Alkan - Alkane

Chemische Struktur von Methan , dem einfachsten Alkan

In der organischen Chemie ist ein Alkan oder Paraffin (ein historischer Trivialname , der auch andere Bedeutungen hat ) ein azyklischer gesättigter Kohlenwasserstoff . In anderen Worten besteht ein Alkan mit Wasserstoff und Kohlenstoffatomen in einer angeordneten Baumstruktur , in der alle Kohlenstoff-Kohlenstoff - Bindungen sind Einzel . Alkane haben die allgemeine chemische Formel C n H 2 n +2 . Die Komplexität der Alkane reicht vom einfachsten Fall von Methan (CH 4 ) mit n  = 1 (manchmal auch als Stammmolekül bezeichnet) bis hin zu beliebig großen und komplexen Molekülen wie Pentacontan (C 50 H 102 ) oder 6-Ethyl-2- Methyl-5-(1-methylethyl)octan, ein Isomer von Tetradecan (C 14 H 30 ).

Die International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) definiert Alkane als "acyclische verzweigte oder unverzweigte Kohlenwasserstoffe mit der allgemeinen Formel C n H 2 n +2 , die daher vollständig aus Wasserstoffatomen und gesättigten Kohlenstoffatomen bestehen". Jedoch verwenden einige Quellen den Begriff, um jeden gesättigten Kohlenwasserstoff zu bezeichnen , einschließlich solcher, die entweder monozyklisch (dh die Cycloalkane ) oder polyzyklisch sind, obwohl sie eine unterschiedliche allgemeine Formel haben (dh Cycloalkane sind C n H 2 n ).

In einem Alkan ist jedes Kohlenstoffatom sp 3 -hybridisiert mit 4 Sigma-Bindungen (entweder C–C oder C–H ), und jedes Wasserstoffatom ist mit einem der Kohlenstoffatome (in einer C–H-Bindung) verbunden. Die längste Reihe von verbundenen Kohlenstoffatomen in einem Molekül wird als Kohlenstoffgerüst oder Kohlenstoffrückgrat bezeichnet. Die Anzahl der Kohlenstoffatome kann als die Größe des Alkans angesehen werden.

Eine Gruppe der höheren Alkanen sind Wachse , Feststoffe bei Standardumgebungstemperatur und -druck (SATP), für die die Anzahl der Kohlenstoffatome in dem Kohlenstoffgerüst größer ist als etwa 17. Mit ihrer wiederholten -CH 2 Einheiten bilden die Alkane eine homologe Reihe organischer Verbindungen, bei denen sich die Mitglieder in der Molekülmasse um Vielfache von 14,03  u unterscheiden (die Gesamtmasse jeder dieser Methylenbrückeneinheiten , die ein einzelnes Kohlenstoffatom der Masse 12,01 u und zwei Wasserstoffatome der Masse jeweils ~1,01 u umfasst) .

Methan wird von methanogenen Bakterien produziert und einige langkettige Alkane fungieren als Pheromone bei bestimmten Tierarten oder als Schutzwachse bei Pflanzen und Pilzen. Trotzdem haben die meisten Alkane keine große biologische Aktivität . Sie können als molekulare Bäume angesehen werden, an denen die aktiveren/reaktiveren funktionellen Gruppen biologischer Moleküle befestigt werden können.

Die Alkane haben zwei kommerzielle Hauptquellen: Erdöl (Rohöl) und Erdgas .

Eine Alkylgruppe ist ein Molekülfragment auf Alkanbasis, das eine offene Valenz für die Bindung trägt. Sie werden im Allgemeinen mit dem Symbol für eine beliebige Organylgruppe, R, abgekürzt, obwohl Alk manchmal verwendet wird, um speziell eine Alkylgruppe zu symbolisieren (im Gegensatz zu einer Alkenylgruppe oder Arylgruppe).

Struktur und Klassifizierung

Normalerweise beträgt der CC-Einfachbindungsabstand 1.53 Å. Gesättigte Kohlenwasserstoffe können linear, verzweigt oder zyklisch sein . Die dritte Gruppe wird manchmal als Cycloalkane bezeichnet . Durch Kombination von linearen, verzweigten, cyclischen Alkanen sind sehr komplizierte Strukturen möglich.

Isomerie

C 4 -Alkane und Cycloalkane (von links nach rechts): n- Butan und Isobutan sind die beiden C 4 H 10 -Isomere; Cyclobutan und Methylcyclopropan sind die beiden C 4 H 8 -Alkanisomere.
Bicyclo[1.1.0]butan ist das einzige C 4 H 6 -Alkan und hat kein Alkanisomer; Tetraeder (unten) ist das einzige C 4 H 4 -Alkan und hat somit kein Alkanisomer.

Alkane mit mehr als drei Kohlenstoffatomen können auf verschiedene Weise zu Strukturisomeren angeordnet werden . Das einfachste Isomer eines Alkans ist dasjenige, bei dem die Kohlenstoffatome in einer einzigen Kette ohne Verzweigungen angeordnet sind. Dieses Isomer wird manchmal als n- Isomer bezeichnet ( n für "normal", obwohl es nicht unbedingt das häufigste ist). Die Kette der Kohlenstoffatome kann jedoch auch an einer oder mehreren Stellen verzweigt sein. Die Zahl der möglichen Isomere nimmt mit der Zahl der Kohlenstoffatome schnell zu. Zum Beispiel für azyklische Alkane:

Verzweigte Alkane können chiral sein . Zum Beispiel sind 3-Methylhexan und seine höheren Homologen aufgrund ihres stereogenen Zentrums am Kohlenstoffatom Nummer 3 chiral . Die obige Liste enthält nur Unterschiede in der Konnektivität, nicht in der Stereochemie. Zusätzlich zu den Alkanisomeren kann die Kette der Kohlenstoffatome einen oder mehrere Ringe bilden. Solche Verbindungen werden Cycloalkane genannt und sind ebenfalls aus der obigen Liste ausgeschlossen, da eine Änderung der Anzahl der Ringe die Summenformel ändert . Zum Beispiel cyclobutan und methylcyclopropan ist Isomere voneinander (C 4 H 8 ), ist aber nicht Isomeren von Butan (C 4 H 10 ).

Nomenklatur

Die IUPAC-Nomenklatur (Systematic Way of Benennung von Verbindungen) für Alkane basiert auf der Identifizierung von Kohlenwasserstoffketten. Unverzweigte, gesättigte Kohlenwasserstoffketten werden systematisch mit einem griechischen Zahlenpräfix für die Anzahl der Kohlenstoffatome und dem Suffix „-an“ benannt.

1866 schlug August Wilhelm von Hofmann vor, die Nomenklatur zu systematisieren, indem er die gesamte Folge der Vokale a, e, i, o und u verwendet, um die Suffixe -ane, -ene, -ine (oder -yne), -one, -une, for . zu bilden die Kohlenwasserstoffe C n H 2 n +2 , C n H 2 n , C n H 2 n –2 , C n H 2 n –4 , C n H 2 n –6 . In der modernen Nomenklatur benennen die ersten drei speziell Kohlenwasserstoffe mit Einfach-, Doppel- und Dreifachbindungen; während "-one" jetzt ein Keton darstellt .

Lineare Alkane

Geradkettige Alkane werden manchmal durch das Präfix "n-" oder " n- " (für "normal") angezeigt, wenn ein nichtlineares Isomer existiert. Obwohl dies nicht unbedingt erforderlich ist , und ist nicht Bestandteil des IUPAC Benennungssystem ist die Verwendung in Fällen nach wie vor üblich , wo man wünscht zwischen den geradkettigen und verzweigtkettigen Isomere, zB „zu betonen oder zu unterscheiden n -butan “ statt einfach "Butan", um es von Isobutan zu unterscheiden . Alternative Namen für diese Gruppe in der Erdölindustrie verwendet werden , sind lineare Paraffine oder n -Paraffinen .

Die ersten sechs Mitglieder der Reihe (in Bezug auf die Anzahl der Kohlenstoffatome) werden wie folgt benannt:

Methan
CH 4 – ein Kohlenstoff und 4 Wasserstoff
Ethan
C 2 H 6 – zwei Kohlenstoff und 6 Wasserstoff
Propan
C 3 H 8 – drei Kohlenstoff und 8 Wasserstoff
Butan
C 4 H 10 – vier Kohlenstoff und 10 Wasserstoff
Pentan
C 5 H 12 – fünf Kohlenstoff und 12 Wasserstoff
Hexan
C 6 H 14 – sechs Kohlenstoff und 14 Wasserstoff

Die ersten vier Namen wurden abgeleitet aus Methanol , Ether , Propionsäure und Buttersäure . Alkane mit fünf oder mehr Kohlenstoffatomen durch Zugabe des genannten Suffix -ane an die entsprechenden numerischen Multiplikators Präfix mit elision von jedem Terminal Vokal ( -a oder -o ) aus dem Grunde numerischen term. Daher Pentan , C 5 H 12 ; Hexan , C 6 H 14 ; Heptan , C 7 H 16 ; Oktan , C 8 H 18 ; usw. Das Zahlenpräfix ist im Allgemeinen griechisch, jedoch verwenden Alkane mit einer Kohlenstoffatomzahl, die auf neun endet, zum Beispiel nonane , das lateinische Präfix non- . Eine vollständigere Liste finden Sie in der Liste der geradkettigen Alkane .

Verzweigte Alkane

Kugel-Stab-Modell von Isopentan (Common Name) oder 2-Methylbutan (IUPAC systematischer Name)

Einfache verzweigte Alkane haben oft einen gebräuchlichen Namen, der ein Präfix verwendet, um sie von linearen Alkanen zu unterscheiden, zum Beispiel n- Pentan , Isopentan und Neopentan .

IUPAC-Namenskonventionen können verwendet werden, um einen systematischen Namen zu erstellen.

Die wichtigsten Schritte bei der Benennung komplizierter verzweigter Alkane sind wie folgt:

  • Identifizieren Sie die längste kontinuierliche Kette von Kohlenstoffatomen
  • Benennen Sie diese längste Wurzelkette mit den Standard-Benennungsregeln
  • Benennen Sie jede Seitenkette, indem Sie das Suffix des Namens des Alkans von "-ane" in "-yl" ändern.
  • Nummerieren Sie die längste fortlaufende Kette, um die kleinstmöglichen Zahlen für die Seitenketten zu erhalten
  • Nummerieren und benennen Sie die Seitenketten vor dem Namen der Wurzelkette
  • Wenn mehrere Seitenketten desselben Typs vorhanden sind, verwenden Sie Präfixe wie "di-" und "tri-", um sie als solche anzugeben, und nummerieren Sie jede davon.
  • Fügen Sie Seitenkettennamen in alphabetischer Reihenfolge (ohne "di-" usw. Präfixe) vor dem Namen der Wurzelkette hinzu
Vergleich der Nomenklaturen für drei Isomere von C 5 H 12
Gemeinsamen Namen n -Pentan Isopentan Neopentan
IUPAC-Name Pentan 2-Methylbutan 2,2-Dimethylpropan
Struktur Pentan-2D-Skelett.svg Isopentan-2D-skelett.png Neopentan-2D-skelett.png

Gesättigte zyklische Kohlenwasserstoffe

Obwohl sie sich technisch von den Alkanen unterscheidet, wird diese Klasse von Kohlenwasserstoffen von einigen als "cyclische Alkane" bezeichnet. Wie aus ihrer Beschreibung hervorgeht, enthalten sie einen oder mehrere Ringe.

Einfache Cycloalkane haben ein Präfix "cyclo-", um sie von Alkanen zu unterscheiden. Cycloalkane werden nach ihren acyclischen Gegenstücken in Bezug auf die Anzahl der Kohlenstoffatome in ihrem Rückgrat benannt, zB Cyclopentan (C 5 H 10 ) ist ein Cycloalkan mit 5 Kohlenstoffatomen wie Pentan (C 5 H 12 ), aber sie sind verbunden in einem fünfgliedrigen Ring auf. In ähnlicher Weise werden Propan und Cyclopropan , Butan und Cyclobutan usw.

Substituierte Cycloalkane werden ähnlich wie substituierte Alkane benannt – der Cycloalkanring ist angegeben und die Substituenten sind entsprechend ihrer Position am Ring angeordnet, wobei die Nummerierung durch die Cahn-Ingold-Prelog-Prioritätsregeln bestimmt wird .

Trivial-/Gemeinsame Namen

Die triviale (nicht- systematische ) Bezeichnung für Alkane ist „Paraffine“. Zusammen werden Alkane als „Paraffin-Reihe“ bezeichnet. Trivialnamen für Verbindungen sind normalerweise historische Artefakte. Sie wurden vor der Entwicklung systematischer Namen geprägt und sind aufgrund des vertrauten Gebrauchs in der Industrie erhalten geblieben. Cycloalkane werden auch Naphthene genannt.

Verzweigtkettige Alkane werden Isoparaffine genannt . "Paraffin" ist ein allgemeiner Begriff und unterscheidet oft nicht zwischen reinen Verbindungen und Isomerengemischen , dh Verbindungen der gleichen chemischen Formel , zB Pentan und Isopentan .

In IUPAC

Die folgenden Trivialnamen werden im IUPAC-System beibehalten:

Nicht-IUPAC

Einige Nicht-IUPAC-Trivialnamen werden gelegentlich verwendet:

Physikalische Eigenschaften

Alle Alkane sind farblos. Alkane mit den niedrigsten Molekulargewichten sind Gase, diejenigen mit mittlerem Molekulargewicht sind Flüssigkeiten und die schwersten sind wachsartige Feststoffe.

Tabelle der Alkane

Alkan Formel Siedepunkt [°C] Schmelzpunkt [°C] Dichte [kg/m 3 ] (bei 20 °C ) Isomere
Methan CH 4 -162 −182 0,656 (Gas) 1
Ethan C 2 H 6 -89 −183 1,26 (Gas) 1
Propan C 3 H 8 −42 −188 2.01 (Gas) 1
Butan C 4 H 10 0 −138 2,48 (Gas) 2
Pentan C 5 H 12 36 −130 626 (flüssig) 3
Hexan C 6 H 14 69 −95 659 (flüssig) 5
Heptan C 7 H 16 98 −91 684 (flüssig) 9
Oktan C 8 H 18 126 −57 703 (flüssig) 18
Nonan C 9 H 20 151 −54 718 (flüssig) 35
Dekan C 10 H 22 174 -30 730 (flüssig) 75
Undecan C 11 H 24 196 −26 740 (flüssig) 159
Dodekan C 12 H 26 216 -10 749 (flüssig) 355
Tridekan C 13 H 28 235 -5,4 756 (flüssig) 802
Tetradecan C 14 H 30 253 5.9 763 (flüssig) 1858
Pentadecan C 15 H 32 270 10 769 (flüssig)
Hexadekan C 16 H 34 287 18 773 (flüssig)
Heptadecan C 17 H 36 303 22 777 (fest)
Octadecan C 18 H 38 317 28 781 (fest)
Nonadecan C 19 H 40 330 32 785 (fest)
Icosane C 20 H 42 343 37 789 (fest)
Triacontan C 30 H 62 450 66 810 (fest)
Tetrakontan C 40 H 82 525 82 817 (fest)
Pentakontan C 50 H 102 575 91 824 (fest)
Hexakontan C 60 H 122 625 100 829 (fest)
Heptacontan C 70 H 142 653 109 869 (fest)

Siedepunkt

Schmelz- (blau) und Siedepunkt (orange) der ersten 16 n- Alkane in °C.

Alkane erfahren intermolekulare Van-der-Waals-Kräfte . Stärkere intermolekulare Van-der-Waals-Kräfte führen zu höheren Siedepunkten von Alkanen.

Es gibt zwei Determinanten für die Stärke der Van-der-Waals-Kräfte:

  • die Anzahl der das Molekül umgebenden Elektronen , die mit dem Molekulargewicht des Alkans zunimmt
  • die Oberfläche des Moleküls

Unter Standardbedingungen sind CH 4 - bis C 4 H 10 -Alkane gasförmig; von C 5 H 12 bis C 17 H 36 sind sie Flüssigkeiten; und nach C 18 H 38 sind sie Feststoffe. Da der Siedepunkt von Alkanen in erster Linie durch das Gewicht bestimmt wird, sollte es nicht überraschen, dass der Siedepunkt nahezu linear mit der Größe ( Molekulargewicht ) des Moleküls zusammenhängt. Als Faustregel gilt, dass der Siedepunkt für jeden der Kette hinzugefügten Kohlenstoff um 20–30 °C ansteigt; diese Regel gilt für andere homologe Serien.

Ein geradkettiges Alkan hat einen höheren Siedepunkt als ein verzweigtkettiges Alkan aufgrund der größeren Kontaktoberfläche und somit der größeren Van-der-Waals-Kräfte zwischen benachbarten Molekülen. Vergleichen Sie beispielsweise Isobutan (2-Methylpropan) und n-Butan (Butan), die bei -12 und 0 °C sieden, sowie 2,2-Dimethylbutan und 2,3-Dimethylbutan, die bei 50 bzw. 58 °C sieden .

Auf der anderen Seite neigen Cycloalkane dazu, höhere Siedepunkte zu haben als ihre linearen Gegenstücke aufgrund der verriegelten Konformationen der Moleküle, die eine intermolekulare Kontaktebene ergeben.

Schmelzpunkte

Die Schmelzpunkte der Alkane folgen aus dem gleichen Grund wie oben beschrieben einem ähnlichen Trend wie die Siedepunkte . Das heißt (bei sonst gleichen Bedingungen) je größer das Molekül, desto höher der Schmelzpunkt. Es gibt einen signifikanten Unterschied zwischen Siedepunkten und Schmelzpunkten. Feststoffe haben eine steifere und festere Struktur als Flüssigkeiten. Diese starre Struktur erfordert Energie, um aufzubrechen. Somit benötigen die besser zusammengesetzten festen Strukturen mehr Energie, um auseinander zu brechen. Bei Alkanen ist dies aus dem obigen Diagramm (dh der blauen Linie) ersichtlich. Die ungeradzahligen Alkane haben einen niedrigeren Schmelzpunkttrend als die geradzahligen Alkane. Dies liegt daran, dass sich gerade nummerierte Alkane gut in der festen Phase packen und eine gut organisierte Struktur bilden, die mehr Energie erfordert, um auseinanderzubrechen. Die ungeradzahligen Alkane packen weniger gut und so erfordert die "lockerer" organisierte feste Packungsstruktur weniger Energie, um auseinanderzubrechen. Für eine Visualisierung der Kristallstrukturen siehe.

Die Schmelzpunkte von verzweigtkettigen Alkanen können entweder höher oder niedriger sein als die der entsprechenden geradkettigen Alkane, wiederum abhängig von der Fähigkeit des betreffenden Alkans, sich gut in der Festphase zu packen.

Leitfähigkeit und Löslichkeit

Alkane leiten weder Elektrizität, noch werden sie durch ein elektrisches Feld wesentlich polarisiert . Aus diesem Grund bilden sie keine Wasserstoffbrückenbindungen und sind in polaren Lösungsmitteln wie Wasser unlöslich. Da die Wasserstoffbrücken zwischen einzelnen Wassermolekülen von einem Alkanmolekül weg ausgerichtet sind, führt die Koexistenz von Alkan und Wasser zu einer Zunahme der molekularen Ordnung ( Entropieverringerung ). Da es keine signifikante Bindung zwischen Wassermolekülen und Alkanmolekülen gibt, schlägt der zweite Hauptsatz der Thermodynamik vor, dass diese Entropiereduzierung durch Minimierung des Kontakts zwischen Alkan und Wasser minimiert werden sollte: Alkane werden als hydrophob bezeichnet, da sie in Wasser unlöslich sind.

Ihre Löslichkeit in unpolaren Lösungsmitteln ist relativ hoch, eine Eigenschaft, die als Lipophilie bezeichnet wird . Alkane sind beispielsweise untereinander in jedem Verhältnis mischbar.

Die Dichte der Alkane nimmt normalerweise mit der Anzahl der Kohlenstoffatome zu, bleibt aber geringer als die von Wasser. Daher bilden Alkane die obere Schicht in einem Alkan-Wasser-Gemisch.

Molekulargeometrie

sp 3 -Hybridisierung in Methan .

Die Molekülstruktur der Alkane beeinflusst direkt ihre physikalischen und chemischen Eigenschaften. Es leitet sich von der Elektronenkonfiguration des Kohlenstoffs ab , der vier Valenzelektronen besitzt . Die Kohlenstoffatome in Alkanen werden als sp 3 -Hybride beschrieben, d. h. die Valenzelektronen befinden sich in guter Näherung in Orbitalen, die auf die Ecken eines Tetraeders gerichtet sind, die sich aus der Kombination des 2s-Orbitals und der drei 2p Orbitale. Geometrisch beträgt der Winkel zwischen den Bindungen cos −1 (−1/3) 109,47°. Dies trifft auf Methan zu, während größere Alkane mit einer Kombination von C–H- und C–C-Bindungen im Allgemeinen Bindungen aufweisen, die innerhalb mehrerer Grade von diesem idealisierten Wert liegen.

Bindungslängen und Bindungswinkel

Ein Alkan hat nur C–H- und C–C-Einfachbindungen. Erstere resultieren aus der Überlappung eines sp 3 -Orbitals von Kohlenstoff mit dem 1s-Orbital eines Wasserstoffs; letzteres durch die Überlappung zweier sp 3 -Orbitale an benachbarten Kohlenstoffatomen. Die Bindungslängen betragen 1.09 × 10 −10  m für eine C–H-Bindung und 1.54 × 10 −10  m für eine C–C-Bindung.

Die tetraedrische Struktur von Methan.

Die räumliche Anordnung der Bindungen ähnelt der der vier sp 3 -Orbitale – sie sind tetraedrisch mit einem Winkel von 109,47 ° zwischen ihnen angeordnet. Strukturformeln, die die Bindungen als rechtwinklig zueinander darstellen, sind zwar üblich und nützlich, geben jedoch die Geometrie nicht genau wieder.

Konformation

Die Strukturformel und die Bindungswinkel reichen meist nicht aus, um die Geometrie eines Moleküls vollständig zu beschreiben. Für jede Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung gibt es einen weiteren Freiheitsgrad : den Torsionswinkel zwischen den Atomen oder Gruppen, die an jedem Ende der Bindung an die Atome gebunden sind. Die durch die Torsionswinkel des Moleküls beschriebene räumliche Anordnung wird als Konformation bezeichnet .

Newman-Projektionen der beiden Konformationen von Ethan: links verdunkelt, rechts versetzt.
Kugel-Stab-Modelle der beiden Rotameren von Ethan

Ethan bildet den einfachsten Fall zur Untersuchung der Konformation von Alkanen, da es nur eine CC-Bindung gibt. Schaut man in die Achse der CC-Bindung hinunter, sieht man die sogenannte Newman-Projektion . Die Wasserstoffatome sowohl am vorderen als auch am hinteren Kohlenstoffatom haben einen Winkel von 120° zwischen sich, der aus der Projektion der Basis des Tetraeders auf eine ebene Ebene resultiert. Jedoch kann der Torsionswinkel zwischen einem gegebenen Wasserstoffatom, das an den vorderen Kohlenstoff gebunden ist, und einem gegebenen Wasserstoffatom, das an dem hinteren Kohlenstoff angebracht ist, zwischen 0° und 360° frei variieren. Dies ist eine Folge der freien Rotation um eine Kohlenstoff-Kohlenstoff-Einfachbindung. Trotz dieser scheinbaren Freiheit sind nur zwei limitierende Konformationen wichtig: die ekliptische Konformation und die gestaffelte Konformation .

Die beiden Konformationen unterscheiden sich in der Energie: Die gestaffelte Konformation ist 12.6 kJ/mol (3,0 kcal/mol) energetisch niedriger (stabiler) als die ekliptische Konformation (die am wenigsten stabile).

Dieser Energieunterschied zwischen den beiden Konformationen, bekannt als Torsionsenergie , ist im Vergleich zur thermischen Energie eines Ethanmoleküls bei Umgebungstemperatur gering. Es gibt eine ständige Rotation um die CC-Bindung. Die Zeit, die ein Ethanmolekül benötigt, um von einer gestaffelten Konformation in die nächste überzugehen, was der Drehung einer CH 3 -Gruppe um 120° relativ zur anderen entspricht, liegt in der Größenordnung von 10 –11  Sekunden.

Der Fall höherer Alkane ist komplexer, basiert aber auf ähnlichen Prinzipien, wobei die antiperiplanare Konformation um jede Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung immer am meisten bevorzugt ist. Aus diesem Grund werden Alkane in Diagrammen oder Modellen meist in einer Zickzack-Anordnung dargestellt. Die tatsächliche Struktur wird immer etwas von diesen idealisierten Formen abweichen, da die Energieunterschiede zwischen den Konformationen klein sind im Vergleich zur thermischen Energie der Moleküle: Alkanmoleküle haben keine feste Strukturform, was auch immer die Modelle vermuten lassen.

Spektroskopische Eigenschaften

Praktisch alle organischen Verbindungen enthalten Kohlenstoff-Kohlenstoff- und Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen und zeigen daher einige der Eigenschaften von Alkanen in ihren Spektren. Alkane zeichnen sich keine anderen Gruppen aufweisen und daher für das Fehlen von anderen charakteristischen spektroskopischen Eigenschaften einer funktionellen Gruppe wie -OH , -CHO , -COOH usw.

Infrarot-Spektroskopie

Der Kohlenstoff-Wasserstoff-Streckmodus ergibt eine starke Absorption zwischen 2850 und 2960  cm -1 , während der Kohlenstoff-Kohlenstoff-Streckmodus zwischen 800 und 1300 cm -1 absorbiert . Die Kohlenstoff-Wasserstoff-Biegemoden hängen von der Art der Gruppe ab: Methylgruppen zeigen Banden bei 1450 cm −1 und 1375 cm −1 , während Methylengruppen Banden bei 1465 cm −1 und 1450 cm −1 aufweisen . Kohlenstoffketten mit mehr als vier Kohlenstoffatomen zeigen bei etwa 725 cm −1 eine schwache Absorption .

NMR-Spektroskopie

Die Protonenresonanzen von Alkanen werden normalerweise bei δ H = 0.5–1.5 gefunden. Die Kohlenstoff-13-Resonanzen hängen von der Anzahl der am Kohlenstoff gebundenen Wasserstoffatome ab: δ C = 8–30 (primär, Methyl, –CH 3 ), 15–55 (sekundär, Methylen, –CH 2 –), 20–60 (tertiär, Methin, C–H) und quaternär. Die Kohlenstoff-13-Resonanz quartärer Kohlenstoffatome ist aufgrund des Fehlens des nuklearen Overhauser-Effekts und der langen Relaxationszeit charakteristisch schwach und kann in schwachen Proben oder Proben, die nicht über einen ausreichend langen Zeitraum untersucht wurden, übersehen werden.

Massenspektrometer

Alkane haben eine hohe Ionisierungsenergie und das Molekülion ist normalerweise schwach. Das Fragmentierungsmuster kann schwer zu interpretieren sein, aber im Fall von verzweigtkettigen Alkanen wird die Kohlenstoffkette aufgrund der relativen Stabilität der resultierenden freien Radikale bevorzugt an tertiären oder quartären Kohlenstoffen gespalten . Das Fragment, das aus dem Verlust einer einzelnen Methylgruppe ( M  − 15) resultiert, fehlt oft, und andere Fragmente haben oft Intervalle von vierzehn Masseneinheiten, was einem sequentiellen Verlust von CH 2 -Gruppen entspricht.

Chemische Eigenschaften

Alkane sind mit den meisten chemischen Verbindungen nur schwach reaktiv. Die Säuredissoziationskonstanten (p K a ) aller Alkane werden je nach Extrapolationsmethode auf 50 bis 70 geschätzt, daher handelt es sich um extrem schwache Säuren, die gegenüber Basen praktisch inert sind (siehe: Kohlenstoffsäuren ). Sie sind auch extrem schwache Basen, die in reiner Schwefelsäure ( H 0 ~ –12) keine beobachtbare Protonierung eingehen , obwohl bekannt ist, dass Supersäuren , die mindestens millionenfach stärker sind, sie zu hyperkoordinierten Alkaniumionen protonieren (siehe: Methaniumionen ). . In ähnlicher Weise zeigen sie nur Reaktivität mit den stärksten elektrophilen Reagenzien (zB Dioxiranen und Salzen, die das NF 4 + -Kation enthalten ). Aufgrund ihrer starken C-H-Bindungen (~100 kcal/mol) und C-C-Bindungen (~90 kcal/mol, aber meist weniger sterisch zugänglich) sind sie auch gegenüber freien Radikalen relativ unreaktiv, obwohl viele elektronenarme Radikale reagiert mit Alkanen in Abwesenheit anderer elektronenreicher Bindungen (siehe unten). Diese Trägheit ist die Quelle des Begriffs Paraffine (hier im Sinne von "fehlende Affinität"). Im Rohöl sind die Alkanmoleküle seit Jahrmillionen chemisch unverändert geblieben.

Freie Radikale , Moleküle mit ungepaarten Elektronen, spielen eine große Rolle bei den meisten Reaktionen von Alkanen, wie zum Beispiel beim Cracken und der Neubildung, bei der langkettige Alkane in kürzerkettige Alkane und geradkettige Alkane in verzweigtkettige Isomere umgewandelt werden. Darüber hinaus sind Redoxreaktionen von Alkanen mit radikalischen Zwischenstufen, insbesondere mit Sauerstoff und den Halogenen, möglich, da die Kohlenstoffatome in einem stark reduzierten Zustand vorliegen; im Fall von Methan befindet sich Kohlenstoff in der niedrigsten möglichen Oxidationsstufe (−4). Reaktion mit Sauerstoff ( falls vorhanden in ausreichender Menge , um die Reaktion zu erfüllen Stöchiometrie ) zu Verbrennung ohne Rauch, die Herstellung von Kohlendioxid und Wasser. Halogenierungsreaktionen durch freie Radikale treten mit Halogenen auf, die zur Produktion von Halogenalkanen führen . Darüber hinaus wurde gezeigt, dass Alkane mit bestimmten Übergangsmetallkomplexen in C-H-Bindungsaktivierungsreaktionen wechselwirken und an diese binden .

In stark verzweigten Alkanen kann der Bindungswinkel erheblich vom optimalen Wert (109.5°) abweichen, um sperrige Gruppen aufzunehmen. Solche Verzerrungen führen eine Spannung in das Molekül ein, die als sterische Hinderung oder Spannung bekannt ist. Belastung erhöht die Reaktivität erheblich.

Im Allgemeinen und vielleicht überraschenderweise ist die Verzweigung jedoch nicht umfassend genug, um äußerst ungünstige sterische 1,2- und 1,3-Alkyl-Alkyl-Wechselwirkungen (im Wert von ~3,1 kcal/mol und ~3,7 kcal/mol im Fall der die Konformationen von Butan bzw. Pentan in den Schatten stellen) unvermeidlich sind, sind die verzweigten Alkane tatsächlich thermodynamisch stabiler als ihre linearen (oder weniger verzweigten) Isomere. Beispielsweise ist das hochverzweigte 2,2,3,3-Tetramethylbutan etwa 1,9 kcal/mol stabiler als sein lineares Isomer n- Octan. Aufgrund der Subtilität dieses Effekts wurden die genauen Gründe für diese Regel in der chemischen Literatur heftig diskutiert und sind noch ungeklärt. Mehrere Erklärungen, einschließlich der Stabilisierung verzweigter Alkane durch Elektronenkorrelation, Destabilisierung linearer Alkane durch sterische Abstoßung, Stabilisierung durch neutrale Hyperkonjugation und/oder elektrostatische Effekte, wurden als Möglichkeiten vorgeschlagen. Die Kontroverse bezieht sich auf die Frage, ob die traditionelle Erklärung der Hyperkonjugation der primäre Faktor für die Stabilität von Alkylradikalen ist.

Reaktionen mit Sauerstoff (Verbrennungsreaktion)

Alle Alkane reagieren mit Sauerstoff in einer Verbrennungsreaktion , obwohl sie mit zunehmender Anzahl von Kohlenstoffatomen immer schwieriger zu entzünden sind. Die allgemeine Gleichung für die vollständige Verbrennung lautet:

C n H 2 n +2 + (3/2n  + 1/2) O 2 → ( n  + 1) H 2 O + n  CO 2
oder C n H 2 n +2 + (3 n + 1/2) O 2 → ( n  + 1) H 2 O + n  CO 2

In Abwesenheit von ausreichend Sauerstoff kann sich Kohlenmonoxid oder sogar Ruß bilden, wie unten gezeigt:

C n H 2 n +2 + ( n  + 1/2O 2 → ( n  + 1) H 2 O + n  CO
C n H 2 n +2 + (1/2n  + 1/2O 2 → ( n  + 1) H 2 O + n  C

Zum Beispiel Methan :

2 CH 4 + 3 O 2 → 4 H 2 O + 2 CO
CH 4 + O 2 → 2 H 2 O + C

Siehe die Tabelle der Alkanbildungswärme für detaillierte Daten. Die Standard-Verbrennungsenthalpieänderung , c H , erhöht sich für Alkane um etwa 650 kJ/mol pro CH 2 -Gruppe. Verzweigtkettige Alkane haben niedrigere Werte von Δ c H als geradkettige Alkane mit der gleichen Anzahl von Kohlenstoffatomen und sind daher etwas stabiler.

Reaktionen mit Halogenen

Alkane reagieren mit Halogenen in einer sogenannten radikalischen Halogenierungsreaktion . Die Wasserstoffatome des Alkans werden nach und nach durch Halogenatome ersetzt. Freie Radikale sind die reaktiven Spezies, die an der Reaktion teilnehmen, die normalerweise zu einem Produktgemisch führt. Mit Halogenfluor ist die Reaktion stark exotherm und kann zu einer Explosion führen.

Diese Reaktionen sind ein wichtiger industrieller Weg zu halogenierten Kohlenwasserstoffen. Es gibt drei Schritte:

  • Initiierung der Halogenradikale durch Homolyse . Normalerweise wird Energie in Form von Wärme oder Licht benötigt.
  • Dann findet eine Kettenreaktion oder Propagation statt – das Halogenradikal abstrahiert einen Wasserstoff vom Alkan, um ein Alkylradikal zu ergeben. Dieser reagiert weiter.
  • Kettenabbruch, wo die Radikale rekombinieren.

Experimente haben gezeigt, dass jede Halogenierung ein Gemisch aller möglichen Isomere erzeugt, was darauf hinweist, dass alle Wasserstoffatome reaktionsfähig sind. Das erzeugte Gemisch ist jedoch kein statistisches Gemisch: Sekundäre und tertiäre Wasserstoffatome werden aufgrund der höheren Stabilität sekundärer und tertiärer Radikale bevorzugt ersetzt. Ein Beispiel ist in der Monobromierung von Propan zu sehen:

Monobromierung von Propan

Knacken

Beim Cracken werden größere Moleküle in kleinere zerlegt. Dies kann mit einem thermischen oder katalytischen Verfahren erfolgen. Der thermische Crackprozess folgt einem homolytischen Mechanismus unter Bildung freier Radikale . Das katalytische Crackverfahren umfasst die Gegenwart von Säure - Katalysatoren ( in der Regel feste Säuren, wie Siliciumdioxid-Aluminiumoxid und Zeolithe ), die einen Förderung der heterolytische (asymmetrisch) Bruches von Bindungen Nachgeben Paare von Ionen entgegengesetzter Ladungen, in der Regel ein Carbokation und die sehr instabilen Hydrid - Anion . Kohlenstoff-lokalisierte freie Radikale und Kationen sind beide sehr instabil und unterliegen Prozessen der Kettenumlagerung, der C-C-Spaltung in der Beta- Position (dh des Crackens) und des intra- und intermolekularen Wasserstofftransfers oder Hydridtransfers . Bei beiden Verfahrensarten werden die entsprechenden reaktiven Zwischenstufen (Radikale, Ionen) permanent regeneriert und verlaufen somit nach einem selbstfortschreitenden Kettenmechanismus. Die Reaktionskette wird schließlich durch Radikal- oder Ionenrekombination beendet.

Isomerisierung und Reformierung

Dragan und sein Kollege waren die ersten, die über die Isomerisierung von Alkanen berichteten. Isomerisierung und Reformierung sind Prozesse, bei denen geradkettige Alkane in Gegenwart eines Platinkatalysators erhitzt werden . Bei der Isomerisierung werden die Alkane zu verzweigtkettigen Isomeren. Mit anderen Worten, es verliert keine Kohlenstoffe oder Wasserstoffe und behält das gleiche Molekulargewicht bei. Bei der Reformierung werden die Alkane zu Cycloalkanen oder aromatischen Kohlenwasserstoffen , die als Nebenprodukt Wasserstoff abgeben. Beide Prozesse erhöhen die Oktanzahl der Substanz. Butan ist das am häufigsten isomerisierte Alkan, da es viele verzweigte Alkane mit hoher Oktanzahl erzeugt.

Andere Reaktionen

Alkane mit reagiert Dampf in Gegenwart eines Nickel - Katalysators zu ergeben Wasserstoff . Alkane können chlorsulfoniert und nitriert werden , obwohl beide Reaktionen spezielle Bedingungen erfordern. Die Fermentation von Alkanen zu Carbonsäuren ist von einiger technischer Bedeutung. In dem sulfochlorierung , Schwefeldioxid , Chlor und Licht convert Kohlenwasserstoffe zu Sulfonylchloriden . Die nukleophile Abstraktion kann verwendet werden, um ein Alkan von einem Metall zu trennen. Alkylgruppen können durch Transmetallierungsreaktionen von einer Verbindung auf eine andere übertragen werden . Eine Mischung aus Antimonpentafluorid (SbF 5 ) und Fluorsulfonsäure (HSO 3 F), auch magische Säure genannt , kann Alkane protonieren.

Auftreten

Vorkommen von Alkanen im Universum

Methan und Ethan bilden einen winzigen Anteil der Jupiter ‚s Atmosphäre
Gewinnung von Öl, das viele verschiedene Kohlenwasserstoffe enthält, einschließlich Alkane

Alkane bilden einen kleinen Teil der Atmosphären der äußeren Gasplaneten wie Jupiter (0,1% Methan, 2  ppm Ethan), Saturn (0,2% Methan, 5 ppm Ethan), Uranus (1,99% Methan, 2,5 ppm Ethan) und Neptun ( 1,5 % Methan, 1,5 ppm Ethan). Titan (1,6% Methan), ein Saturnsatellit, wurde von der Huygens- Sonde untersucht , die darauf hinwies, dass die Titanatmosphäre regelmäßig flüssiges Methan auf die Mondoberfläche regnet. Auch auf Titan hat die Cassini-Mission saisonale Methan-/Ethan-Seen in der Nähe der Polarregionen von Titan abgebildet. Methan und Ethan wurden auch im Schweif des Kometen Hyakutake nachgewiesen . Chemische Analysen zeigten, dass die Häufigkeiten von Ethan und Methan ungefähr gleich waren, was darauf hindeutet, dass sich sein Eis im interstellaren Raum außerhalb der Sonne gebildet hat, was diese flüchtigen Moleküle verdampft hätte. Alkane wurden auch in Meteoriten wie kohlenstoffhaltigen Chondriten nachgewiesen .

Vorkommen von Alkanen auf der Erde

Spuren von Methangas (ca. 0,0002% oder 1745 ppb) kommen in der Erdatmosphäre vor, die hauptsächlich von methanogenen Mikroorganismen wie Archaeen im Darm von Wiederkäuern produziert werden.

Die wichtigsten kommerziellen Quellen für Alkane sind Erdgas und Öl . Erdgas enthält hauptsächlich Methan und Ethan, etwas Propan und Butan : Öl ist ein Gemisch aus flüssigen Alkanen und anderen Kohlenwasserstoffen . Diese Kohlenwasserstoffe wurden gebildet, als Meerestiere und Pflanzen (Zooplankton und Phytoplankton) starben und auf den Grund alter Meere sanken und in einer anoxischen Umgebung mit Sedimenten bedeckt und über viele Millionen Jahre bei hohen Temperaturen und hohem Druck in ihre heutige Form umgewandelt wurden. Erdgas entstand dabei beispielsweise aus folgender Reaktion:

C 6 H 12 O 6 → 3 CH 4 + 3 CO 2

Diese Kohlenwasserstoffvorkommen, die in porösen Gesteinen gesammelt wurden, die unter undurchlässigen Deckgesteinen eingeschlossen sind, umfassen kommerzielle Ölfelder . Sie haben sich über Millionen von Jahren gebildet und können, wenn sie einmal erschöpft sind, nicht ohne weiteres ersetzt werden. Die Erschöpfung dieser Kohlenwasserstoffreserven ist die Grundlage für die sogenannte Energiekrise .

Methan ist auch in Biogas enthalten , das von Tieren und verrottenden Stoffen produziert wird und eine mögliche erneuerbare Energiequelle darstellt .

Alkane haben eine geringe Löslichkeit in Wasser, daher ist der Gehalt in den Ozeanen vernachlässigbar; Bei hohen Drücken und niedrigen Temperaturen (wie am Meeresboden) kann Methan jedoch mit Wasser cokristallisieren, um ein festes Methanclathrat (Methanhydrat) zu bilden. Obwohl dies derzeit nicht kommerziell verwertbar ist, übersteigt die Menge an brennbarer Energie der bekannten Methanclathrat-Felder den Energieinhalt aller Erdgas- und Erdöllagerstätten zusammen. Aus Methanclathrat gewonnenes Methan ist daher ein Kandidat für zukünftige Kraftstoffe.

Biologisches Vorkommen

Acyclische Alkane kommen in der Natur auf unterschiedliche Weise vor.

Bakterien und Archaeen
Methanogene Archaeen im Darm dieser Kuh sind für einen Teil des Methans in der Erdatmosphäre verantwortlich.

Bestimmte Bakterienarten können Alkane metabolisieren: Sie bevorzugen geradzahlige Kohlenstoffketten, da sie leichter abbaubar sind als ungeradzahlige Ketten.

Andererseits produzieren bestimmte Archaeen , die Methanogene , große Mengen Methan durch den Stoffwechsel von Kohlendioxid oder anderen oxidierten organischen Verbindungen. Die Energie wird durch die Oxidation von Wasserstoff freigesetzt :

CO 2 + 4 H 2 → CH 4 + 2 H 2 O

Methanogene sind auch die Produzenten von Sumpfgas in Feuchtgebieten . Auch der Methanausstoß von Rindern und anderen Pflanzenfressern , die 30 bis 50 Gallonen pro Tag freisetzen können, und von Termiten ist auf Methanogene zurückzuführen. Dieses einfachste aller Alkane produzieren sie auch im Darm des Menschen. Methanogene Archaeen stehen somit am Ende des Kohlenstoffkreislaufs , wobei Kohlenstoff nach Fixierung durch Photosynthese wieder in die Atmosphäre abgegeben wird . Es ist wahrscheinlich, dass unsere derzeitigen Erdgasvorkommen auf ähnliche Weise entstanden sind.

Pilze und Pflanzen

Alkane spielen auch in der Biologie der drei eukaryontischen Organismengruppen: Pilze , Pflanzen und Tiere eine, wenn auch untergeordnete, Rolle . Einige spezialisierte Hefen, zB Candida tropicale , Pichia sp., Rhodotorula sp., können Alkane als Kohlenstoff- oder Energiequelle verwenden. Der Pilz Amorphotheca Resinae bevorzugt die längerkettigen Alkane im Flugbenzin und kann Flugzeugen in tropischen Regionen ernsthafte Probleme bereiten.

In Pflanzen finden sich die festen langkettigen Alkane in der Pflanzenkutikula und im Epikutikularwachs vieler Arten, sind aber nur selten Hauptbestandteile. Sie schützen die Pflanze vor Wasserverlust, verhindern das Auswaschen wichtiger Mineralien durch Regen und schützen vor Bakterien, Pilzen und schädlichen Insekten. Die Kohlenstoffketten in Pflanzenalkanen sind normalerweise ungerade, zwischen 27 und 33 Kohlenstoffatome lang und werden von den Pflanzen durch Decarboxylierung von geradzahligen Fettsäuren hergestellt . Die genaue Zusammensetzung der Wachsschicht ist nicht nur artabhängig, sondern ändert sich auch mit der Jahreszeit und Umwelteinflüssen wie Lichtverhältnissen, Temperatur oder Luftfeuchtigkeit.

Flüchtigere kurzkettige Alkane werden auch von Pflanzengeweben produziert und gefunden. Die Jeffrey pine zur Herstellung außergewöhnlich hohe merkt n - Heptan in seiner Harz, weshalb seine Destillat als Nullpunkt für eine bestimmtes wurden Oktanzahl . Blumendüfte sind auch lange bekannt , um flüchtige Alkan Komponenten enthalten, und n - Nonan eine wesentliche Komponente ist in dem Duft von einigen Rosen . Die Emission gasförmiger und flüchtiger Alkane wie Ethan , Pentan und Hexan durch Pflanzen wurde ebenfalls in geringen Mengen dokumentiert, obwohl sie im Allgemeinen nicht als Hauptbestandteil der biogenen Luftverschmutzung angesehen werden.

Pflanzliche Speiseöle enthalten typischerweise auch kleine Anteile biogener Alkane mit einem breiten Spektrum an Kohlenstoffzahlen, hauptsächlich 8 bis 35, die normalerweise ihren Höhepunkt im unteren bis oberen 20er-Jahreszeitraum erreichen, mit Konzentrationen von bis zu Dutzenden von Milligramm pro Kilogramm (parts per million by weight) und manchmal über hundert für die gesamte Alkanfraktion.

Tiere

Alkane kommen in tierischen Produkten vor, sind aber weniger wichtig als ungesättigte Kohlenwasserstoffe. Ein Beispiel ist das Haifischleberöl, das ungefähr 14% Pristan (2,6,10,14-Tetramethylpentadecan, C 19 H 40 ) enthält. Sie sind wichtig als Pheromone , chemische Botenstoffe, auf die Insekten zur Kommunikation angewiesen sind. Bei einigen Arten, zB dem Stützkäfer Xylotrechus Colonus , werden Pentacosan (C 25 H 52 ), 3-Methylpentaicosan (C 26 H 54 ) und 9-Methylpentaicosan (C 26 H 54 ) durch Körperkontakt übertragen. Bei anderen wie der Tsetsefliege Glossina morsitans morsitans enthält das Pheromon die vier Alkane 2-Methylheptadecan (C 18 H 38 ), 17,21-Dimethylheptatriacontan (C 39 H 80 ), 15,19-Dimethylheptatriacontan (C 39 H 80 ) und 15,19,23-Trimethylheptatriacontan (C 40 H 82 ) und wirkt über längere Distanzen durch Geruch. Waggle-Tanz- Honigbienen produzieren und setzen zwei Alkane, Tricosan und Pentacosan, frei.

Ökologische Beziehungen

Frühe Spinnenorchidee ( Ophrys sphegodes )

Ein Beispiel, bei dem sowohl pflanzliche als auch tierische Alkane eine Rolle spielen, ist die ökologische Verwandtschaft zwischen der Sandbiene ( Andrena nigroaenea ) und der frühen Spinnenorchidee ( Ophrys sphegodes ); letztere ist für die Bestäubung auf erstere angewiesen . Sandbienen verwenden Pheromone, um einen Partner zu identifizieren; bei A. nigroaenea emittieren die Weibchen eine Mischung aus Tricosan (C 23 H 48 ), Pentacosan (C 25 H 52 ) und Heptacosan (C 27 H 56 ) im Verhältnis 3:3:1, Männchen werden angelockt durch speziell diesen Geruch. Die Orchidee nutzt diese Paarung aus, um das Bienenmännchen dazu zu bringen, ihren Pollen zu sammeln und zu verbreiten; Teile seiner Blüte ähneln nicht nur dem Aussehen von Sandbienen, sondern produzieren auch große Mengen der drei Alkane im gleichen Verhältnis wie weibliche Sandbienen. Infolgedessen werden zahlreiche Männchen zu den Blüten gelockt und versuchen, sich mit ihrem imaginären Partner zu paaren: Obwohl dieses Unterfangen für die Biene nicht von Erfolg gekrönt ist, ermöglicht es der Orchidee, ihren Pollen zu übertragen, der nach dem Weggang des frustriertes Männchen zu anderen Blüten.

Produktion

Ölraffinerie

Wie bereits erwähnt, ist die wichtigste Quelle für Alkane Erdgas und Erdöl . Alkane werden in einer Ölraffinerie durch fraktionierte Destillation abgetrennt und zu vielen Produkten verarbeitet.

Fischer–Tropsch

Der Fischer-Tropsch-Prozess ist eine Methode zur Synthese von flüssigen Kohlenwasserstoffen, einschließlich Alkanen, aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff. Dieses Verfahren wird verwendet, um Ersatzstoffe für Erdöldestillate herzustellen .

Laborvorbereitung

Die Synthese von Alkanen im Labor ist in der Regel wenig notwendig, da sie meist kommerziell erhältlich sind. Außerdem sind Alkane im Allgemeinen chemisch oder biologisch unreaktiv und gehen keine sauberen Umwandlungen funktioneller Gruppen ein . Wenn Alkane im Labor hergestellt werden, ist dies oft ein Nebenprodukt einer Reaktion. Beispielsweise ergibt die Verwendung von n- Butyllithium als starke Base die konjugierte Säure, n- Butan als Nebenprodukt:

C 4 H 9 Li + H 2 O → C 4 H 10 + LiOH

Manchmal kann es jedoch wünschenswert sein, einen Abschnitt eines Moleküls unter Verwendung der obigen oder ähnlicher Verfahren in eine alkanartige Funktionalität ( Alkylgruppe ) umzuwandeln. Beispielsweise ist eine Ethylgruppe eine Alkylgruppe; wenn diese an eine Hydroxygruppe gebunden ist , ergibt sich Ethanol , das kein Alkan ist. Die bekanntesten Methoden hierfür sind die Hydrierung von Alkenen :

RCH=CH 2 + H 2 → RCH 2 CH 3      (R = Alkyl )

Alkane oder Alkylgruppen können auch direkt aus Alkylhalogeniden in der Corey-House-Posner-Whitesides-Reaktion hergestellt werden . Die Barton-McCombie-Desoxygenierung entfernt Hydroxylgruppen von Alkoholen, z

Barton-McCombie-Desoxygenierungsschema

und die Clemmensen-Reduktion entfernt Carbonylgruppen von Aldehyden und Ketonen, um Alkane oder alkylsubstituierte Verbindungen zu bilden, z.

Clemmensen-Reduktion

Herstellung von Alkanen aus anderen organischen Verbindungen

Alkane können aus einer Vielzahl von organischen Verbindungen hergestellt werden. Diese umfassen Alkene, Alkine, Halogenalkane, Alkohole, Aldehyde und Ketone und Carbonsäuren.

Aus Alkenen und Alkinen

Wenn Alkene und Alkine einer Hydrierungsreaktion unterzogen werden, indem sie mit Wasserstoff in Gegenwart eines Palladium- oder Platin- oder Nickelkatalysators behandelt werden, erzeugen sie Alkane. Bei dieser Reaktion wird ein pulverförmiger Katalysator bevorzugt, um die Oberfläche zu erhöhen, so dass die Adsorption von Wasserstoff an dem Katalysator zunimmt. Bei dieser Reaktion wird der Wasserstoff an den Katalysator gebunden, um eine Wasserstoff-Katalysator-Bindung zu bilden, die zu einer Schwächung der HH-Bindung führt und dadurch zur Addition von Wasserstoff an Alkene und Alkine führt. Die Reaktion ist exotherm, da das Produktalkan stabil ist, da es aufgrund der Umwandlung von pi-Bindung in Sigma-Bindungen mehr Sigma-Bindungen aufweist als die Reaktanten-Alkene und -Alkine.

Von Halogenalkanen

Aus Halogenalkanen können nach unterschiedlichen Verfahren Alkane hergestellt werden.

Würtz-Reaktion

Wenn Halogenalkan mit Natrium in trockenem Ether behandelt wird, wird ein Alkan mit der doppelten Anzahl von Kohlenstoffatomen erhalten. Diese Reaktion verläuft über ein radikalisches Zwischenprodukt und kann im Fall von tertiären Halogenalkanen und vicinalen Dihalogeniden zur Alkenbildung führen

2 R−X + 2 Na → R−R + 2 Na+X.(in Gegenwart von trockenem Ether

Corey-House-Synthese

Wenn Halogenalkan mit Dialkyllithiumcuprit behandelt wird, das auch als Gilman-Reagens bekannt ist, wird jedes höhere Alkan erhalten

Li+[R–Cu–R]– + R'–X → R–R' + "RCu" + Li+X







Reaktion mit Metallhydrid

Wenn Halogenalkane mit Metallhydrid behandelt werden, zB Natriumhydrid und Lithiumaluminiumhydrid.

Frankland-Reaktion

Wenn Halogenalkan mit Zink in Ester behandelt wird, wird Alkan erhalten.

Fittige Reaktion

Wenn Arylhalogenid mit Natrium in trockenem Ether behandelt wird, bildet es Biphenyl.

Ullmann-Biarylsynthese

Wenn Arylhalogenid mit Kupfer behandelt wird, bildet es Biphenyl.

Wurtz-Fittig-Reaktion

Wenn Arylhalogenid mit Halogenalkan behandelt wird, erhalten wir Alkylbenzol.

Anwendungen

Die Anwendungen von Alkanen hängen von der Anzahl der Kohlenstoffatome ab. Die ersten vier Alkane werden hauptsächlich zum Heizen und Kochen sowie in einigen Ländern zur Stromerzeugung verwendet. Methan und Ethan sind die Hauptbestandteile von Erdgas; sie werden normalerweise als Gase unter Druck gespeichert. Als Flüssigkeit sind sie jedoch einfacher zu transportieren: Dazu ist sowohl eine Kompression als auch eine Kühlung des Gases erforderlich.

Propan und Butan sind Gase bei Atmosphärendruck, die bei relativ niedrigen Drücken verflüssigt werden können und allgemein als Flüssiggas (LPG) bekannt sind. Propan wird in Propangasbrennern und als Kraftstoff für Straßenfahrzeuge verwendet, Butan in Raumheizungen und Einweg-Zigarettenanzündern. Beide werden als Treibmittel in Aerosolsprays verwendet .

Von Pentan bis Oktan sind die Alkane leicht flüchtige Flüssigkeiten. Sie werden als Kraftstoffe in Verbrennungsmotoren verwendet , da sie beim Eintritt in den Brennraum leicht verdampfen, ohne Tröpfchen zu bilden, die die Gleichmäßigkeit der Verbrennung beeinträchtigen würden. Verzweigtkettige Alkane werden bevorzugt, da sie viel weniger anfällig für eine vorzeitige Entzündung sind, die Klopfen verursacht , als ihre geradkettigen Homologen. Diese Neigung zur vorzeitigen Zündung wird durch die Oktanzahl des Kraftstoffs gemessen , wobei 2,2,4-Trimethylpentan ( Isooctan ) einen willkürlichen Wert von 100 und Heptan einen Wert von Null hat. Neben ihrer Verwendung als Kraftstoffe sind die Mittelalkane auch gute Lösungsmittel für unpolare Stoffe.

Alkane von Nonan bis beispielsweise Hexadecan (ein Alkan mit sechzehn Kohlenstoffatomen) sind Flüssigkeiten mit höherer Viskosität , die für den Einsatz in Benzin immer weniger geeignet sind. Sie bilden stattdessen den größten Teil von Diesel und Flugbenzin . Dieselkraftstoffe zeichnen sich durch ihre Cetanzahl aus , wobei Cetanzahl eine alte Bezeichnung für Hexadecan ist. Die höheren Schmelzpunkte dieser Alkane können jedoch bei niedrigen Temperaturen und in Polargebieten zu Problemen führen, wo der Kraftstoff zu dick wird, um richtig zu fließen.

Alkane ab Hexadecan aufwärts bilden die wichtigsten Bestandteile von Heizöl und Schmieröl . In letzterer Funktion wirken sie gleichzeitig als Korrosionsschutzmittel, da aufgrund ihrer hydrophoben Natur kein Wasser an die Metalloberfläche gelangen kann. Viele feste Alkane finden Verwendung als Paraffinwachs , beispielsweise in Kerzen . Dies sollte jedoch nicht mit echtem Wachs verwechselt werden , das hauptsächlich aus Estern besteht .

Alkane mit einer Kettenlänge von etwa 35 oder mehr Kohlenstoffatomen finden sich in Bitumen , das beispielsweise im Straßenbelag verwendet wird. Die höheren Alkane haben jedoch wenig Wert und werden normalerweise durch Cracken in niedrigere Alkane gespalten .

Einige synthetische Polymere wie Polyethylen und Polypropylen sind Alkane mit Ketten, die Hunderte oder Tausende von Kohlenstoffatomen enthalten. Diese Materialien werden in unzähligen Anwendungen verwendet und jedes Jahr werden Milliarden von Kilogramm dieser Materialien hergestellt und verwendet.

Umwelttransformationen

Alkane sind chemisch sehr inerte apolare Moleküle, die als organische Verbindungen wenig reaktiv sind. Diese Trägheit führt zu ernsthaften ökologischen Problemen, wenn sie in die Umwelt freigesetzt werden. Aufgrund ihres Fehlens funktioneller Gruppen und ihrer geringen Wasserlöslichkeit weisen Alkane eine schlechte Bioverfügbarkeit für Mikroorganismen auf.

Es gibt jedoch einige Mikroorganismen, die die metabolische Fähigkeit besitzen, n- Alkane sowohl als Kohlenstoff- als auch als Energiequelle zu nutzen. Einige Bakterienarten sind hochspezialisiert auf den Abbau von Alkanen; diese werden als Hydrokarbonoklasten-Bakterien bezeichnet.

Gefahren

Methan ist brennbar, explosiv und gefährlich beim Einatmen; Da es sich um ein farbloses, geruchloses Gas handelt, ist bei Methan besondere Vorsicht geboten. Ethan ist außerdem hochentzündlich, explosiv und gefährlich beim Einatmen. Beides kann zum Ersticken führen. Auch Propan ist brennbar und explosiv und kann beim Einatmen Schläfrigkeit oder Bewusstlosigkeit verursachen. Butan birgt die gleichen Gefahren wie Propan.

Auch Alkane stellen eine Gefahr für die Umwelt dar. Verzweigte Alkane haben eine geringere biologische Abbaubarkeit als unverzweigte Alkane. Methan gilt als das umweltgefährlichste Treibhausgas, obwohl der Methangehalt in der Atmosphäre relativ gering ist.

Siehe auch

Verweise

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