Alkane

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 C_nH_2n+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.

Allgemeine Strukturformel von n-Alkanen

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 vor Christus überliefert. Die Verwendung von Erdölprodukten in der Antike ist gut dokumentiert, einerseits für Mauern und Straßen, andererseits in der Kriegsführung.^[1]

Die generelle Verwendung der Endung „-an“ für die Nomenklatur der Alkane wurde von August Wilhelm von Hoffmann in einer Fußnote vorgeschlagen, in einer 1866 veröffentlichten Publikation, in der es eigentlich um die Reaktion von Phosportrichlorid 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.^[2] 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 und so weiter).^[3]

Vertreter und Isomerie

Alkane sind gesättigte, acyclische Kohlenwasserstoffe, die linear oder verzweigt sein können und die allgemeine Summenformel C_nH_2n+2 aufweisen.^[4] Ausgehend vom einfachsten Alkan, dem Methan, lassen sich durch Einschub zusätzlicher CH₂-Gruppen längere Vertreter bilden. Sie bilden die Homologe Reihe der Alkane.^[5.1] 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 gasförmig 0,42 g/cm3 flüssig	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.)	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.)	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.)	Kugel-Stab-Modell von Butan
n-Pentan	C5H12	72,15 g·mol−1	144 K	309 K	0,626 g/cm3	Kugel-Stab-Modell von Pentan
n-Hexan	C6H14	86,18 g·mol−1	178 K	342 K	0,659 g/cm3	Kugel-Stab-Modell von Hexan
n-Heptan	C7H16	100,2 g·mol−1	182 K	371 K	0,684 g/cm3	Kugel-Stab-Modell von Heptan
n-Octan	C8H18	114,2 g·mol−1	216 K	399 K	0,703 g/cm3	Kugel-Stab-Modell von Octan
n-Nonan	C9H20	128,3 g·mol−1	222 K	424 K	0,718 g/cm3	Kugel-Stab-Modell von Nonan
n-Decan	C10H22	142,3 g·mol−1	243 K	447 K	0,73 g/cm3	Kugel-Stab-Modell von Decan
n-Undecan	C11H24	156,3 g·mol−1	248 K	469 K	0,74 g/cm3	Kugel-Stab-Modell von Undecan
n-Dodecan	C12H26	170,3 g·mol−1	263 K	489 K	0,75 g/cm3	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).^[6]

n-Butan	iso-Butan (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.^[5.2]

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.^[7][8][9]

Isomere Alkane nach Zahl der Kohlenstoffatome

Logarithmus der Anzahl der Isomere von Alkanen

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 möglichen Isomere. Viele davon sind aber aus sterischen Gründen nicht existenzfähig. In dieser Liste^[10] ist die Anzahl der Konstitutionsisomere bis 100 C-Atome aufgeführt. Wie die Zahlen berechnet werden, wird hier^[11] beschrieben.

Nomenklatur

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:^[12]

1. 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).
2. 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).
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 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.^[13]

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.^[14]

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.^[14] Die Hydrierung von Alkenen ist insbesondere deshalb eine sinnvolle Methode zur Darstellung von Alkanen, weil die Alkene als Edukte über viele Syntheseverfahren zugänglich sind.^[5.3] 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.^[15] Ein Beispiel ist die Hydrierung von Ethylen auf Platin:^[16]

${\displaystyle \mathrm {C_{2}H_{4}(g)+H_{2}(g)\rightarrow C_{2}H_{6}(g)} }$

Ethen und Wasserstoff reagieren zu Ethan.

Defunktionalisierungen

Ein Verfahren zur Herstellung durch Hydrogenolyse funktioneller Gruppen ist die Reduktion von Alkyltosylaten mit einem nukleophilen Hydrid wie Lithiumaluminiumhydrid.^[14] 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.^[5.4] Andere Methoden sind die radikalische Reduktion von Alkylhalogeniden mit Tributylzinnhydrid,^[14] oder ihre Reduktion mit Zinkstaub in saurem Milieu.^[5.4]

Die Protolyse von Organometallverbindungen, beispielsweise die Reaktion von Grignard-Verbindungen mit Wasser ergibt ebenfalls Alkane.^[14] Alkylhalogenide können so zunächst in eine Grignard-Verbindung überführt und dann hydrolysiert werden. Ein Beispiel ist die Bildung von Isopentan aus 1-Brom-3-methylbutan über Isopentylmagnesiumbromid.^[5.4]

Die Defunktionalisierung von Carbonylverbindungen ist durch Clemmensen-Reduktion oder die Wolff-Kishner-Reduktion möglich, sowie über Thioketale, die mit Raney-Nickel umgesetzt werden.^[14] Mit Polymethylhydrosiloxan und Tris(pentafluorphenyl)boran können Aldehyde und Ketone bei Raumtemperatur in Dichlormethan zu Alkanen defunktionalisiert werden.^[17]

• Darstellung aus Halogenalkanen mit Hilfe von Wasserstoff. Beispiel:

${\displaystyle \mathrm {CCl_{4}(l)+4\;H_{2}(g)\rightarrow 4\;HCl(g)+CH_{4}(g)} }$

Tetrachlormethan reagiert mit Wasserstoff zu Chlorwasserstoff und Methan

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

Knüpfung von C-C-Bindungen

Eine Reaktion, die Alkane durch C-C-Bindungsknüpfung bildet und hauptsächlich von historischer Bedeutung ist, ist die Wurtzsche Synthese. Modernere Synthesemethoden basieren auf selektiveren Reaktionen von Organometallverbindungen.^[14] Allgemeine Reaktionsgleichung:

${\displaystyle \mathrm {R{-}Hal+M{-}R'\rightarrow R{-}R'+M{-}Hal} }$

Halogenalkane reagieren mit Metallorganylen zu Alkanen und Metallhalogenen.

Industrielle Verfahren

Industriell können Alkane aus fossilen Kohlenwasserstoffgemischen gewonnen werden, also Erdgas, Erdöl und Kohle. Beim Bergius-Verfahren erfolgt die Herstellung der Alkane unter hohem Druck aus Braunkohle und Wasserstoff. Beim Fischer-Tropsch-Verfahren erfolgt die Herstellung von flüssigen Alkanen aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff.^[5.5] Beispiel:

${\displaystyle \mathrm {CO(g)+3\;H_{2}(g)\rightarrow CH_{4}(g)+H_{2}O(g)} }$

Kohlenmonoxid reagiert mit Wasserstoff zu Methan und Wasser.

Alkane sind auch durch Verarbeitung von Erdgas und Erdöl zugänglich. Letzteres wird in der Erdölraffinerie durch fraktionierte Destillation aufgetrennt und dann zu vielen weiteren wichtigen Produkten wie Benzin weiterverarbeitet. Dazu wird ausgenutzt, dass unterschiedliche „Fraktionen“ des Rohöls unterschiedliche Siedepunkte besitzen und so leicht voneinander getrennt werden können. Innerhalb der einzelnen Fraktionen liegen die Siedepunkte dagegen eng beieinander.

Eigenschaften

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

Molekulare Eigenschaften

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

Die räumliche Struktur der Alkane wirkt sich direkt auf ihre physikalischen und chemischen Eigenschaften aus. Entscheidend für ihr Verständnis ist die Elektronenkonfiguration des Kohlenstoffs. Dessen Atome weisen im Grundzustand vier freie Elektronen, die so genannten Valenzelektronen auf, die für Bindungen und Reaktionen zur Verfügung 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 Überlagerung der vier Ausgangsorbitale (ein s-Orbital und drei p-Orbitale) vier neue Orbitale gleicher Energie vorhanden sind. Diese sind räumlich in der Form eines Tetraeders angeordnet, der Winkel zwischen ihnen beträgt daher 109,47 Grad.

Bindungslängen und Bindungswinkel

• 
  Bindungslängen und -winkel des Methanmoleküls
• 
  Bindungslängen und -winkel des Ethanmoleküls

Ein Alkanmolekül weist nur C-H- und C-C-Bindungen (Kohlenstoffeinfachbindungen) auf. Erstere entstehen durch Überlappung eines sp³-Hybridorbitals des Kohlenstoffs mit dem 1s-Orbital des Wasserstoffs, letztere durch Überlappung zweier sp³-Hybridorbitale unterschiedlicher Kohlenstoffatome. Die Bindungslänge beträgt etwa 110 pm für die C-H-Bindungen (109 pm im Methan) und 154 pm für die C-C-Bindungen.^[5.6]

Die räumliche 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. Durch Abstoßung zwischen Atomen ändern sich die Winkel jedoch teilweise um einige Grad. So ist beim zentralen Kohlenstoffatom des Propans der CCC-Winkel etwa 112°, der HCH-Winkel 106°.^[5.6]

Konformation der Alkane

Die C-C-Einfachbindungen in Alkanen sind im Allgemeinen frei drehbar, sodass beliebig viele räumliche Anordnungen (Konformere oder Rotamere) möglich sind, wobei tatsächlich relevante energetische Unterschiede auftreten, durch die bestimmte Konformere bevorzugt sind.^[5.7]

Newman-Projektion des Ethanmoleküls, ekliptische Konformation links, gestaffelte Konformation rechts

Den einfachsten Fall bildet innerhalb der Stoffklasse der Alkane das Ethan; hier existiert genau eine C-C-Bindung. Die Konformation entlang einer Bindung kann beispielsweise in einer Newman-Projektion dargestellt werden, bei der die drei zusätzlichen Substituenten am Ende jeder Bindung auf eine Fläche projiziert werden, sodass sie in einem 120°-Winkel zueinander stehen (statt dem tatsächlichen räumlichen Winkel von 109°). Nicht festgelegt ist jedoch der Winkel zwischen den beiden Gruppen von Wasserstoffatomen – er beschreibt im Ethanmolekül die Konformation. Qualitativ sind dabei nur zwei verschiedene Konformationen interessant:^[5.7]

• In der ekliptischen Konformation beträgt der Winkel 0°, in der Projektion fallen je ein vorderes und ein hinteres Wasserstoffatom zusammen.
• In der gestaffelten Konformation beträgt der Winkel 60°, so dass in der Projektion jeweils ein hinteres Wasserstoffatom zwischen zwei vorderen zu liegen kommt.

Die Drehbarkeit um eine Bindung hängt von der Temperatur ab. Die Rotationsbarriere über das energetische Maximum im Ethan beträgt nur etwa 12 kJ/mol, sodass diese bei Raumtemperatur kaum eine Rolle spielt und die Bindung sich im Wesentlichen frei drehen kann. Daneben spielt auch die Größe der Substituenten an der Bindung eine Rolle: So trägt die mittlere Bindung des Butans zwei Methylgruppen, die erheblich größer als Wasserstoffatome sind, sodass etwa 60 % der Moleküle bei Raumtemperatur gestaffelt auftreten.^[5.7]

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. Während 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 bezüglich ihrer Energie zwischen diesen beiden Extremen. Die Ursache für die Differenz ist noch nicht vollständig aufgeklärt: 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 höher. Umgekehrt erlaubt die gestaffelte Konformation eine stärkere Delokalisation der Bindungselektronen, ein quantenmechanisches Phänomen, das die Struktur stabilisiert und die Energie herabsetzt. Heute gilt der Letztere Erklärungsansatz als wahrscheinlicher.

Die Torsionsenergie des Ethanmoleküls ist bei Raumtemperatur klein gegenüber der thermischen Energie, so dass es sich dann in konstanter Rotation um die C-C-Achse befindet. Allerdings „rastet“ es in regelmäßigen Abständen in der gestaffelten Konformation „ein“, so dass sich zu jedem Zeitpunkt etwa 99 Prozent aller Moleküle nahe dem Energieminimum befinden. Der Übergang zwischen zwei benachbarten gestaffelten Konformationen dauert aber nur durchschnittlich 10⁻¹¹Sekunden.

Newman-Projektion des Butanmoleküls, von links nach rechts: synperiplanare, synklinale, partiell-ekliptische, antiperiplanare Konformation

Während für die beiden C-C-Bindungen des Propanmoleküls qualitativ dasselbe gilt wie für Ethan, ist die Situation für Butan und alle höheren Alkane komplexer.

Betrachtet man die mittlere C-C-Bindung des Butanmoleküls, 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 Übergangszustände möglich 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 Nähe der beiden Methylgruppen zueinander ist es allerdings nur lokal, es existiert also noch eine energetisch günstigere Konformation.
• Beträgt der Torsionswinkel 120 oder 240 Grad, so ist die Konformation partiell-ekliptisch. Sie ist aus den gleichen Gründen wie beim Ethan energetisch ungünstig. 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 erklärbare verstärkte Delokalisation der Elektronen auf, zugleich nehmen die beiden Methylgruppen den größtmöglichen räumlichen Abstand zueinander ein. Die Torsionsenergie wird daher für diesen Zustand global minimiert.

Der Energieabstand zwischen syn- und antiperiplanarer Konformation beträgt etwa 19 Kilojoule pro Mol und ist damit bei Raumtemperatur immer noch klein gegenüber der thermischen Energie. Daher sind Drehungen um die mittlere C-C-Achse immer noch leicht möglich. Wie beim Ethan ist jedoch die Wahrscheinlichkeit dafür, ein Molekül in einem bestimmten Zustand zu finden, nicht gleich groß; für die antiperiplanare Konformation ist sie etwa doppelt so hoch wie für die synklinale, während sie für die beiden ekliptischen Konformationen vernachlässigbar gering ist.

Bei den höheren Alkanen ergibt sich grundsätzlich dasselbe Bild – für alle C-C-Bindungen ist immer die antiperiplanare Konformation, bei der die angebundenen Alkylgruppen den größtmöglichen Abstand einnehmen, die energetisch günstigste 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 Molekülmodellen der Fall. Die tatsächliche Struktur wird sich bei Raumtemperatur immer etwas von dieser idealisierten Konformation unterscheiden – Alkanmoleküle haben also keine feste Stäbchenform, wie das Modell suggerieren könnte.

Die Ketten der höheren Alkane haben grundsätzlich eine gestreckte Konformation. Ab 18 bis 19 Kettengliedern lassen sich bei tiefen Temperaturen auch gefaltete Haarnadelstrukturen nachweisen. Zur Bildung von Haarnadelstrukturen müssen die Kohlenwasserstoffketten zunächst erhitzt und anschließend mithilfe eines Trägergases extrem schnell auf minus 150 °C abgekühlt werden.^[18]

Physikalische Eigenschaften

Schmelzpunkte und Siedepunkte der ersten vierzehn n-Alkane (Temperaturangaben in °C)

Die Molekülstruktur, speziell die Größe der Oberfläche der Moleküle, bestimmt den Siedepunkt des zugehörigen Stoffes: je kleiner die Oberfläche, umso niedriger ist der Siedepunkt, da so die zwischen den Molekülen wirkenden Van-der-Waals-Kräfte kleiner sind; eine Verkleinerung der Oberfläche kommt bei den Alkanen durch Verzweigungen zustande. sodass verzweigte Alkane niedrigere Siedepunkte als lineare haben. Der Siedepunkt nimmt pro CH₂-Gruppe um 20 bis 30 °C zu.^[19] Ab fünf Kohlenstoffatomen sind unverzweigte Alkane unter Normalbedingungen flüssig, ab siebzehn fest.

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 höheren Alkanen langsamer als die Siedepunkte.^[20] Außerdem steigt der Schmelzpunkt von Alkanen mit ungerader Kohlenstoffzahl zu Alkanen mit gerader Kohlenstoffzahl stärker als umgekehrt. Die Ursache dieses Phänomens ist die größere Packungsdichte der Alkane mit geradzahliger Kohlenstoffzahl.^[19] Der Schmelzpunkt der verzweigten Alkane kann sowohl ober- als auch unterhalb des entsprechenden Wertes für die unverzweigten Alkane liegen. Je sperriger das Molekül ist, desto schwieriger lässt 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 über denjenigen ihrer geradlinigen Isomere.

Alkane sind wenig polar, weshalb sie sich in unpolaren Lösungsmitteln gut lösen, beispielsweise in Diethylether, Chloroform und ähnlichen Chlorkohlenwasserstoffen oder in Benzol. In polaren Lösungsmitteln wie Wasser und Dimethylsulfoxid sind sie dagegen schlecht löslich, da sie dort keine Solvathülle bilden können.^[19] Untereinander sind Alkane bei gleichem Aggregatzustand in jedem Verhältnis mischbar.

Bis auf einige Ausnahmen nimmt die Dichte der Alkane mit zunehmender Zahl der Kohlenstoffatome zu.^[19] Da sie bei allen flüssigen Alkanen geringer ist als diejenige des Wassers, schwimmen Alkane bei versuchter Mischung immer oben, weshalb brennende, flüssige Alkane nicht mit Wasser gelöscht werden können.

Chemische Eigenschaften

Generell zeigen Alkane eine relativ geringe Reaktivität, weil ihre C-H- und C-C-Bindungen relativ stabil sind und nicht einfach zerbrochen werden können. 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 pK_s-Wert liegt oberhalb von 60 (Methan 48), mit normalen Säuren oder Basen reagieren sie daher praktisch gar nicht, worauf auch der Trivialname Paraffin hinweist (lat.: parum affinis = wenig geneigt). Im Erdöl sind die Alkanmoleküle sogar seit Millionen von Jahren chemisch unverändert 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 niedrigstmögliche Oxidationsstufe −IV erreicht. Im ersten Fall handelt es sich um Verbrennungen, im zweiten um Substitutionsreaktionen.

Radikale, also Moleküle 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 Molekülen tritt eine Abweichung vom optimalen Bindungswinkel auf, die dadurch hervorgerufen wird, dass sich Alkylgruppen, die an unterschiedlichen Kohlenstoffatomen sitzen, räumlich sonst zu nahekommen würden. Durch die dadurch hervorgerufene „Spannung“, die man als sterische Spannung bezeichnet, sind diese Moleküle wesentlich reaktiver.

Reaktionen

Reaktionen mit Sauerstoff

Alle Alkane reagieren mit Sauerstoff, sind also brennbar, aber nicht brandfördernd; 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 höhere Zahl an oxidierbaren Wasserstoffatomen im Molekül (6 bei Ethan, 4 bei Ethen und 2 bei Ethin) überkompensiert. Die Standardverbrennungsenthalpien liegen in etwa bei folgenden Werten:^[21]

• Ethan: Δ_cH° = −1560,7 kJ/mol
• Ethen: Δ_cH° = −1411,2 kJ/mol
• Ethin: Δ_cH° = −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 vollständiger Verbrennung reagiert der Kohlenstoff zu Kohlenstoffdioxid (Oxidationszahl +IV) und der Wasserstoff zu Wasser, das in Form von Wasserdampf freigesetzt wird:

${\displaystyle 2\;\mathrm {C} _{n}\mathrm {H} _{2n+2}+(3n+1)\;\mathrm {O_{2}} \rightarrow 2(n+1)\;\mathrm {H_{2}O} +2n\;\mathrm {CO_{2}} }$

Ein n-Alkan reagiert mit Sauerstoff zu Wasser und Kohlendioxid.

Die totale Verbrennungsenergie steigt vergleichsweise regelmäßig mit zunehmender Anzahl der Kohlenstoffatome; jede CH₂-Gruppe steuert etwa 650 Kilojoule pro Mol bei. Aus der Tatsache, dass die Verbrennungsenergie verzweigter Alkane etwas niedriger ist als die unverzweigter, lässt sich auf eine höhere Stabilität ersterer Gruppe schließen.

Werden Alkane nicht vollständig verbrannt, weil zu wenig Sauerstoff vorhanden ist, entstehen unerwünschte Nebenprodukte wie Alkene, Kohlenstoff und Kohlenstoffmonoxid und die Energieausbeute ist geringer; eine vollständige Verbrennung der Alkane ist daher wichtig. Ein Beispiel für eine unvollständige Verbrennung ist die folgende Reaktion

${\displaystyle \mathrm {2\ C_{8}H_{18}+13\ O_{2}\rightarrow 2\ CO_{2}+7\ CO+4\ C+C_{3}H_{6}+15\ H_{2}O} }$

Octan reagiert mit Sauerstoff zu Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Kohlenstoff (Ruß), Propen und Wasser.

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

Reaktionen mit den Halogenen

Eine weitere wichtige Reaktionsgruppe der Alkane sind Halogenierungsreaktionen – auch sie zählen zu der größeren Gruppe der Redoxreaktionen, da sich die Oxidationszahlen der betroffenen Kohlenstoffatome ändern.

Bei der Halogenierung werden die Wasserstoffatome eines Alkans teilweise oder vollständig 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 für Methan hervorgeht:

${\displaystyle \mathrm {4\ CH_{4}+10\ Cl_{2}\rightarrow CH_{3}\ Cl+CH_{2}Cl_{2}+CHCl_{3}+CCl_{4}+10\ HCl} }$

Methan reagiert mit Chlor zu Mono-, Di-, Tri- und Tetrachlormethan sowie Chlorwasserstoff.

Das Mischungsverhältnis der einzelnen Halogenalkane hängt von den Reaktionsbedingungen und dem Reaktionsverlauf ab und ist in der Reaktionsgleichung vollkommen willkürlich gewählt, also nicht repräsentativ.

Die Reaktion mit Chlor wird schon bei geringer Energiezufuhr in Form von ultraviolettem Licht ausgelöst – 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 beständig ein neues nachgebildet, jedenfalls so lange, bis der Überschuss 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 Halogenmoleküle 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 löst ein Wasserstoffatom aus einem Alkanmolekül heraus und lässt ein Alkylradikal zurück:

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

• Propagierung Schritt 2: Ein Alkylradikal löst aus einem Halogenmolekül ein Halogenatom heraus und lässt ein Halogenradikal zurück:

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

Schritt 1 und Schritt 2 wechseln sich bei der Reaktion kontinuierlich ab – es entsteht aus wenigen anfänglichen Chlorradikalen eine immer größere Zahl an Reaktionsprodukten.

• Terminierung: Die Reaktion stoppt, wenn die Wahrscheinlichkeit zweier Radikale, aufeinanderzutreffen, größer wird als diejenige, auf ein Ausgangsprodukt (oder ein noch nicht vollständig 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 führt, ist die Zahl der so erzeugten Produkte vernachlässigbar gegenüber 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. Für die wichtigsten Fälle des Methans oder Ethans stellt sich diese Frage nicht, da alle Wasserstoffatome äquivalent sind. Ab dem Propan sind jedoch manche von ihnen an sekundäre oder tertiäre Kohlenstoffatome gebunden, also solche mit zwei beziehungsweise drei Bindungen zu anderen Kohlenstoffatomen. Diese Bindungen sind schwächer, was sich bei Halogenierungen dadurch auswirkt, dass bevorzugt die an einem sekundären beziehungsweise gar tertiären Kohlenstoff sitzenden Wasserstoffatome durch Halogene ersetzt werden.

Beispiel: 2-Chlorpropan CH₃–CHCl–CH₃ tritt im Vergleich zum 1-Chlorpropan CH₂Cl–CH₂–CH₃ als Reaktionsprodukt häufiger auf, als dies statistisch zu erwarten wäre.

Die Reaktionsraten sind für die vier Halogene extrem unterschiedlich. Bei 27 °C beträgt das Verhältnis

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

Daraus lässt 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 ungünstig, daher wird Iod bei Halogenisierungsreaktionen als Radikalfänger verwendet, um die Kettenreaktionen abzubrechen. Durch Anhalten der Substitutionsreaktion lässt sich diese teilweise steuern, um die Ausbeute eines bestimmten Reaktionsproduktes zu erhöhen.

Cracken und Reformierung

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

Bei Ersterem werden aus höheren 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

${\displaystyle \mathrm {C_{12}H_{26}\rightarrow C_{10}H_{21}{\cdot }+C_{2}H_{5}{\cdot }} }$

Dodecan spaltet sich in ein Decyl- und ein Ethyl-Radikal.

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

${\displaystyle \mathrm {C_{2}H_{5}{\cdot }+C_{3}H_{7}{\cdot }\rightarrow C_{2}H_{5}{-}C_{3}H_{7}} }$

Ein Ethyl- und ein Propylradikal reagieren zu Pentan.

Durch geeignete Reaktionsbedingungen lässt sich sicherstellen, dass als Folge dieser Reaktionen in erster Linie kurze Alkanmoleküle entstehen. Auf demselben Wege lassen sich auch störende 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 für diesen Zweck ungünstige Verbrennungseigenschaften haben, an Katalysatoren in verzweigte Alkane und Arene, also aromatische Kohlenwasserstoffe, umgewandelt.

Alkanmetathese

Durch Kombination von zwei geeigneten Katalysatoren können Alkane zu Alkenen dehydriert, einer Olefinmetathese unterzogen und wieder hydriert werden, sodass eine Alkanmetathese möglich wird. Bestimmte Katalysatoren auf der Basis von Zirconium, Tantal oder Wolfram ermöglichen die Alkanmetathese ohne mehrere Katalysatoren zu kombinieren, wobei aber ebenfalls Alkene als Intermediate auftreten.^[22]

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 Salpetersäure, die aber beide besondere Bedingungen erfordern. Technisch weitaus bedeutender ist die Fermentation zu Alkansäuren.

Vorkommen

Extraterrestrische Vorkommen

Auf dem Saturnmond Titan kommen Methan und Ethan in nennenswerten Mengen in der Atmosphäre vor, aber auch als Niederschlag und in Seen

Methan ist ein wichtiger Bestandteil der Atmosphäre von Uranus (etwa 1,4–4 % in der Troposphäre) und Neptun (etwa 2–5 % in der Troposphäre).^[23] Die Atmosphären von Jupiter und Saturn enthalten demgegenüber nur sehr geringe Mengen Methan.^[24]

Der Titan ist der einzige Mond im Sonnensystem, der eine dichte Atmosphäre aufweist und diese enthält bis zu 5 % Methan.^[25] Es wurde sogar postuliert, dass es auf dem Titan einen Ozean aus flüssigem Ethan geben könnte.^[26] Im Rahmen der Cassini-Huygens-Mission wurde der Titan detailliert untersucht, wobei im Jahr 2005 eine Sonde auf dem Mond landete. Dabei wurden keine größeren Flüssigkeitsansammlungen im Sinne von Meeren gefunden. Dennoch gibt es deutliche Hinweise darauf, dass Methan und Ethan dort eine ähnliche Rolle spielen wie Wasser auf der Erde (auf dem Titan gibt es im Wesentlichen nur festes Wasser, also Eis). Dazu gehören Methanwolken, flussartige Bodenstrukturen, die auf gelegentlichen starken Niederschlag hindeuten, sowie Seen aus Methan und / oder Ethan, insbesondere in der Nähe des Nordpols.^[25]

Methan und Ethan konnten im Schweif des Kometen Hyakutake nachgewiesen werden.^[27] Bei der Untersuchung des Kometen Tschurjumow-Gerassimenko im Rahmen der Rosetta-Mission wurde eine große Bandbreite an organischen Molekülen entdeckt, darunter auch Alkane bis einschließlich Heptan.^[28] Daneben kommen organische Moleküle extraterrestrisch oft in kohligen Chondriten, einer Art von Meteoriten vor. Dabei kommen sowohl lineare als auch methylverzweigte Verbindungen vor, wobei die linearen Alkane zu überwiegen scheinen. Bei einer detaillierten Untersuchung der Alkane im Murchison-Meteorit wurden lineare Alkane von Dodecan bis Hexacosan gefunden, wobei Pentadecan, Hexadecan und Heptadecan überwiegen. Daneben wurden auch Verbindungen bis einzelnen Methylverzweigungen gefunden sowie mehrfach verzweigte (isoprenoide). Die Zusammensetzung weist deutliche Ähnlichkeiten zu den Alkanen in Erdöl auf.^[29]

Vorkommen in der Erdatmosphäre

Das in der Erdatmosphäre natürlich vorkommende Methan wird vor allem von Archaeen erzeugt (siehe unten), was ein wichtiger Teilschritt im Kohlenstoffkreislauf ist.^[30] In früheren Zeit gab es regelmäßig Perioden mit niedrigen atmosphärischen Methankonzentrationen (etwa 320–350 ppb) und höheren Konzentrationen (650–780 ppb). Derzeit ist der Methangehalt der Atmosphäre mit über 1700 ppb deutlich höher, was auf menschliche Einflüsse zurückzuführen ist. Im Gesamtbeitrag zum menschengemachten Treibhauseffekt ist Methan nach Kohlenstoffdioxid die zweitwichtigste Verbindung, der Effekt pro Molekül ist aber beim Methan deutlich stärker als beim Kohlenstoffdioxid.^[31] Andere Alkane, darunter Ethan, Propan und Butan, kommen in deutlich geringeren Mengen vor (bis in den niedrigen zweistelligen ppb-Bereich). Da sie insbesondere als Bestandteil von Abgasen sowie durch Freisetzung beziehungsweise Verdampfung von Treibstoffen in die Luft gelangen, ist die Konzentration in der Nähe von Ballungszentren größer als in ländlichen Gegenden.^[32]

Mineralische Vorkommen auf der Erde

Erdgas besteht überwiegend aus Alkanen, insbesondere Methan. Die Art und Menge der enthaltenen Verbindungen kann zwischen verschiedenen Vorkommen deutlich variieren. Dabei gibt es solche Arten die praktisch nur aus Methan und Ethan bestehen (was auch als trockenes Gas bezeichnet wird), bis hin zu solchen Arten, die alle n-Alkane bis einschließlich Heptan enthalten. Sind längere Alkane (Pentan, Hexan, Heptan) enthalten, spricht man auch von nassem Gas. Erdgas kommt allein vor, aber auch vergesellschaftet mit oder gelöst in Erdöl.^[33] Enorme Mengen von Methan sind in Form von Methanhydrat gebunden, einer festen Clathrat-Verbindung aus Wasser- und Methanmolekülen.^[34]

Alkane sind daneben auch ein Hauptbestandteil von Erdöl. So wurden n-Alkane bis zu einer Kettenlänge von 78 nachgewiesen, in wachsartigen Erdölvorkommen auch längere mit einer Kettenlänge bis 200. Daneben kommen in Erdöl auch Isoalkane vor, unter anderem wurden alle isomeren Alkane mit acht oder weniger Kohlenstoffatomen nachgewiesen.^[35] Ozokerit, ein festes, natürlich vorkommendes Gemisch aus organischen Verbindungen, enthält oft als Hauptkomponente Alkane. In einer Studie von Ozokerit-Proben unterschiedlicher Herkunft unterschieden sich die dominierenden Kettenlängen, in einem Fall waren dies Tricosan bis Pentacosan, in einem anderen Fall längere Verbindungen von Heptacosan bis hin zu Alkanen mit über 30 Kohlenstoffatomen.^[36] Die verzweigten Alkane Pristan und Phytan treten häufig in Erdöl und Sedimenten auf. Als Vorläufer werden die isoprenoiden Seitenketten von Chlorophyll oder Tocopherolen vermutet.^[37] Das von Botryococcus braunii genbildete stark verzweigte Alkan Botryococcan findet sich in Erdöl und eignet sich als Biomarker um zur Bestimmung der Bildung des Öls.^[38]

• 
  Methanhydrat-Brocken
• 
  Teergrube in La Brea, Kalifornien
• 
  Ozokerit-Brocken
• 
  Evenkit-Kristall

Das Mineral Evenkit besteht zu etwa 98 % aus linearen Alkanen der Kettenlänge 19 (Nonadecan) bis 28 (Octacosan), wobei die Hauptkomponente nach Menge das Tricosan ist und der Anteil in Richtung der höheren und niedrigeren Kettenlängen abnimmt.^[39]

Vorkommen und Bedeutung bei Mikroorganismen und Pilzen

Das von Rindern freigesetzte Methan stammt von Mikroorganismen (Methanbildnern) in deren Verdauungstrakt

Auf der Erde wird Methan insbesondere von Archaeen, den Methanbildnern, erzeugt, die in anaeroben Umgebungen wie Gewässersedimenten, Rauchern (Hydrothermalquellen), hypersalinen Umgebungen oder dem Pansen von Wiederkäuern leben. Sie können Kohlenstoffdioxid oder bestimmte organische Moleküle wie Formiat, Methanol und andere Verbindungen mit Methylgruppen zu Methan umsetzen. Dies ist ein wichtiger Teilschritt im Kohlenstoffkreislauf.^[30] Bei den Methanogenen, die nach bisherigen Erkenntnissen alle zu den Euryarchaeota gehören, ist Methan das primäre Endprodukt des energieproduzierenden Metabolismus. Die durch Archaeen emittierte Menge an Methan wird auf etwa eine Gigatonne pro Jahr geschätzt.^[40] Neben extremen Habitaten kommen methanogene Archaeen auch andernorts vor. Sie treten häufig symbiotisch mit anderen Lebewesen auf, so in der Rhizosphäre von Pflanzen oder im Verdauungstrakt von Tieren. Nachgewiesen wurden sie beispielsweise bei Gliederfüßern (Tausendfüßer, Schaben, Termiten). Hühnern sowie vielen Säugetieren (Rind, Schaf, Ziege, Schwein, Nashorn, Rentier). Bei Wiederkäuern wird ein erheblicher Teil des ausgestoßenen Methans durch Archaeen gebildet. Auch im Verdauungstrakt von Menschen wird Methan durch methanogene Archaeen gebildet.^[41]

Pilzsporen können auf der Oberfläche langkettige Alkane tragen, wobei sich die Zusammensetzung je nach Art unterscheidet. Beispielsweise treten bei Ustilago maydis vor allem Pentacosan, Heptacosan und Nonacosan auf. Bei Ustilago nuda ist Pentatriacontan die Hauptkomponente und bei Sphaceloteca reiliana Nonacosan.^[42]

Sowohl bei Pilzen als auch bei Bakterien und Archaeen gibt es Arten, die Alkane als Energie- oder Kohlenstoffquelle nutzen. Methanotrophe Bakterien, die in Gegenwart von Sauerstoff Methan oxidieren und dieses als ausschließliche Kohlenstoffquelle nutzen können, finden sich bei den Proteobacteria in den Gattungen Methylobacter, Methylocaldum, Methylococcus, Methylomicrobium, Methylomonas, Methylosphaera, Methylothermus, Methylocella, Methylocapsa, Methylocystis und Methylosinus. Auch methanotrophe Archaeen sind bekannt, bei diesen dienen statt Sauerstoff Stickoxide oder Schwefeloxide als Oxidationsmittel.^[43] Das Bakterium Alcanivorax borkumensis kann langkettige Alkane abbauen und tritt häufig in der Umgebung von Ölverschmutzungen im Meer auf. Thermophile Bakterien, die in Erdölvorkommen und in der Nähe von Vulkanen vorkommen, sind beispielsweise aus den Gattungen Thermooleophilum, Thermomicrobium, Bacillus, Geobacillus und Thermus bekannt. Alkane können durch Monooxygenasen auf der Zelloberfläche zunächst zu primären Alkoholen oxidiert werden. Anschließend werden sie weiter zu Aldehyden und Carbonsäuren oxidiert. Letztere treten dann als Acyl-CoA in den üblichen β-Oxidations-Weg ein. Daneben sind sowohl aus Bakterien als auch aus Hefen Cytochrom-P450-verwandte Enzyme bekannt, die Alkane zu primären Alkoholen oxidieren können. Andere Monooxygenasen können Alkane zu sekundären Alkoholen oxidieren, die durch Alkoholdehydrogenasen und Baeyer-Villiger-Monooxygenasen über Ketone zu Carbonsäureestern umgewandelt und diese dann zu Carbonsäuren hydrolysiert werden.^[44] Cytochrom-P450-artige Enzyme, die Alkane oxidieren können kommen vor allem in Hefen vor, sowie seltener in Bakterien (zum Beispiel Gattungen Rhodococcus und Pseudomonas). Unterschiedliche Enzyme eignen sich für unterschiedliche Kettenlängen von Alkanen. Oft kommen aber mehrere alkanabbauende Enzyme zusammen in einem Organismus vor.^[45]

Der Kerosinpilz (Amorphotheca resinae) verstoffwechselt bevorzugt Flugbenzin aus langkettigen n-Alkanen, was zu Schäden und Gefahren im Flugbetrieb führen kann.^[46] Unspezifische Peroxygenasen aus Pilzen (beispielsweise dem Pappelpilz, Agrocybe aegerita) können Alkane hydroxylieren, beispielsweise Propan zu Isopropanol und Butan zu 2-Butanol. Bei längeren Alkanen bis Hexadecan treten sowohl 2-Alkohole als auch 3-Alkohole als Produkte auf.^[47]

Vorkommen und Bedeutung bei Tieren

Bei Tieren treten Alkane in ölhaltigen Geweben auf, spielen dort im Gegensatz zu den ungesättigten Kohlenwasserstoffen aber keine bedeutende Rolle. Ein Beispiel ist die Haileber, aus der sich ein Öl gewinnen lässt, das zu etwa 14 Prozent aus Pristan besteht.

Insekten tragen außen auf ihrem Exoskelett eine Lipidschicht (Cuticula-Wachs), die insbesondere dem Schutz vor Austrocknung dient und als Hauptkomponenten Kohlenwasserstoffe enthält. Teilweise wirken die enthaltenen Verbindungen aber auch als Semiochemikalien, unter anderem als Sexualpheromone oder Kairomone.^[48.1] Alkane treten häufig als Bestandteile auf, darunter lineare, aber auch solche mit einer oder mehreren Methylverzweigungen, beispielsweise 2-Methylalkane oder 3-Methylalkane. Im Allgemeinen enthalten die Wachse mehr lineare Alkane mit ungerader Kettenlänge als mit gerader Kettenlänge. Dabei gibt es sowohl einfache als auch komplexe Zusammensetzungen. So macht bei der Amerikanischen Großschabe (Periplaneta americana) Pentacosan 85 % der Alkane aus, während bei Puppen von Heliothis virescens (Unterfamilie Heliothinae) ein vielfältiges Gemisch mit Alkanen der Kettenlänge 17 (Heptadecan) bis 34 (Tetratriacontan) auftritt. Im Allgemeinen kommen lineare und verzweigte Alkane sowie Alkene gemeinsam vor, bei Mehlkäfern und diversen Schildläusen ist jedoch bekannt, dass das Wachs neben linearen Alkanen keine weiteren Kohlenwasserstoffe enthält. 2-Methyl- und 3-Methylalkane treten ebenfalls sehr häufig auf. Die 2-Methylalkane sind dabei insofern ungewöhnlich als dass Vertreter mit geradzahliger Kettenlänge ähnlich häufig sind wie solche mit ungeradzahliger. Dies hängt mit der Biosynthese zusammen, bei der die Struktureinheit mit der Verzweigung sowohl aus Valin als auch aus Leucin stammen kann. Bei den Alkanen mit mehreren Methylverzweigungen liegen diese meist an ungeraden Positionen (5, 7, 9, 11, 13, 15, 17) und oft mit einem Abstand von drei Methylengruppen, allerdings sind insgesamt sehr viele unterschiedliche Anordnungsmöglichenkeiten bekannt.^[48.2]

Obwohl lineare Alkane häufig in größeren Mengen auftreten spielen sie als Semiochemikalien, also zur Kommunikation, oft eine geringe Rolle. So wurde gezeigt, dass Honigbienen auf bestimmte Vertreter der linearen Alkane kaum reagieren oder diese unterscheiden können, im starken Gegensatz zu den meisten Alkenen. Von Ameisen sind aber einige lineare Alkane als Semiochemikalien bekannt, beispielsweise Undecan als Alarmpheromon bei Arten der Gattungen Wegameisen (Lasius) und Waldameisen (Formica). Bei Königinnen der Art Ectatomma tuberculatum erhöht sich die Menge an linearen Alkanen in der Cuticula nach der Befruchtung um das Fünfzehnfache, was auch eine Änderung der Optik von glänzend nach matt nach sich zieht und vermutlich der Kommunikation dient. Methylverzweigte Alkane sind gegenüber den linearen Verbindungen deutlich häufiger als Semiochemikalien relevant. Bei der Ameisenart Formica fusca können zur selben Kolonie zugehörige Individuen sich an einem charakteristischen Gemisch aus verzweigten Alkanen (dimethylierte Derivate von Pentacosan) erkennen.^[49] Bei Arbeiterinnen von Messor minor sind beispielsweise Tridecan und Pentadecan die Hauptkomponenten des Sekrets aus der Dufour-Drüse. Bei den Königinnen machen diese Verbindungen auch einen großen Mengenanteil aus, die Hauptkomponente ist jedoch Pentadecen (also ein Alken). Bei Arbeiterinnen von Messor capitatus sind die Hauptkomponenten des Sekrets Tridecan und Nonadecan.^[50] Das Alarmpheromon der Baumwanze Erthesina fullo enthält mehrere Alkane, von denen Tridecan den größten Mengenanteil ausmacht.^[51] Der Bockkäfer Xylotrechus colonus, produziert vor allem Pentacosan (C₂₅H₅₂), 3-Methylpentacosan (C₂₆H₅₄)^{[S 1]} und 9-Methylpentacosan (C₂₆H₅₄)^{[S 2]} als Kontaktpheromon.^[52] Auch bei der Tse-Tse-Fliege Glossina morsitans morsitans, deren Pheromon vorrangig aus den vier Alkanen 2-Methylheptadecan (C₁₈H₃₈),^{[S 3]} 17,21-Dimethylheptatriacontan (C₃₉H₈₀),^{[S 4]} 15,19-Dimethylheptatriacontan (C₃₉H₈₀)^{[S 5]} und 15,19,23-Trimethylheptatriacontan (C₄₀H₈₂)^{[S 6]} besteht, wirkt dieses über Körperkontakt.^[53]

Alkane sind daneben Bestandteil von Wehrsekreten von Insekten. Beispielsweise besteht das Wehrsekret der Baumwanze Cosmopepla bimaculata zu etwa zwei Dritteln aus Tridecan und enthält noch geringere Mengen (maximal 2 %) von anderen langkettigen Alkanen.^[54] Ein Wehrsekret des Ohrwurms Forficula auricularia enthält größere Anteile an Tridecan und Pentadecan.^[55] Alkane sind weiterhin Bestandteile von Bienenwachs, dabei sind die Hauptkomponenten Heptacosan, Nonacosan und Hentriacontan. Im Wachs der Hummelart Bombus rufocinctus ist die Hauptkomponente Pentacosan.^[56]

Vorkommen und Bedeutung bei Pflanzen

Pflanzliches Cuticula-Wachs besteht insbesondere aus primären und sekundären Alkoholen, Aldehyden, Carbonsäuren, Carbonsäureestern sowie Alkanen. Die Mengenverhältnisse der verschiedenen Verbindungsklassen und die vorherrschenden Kettenlängen unterscheiden sich dabei je nach Pflanze. In einem Review wurden diese Daten für verschiedene Pflanzen verglichen, wobei viele der betrachteten Arten nur wenige Prozent Alkane aufwiesen. Arten mit größeren Alkananteilen im Cuticula-Wachs waren die Hundsrose (Rosa canina, 36 %), die Ruhmeskrone (Gloriosa rothshildiana, 48 %) und die Lorbeerkirsche (Prunus laurocerasus, 72 %). Die Kettenlängen der Alkane liegen dabei in allen Fällen zwischen 25 und 33 (bei der Ruhmeskrone ist die Verteilung sogar noch enger) und die Hauptkomponente ist Nonacosan oder Hentriacontan.^[57] Alkane im Cuticula-Wachs werden aus entsprechenden langkettigen Fettsäuren gebildet. Diese werden zunächst in ein Acyl-CoA überführt, diese durch eine Acyl-CoA-Reduktase in einen Aldehyd umgewandelt und dann unter Abspaltung von Kohlenmonoxid decarbonyliert, wobei ein Kohlenstoffatom verlorengeht, was die Häufigkeit von ungeraden Kettenlängen erklärt.^[58]

Einige Pflanzen bilden flüchtige Alkane. Bekannt ist dies von der einigen Arten der Gattung Pittosporum, so enthält das ätherische Öl von Pittosporum resiniferum Heptan und das von Pittosporum eugeniodes als Hauptbestandteil Nonan.^[59] Die Bildung flüchtiger Alkane (Heptan bis Undecan) ist außerdem von einigen nordamerikanischen Kiefernarten wie Pinus jeffreyi bekannt.^[60] Rosenöl, das ätherische Öl von Rosa damascena, enthält größere Mengen an Nonadecan und Heneicosan, im ersten Fall bis zu 16 %.^[61]

Die zu den Orchideen (Orchidaceae) zählende Große Spinnen-Ragwurz (Ophrys sphegodes) nutzt Alkane als Allomon, um die zu den Sandbienen (Andrena) gehörigen Art Andrena nigroaenea anzulocken, die als Bestäuber dient. Das Allomongemisch enthält dabei Alkane, die in den meisten Cuticula-Wachsen von Pflanzen enthalten sind, jedoch ist die genaue Zusammensetzung bei der Großen Spinnen-Ragwurz sehr ähnlich wie bei Weibchen von Andrena nigroaenea, insbesondere aus Tricosan (C₂₃H₄₈), Pentacosan (C₂₅H₅₂) und Heptacosan (C₂₇H₅₆). Als Resultat werden zahlreiche Männchen zu den Blüten gelockt und vollführen dort so genannte Pseudokopulationen, unternehmen also den Versuch, sich mit einer imaginären Partnerin auf der Blüte fortzupflanzen, wobei Pollen übertragen werden. Die Spinnen-Ragwurz benötigt durch diesen als chemische Mimikry bezeichneten Alkaneinsatz nur sehr geringe Mengen an Lockstoff, was als Methode zur Anlockung von Bestäubern sehr ökonomisch ist.^[62] Das gleiche Prinzip tritt auch bei anderen Ragwurz-Arten und einigen weiteren Pflanzenarten auf. So sondert die Art Ophrys insectifera Pentadecan und (Z)-8-Heptadecen ab, die auch Pheromon-Bestandteil bei weiblichen Argogorytes fargeii (Gattung Argogorytes) sind.^[63]

• 
  Das Cuticula-Wachs der Lorbeerkirsche enthält besonders viel Alkane
• 
  Die Früchte der Petroleumnuss enthalten Heptan
• 
  Das ätherische Öl von Rosa damascena enthält Nonadecan und Heneicosan
• 
  Die Große Spinnen-Ragwurz nutzt Alkane als Allomone

Verwendung

Erdölraffinerie

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

Treibstoffe und andere Brennstoffe

Quelle:^[64]

Die aus der Raffinierung von Erdgas und Erdöl erhaltenen Produkte sind hauptsächlich Stoffgemische, die zu einem erheblichen Teil aus Alkanen bestehen und insbesondere als Brennstoffe verwendet werden, wobei sich die Anwendungen je nach Kettenlängen der enthaltenen Alkane unterscheiden. Dazu gehören Autogas (C₃, C₄), Benzin für Verbrennungsmotoren (C₅–C₈), Petroleum für Lampen und als Flugzeugtreibstoff sowie Kerosin und Diesel für Dieselmotoren und Generatoren (alle drei etwa C₉–C₁₆) sowie Heizöl (Kettenlänge > C₁₆).^[65]

Propan wird, in Gasflaschen oder Tanks gelagert, beispielsweise als Brennstoff zum Kochen oder zur Warmwassererzeugung genutzt. Butan ist hierfür schlecht geeignet, da es bei typischen Umgebungstemperaturen nicht flüchtig genug ist.^[64.1]

Benzin für hochverdichtende Motoren darf nur wenig lineare Alkane enthalten, weil sie leicht zur Frühzündung (Klopfen) neigen. Ein Maß für die Frühzündung einer Benzinart ist ihre Oktanzahl. Sie gibt an, in welchem Maße ein Stoff zur frühzeitigen Selbstentzündung neigt. Als Bezugszahl für die Oktanwerte dienen die zwei Alkane Heptan (n-Heptan) und iso-Octan (2,2,4-Trimethylpentan) gewählt, die jeweils die Oktanzahl 0 (Heptan, neigt zu Frühzündung) und die Oktanzahl 100 (iso-Octan, neigt kaum zur Selbstentzündung) erhielten. Durch Zusatz von Isooctan können die Klopfeigenschaften eines Treibstoffs verbessert werden. Früher wurden außerdem Tetraethylblei als Antiklopfmittel verwendet, was heute aber nicht mehr zulässig ist.^[5.8]

Die ersten vier Alkane werden hauptsächlich für Heiz- und Kochzwecke verwendet. Methan und Ethan sind die Hauptbestandteile von Erdgas; sie werden normalerweise unter Druck in gasförmigem Zustand gelagert. Ihr Transport ist allerdings im flüssigen Zustand günstiger, das Gas muss zu diesem Zweck dann durch hohen Druck komprimiert werden. Propan und Butan lassen sich dagegen schon durch niedrigen Druck verflüssigen und kommen daher im Flüssiggas 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 Flüssigkeit, die zu 95 Prozent aus n-Butan und zu 5 Prozent aus iso-Butan besteht, in ein Gemisch aus Gas und feinen Tröpfchen über und lässt sich so leicht entzünden.

Alkane von Nonan bis etwa zum Hexadecan, einem Alkan mit sechzehn Kohlenstoffatomen, sind Flüssigkeiten von höherer Viskosität, sind also zähflüssiger und eignen sich daher mit zunehmender Kohlenstoffzahl immer schlechter für den Einsatz in gewöhnlichem 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 größere Zähflüssigkeit hier keine Rolle. Wegen seines hohen Gehalts an langkettigen Alkanen kann Dieselkraftstoff bei tiefen Temperaturen allerdings fest werden, ein Problem, das sich hauptsächlich in polnahen Gebieten stellt. Schließlich sind die angegebenen Alkane Teil des Petroleums und wurden früher in Petroleumlampen eingesetzt.

Chemische Industrie

Alkane und Alkangemische sind Ausgangsprodukte in vielen chemischen Prozessen. Viele Kohlenwasserstoffe können durch thermisches Cracken gewonnen werden. So kann bei Pyrolyse über 1000 °C Acetylen erhalten werden. Aus Ethan und längeren Alkanen bei etwas niedrigeren Temperaturen entstehen Ethylen, andere insbesondere Alkene (vor allem terminale) sowie Aromaten. Eine wichtige Anwendung von Propan ist die Gewinnung von Ethylen durch Steamcracking.^[66]

Durch katalytische Reaktionen von C₃- und C₄-Alkanen werden ebenfalls Alkene sowie BTX-Aromaten gewonnen. Die katalytische Dehydrierung ist relevant für die Gewinnung von 1-Buten, 2-Buten und Butadien aus Butan, von Isopren aus Isopentan sowie Alkenen (vor allem interne) der Kettenlänge 6 bis 19 aus entsprechenden linearen Alkanen. Auch Synthesegas wird aus Alkangemischen gewonnen, indem diese mit Wasser und Sauerstoff umgesetzt werden.^[66]

Durch Oxidation von Alkanen werden Alkohole, Ketonen und Carbonsäuren hergestellt, durch Oxidation mit Sauerstoff in Gegenwart von Schwefeldioxid Alkansulfonsäuren. Letztere sind wichtige Intermediate in der Herstellung von Detergentien. Durch Oxidation mit Chlor in Gegenwart von Schwefeldioxid werden Alkansulfonsäurechloride hergestellt, die wiederum in Alkansulfonsäuren und andere Derivate umgewandelt werden können. Daneben spielt auch die Chlorierung mit Chlor zu Chlorkohlenwasserstoffen und die Nitrierung mit Salpetersäure zu Nitroalkanen eine Rolle. Methan im Besonderen kann mit Schwefel zu Kohlenstoffdisulfid und mit Sauerstoff und Ammoniak zu Cyanwasserstoff umgesetzt werden. Die Oxidation von Isobutan dient der Herstellung von tert-Butylhydroperoxid und Methacrylsäure.^[66]

Andere Verwendungen

Pentan wird in chemischen Laboren als Lösungsmittel eingesetzt. Hexan und seine Isomere eignen sich ebenfalls als Lösungsmittel, einerseits für chemische Reaktionen, andererseits auch zur Extraktion von Pflanzenölen oder in Klebstoffen.^[66]

Vor allem Erdölprodukte mit längerkettigen Alkanen werden auch für andere Anwendungen als Brennstoffe verwendet. Alkangemische mit Kettenlänge 16 und mehr eignen sich als Schmieröl. Paraffinwachs enthält vor allem Alkane der Kettenlänge 25 und mehr und wird zum Beispiel zur Herstellung von Kerzen verwendet. Alkane mit einer Kettenlänge von etwa 35 oder mehr Kohlenstoffatomen finden sich in Asphalt beziehungsweise Bitumen, die unter anderem als Straßenbelag eingesetzt und für Dachpappen verwendet werden.^[65]

Butan wird als Treibgas für Spraydosen sowie als Kältemittel eingesetzt, wobei es die umweltschädlicheren Halogenmethane ersetzen kann.^[66] Analog werden auch Ethan (R-170), Propan (R-290), Isobutan (R-600a), Pentan (R-601) und Isopentan (R-601a) als Kältemittel verwendet.^[67] Isopentan ist ein wichtiges Treibmittel für die Herstellung von Polystyrol-Schäumen.^[66]

Einige Alkane sind als Lebensmittelzusatzstoffe und Aromastoffe zugelassen. Propan, Butan und Isobutan dürfen in Pflanzenöl-Sprays für den Profibereich eingesetzt werden.^[68] 2,2-Dimethylhexan (FL-Nummer 01.033),^[69] 2,4-Dimethylhexan (01.034),^[70] Dodecan (01.038),^[71] Tetradecan (01.057)^[72] und Pentadecan (01.054)^[73] sind in der EU als Aromastoffe zugelassen.

Gefahren und Toxikologie

Alkane sind brennbar und zum Teil leicht entzündlich. Der Flammpunkt steigt dabei mit zunehmender Kettenlänge. Bis einschließlich Octan liegt der Flammpunkt der linearen Alkane unter der Raumtemperatur, sodass diese unter normalen Umgebungsbedingungen ein explosionsfähige Dampf-Luft-Gemisch bildern können. Bei Nonan liegt er bei etwa 30 °C, ab Decan über 40 °C.^[74]

Alkane sind im Allgemeinen nur wenig gesundheitsgefährlich. Methan, Ethan und Propan sind unter gesundheitlicher Betrachtung chemisch inert, in hoher Konzentration können sie aber durch Sauerstoffverdrängung erstickend wirken. Längerkettige Alkane wirken narkotisch und schleimhautreizend.^[75] Flüssige Alkane, insbesondere solche mit niedrigerer Viskosität sind bei Aspiration, also wenn sie in die Lunge gelangen, toxisch und können zu Herzstillstand, Atemlähmung und Ersticken führen. Von Pentadecan nach Hexadecan wurde eine deutliche Abnahme der diesbezüglichen Gefährlichkeit festgestellt, bei den längeren Vertretern ist diese also gering.^[76]

Hexan ist eine Ausnahme, was die Toxikologie der Alkane angeht, es schädigt das periphere Nervensystem und kann eine Polyneuropathie erzeugen. Eine Studie an Ratten konnte zeigen, dass die nahe verwandten Verbindungen Pentan und Heptan unter analogen Bedingungen keine solchen Effekte verursachen.^[77] Die neurotoxische Wirkung des Hexans wird auf 2,5-Hexandion zurückgeführt, das im Metabolismus aus Hexan gebildet wird.^[78] Entsprechende Vergiftungsfälle sind bei Industriearbeitern bekannt sowie bei Personen, die Klebstoff schnüffeln, wenn dieser Hexan enthält.^[79] Todesfälle sind im Zusammenhang mit dem Schnüffeln von Propan und Butan (zum Beispiel Feuerzeuggas) bekannt.^[80]

Literatur

• Peter W. Atkins: Kurzlehrbuch Physikalische Chemie. Wiley-VCH, Weinheim 2001, ISBN 3-527-30433-9.
• Peter Pfeifer, Roland Reichelt (Hrsg.): H₂O & Co Organische Chemie. Oldenbourg, München 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, Günther Jung: Organische Chemie. Thieme, Stuttgart 2001, ISBN 3-13-541504-X.
• F. Rommerskirchen, A. Plader, G. Eglinton, Y. Chikaraishi, J. Rullkötter: Chemotaxonomic significance of distribution and stable carbon isotopic composition of long-chain alkanes and alkan-1-ols in C₄ grass waxes. In: Organic Geochemistry, 37, 2006, S. 1303–1332; doi:10.1016/j.orggeochem.2005.12.013.

Weblinks

Commons: Alkane – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien

Wiktionary: Alkan – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

• Eigenschaften, Vorkommen, Nomenklatur und Isomere
• Schülergerechte Erläuterungen