mini|Allgemeine Strukturformel von n-Alkanen
Als Alkane (Grenzkohlenwasserstoffe, früher Paraffine) bezeichnet man in der organischen Chemie die Stoffgruppe der gesättigten, acyclischen Kohlenwasserstoffe. Das heißt, ihre Vertreter bestehen nur aus den beiden Elementen Kohlenstoff (C) und Wasserstoff (H) und weisen nur Einfachbindungen und keine Kohlenstoffringe auf. Damit sind sie eine Untergruppe der aliphatischen Kohlenwasserstoffe. Für sie gilt die allgemeine Summenformel CnH2n+2 mit n = 1, 2, 3, … Das Grundgerüst 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.
Geschichte Natürlich vorkommende Alkane in Form von Erdöl und Erdgas wurden schon vor mehreren tausend Jahren genutzt. So ist das rituelle Anzünden von austretendem Erdgas aus dem Achämenidenreich überliefert. Ebenso ist die Nutzung von Erdgas als Brennstoff in China um 250 v. Chr. überliefert. Die Verwendung von Erdölprodukten in der Antike ist gut dokumentiert, einerseits für Mauern und Straßen, andererseits in der Kriegsführung.
Die generelle Verwendung der Endung „-an“ für die Nomenklatur der Alkane wurde von August Wilhelm von Hofmann in einer Fußnote vorgeschlagen, in einer 1866 veröffentlichten Publikation, in der es eigentlich um die Reaktion von Phosphortrichlorid mit aromatischen Aminen geht. Die Trivialnamen Methan, Ethan und Propan waren damals schon geläufig und wurden in dem Vorschlag beibehalten. Die höheren Homologen sollten demnach mit lateinischen Zahlwörtern benannt werden: Quartan, Quintan, Sextan und so weiter. Bei einem Kongress 1893 in Genf wurden die Grundlagen der heute üblichen Nomenklaturregeln („Genfer Nomenklatur“) beschlossen. Dazu gehörte die Festsetzung der Endung „-an“ für die Alkane, die Beibehaltung der Trivialnamen der ersten vier Vertreter Methan, Ethan (damals noch als Aethan bezeichnet), Propan und Butan und die systematische Benennung der längeren Vertreter mit griechischen Zahlwörtern (Pentan, Hexan usw.).
Vertreter und Isomerie Alkane sind gesättigte, acyclische Kohlenwasserstoffe, die linear oder verzweigt sein können und die allgemeine Summenformel CnH2n+2 aufweisen. Ausgehend vom einfachsten Alkan, dem Methan, lassen sich durch Einschub zusätzlicher CH2-Gruppen längere Vertreter bilden. Sie bilden die Homologe Reihe der Alkane. Die ersten zwölf n-Alkane sind in der folgenden Tabelle angegeben. + Unter Normalbedingungen Name Summenformel Molare Masse Schmelzpunkt Siedepunkt Dichte Kugel-Stab-Modell Methan CH4 16,04 g·mol−1 90,65 K 111,4 K 0,72 kg/m3 gasförmig0,42 g/cm3 flüssig ohne|80px|Kugel-Stab-Modell von Methan Ethan C2H6 30,07 g·mol−1 90 K 185 K 1,36 kg/m3 (g)0,54 g/cm3 (fl.) ohne|80px|Kugel-Stab-Modell von Ethan Propan C3H8 44,10 g·mol−1 85 K 231 K 2,01 kg/m3 (g)0,58 g/cm3 (fl.) ohne|80px|Kugel-Stab-Modell von Propan n-Butan C4H10 58,12 g·mol−1 135 K 272,5 K 2,71 kg/m3 (g)0,60 g/cm3 (fl.) ohne|90px|Kugel-Stab-Modell von Butan n-Pentan C5H12 72,15 g·mol−1 144 K 309 K 0,626 g/cm3 ohne|90px|Kugel-Stab-Modell von Pentan n-Hexan C6H14 86,18 g·mol−1 178 K 342 K 0,659 g/cm3 ohne|90px|Kugel-Stab-Modell von Hexan n-Heptan C7H16 100,2 g·mol−1 182 K 371 K 0,684 g/cm3 ohne|100px|Kugel-Stab-Modell von Heptan n-Octan C8H18 114,2 g·mol−1 216 K 399 K 0,703 g/cm3ohne|120px|Kugel-Stab-Modell von Octan n-Nonan C9H20 128,3 g·mol−1 222 K 424 K 0,718 g/cm3 ohne|130px|Kugel-Stab-Modell von Nonan n-Decan C10H22 142,3 g·mol−1 243 K 447 K 0,73 g/cm3 ohne|140px|Kugel-Stab-Modell von Decan n-Undecan C11H24 156,3 g·mol−1 248 K 469 K 0,74 g/cm3 ohne|150px|Kugel-Stab-Modell von Undecan n-Dodecan C12H26 170,3 g·mol−1 263 K 489 K 0,75 g/cm3 ohne|160px|Kugel-Stab-Modell von Dodecan
In den 1980er-Jahren wurde eines der längsten jemals synthetisierten Alkane dargestellt; es besteht aus Molekülen mit einer Kettenlänge von genau 390 Kohlenstoffatomen (C390H782). 160px 130px n-Butan iso-Butan (2-Methylpropan)
Die Kohlenstoffketten in Alkanen können sowohl unverzweigt als auch verzweigt sein. Beim Butan tritt der Fall ein, dass bei gleicher Summenformel C4H10 zwei unterschiedliche Anordnungsmöglichkeiten für die Kohlenstoffatome im Alkanmolekül möglich sind. Butan existiert also in zwei verschiedenen Konstitutionen: n-Butan und iso-Butan (Methylpropan). 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. Diese Moleküle mit gleicher Summenformel aber unterschiedlichem Aufbau sind Konstitutionsisomere. Die Zahl der möglichen Isomere steigt mit der Zahl der enthaltenen Kohlenstoffatome. Für die Summenformel C10H22 gibt es 75 Isomere, für C30H62 über vier Millionen.
Mit wachsender Anzahl der Kohlenstoffatome steigt rasch auch die Zahl der theoretisch möglichen Isomere, von denen in Natur und Technik nur wenige von Bedeutung sind (siehe Anzahl der Isomere von Alkanen weiter unten). Beim Icosan (ehemals Eicosan) mit einer Kette aus zwanzig Kohlenstoffatomen sind bereits 366.319 verschiedene Konstitutionsisomere möglich, wenn man den Einfluss der sterischen Hinderung bei ausladenden Seitengruppen außer Acht lässt. Bei Alkanen mit 167 Kohlenstoffatomen übersteigt die Anzahl der theoretisch möglichen Isomere die geschätzte Zahl der Teilchen im sichtbaren Universum.
Verzweigte Alkane können chiral sein, d. h. bei gleicher Konstitution sind unterschiedliche Konfigurationen möglich. Sind zwei Moleküle 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 möglich. Die Stereochemie ist in vielen Biomolekülen relevant. So handelt es sich beispielsweise bei der Seitenkette des Chlorophylls oder des Tocopherols (Vitamin E) um eine verzweigte chirale Alkylgruppe.
Zur Bestimmung der Anzahl von Isomeren der Alkane gibt es keine einfache Formel; man muss mit einem Algorithmus und einer Baumstruktur arbeiten.Siegfried Hauptmann, Jürgen Graefe, Horst Remane: Lehrbuch der Organischen Chemie. VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig 1976. Liste der Stereoisomere der Alkane (OEIS Liste A000628) Abgerufen am 23. Juli 2017.
850px|rechts|Logarithmus der Anzahl der Isomere von Alkanen Anzahl der C-AtomeAnzahl der KonstitutionsisomerenAnzahl der Konstitutions- und Konfigurationsisomere1112113114225336557911818249355510751361115934512355900138022.412141.8586.563 154.34718.127 1610.35950.699 1724.894143.2551860.523408.429 19148.2841.173.770 20366.3193.396.84421910.7269.892.302222.278.65828.972.080235.731.58085.289.3902414.490.245252.260.2762536.797.588749.329.7192693.839.4122.234.695.03027240.215.8036.688.893.605 28617.105.61420.089.296.554291.590.507.12160.526.543.480304.111.846.763182.896.187.2563110.660.307.791554.188.210.3523227.711.253.7691.683.557.607.2113372.214.088.6605.126.819.371.35634188.626.236.13915.647.855.317.08035493.782.952.90247.862.049.187.447361.295.297.588.128146.691.564.302.648373.404.490.780.161450.451.875.783.866388.964.747.474.5951.385.724.615.285.9493923.647.478.933.9694.270.217.915.878.4094062.481.801.147.34113.180.446.189.326.135
Bei diesen Zahlen handelt es sich um die theoretisch möglichen Isomere. Viele davon sind aber aus sterischen Gründen nicht existenzfähig. In dieser ListeAnzahl der Konstitutionsisomere bis 100 C-Atome Abgerufen am 22. Juli 2017. ist die Anzahl der Konstitutionsisomere bis 100 C-Atome aufgeführt. Wie die Zahlen berechnet werden, wird hier beschrieben.
Nomenklatur mini|hochkant=1.2|Beispiel zur Bezeichnung eines iso-Alkans (ohne Berücksichtigung der Stereochemie): 3-Ethyl-2,4-dimethylhexan
Alle Stammnamen weisen die Endung -an auf. Dieser Endung wird ein griechisches Zahlenwort vorangestellt, das auf die Anzahl der Kohlenstoffatome hinweist. Für die ersten vier Alkane werden historisch bedingt die Trivialnamen Methan, Ethan (vormals Äthan), Propan und Butan vergeben. Wie die Namen von Alkanen mit mehr als zehn Kohlenstoffatomen gebildet werden, findet sich im Artikel Nomenklatur.
Für verzweigte Alkane gelten die folgenden Benennungsregeln: Die Kohlenstoffatome der längsten durchgehenden Kohlenstoffkette werden so durchnummeriert, dass die tertiären bzw. quartären Kohlenstoffatome, also jene mit den Seitenketten, jeweils eine möglichst niedrige Zahl erhalten (im Bild von rechts nach links 2,3,4 und nicht von links nach rechts 3,4,5). Entsprechend dieser längsten Kette erhält das Molekül seinen Stammnamen (Beispielmolekül oben: 6 Kohlenstoffatome → Hexan). Die Namen der abzweigenden Alkylgruppen (Seitenketten) werden ebenfalls durch ihre Länge bestimmt und alphabetisch aufsteigend sortiert dem Stammnamen des Alkans vorangestellt (s. u. 4. Zusatzregel). 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. Zusatzregel: Zweigt mehr als eine Alkylgruppe mit gleichem Namen von der Hauptkette ab, wird dieser Name nur einmal erwähnt. Dafür wird die Anzahl der gleichen Gruppen zusätzlich in der griechischen Schreibweise (di = zwei, tri = drei usw.) als Zahlwort vorangestellt. Zu beachten ist dabei, dass diese Zahlenwörter bei der alphabetischen Sortierung nicht berücksichtigt werden. Die Nummern aller identischen Gruppen werden mit aufsteigendem Wert durch Kommata getrennt notiert. Zweigen zwei gleiche Alkylgruppen an einem quartären Kohlenstoffatom ab, dann wird die Nummer des Kohlenstoffatoms doppelt notiert.
Früher wurden Alkane als Paraffine bezeichnet, von lateinisch parum affinis ab, was sich mit „geringe Affinität“ übersetzen lässt und sich auf die geringe Neigung der Alkane bezieht, mit anderen Verbindungen zu reagieren.
Darstellung Die Alkane mit wenigen Kohlenstoffatomen können aus den Elementen selbst hergestellt werden; höhere Alkane müssen nach dem Bergius-Verfahren unter hohem Druck produziert werden.
Herstellungsmethoden für Alkane basieren überwiegend auf der Hydrogenolyse funktioneller Gruppen, der Reduktion von ungesättigten Verbindungen oder auf der Knüpfung einer C-C-Bindung.
Reduktion ungesättigter Verbindungen Eine wichtige Methode zur Herstellung von Alkanen ist die katalytische Hydrierung von Alkenen und Alkinen. Dabei kann die entsprechende Mehrfachbindung eine wichtige Rolle im Aufbau der Kohlenstoffkette des Alkans gespielt haben. Die Hydrierung von Alkenen ist insbesondere deshalb eine sinnvolle Methode zur Darstellung von Alkanen, weil die Alkene als Edukte über viele Syntheseverfahren zugänglich sind. Während Alkine dabei zunächst zu Alkenen umgesetzt werden, wird dabei ohne besondere Anpassungen der Reaktionsbedingungen immer ein Alkan erhalten. Die Hydrierung verwendet molekularen Wasserstoff und einen Übergangsmetallkatalysator, beispielsweise auf der Basis von Palladium, Platin, Rhodium oder Ruthenium. Ein Beispiel ist die Hydrierung von Ethylen auf Platin:
Defunktionalisierungen Ein Verfahren zur Herstellung durch Hydrogenolyse funktioneller Gruppen ist die Reduktion von Alkyltosylaten mit einem nukleophilen Hydrid wie Lithiumaluminiumhydrid. Auch die Reduktion von Alkylhalogeniden mit Lithiumaluminiumhydrid oder Natriumborhydrid in Diethylether ergibt Alkane. Ein Beispiel hierfür ist die Reduktion von 1-Brom-2-methyldecan mit Lithiumaluminiumhydrid zu 2-Methyldecan. Andere Methoden sind die radikalische Reduktion von Alkylhalogeniden mit Tributylzinnhydrid, oder ihre Reduktion mit Zinkstaub in saurem Milieu.