelz- und Siedepunkte auswirken, als auch fur die Betrachtung ihrer Synthesen und Reaktionen .

Physikalische Eigenschaften

Die Molekulstruktur, speziell die Große der Oberflache der Molekule, bestimmt den Siedepunkt des zugehorigen Stoffes: je kleiner die Flache, umso niedriger ist der Siedepunkt, da so die zwischen den Molekulen wirkenden Van-der-Waals-Krafte kleiner sind; eine Verkleinerung der Oberflache kann dabei durch Verzweigungen oder durch eine ringformige Struktur erreicht werden. Das bedeutet in der Praxis, dass Alkane mit hoherem Kohlenstoffanteil in der Regel einen hoheren Siedepunkt als Alkane mit geringerem Kohlenstoffanteil haben; unverzweigte Alkane haben hohere Siedepunkte als verzweigte und ringformige wiederum hohere Siedepunkte als die unverzweigten. Ab funf Kohlenstoffatomen sind unverzweigte Alkane unter Normalbedingungen flussig, ab siebzehn fest. Der Siedepunkt nimmt pro CH ₂ -Gruppe um zwischen 20 und 30 °C zu.

Auch der Schmelzpunkt der Alkane steigt mit zwei Ausnahmen bei Ethan und Propan bei Zunahme der Anzahl der Kohlenstoffatome; allerdings steigen die Schmelzpunkte insbesondere bei den hoheren Alkanen langsamer als die Siedepunkte. ^[11] Außerdem steigt der Schmelzpunkt von Alkanen mit ungerader Kohlenstoffzahl zu Alkanen mit gerader Kohlenstoffzahl starker als umgekehrt. Die Ursache dieses Phanomens ist die großere Packungsdichte der Alkane mit geradzahliger Kohlenstoffzahl. Der Schmelzpunkt der verzweigten Alkane kann sowohl ober- als auch unterhalb des entsprechenden Wertes fur die unverzweigten Alkane liegen. Je sperriger das Molekul ist, desto schwieriger lasst sich die entsprechende Substanz eng packen und desto niedriger liegt folglich auch der Schmelzpunkt. Umgekehrt existiert eine Reihe von Isoalkanen, die eine wesentlich kompaktere Struktur einnehmen als die korrespondierenden n -Alkane; in diesem Fall liegen ihre Schmelzpunkte daher uber denjenigen ihrer geradlinigen Isomere.

Alkane leiten weder den elektrischen Strom noch sind sie dauerhaft elektrisch polarisiert . Aus diesem Grund bilden sie keine Wasserstoffbruckenbindungen aus und lassen sich in polaren Losungsmitteln wie Wasser sehr schlecht losen. Da die Wasserstoffbruckenbindungen zwischen den einzelnen Wassermolekulen in der unmittelbaren Nahe eines Alkans von diesem wegweisen und daher nicht isotrop ausgerichtet sind, also nicht gleichmaßig in alle Richtungen zeigen, ware eine Mischung beider Substanzen mit einer Zunahme der molekularen Ordnung verbunden. Da dies nach dem Zweiten Hauptsatz der Thermodynamik verboten ist, bilden sich bei dem Versuch einer Mischung immer zwei separate Schichten. Man bezeichnet Alkane daher als wasserabweisend oder hydrophob . Ihre Loslichkeit in unpolaren Losungsmitteln ist dagegen gut, ein Umstand, der als lipophil bezeichnet wird. Untereinander sind sie beispielsweise bei gleichem Aggregatzustand in jedem Verhaltnis mischbar.

Bis auf einige Ausnahmen nimmt die Dichte der Alkane mit zunehmender Zahl der Kohlenstoffatome zu. Da sie bei allen flussigen Alkanen geringer ist als diejenige des Wassers, schwimmen Alkane bei versuchter Mischung immer oben, weshalb brennende, flussige Alkane nicht mit Wasser geloscht werden konnen.

Chemische Eigenschaften

Generell zeigen Alkane eine relativ geringe Reaktivitat, weil ihre C-H- und C-C-Bindungen relativ stabil sind und nicht einfach zerbrochen werden konnen. Anders als die meisten anderen organischen Verbindungen besitzen sie auch keine funktionellen Gruppen .

Mit ionischen oder allgemeiner polaren Substanzen reagieren sie nur sehr schlecht. Ihr p K _s -Wert liegt oberhalb von 60 (Methan 48), mit normalen Sauren oder Basen reagieren sie daher praktisch gar nicht, worauf auch der Trivialname Paraffin hinweist (lat.: parum affinis = wenig geneigt). Im Erdol sind die Alkanmolekule sogar seit Millionen von Jahren chemisch unverandert geblieben.

Allerdings gehen Alkane Redoxreaktionen , insbesondere mit Sauerstoff und den Halogenen ein, da sich ihre Kohlenstoffatome in stark reduziertem Zustand befinden; im Falle des Methans wird sogar die niedrigstmogliche Oxidationsstufe ?IV erreicht. Im ersten Fall handelt es sich um Verbrennungen , im zweiten um Substitutionsreaktionen .

Radikale , also Molekule mit ungepaarten Elektronen, spielen bei den meisten Reaktionen eine große Rolle, so auch beim so genannten Cracken und bei der Reformierung, bei denen langkettige Alkane in kurzkettige und unverzweigte in verzweigte umgewandelt werden.

Bei stark verzweigten Molekulen tritt eine Abweichung vom optimalen Bindungswinkel auf, die dadurch hervorgerufen wird, dass sich Alkylgruppen, die an unterschiedlichen Kohlenstoffatomen sitzen, raumlich sonst zu nahekommen wurden. Durch die dadurch hervorgerufene ?Spannung“, die man als sterische Spannung bezeichnet, sind diese Molekule wesentlich reaktiver.

Reaktionen

Reaktionen mit Sauerstoff

Alle Alkane reagieren mit Sauerstoff, sind also brennbar , aber nicht brandfordernd ; ihr Flammpunkt steigt allerdings mit zunehmender Zahl der Kohlenstoffatome. Im Vergleich zu anderen Kohlenwasserstoffen wie Alkenen und Alkinen reagieren sie unter Freisetzung der meisten Energie. Zwar setzt eine Doppel- oder Dreifachbindung mehr Energie frei als eine Einfachbindung, allerdings wird dies durch die hohere Zahl an oxidierbaren Wasserstoffatomen im Molekul (6 bei Ethan, 4 bei Ethen und 2 bei Ethin) uberkompensiert. Die Standardverbrennungsenthalpien liegen in etwa bei folgenden Werten: ^[12]

• Ethan : Δ _c H ° = ?1560,7 kJ/mol
• Ethen : Δ _c H ° = ?1411,2 kJ/mol
• Ethin : Δ _c H ° = ?1301,1 kJ/mol

Somit wird bei der Verbrennung des Ethans die meiste Energie freigesetzt (negative Enthalpie). Alkane verbrennen bei ausreichender Sauerstoffzufuhr mit schwach leuchtender, nicht rußender Flamme.

Chemisch ist die Reaktion mit Sauerstoff eine Redoxreaktion, bei der die Alkane oxidiert und der Sauerstoff reduziert werden. Bei vollstandiger Verbrennung reagiert der Kohlenstoff zu Kohlenstoffdioxid (Oxidationszahl +IV) und der Wasserstoff zu Wasser, das in Form von Wasserdampf freigesetzt wird:

Die totale Verbrennungsenergie steigt vergleichsweise regelmaßig mit zunehmender Anzahl der Kohlenstoffatome; jede CH ₂ -Gruppe steuert etwa 650 Kilojoule pro Mol bei. Aus der Tatsache, dass die Verbrennungsenergie verzweigter Alkane etwas niedriger ist als die unverzweigter, lasst sich auf eine hohere Stabilitat ersterer Gruppe schließen.

Werden Alkane nicht vollstandig verbrannt, weil zu wenig Sauerstoff vorhanden ist, entstehen unerwunschte Nebenprodukte wie Alkene, Kohlenstoff und Kohlenstoffmonoxid und die Energieausbeute ist geringer; eine vollstandige Verbrennung der Alkane ist daher wichtig. Ein Beispiel fur eine unvollstandige Verbrennung ist die folgende Reaktion

Schwarzer Rauch deutet bei der Benzinverbrennung daher auf ungenugende Sauerstoffzufuhr hin.

Reaktionen mit den Halogenen

Eine weitere wichtige Reaktionsgruppe der Alkane sind Halogenierungsreaktionen ? auch sie zahlen zu der großeren Gruppe der Redoxreaktionen, da sich die Oxidationszahlen der betroffenen Kohlenstoffatome andern.

Bei der Halogenierung werden die Wasserstoffatome eines Alkans teilweise oder vollstandig durch Halogenatome wie Fluor , Chlor oder Brom ersetzt beziehungsweise substituiert , daher spricht man auch von einer Substitutionsreaktion . Bei der Reaktion entstehen sogenannte Halogenalkane , meist in Mischung, wie aus dem folgenden Beispiel fur Methan hervorgeht:

Das Mischungsverhaltnis der einzelnen Halogenalkane hangt von den Reaktionsbedingungen und dem Reaktionsverlauf ab und ist in der Reaktionsgleichung vollkommen willkurlich gewahlt, also nicht reprasentativ.

Die Reaktion mit Chlor wird schon bei geringer Energiezufuhr in Form von ultraviolettem Licht ausgelost ? der hohe Ertrag der Reaktion pro Energieeinheit weist darauf hin, dass es sich um eine Kettenreaktion handelt. Bei dieser wird, wenn erst einmal ein Halogenradikal vorhanden ist, durch den Reaktionsverlauf bestandig ein neues nachgebildet, jedenfalls so lange, bis der Uberschuss an Halogenatomen abgebaut ist. Es handelt sich hier also um eine radikalische Substitution .

Wie bei jeder Kettenreaktion existieren bei den Halogenierungsreaktionen drei Schritte:

• Initiierung: Die zweiatomigen Halogenmolekule werden zum Beispiel durch energiereiche Lichteinstrahlung homolytisch, also bei symmetrischer Aufteilung der Elektronen, in Radikale aufgespalten:

${\displaystyle \mathrm {X_{2}\rightarrow X{\cdot }+X{\cdot },X=(F,Cl,Br)} }$

• Propagierung Schritt 1: Ein Halogenradikal lost ein Wasserstoffatom aus einem Alkanmolekul heraus und lasst ein Alkylradikal zuruck:

${\displaystyle \mathrm {R{-}H+X{\cdot }\rightarrow R{\cdot }+HX} }$

• Propagierung Schritt 2: Ein Alkylradikal lost aus einem Halogenmolekul ein Halogenatom heraus und lasst ein Halogenradikal zuruck:

${\displaystyle \mathrm {R{\cdot }+X_{2}\rightarrow R{-}X+X{\cdot }} }$

Schritt 1 und Schritt 2 wechseln sich bei der Reaktion kontinuierlich ab ? es entsteht aus wenigen anfanglichen Chlorradikalen eine immer großere Zahl an Reaktionsprodukten.

• Terminierung: Die Reaktion stoppt, wenn die Wahrscheinlichkeit zweier Radikale, aufeinanderzutreffen, großer wird als diejenige, auf ein Ausgangsprodukt (oder ein noch nicht vollstandig halogenisiertes Alkan) zu treffen. Es kommt in diesem Fall zur Rekombination:

${\displaystyle {\begin{aligned}\mathrm {X{\cdot }+X{\cdot }} &\rightarrow \mathrm {X_{2}} \\\mathrm {R{\cdot }+R'{\cdot }} &\rightarrow \mathrm {R{-}R'} \\\mathrm {X{\cdot }+R{\cdot }} &\rightarrow \mathrm {X{-}R} \end{aligned}}}$

Obwohl auch die letzte dieser Terminierungsreaktionen zu Halogenalkanen fuhrt, ist die Zahl der so erzeugten Produkte vernachlassigbar gegenuber der Zahl der bei der Kettenreaktion entstandenen.

In der vorstehenden Betrachtung wurde keine Aussage dazu gemacht, welche Wasserstoffatome im Falle eines gegebenen Alkans zuerst ersetzt werden. Fur die wichtigsten Falle des Methans oder Ethans stellt sich diese Frage nicht, da alle Wasserstoffatome aquivalent sind. Ab dem Propan sind jedoch manche von ihnen an sekundare oder tertiare Kohlenstoffatome gebunden, also solche mit zwei beziehungsweise drei Bindungen zu anderen Kohlenstoffatomen. Diese Bindungen sind schwacher, was sich bei Halogenierungen dadurch auswirkt, dass bevorzugt die an einem sekundaren beziehungsweise gar tertiaren Kohlenstoff sitzenden Wasserstoffatome durch Halogene ersetzt werden.

Beispiel: 2-Chlorpropan CH ₃ ?CHCl?CH ₃ tritt im Vergleich zum 1-Chlorpropan CH ₂ Cl?CH ₂ ?CH ₃ als Reaktionsprodukt haufiger auf, als dies statistisch zu erwarten ware.

Die Reaktionsraten sind fur die vier Halogene extrem unterschiedlich. Bei 27 °C betragt das Verhaltnis

F : Cl : Br : I = 140.000 : 1300 : 9 · 10 ^?8  : 2 · 10 ^?19 .

Daraus lasst sich der unterschiedliche Verlauf der Reaktionen schon ablesen: Mit Fluor reagieren die Alkane kaum kontrollierbar, mit Chlor moderat, mit Brom schwach und nur unter Lichteinwirkung, mit Iod dagegen praktisch gar nicht.

Die Iodierung ist sogar energetisch ungunstig, daher wird Iod bei Halogenisierungsreaktionen als Radikalfanger verwendet, um die Kettenreaktionen abzubrechen. Durch Anhalten der Substitutionsreaktion lasst sich diese teilweise steuern, um die Ausbeute eines bestimmten Reaktionsproduktes zu erhohen.

Technisch von Bedeutung sind vor allem chlorierte und fluorierte Methangase, die Reaktion zu ihnen kann allerdings zur Explosion fuhren. Trichlormethan wurde fruher unter dem Namen Chloroform als Narkosemittel eingesetzt, Fluor-Chlor-Kohlenwasserstoffe dienten lange Zeit als Treibmittel, bis sie durch ihre schadlichen Einwirkungen auf die Ozonschicht der Erde an Bedeutung verloren.

Chemisch nachweisbar sind Halogenalkane mit Hilfe der Beilsteinprobe .

Cracken und Reformierung

Wichtige Reaktionen bei der Aufbereitung von Rohol sind das Cracken und die Reformierung .

Bei Ersterem werden aus hoheren Alkanen unter hohem Druck und bei hoher Temperatur die wesentlich begehrteren niederen Alkane gewonnen. An Katalysatoren wie Aluminiumoxid kommt es zur Aufspaltung von C-C-Bindungen. Beispiel

Durch Rekombination setzen sich diese wieder zu neuen Alkanen zusammen. Beispiel:

Durch geeignete Reaktionsbedingungen lasst sich sicherstellen, dass als Folge dieser Reaktionen in erster Linie kurze Alkanmolekule entstehen. Auf demselben Wege lassen sich auch storende Nebenreaktionen wie die Bildung von Alkenen weitgehend unterbinden. Meist wird beim Cracking noch Wasserstoff zugesetzt, um Verunreinigungen wie Schwefel oder Stickstoff zu entfernen ? man spricht dann entsprechend vom Hydrocracking .

Die Reformierung ist dagegen bei Alkangemischen notwendig, die als Benzin Einsatz finden sollen. Dazu werden unverzweigte Alkane, die fur diesen Zweck ungunstige Verbrennungseigenschaften haben, an Katalysatoren in verzweigte Alkane und Arene , also aromatische Kohlenwasserstoffe, umgewandelt.

Weitere Reaktionen

Mithilfe von Nickel -Katalysatoren kann aus den Alkanen bei einer Reaktion mit Wasserdampf Wasserstoff gewonnen werden. Weitere Reaktionen der Alkane sind die Sulfochlorierung und die Nitrierung , eine Reaktion mit Salpetersaure, die aber beide besondere Bedingungen erfordern. Technisch weitaus bedeutender ist die Fermentation zu Alkansauren .

Gefahren

Alkane konnen aufgrund ihrer Brennbarkeit eine Gefahr darstellen; mit zunehmenden Kohlenstoffanteilen steigt allerdings auch der Flammpunkt. Alle gasformigen und flussigen Alkane bis zu einem Flammpunkt von 55 °C bilden mit Luft bzw. Sauerstoff explosionsfahige Gemische .

Alkane sind zudem Gefahrstoffe aufgrund ihrer gesundheitsschadlicher Eigenschaften, ihr MAK -Wert ist aber relativ hoch angesetzt. Fur Pentan betragt er 3000 mg/m³, ^[13] fur Hexan nur 180 mg/m³. ^[14] Pentan, Hexan, Heptan und Octan sind daruber hinaus umweltgefahrlich und hohere Alkane sind meist nur noch reizend eingestuft oder gar keine Gefahrstoffe mehr.

Darstellung

Die Alkane mit wenigen Kohlenstoffatomen konnen aus den Elementen selbst hergestellt werden; hohere Alkane mussen nach dem Bergius-Verfahren unter hohem Druck produziert werden. Einige der Reaktionen haben einen eigenen Namen erhalten.

Die Darstellung von Alkanen kann auf mehrere Weisen erfolgen:

• uber katalytische Hydrierung von Alkenen , etwa gemaß

• Darstellung aus Halogenalkanen mit Hilfe von Wasserstoff . Beispiel:

• uber die Kolbe-Elektrolyse ; hierbei werden Alkancarboxylate zum Radikal reduziert, das unter Kohlendioxidabgabe in Alkylreste zerfallt, diese dimerisieren zu Alkanen.

• uber die Wurtzsche Synthese , hierbei entstehen Alkane unter Bildung von Metallhalogeniden aus Halogenalkanen und Metallorganylen. Allgemeine Reaktionsgleichung:

• uber das Bergius-Verfahren , die Herstellung der Alkane erfolgt unter hohem Druck aus Kohle und Wasserstoff.

• uber das Fischer-Tropsch-Verfahren , die Herstellung von flussigen Alkanen erfolgt aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff . Beispiel:

Im Jahre 1985 wurde eines der langsten jemals synthetisierten Alkane dargestellt; es besteht aus Molekulen mit einer Kettenlange von genau 390 Kohlenstoffatomen (C ₃₉₀ H ₇₈₂ ).

Vorkommen

Alkane kommen sowohl auf der Erde als auch im Sonnensystem vor, allerdings nur etwa die ersten 100, die meisten davon lediglich in Spuren. Von großer Bedeutung auf anderen Himmelskorpern sind in erster Linie die leichten Kohlenwasserstoffe: So konnten die beiden Gase Methan und Ethan sowohl im Schweif des Kometen Hyakutake als auch in einigen Meteoriten , den so genannten kohligen Chondriten nachgewiesen werden. Sie bilden zudem einen wichtigen Anteil der Atmospharen der außeren Gasplaneten Jupiter , Saturn , Uranus und Neptun . Auf dem Saturnmond Titan wurden sogar lange Zeit ganze Ozeane aus diesen und langkettigeren Alkanen vermutet, heute geht man allerdings davon aus, dass allenfalls kleinere Seen aus Ethan existieren. Auf dem Mars wurden Methanspuren in der Atmosphare entdeckt, was den bisher starksten Hinweis auf Lebewesen (Bodenbakterien) auf diesem Planeten darstellt.

Auf der Erde kommt Methan in Spuren in der Atmosphare vor, der Gehalt betragt etwa 0,0001 Prozent oder 1 ppm (?parts per million“) und wird in erster Linie von den bakterienartigen Archaeen erzeugt. Der Gehalt in den Ozeanen ist aufgrund der fehlenden Loslichkeit in Wasser vernachlassigbar, Methan findet sich allerdings unter hohem Druck und bei niedriger Temperatur in Wassereis eingefroren am Grunde der Meere als so genanntes Methanhydrat . Obwohl es bis heute nicht kommerziell abgebaut werden kann, ubersteigt der Brennwert der bekannten Methanhydratfelder den Energiegehalt aller Erdgas- und Erdolvorkommen zusammengerechnet um ein Mehrfaches ? aus Methanhydrat gewonnenes Methan gilt daher als Kandidat fur zukunftige Brennstoffe.

Die heute wichtigsten kommerziellen Quellen fur Alkane sind jedoch eindeutig Erdgas und Erdol , die als einzige organische Verbindungen mineralisch in der Natur vorkommen. Erdgas enthalt in erster Linie Methan und Ethan, daneben auch Propan und Butan, Erdol besteht dagegen aus einem Gemisch flussiger Alkane und anderer Kohlenwasserstoffe. Beide entstanden, als tote Meerestiere unter Sauerstoffabschluss von Sedimenten bedeckt und im Verlauf vieler Millionen Jahre bei hohen Temperaturen und hohem Druck zu den jeweiligen Naturstoffen umgewandelt wurden. Erdgas entstand dabei beispielsweise durch folgende Reaktion:

Sie sammelten sich dann in porosen Gesteinen, die nach oben durch undurchlassige Schichten abgedichtet waren. Anders als Methan, das standig in großem Maße neu gebildet wird, entstehen hohere Alkane in der Natur nicht in nennenswertem Umfang neu. Ihr Vorkommen wird in einigen Jahrzehnten daher erschopft sein.

Feste Alkane kommen als Verdunstungsruckstand zutage getretenen Erdols, als so genanntes Erdwachs vor. Eines der großten Vorkommen naturlicher fester Alkane befindet sich im so genannten Asphaltsee von La Brea auf der Karibik -Insel Trinidad .

Verwendung und Weiterverarbeitung

Alkane sind zum einen bedeutende Grundstoffe der chemischen Industrie , wo sie zum Beispiel zu Kunststoffen weiterverarbeitet werden, zum anderen die wichtigsten Brennstoffe der Weltwirtschaft.

Ausgangspunkt der Verarbeitung sind immer Erdgas und Erdol. Letzteres wird in der Erdolraffinerie durch fraktionierte Destillation aufgetrennt und dann zu vielen weiteren wichtigen Produkten wie Benzin weiterverarbeitet. Dazu wird ausgenutzt, dass unterschiedliche ?Fraktionen“ des Rohols unterschiedliche Siedepunkte besitzen und so leicht voneinander getrennt werden konnen. Innerhalb der einzelnen Fraktionen liegen die Siedepunkte dagegen eng beieinander.

Das jeweilige Einsatzgebiet eines bestimmten Alkans lasst sich recht gut nach der Zahl der enthaltenen Kohlenstoffatome einteilen, obwohl die folgende Abgrenzung idealisiert ist und nicht streng gilt:

Die ersten vier Alkane werden hauptsachlich fur Heiz- und Kochzwecke verwendet. Methan und Ethan sind die Hauptbestandteile von Erdgas; sie werden normalerweise unter Druck in gasformigem Zustand gelagert. Ihr Transport ist allerdings im flussigen Zustand gunstiger, das Gas muss zu diesem Zweck dann durch hohen Druck komprimiert werden.

Propan und Butan lassen sich dagegen schon durch niedrigen Druck verflussigen und kommen daher im Flussiggas vor, das als Kraftstoff benutzt wird ? als Autogas in Verbrennungsmotoren und in der Landwirtschaft beim Antrieb von Traktoren. Propan kommt zum Beispiel im Propangasbrenner, Butan in Feuerzeugen zum Einsatz ? beim Austritt geht die unter leichtem Druck stehende Flussigkeit, die zu 95 Prozent aus n -Butan und zu 5 Prozent aus iso -Butan besteht, in ein Gemisch aus Gas und feinen Tropfchen uber und lasst sich so leicht entzunden. Daneben werden die beiden Alkane als Treibmittel in Spraydosen genutzt.

Pentan bis Octan sind leicht fluchtige Flussigkeiten und daher als Brennstoff in gewohnlichen Verbrennungsmotoren brauchbar, da sie beim Eintritt in die Verbrennungskammer leicht in den gasformigen Zustand ubergehen und dort keine Tropfchen bilden, was die Gleichmaßigkeit der Verbrennung beeintrachtigen wurde. Im Treibstoff sind nur verzweigte Alkane erwunscht, weil sie nicht wie die unverzweigten leicht zur Fruhzundung neigen. Ein Maß fur die Fruhzundung einer Benzinart ist ihre Oktanzahl . Sie gibt an, in welchem Maße ein Stoff zur fruhzeitigen Selbstentzundung neigt. Als Bezugszahl fur die Oktanwerte wurden willkurlich die zwei Alkane Heptan ( n -Heptan) und iso -Octan (2,2,4-Trimethylpentan) gewahlt, die jeweils die Oktanzahl 0 (Heptan, neigt zu Fruhzundung) und die Oktanzahl 100 ( iso -Octan, neigt kaum zur Selbstentzundung) erhielten. Die Oktanzahl eines Treibstoffes gibt an, wie viel Vol.-% iso -Octan in einer Mischung aus iso -Octan und Heptan seinen Klopfeigenschaften entspricht. Neben ihrer Funktion als Brennstoff sind die mittleren Alkane auch gute Losungsmittel fur unpolare Substanzen.

Alkane von Nonan bis etwa zum Hexadecan, einem Alkan mit sechzehn Kohlenstoffatomen, sind Flussigkeiten von hoherer Viskositat , sind also zahflussiger und eignen sich daher mit zunehmender Kohlenstoffzahl immer schlechter fur den Einsatz in gewohnlichem Benzin. Sie bilden stattdessen den Hauptbestandteil von Dieselkraftstoff und Flugbenzin . Da sich die Wirkweise eines Dieselmotors oder einer Turbine grundlegend von derjenigen eines Otto-Motors unterscheidet, spielt ihre großere Zahflussigkeit hier keine Rolle. Wegen seines hohen Gehalts an langkettigen Alkanen kann Dieselkraftstoff bei tiefen Temperaturen allerdings fest werden, ein Problem, das sich hauptsachlich in polnahen Gebieten stellt. Schließlich sind die angegebenen Alkane Teil des Petroleums und wurden fruher in Petroleumlampen eingesetzt.

Alkane vom Hexadecan aufwarts bilden die wichtigsten Bestandteile von Heizol und Schmierol . In letzterer Funktion wirken sie gleichzeitig als Antikorrosionsmittel , da durch ihre hydrophobe Art kein Wasser an die korrosionsgefahrdeten Teile gelangen kann. Viele feste Alkane finden Verwendung als Paraffinwachs , aus dem zum Beispiel Kerzen hergestellt werden konnen. Es sollte allerdings nicht mit echtem Wachs verwechselt werden, das in erster Linie aus Estern besteht.

Alkane mit einer Kettenlange von etwa 35 oder mehr Kohlenstoffatomen finden sich in Asphalt , werden also unter anderem als Straßenbelag eingesetzt. Insgesamt haben die hoheren Alkane allerdings wenig Bedeutung und werden deshalb meist durch Cracken in niedere Alkane zerlegt.

Alkane in der belebten Natur

Alkane kommen in der Natur auf vielfaltige Weise vor, zahlen aber biologisch nicht zu den essentiellen Stoffen .

Alkane bei Bakterien und Archaeen

Bestimmte Bakterienarten setzen Alkane in ihrem Stoffwechsel um. Dabei werden geradzahlige Kohlenstoffketten von ihnen bevorzugt, weil diese leichter abbaubar sind als ungeradzahlige.

Umgekehrt produzieren manche Archaeen , die so genannten Methanbildner , in großen Mengen das leichteste Alkan, Methan, aus Kohlendioxid. Die dazu notwendige Energie gewinnen sie durch Oxidation molekularen Wasserstoffs:

Methanbildner sind auch die Erzeuger des in Mooren und Sumpfen freiwerdenden Sumpfgases, das auf ahnliche Weise in den Faulturmen der Klarwerke entsteht, und setzen jahrlich etwa zwei Milliarden Tonnen Methan frei ? der atmospharische Gehalt an diesem Gas ist praktisch ausschließlich von ihnen erzeugt worden.

Auch der Methanausstoß der Cellulose verdauenden Pflanzenfresser, u. a. den Wiederkauern ? speziell den Rindern , die taglich bis zu 150 Liter freisetzen konnen ? bis zu den Termiten geht letztlich auf Methanbildner zuruck. In ? allerdings kleinerem ? Maßstab produzieren sie dieses einfachste aller Alkane auch im Darm des Menschen. Methanbildende Archaeen sind daher entscheidend am Kohlenstoffkreislauf beteiligt, in dem sie photosynthetisch gebundenen Kohlenstoff wieder in die Atmosphare zuruckfuhren. Die heutigen Erdgasvorkommen gehen wahrscheinlich zu einem großen Teil auf diese Lebewesengruppe zuruck.

Alkane bei Pilzen und Pflanzen

Auch bei den drei eukaryotischen Hauptgruppen der Lebewesen, den Pilzen , Pflanzen und Tieren spielen Alkane eine gewisse, wenn auch insgesamt untergeordnete Rolle. Bei Ersteren treten hauptsachlich die fluchtigeren Vertreter auf und zwar in den Sporen ; einige spezialisierte Hefen , die Alkanhefen , nutzen Alkane zudem als Energie- und Kohlenstoffquelle. Der Kerosinpilz ( Amorphotheca resinae ) verstoffwechselt bevorzugt Flugbenzin aus langkettigen n -Alkanen.

Bei Pflanzen finden sich neben verzweigten, cyclischen, ungesattigten und Heterokomponenten enthaltenden organischen Substanzen in erster Linie die langkettigen festen Vertreter; sie bilden zusammen mit den anderen Verbindungen bei fast allen eine feste Wachsschicht, welche die an der Luft freiliegende Außenhaut, die Cuticula , bedeckt. Ihre Funktion liegt zum einen im Schutz gegen Austrocknung, zum anderen in der Vorsorge gegen Auswaschung wichtiger Minerale durch Regen und schließlich in der Abwehr von Bakterien, Pilzen und Schadinsekten ? Letztere sinken mit ihren Beinen oft in die weiche wachsartige Substanz ein und werden dadurch beim Laufen behindert. Auch die glanzende Schicht auf Fruchten wie Apfeln besteht aus langkettigen Alkanen. Die Kohlenstoffketten sind meist zwischen zwanzig und vierzig Atome lang und haben Alkansauren als Vorlauferverbindungen in der Wachssynthese der Pflanzen. Da die Alkansauren aus C ₂ -Einheiten aufgebaut werden (Citratcyclus) und Alkane durch Verlust der Carboxygruppe ? der Decarboxylierung ? gebildet werden, weisen Blattwachsalkane hoherer Landpflanzen eine ungeradzahlige Kohlenstoffzahlbevorzugung im oben genannten Kohlenstoffzahlbereich auf. Die genaue Zusammensetzung der Wachsschicht ist nicht nur artabhangig, sondern wechselt auch mit der Jahreszeit und hangt zudem von Umweltfaktoren wie Lichtverhaltnissen, Temperatur oder Luftfeuchte ab. Jedoch wurde herausgefunden, dass insbesondere Graser, am deutlichsten Graser der tropischen und subtropischen Vegetationszonen (in Steppen und Savannen ) sich im Vergleich zu Baumen und Strauchern deutlich in den Kettenlangenverteilungsmustern der Alkane durch einen leichten Versatz zu langeren Kohlenstoffketten auszeichnen. Diese Tatsache nutzen z. B. Agrarwissenschaftler in der Ernahrungsforschung von Herbivoren , als auch Klimaforscher zur Beurteilung der klimaabhangigen Grasverteilung der Erde in der geologischen Vergangenheit.

Alkane bei Tieren

Bei Tieren treten Alkane in olhaltigen Geweben auf, spielen dort im Gegensatz zu den ungesattigten Kohlenwasserstoffen aber keine bedeutende Rolle. Ein Beispiel ist die Haileber, aus der sich ein Ol gewinnen lasst, das zu etwa 14 Prozent aus Pristan besteht, einem Alkan mit der Strukturbezeichnung 2,6,10,14-Tetramethylpentadecan (C ₁₉ H ₄₀ ). Wichtiger ist das Vorkommen in Pheromonen , chemischen Botenstoffen, auf die vor allem Insekten zur Kommunikation angewiesen sind. Bei manchen Arten, wie dem Bockkafer Xylotrechus colonus , der vor allem n -Pentacosan (C ₂₅ H ₅₂ ), 3-Methylpentacosan (C ₂₆ H ₅₄ ) ^{[S 1]} und 9-Methylpentacosan (C ₂₆ H ₅₄ ) ^{[S 2]} produziert, werden sie durch Korperkontakt ubertragen, so dass man von Kontaktpheromonen spricht. Auch bei anderen wie der Tse-Tse-Fliege Glossina morsitans morsitans , deren Pheromon vorrangig aus den vier Alkanen 2-Methylheptadecan (C ₁₈ H ₃₈ ), ^{[S 3]} 17,21-Dimethylheptatriacontan (C ₃₉ H ₈₀ ), ^{[S 4]} 15,19-Dimethylheptatriacontan (C ₃₉ H ₈₀ ) ^{[S 5]} und 15,19,23-Trimethylheptatriacontan (C ₄₀ H ₈₂ ) ^{[S 6]} besteht, wirken die Stoffe uber Korperkontakt ^[15] und dienen als Sexuallockstoff ? ein Umstand, den man sich bei der Bekampfung dieses Krankheitsubertragers zunutze macht.

Alkane und okologische Beziehungen

Ein Beispiel, bei dem sowohl die pflanzliche als auch die tierische Alkannutzung eine Rolle spielt, bietet die okologische Wechselbeziehung zwischen der zu den Sandbienen ( Andrena ) gehorigen Art Andrena nigroaenea und der zu den Orchideen (Orchidaceae) gezahlten Großen Spinnen-Ragwurz ( Ophrys sphegodes ). Letztere ist zur Bestaubung auf Erstere angewiesen. Auch Sandbienen nutzen zur Partnerfindung Pheromone; im Falle von Andrena nigroaenea setzen die Weibchen der Art ein Gemisch ein, dass aus Tricosan (C ₂₃ H ₄₈ ), Pentacosan (C ₂₅ H ₅₂ ) und Heptacosan (C ₂₇ H ₅₆ ) im Verhaltnis 3:3:1 besteht ? Mannchen werden durch genau diesen Duftstoff angelockt. Die Orchidee macht sich diesen Umstand zunutze ? Teile ihrer Blute ahneln nicht nur optisch den Sandbienen, sondern stromen auch große Mengen der oben genannten drei Substanzen aus ? und zwar in demselben Verhaltnis. Selbst das die Blatter bedeckende Wachs hat die gleiche chemische Zusammensetzung wie der Sexuallockstoff der weiblichen Bienen. Als Resultat werden zahlreiche Mannchen zu den Bluten gelockt und vollfuhren dort so genannte Pseudokopulationen , unternehmen also den Versuch, sich mit einer imaginaren Partnerin auf der Blute fortzupflanzen. Wahrend dieses Unterfangen naturgemaß fur die Bienen nicht von Erfolg gekront ist, wird durch die Kopulationsversuche Pollen auf das jeweilige Insekt ubertragen, der nach frustriertem Abzug desselben zu anderen Bluten verbracht werden kann, also der Fortpflanzung der Orchidee dient. Die Spinnen-Ragwurz ist durch diesen als chemische Mimikry bezeichneten Alkaneinsatz in der Lage, auf die energieintensive Produktion konventioneller Insektenlockmittel weitgehend zu verzichten. ^[16]

Literatur

• Peter W. Atkins : Kurzlehrbuch Physikalische Chemie. Wiley-VCH, Weinheim 2001, ISBN 3-527-30433-9 .
• Peter Pfeifer, Roland Reichelt (Hrsg.): H ₂ O & Co Organische Chemie. Oldenbourg, Munchen 2003, ISBN 3-486-16032-X .
• Kurt Peter C. Vollhardt , Neil E. Schore : Organische Chemie. Wiley-VCH, Weinheim 2000, ISBN 3-527-29819-3 .
• Eberhard Breitmaier , Gunther Jung : Organische Chemie. Thieme, Stuttgart 2001, ISBN 3-13-541504-X .
• F. Rommerskirchen, A. Plader, G. Eglinton, Y. Chikaraishi, J. Rullkotter: Chemotaxonomic significance of distribution and stable carbon isotopic composition of long-chain alkanes and alkan-1-ols in C ₄ grass waxes. In: Organic Geochemistry , 37, 2006, S. 1303?1332; doi:10.1016/j.orggeochem.2005.12.013 .

Weblinks

• Enzyklopadie: Struktur, Bindungsverhaltnisse, Vorkommen, Verwendung, Eigenschaften und Aufbau, Cracking
• Eigenschaften, Vorkommen, Nomenklatur und Isomere
• Schulergerechte Erlauterungen

Einzelnachweise

1. ↑ Eintrag zu alkanes. In: IUPAC (Hrsg.): Compendium of Chemical Terminology . The “Gold Book”. doi : 10.1351/goldbook.A00222 .
2. ↑ Der Brockhaus, Naturwissenschaft und Technik , Mannheim; Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 2003.
3. ↑ Uwe Meierhenrich : Amino Acids and the Asymmetry of Life , Springer-Verlag, Heidelberg / Berlin 2008, ISBN 978-3-540-76885-2 .
4. ↑ Henri A. Favre, Warren H. Powell (Hrsg.): Nomenclature of Organic Chemistry: IUPAC Recommendations and Preferred Names 2013 . Royal Soc. of Chemistry [u. a.], Cambridge 2014, ISBN 978-0-85404-182-4 , Kapitel P-14 (englisch, qmul.ac.uk [abgerufen am 24. Marz 2024]).  
5. ↑ Nils O. B. Luttschwager, Tobias N. Wassermann, Ricardo A. Mata, Martin A. Suhm: Das letzte Alkan mit gestreckter Grundzustandskonformation . In: Angewandte Chemie . Band   124 , Nr.   39 , 2012, S.   482?485 , doi : 10.1002/ange.201202894 .  
6. ↑ Siegfried Hauptmann, Jurgen Graefe, Horst Remane: Lehrbuch der Organischen Chemie . VEB Deutscher Verlag fur Grundstoffindustrie, Leipzig 1976. DNB 770047483
7. ↑ Liste der Stereoisomere der Alkane ( OEIS Liste A000628 ) Abgerufen am 23. Juli 2017.
8. ↑ Shinsaku Fujita: Alkanes as Stereoisomers. Enumeration by the Combination of Two Dichotomies for Three-Dimensional Trees . In: Communications in Mathematical and in Computer Chemistry . Band   57 , 2007, S.   299?340 ( kg.ac.rs [PDF]).  
9. ↑ Anzahl der Konstitutionsisomere bis 100 C-Atome Abgerufen am 22. Juli 2017.
10. ↑ Sascha Kurz: Anzahl von Strukturisomeren der Alkane. Abgerufen am 14. Marz 2024 (Script der Universitat Bayreuth).  
11. ↑ Arnold Arni: Grundkurs Chemie I und II , Wiley-VCH, 2011, ISBN 978-3-527-33068-3 , S. 18?19.
12. ↑ David R. Lide (Hrsg.): CRC Handbook of Chemistry and Physics . 90. Auflage. (Internet-Version: 2010), CRC Press / Taylor and Francis, Boca Raton FL, Heat of Combustion , S. 5-70.
13. ↑ Eintrag zu CAS-Nr. 109-66-0 in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFA , abgerufen am 29. Juni 2015. (JavaScript erforderlich)
14. ↑ Eintrag zu CAS-Nr. 110-54-3 in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFA , abgerufen am 29. Juni 2015. (JavaScript erforderlich)
15. ↑ D. A. Carlson, P.A. Langley, P. Huyton: Sex pheromone of the tsetse fly: isolation, identification, and synthesis of contact aphrodisiacs. In: Science , 201, 1978. S. 750?753; doi:10.1126/science.675256 .
16. ↑ M. Ayasse, W. Francke, B. S. Hansson, F. Ibarra, C. Lofstedt, H. F. Paulus, F. P. Schiestl: Orchid pollination by sexual swindle. In: Nature , 399, 1999, S. 421; doi:10.1038/20829 .

Anmerkungen

1. ↑ Externe Identifikatoren von bzw. Datenbank-Links zu 3-Methylpentacosan : CAS-Nummer: 6902-54-1 , PubChem : 189001 , Wikidata : Q82977465 .
2. ↑ Externe Identifikatoren von bzw. Datenbank-Links zu 9-Methylpentacosan : CAS-Nummer: 75164-00-0 , PubChem : 526129 , Wikidata : Q82102036 .
3. ↑ Externe Identifikatoren von bzw. Datenbank-Links zu 2-Methylheptadecan : CAS-Nummer: 1560-89-0 , PubChem : 15265 , Wikidata : Q68757516 .
4. ↑ Externe Identifikatoren von bzw. Datenbank-Links zu 17,21-Dimethylheptatriacontan : CAS-Nummer: 67979-79-7 , PubChem : 522288 , Wikidata : Q125626539 .
5. ↑ Externe Identifikatoren von bzw. Datenbank-Links zu 15,19-Dimethylheptatriacontan : CAS-Nummer: 36118-45-3 , EG-Nummer: 252-878-1 , ECHA -InfoCard: 100.048.057 , PubChem : 524190 , Wikidata : Q7263415 .
6. ↑ Externe Identifikatoren von bzw. Datenbank-Links zu 15,19,23-Trimethylheptatriacontan : CAS-Nummer: 29166-72-1 , EG-Nummer: 629-522-2 , ECHA -InfoCard: 100.157.697 , PubChem : 3571581 , Wikidata : Q21512238 .