Alkane

Alkane (Paraffine) sind einfache, gesättigte kettenförmige Kohlenwasserstoffe. Kohlenstoff- und Wasserstoffatome sind bei den Alkanen ausschließlich durch Einfachbindungen verbunden.

Die allgemeine Summenformel der Alkane ist:

CnH2n+2

Jedes Kohlenstoffatom ist bei Alkanen mit vier weiteren Partnern in Tetraederform verbunden. Genauere Hintergründe zur Vierbindigkeit des Kohlenstoffs und zur Tetraederform bietet der Netchemie Lexikonartikel "Hybridisierung". Alkane werden an der Anzahl der Kohlenstoffatome beschrieben. Die Alkane bilden eine homologe Reihe. Von Alkan zu Alkan kommt je ein Kohlenstoffatom mit anhängenden Wasserstoffatomen in die Kette hinzu. Das einfachste Alkan ist das Methan, bei dem ein Kohlenstoffatom mit vier Wasserstoffatomen verknüpft ist. Ab dem Methan mit der Summenformel CH4 kommt in der homologen Reihe je ein Methylrest (CH3) hinzu. Für das zweite Alkan (Ethan) ergibt sich demnach die Summenformel C2H6, für das dritte Alkan (Propan) C3H8 und so fort.

[Bild 1]

Homologe Reihe der Alkane:

1.Methan CH4

- farblos, geruchlos, gasförmig, mit schwach leuchtender Flamme brennend, schlecht wasserlöslich, bildet mit Luft explosive Gemische

- überwiegender Bestandteil in Erdgas, Grubengas oder Sumpfgas

- wird als Heiz- und Stadtgas oder zur CO Herstellung in der chemischen Industrie verwendet

2.Ethan C2H6

-farblos, brennbar, geruchlos, gasförmig, schlecht wasserlöslich

-kommt im Erdgas und in Abgasen der Erölverarbeitung vor

-wird als Heizgas und zur Herstellung von Ethen verwendet

3.Propan C3H8

-farblos, brennbar, geruchlos, gasförmig, schlecht wasserlöslich

-kommt in Erdgas und Abgasen der Erdölverarbeitung vor.

-wird als Rohstoff in der Petrolchemie, Heizgas oder Treibmittel verwendet

4.Butan C4H10

- farblos, brennbar, geruchlos, gasförmig, schlecht wasserlöslich

- wird unter Druck verflüssigt in Kartuschen gelagert

- wird in Feuerzeugen oder Campingbrennern verwendet

5.Pentan C5H12 6.Hexan C6H14 7.Heptan C7H16 8.Oktan C8H18 9.Nonan C9H20 10.Decan C10H22

Die homologe Reihe ist deutlich länger. Hier wurden nur die ersten 10 Alkane dargestellt. Alkane sind ineinander löslich, und wasserabstoßend. Wie schon erwähnt dienen die einfachsten Alkane als Brennstoffe, längerkettige flüssige Alkangemische sind als Benzin, Kerosin oder Dieselkraftstoff bekannt. Mischungen zähflüssiger und fester Alkane werden als Paraffinöl oder Paraffinkerzen bekannt in Lampen verwendet.

[Bild 2] [Bild 3] [Bild 4] [Bild 5] [Bild 6]

Isomerie

Die Alkane sind zwar auf Grund ähnlicher Elektronegativitäten von Wasserstoff und Kohlenstoff nahezu unpolar, trotzdem gibt es Anziehungskräfte zwischen den Molekülen, die Van der Waals Kräfte. Ladungsverschiebungen in den Molekülen lassen temporäre Dipole entstehen, die untereinander und mit anderen Molekülen wechselwirken und so für einen stärkeren Zusammenhalt zwischen den Molekülen sorgen. Mit steigender Kohlenstoffzahl steigen die Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Molekülen. Kurzkettige Alkane (Methan bis Butan) sind bei Raumtemperatur flüssig, langkettige Alkane flüssig (Pentan bis Octadecan), bzw. fest (ab Nonadecan). Ab Butan findet man bei den Alkanen Konstitutionsisomerie. Methan, Ethan oder Propan können durch eine genaue Strukturformel dargestellt werden. Für Butan C4H10 ergeben sich zwei mögliche Strukturformeln mit unterschiedlicher Konstitution (Verknüpfungen der C-Atome):

[Bild 7]

n-Butan und iso-Butan (2 Methyl-propan)

Beide Verbindungen lassen sich durch die Summenformel C4H10 beschreiben, haben aber eine unterschiedliche Struktur und daraus resultierend auch unterschiedliche Eigenschaften. Diese Begebenheit nennt man Konstitutionsisomerie. Das "normale" Molekül wird n-Butan genannt, die verzweigte Struktur Isobutan bzw. genauer beschrieben in diesem Fall 2-Methylpropan. Je komplexer das Molekül, desto mehr Isomere können angegeben werden. Für Hexan lassen sich neben n-Hexan (grün markiert) noch vier weitere Isomere angeben.

[Bild 8]

Typische Reaktionen der Alkane:

Alkane zeigen in Reaktion mit verschiedenen Stoffen typische Reaktionen. Diese lassen sich in verschiedene Mechanismen unterscheiden. Alkane sind leicht brennbar, reagieren also leicht mit Sauerstoff. Der zugrunde liegende Mechanismus ist die "Oxidation". Mit Halogenen reagieren Alkane unter Bildung von Halogenalkanen. Der Mechanismus der Reaktion wird auf Grund der Beteiligung von so genannten Radikalen, die Wasserstoffatome am Alkan ersetzen "radikalische Substitution" genannt. Bei hohen Temperaturen lassen sich aus Alkanen Wasserstoffatome abspalten. Daher nennt man den zu Grunde liegenden Mechanismus "Eliminierung". Halogenalkane enthalten Halogenatome in ihrem Molekül, die durch andere Atome oder Moleküle ersetzt werden können. Dabei werden nucleophile Stoffe verwendet, weshalb man den Mechanismus der Reaktion nucleophile Substitution nennt. Im folgenden werden diese Mechanismen ausführlich erklärt.

Oxidation von Alkanen - Verbrennung

Die Alkane reagieren unter starker Energieentwicklung mit Sauerstoff. Die frei werdende Energie (hier als Beispiele Methan und Heptan) dient dem Heizen oder dem Beitreiben von Maschinen. Herrscht ein Sauerstoffmangel bei der Verbrennung neigen die Flammen der Alkane zum Rußen.

Erdgas wird verbrannt (vollständig): Methan + 2 Sauerstoff -> Kohlenstoffdioxid + 2 Wasser

CH4 + 2 O2 -> CO2 + 2 H2O

Erdgas wird verbrannt (unvollständig): Methan + Sauerstoff -> Kohlenstoff + 2 Wasser

CH4 + O2 -> C + 2 H2O

Benzin wird verbrannt: Heptan + Sauerstoff + Wasser

C7H16 + 11 O2 -> 7 CO2 + 8 H2O

Halogenisierung - radikalische Substitutionskettenreaktion (SR)

Der Begriff Substitution stammt aus dem lateinischen und bedeutet ersetzen. Bei der Halogenisierung, also der Reaktion von Alkanen mit Halogenen wird ein Wasserstoffatom im Alkanmolekül durch ein Halogenatom ersetzt. Für den Vorgang wird Licht zum Starten der Reaktion benötigt. Etwas weiter unten zeigt ein Video den Ablauf der Reaktion im Laborversuch.

Hexan + Brom + Energie -> Monobromhexan + Bromwasserstoff (C6H14 + Br2 + "UV Licht" -> C6H13Br + HBr)

Die Reaktion lässt sich noch genauer beschreiben, wenn man den Mechanismus der Reaktion bestimmen möchte. Dazu werden die Teilschritte genau betrachtet:

1. Startreaktion - Brommoleküle werden durch das Licht gespalten. Bromradikale entstehen.

[Bild 9]

2. Kettenreaktionen - Bromradikale entreißen Hexanmolekülen ein Wasserstoffatom. Dabei entstehen Hexylradikale und Bromwasserstoff. Hexylradikale reagieren mit Brommolekülen zu Monobromhexan und einem neuen Bromradikal, das die Reaktionskette fortsetzt.

[Bild 10] [Bild 11]

3. Abbruchreaktionen - Treffen zwei Radikale aufeinander bilden sie ein Molekül. Die Reaktion ist an diesem Punkt gestoppt.

[Bild 12] [Bild 13] [Bild 14] [Bild 15]

Auch mehrfach halogenisierte Alkane können durch Radikale weiter substituiert werden. Die Reaktion läuft ab, solange Halogene (in diesem Falle Brom) vorhanden sind. Reaktionsprodukte sind je nach Menge an Brom Monobromhexan Dibromhexan, Tribromhexan und weitere Halogenkohlenwasserstoffe. Der Mechanismus, der dieser Reaktion zu Grunde liegt wird radikalischer Reaktionsmechanismus (SR-Mechanismus) genannt. Ein weiteres Beispiel für diesen Mechanismus, bei dem Kohlenwasserstoffe durch Radikale gespalten und substituiert werden ist die Autooxidation durch Luftsauerstoff. Durch z.B. Licht oder hohe Temperatur homolytisch (gleichmäßig) gespaltene Sauerstoffradikale reagieren dabei in gleicher Weise mit den Kohlenwasserstoffen. Auch das ranzig werden von Fetten oder das hart und spröde werden von Lacken und Gummi passieren auf diesem Wege.

Versuch: Bromierung von Hexan nach obigem Reaktionsmechanismus

Eliminierung/ Dehydrierung (E)

Bei hohen Temperaturen lassen sich aus Alkanen Teile abspalten. Allgemein bezeichnet man solche Reaktionen Eliminierung. Die Abspaltung von Wasserstoff nennt man Dehydrierung. Dabei entsteht neben Wasserstoff ein entsprechendes Alken oder Alkin. Aus Halogenkohlenwasserstoffen lassen sich Halogenwasserstoffe abspalten. Die Gegenreaktion zur Eliminierung ist die Addition, bei der Atome an ungesättigte Kohlenwasserstoffe addiert werden.

Nucleophile Substitution von Halogenalkanen (SN1, SN2)

Bei dieser und der folgenden Reaktion werden jeweils Halogene aus Halogenalkanmolekülen durch andere funktionelle Gruppen mit nucleophilem Charakter ersetzt (substituiert). Nucleophile Reaktionspartner sind Teilchen mit einem Elektronenüberschuss bzw. freien Elektronenpaaren (z.B. NH3,Br-,OH-,CN-, Carboanionen), die Punkte verminderter Elektronendichte in einem Molekül suchen und dort für eine Reaktion sorgen. Die nucleophile Substitution kann auf zwei Wegen verlaufen. Ob eine Reaktion nach SN1 oder SN2 Mechanismus abläuft hängt unter anderem vom Lösungsmittel, der Struktur des zu substituierenden Moleküls, von Nachbargruppen des beteiligten Kohlenstoffatoms und dem eingesetzten nucleophilen Teilchen ab.

Nucleophile Substitution (SN1) von Halogenalkanen

SN1 Reaktionen verlaufen in zwei Schritten. Ein Ligand (Anhängsel) eines verzweigten Kohlenwasserstoffs wird in einem ersten Schritt abgespalten. Für diesen Vorgang muss viel Energie aufgewendet werden. Protonen und bestimmte Lösungsmittel können diesen Schritt begünstigen. Butylchlorid und Lauge reagieren in folgendem Beispiel nach diesem Mechanismus.

[Bild 16] [Bild 17]

Butylchlorid wird durch Aufwendung von Aktivierungsenergie in ein Carbokation (positiv geladenes Kohlenwasserstoffmolekül) und ein Chloridion gespalten. Dieser Reaktionsschritt verläuft sehr langsam.

[Bild 18] [Bild 19]

An das Carbokation lagert sich ein nucleophiles Teilchen (hier ein Hydroxidion) an. Dieser Reaktionsschritt verläuft sehr schnell. Auf diesem Weg wird aus dem Halogenalkan ein Alkohol hergestellt.

Nucleophile Substitution (SN2) von Halogenalkanen

Nucleophile Substitutionen können auch synchron in einem Schritt ablaufen. In diesem Fall spricht man von einer SN2 Reaktion. An ein unverzweigten einfachen Halogenkohlenwasserstoff können sich nucleophile Teilchen, wie das Hydroxidion leichter anlagern. Im Fall des Monobrommethans wird negative Ladung des Kohlenstoffatoms stärker an das angelegte Bromatom gezogen (polare Bindung). Das Bromatom im Monobromethan hat eine höhere Elektronegativität, als das Kohlenstoffatom und zieht so die Bindungselektronen stärker an sich, als das Kohlenstoffatom.

[Bild 20]

Formal entstehen eine positive und negative Ladung im Molekül. An das positive Kohlenstoffatom kann das negative Hydroxidion angreifen.

[Bild 21]

In einem Übergangszustand sind Hydroxidion und Brom an das Molekül gebunden. Die Ladungen verschieben sich weiter, bis eine Bindung zwischen dem Kohlenstoffatom und dem Hydroxidion entsteht und sich das Bromidion abspaltet.

Cycloalkane

Cycloalkane besitzen die allgemeine Summenformel CnH2n. Sie sind den Alkanen sehr ähnlich, mit dem Unterschied, dass sich nicht kettenförmig sondern cyclisch, also in einem Kreis auftreten. Bei der Benennung der Cycloalkane geht man, wie bei den Alkanen vor, verwendet allerdings die voran gestellte Bezeichnung "cyclo". Die homologe Reihe der Cycloalkane beginnt beim Cyclopropan, über das Cyclobutan, Cyclopentan und so fort.

[Bild 22]

Die ersten Cylcoalkane sind sehr unstabil und leicht reaktionsfähig, weil die Kohlestoffatome in ungünstigen Winkeln miteinander verbunden sind.

Konstitutionsisomerie und Stereoisomerie der Cycloalkane

Bei den Cycloalkanen ist neben der oben erwähnten Konstitutionsisomerie auch die Konformationsisomerie und Stereoisomerie zu erwähnen. Alkane, drehen sich stetig an ihren Einfachbindungen. Stehen sich die Wasserstoffatome zweier Kohlenstoffatome direkt gegenüber spricht man von einer gestaffelten Konformation. Stehen sich die Wasserstoffatome lückenfüllend gegenüber spricht man von ekliptischer Konformation, die am energetisch günstigsten ist. Die stetige Drehung der einzelnen C-C Einfachbindungen beruht darauf, dass die Energie für die ungüstigere Konformation bei Raumtemperatur ausreichend ist. Bei Cycloalkanen spielt diese Konformationsisomerie nun ein größere Rolle. In einem geschlossenen Ring wären direkt gegenüberliegende Wasserstoffatome energetisch sehr ungünstig. Es findet dort auch eine stetige Drehung statt, die zu gewinkelten Strukturen führt. Sind an die Cycloalkane Substituenten (weitere Ketten, oder einzelne Atome) angeschlossen ergibt sich durch die verschiedenen Konformationen auch eine Stereoisomerie. Unter Stereoisomerie versteht man bei gleicher Summenformel und gleicher Konformation unterschiedlichen räumlichen Aufbau. Beim 1,2 Diethylcyclopropan gibt es zwei Stereoisomere. Die beiden angelagerten Ethylgruppen können im Ring entweder nebeneinander oder sich gegenüber liegen.

[Bild 23]

Bei der nebeneinander gelagerten Form spricht man von cis-1,2 Diethylcyclopropan, bei der gegenüber gelagerten Form von trans-1,2 Diethylcyclopropan

Navigation



1 Artikel zurück | 1 Artikel vor

Bewerten

Bild 1

Zum Vergrößern das Bild klicken!

Bild 2

Zum Vergrößern das Bild klicken!

Bild 3

Zum Vergrößern das Bild klicken!

Bild 4

Zum Vergrößern das Bild klicken!

Bild 5

Zum Vergrößern das Bild klicken!

Bild 6

Zum Vergrößern das Bild klicken!

Bild 7

Zum Vergrößern das Bild klicken!

Bild 8

Zum Vergrößern das Bild klicken!

Bild 9

Zum Vergrößern das Bild klicken!

Bild 10

Zum Vergrößern das Bild klicken!

Bild 11

Zum Vergrößern das Bild klicken!

Bild 12

Zum Vergrößern das Bild klicken!

Bild 13

Zum Vergrößern das Bild klicken!

Bild 14

Zum Vergrößern das Bild klicken!

Bild 15

Zum Vergrößern das Bild klicken!

Bild 16

Zum Vergrößern das Bild klicken!

Bild 17

Zum Vergrößern das Bild klicken!

Bild 18

Zum Vergrößern das Bild klicken!

Bild 19

Zum Vergrößern das Bild klicken!

Bild 20

Zum Vergrößern das Bild klicken!

Bild 21

Zum Vergrößern das Bild klicken!

Bild 22

Zum Vergrößern das Bild klicken!

Bild 23

Zum Vergrößern das Bild klicken!