Chemische Eigenschaften und Reaktionen der Alkane

Alkane sind im allgemeinen ausgesprochen reaktionsträge. Diese Eigenschaft hat dieser Verbindungsklasse schon frühzeitig den Namen "Paraffine" eingetragen. Bei Zimmertemperatur kann man z. B. n-Hexan mit konzentrierten Säuren, wie HNO₃ oder H₂SO₄, mit starken Oxydationsmitteln, wie Kaliumpermanganat oder Kaliumdichromat, oder konzentrierten Laugen zusammenbringen; eine Reaktion tritt nicht ein. Zum Teil widerstehen die normalen Alkane auch noch drastischeren Reaktionsbedingungen.

Wenn man von den normalen zu den verzweigten Verbindungen übergeht, können diese mit anderen aggressiven Stoffen unter geeigneten Bedingungen reagieren. Verzweigte Alkane reagieren also etwas leichter als normale, besonders wenn man hohe Temperaturen und Katalysatoren anwendet. Reaktionen der Alkane sind aber im Laboratorium ohne Bedeutung geblieben; die Technik dagegen führt mit Alkanen bei hohen Temperaturen und bei Gegenwart von Katalysatoren mehrere wichtige Reaktionen durch; aber auch hier werden bevorzugt verzweigte Alkane eingesetzt. Vom technischen Standpunkt aus betrachtet hat also der Name "Paraffine" seine Bedeutung verloren.

Die folgende Aufstellung zeigt mehrere interessante Reaktionen, die auch über die Anwendung auf Alkane hinaus allgemeine Bedeutung haben und zu neuen Verbindungen führen.

Unter Chlorierung versteht man Reaktionen, die unter Einwirkung von Chlor auf organische Verbindungen und der katalysierenden Wirkung von Licht verlaufen. Besondere technische Bedeutung hat die Chlorierung des Methans CH₄.

CH₄	+	Cl₂	─ 300°C →	CH₃Cl	+	HCl
CH₄	+	2 Cl₂	─ 300°C →	CH₃Cl₂	+	2 HCl

Im Methan wird dabei der Wasserstoff durch Chlor ersetzt; es entstehen sogenannte chlorierte Methane.

Allgemein kann man durch Chlorierung von Alkanen chlorierte Alkane, die neue interessante Verbindungen sind, herstellen. Der Begriff "Chlorierung" sollte immer dann angewandt werden, wenn Wasserstoff (an C gebunden) durch Chlor ersetzt wird.

Bei dieser Reaktion wirkt Chlor mit Schwefeldioxid gleichzeitig auf Alkane ein; katalysierend wirkt wieder Bestrahlung mit UV-Licht und hohe Temperatur. Aus Propan entstehen auf diese Weise zwei Produkte zu gleichen Teilen:

Werden bei diesem Verfahren höhere Alkane (C15 bis C18) eingesetzt, erhält man Waschmittel, weil durch Einführung der sogenannten Sulfochlorid-Gruppe und anschließenden Ersatz des Chlors durch Natrium die sonst wasserunlöslichen Alkane wasserlöslich werden.

Diese Reaktion verläuft bei Alkanen schwierig, weil das Nitrierungsmittel, die konz. Salpetersäure, nur langsam einwirkt. Der Wasserstoff wird dabei durch die NO₂-Gruppe ersetzt. Geht man von einem verzweigten Kohlenwasserstoff (Isobutan) aus, verläuft die Nitrierung mittels konz. Salpetersäure nur mit 22% Ausbeute.

Andere organische Verbindungen lassen sich leichter nitrieren. Bei diesen hat daher diese Reaktion zur Einführung der NO₂-Gruppe (Nitro-Gruppe) allgemeine Bedeutung.

Die vollständige Verbrennung von Alkanen mit Luftüberschuss, die der Reaktion nach eine Oxydation ist, liefert CO₂ und H₂O:

Wichtiger für die organische Chemie sind gelenkte Oxydationsreaktionen. Unter Oxydation ist dabei die Anlagerung von Sauerstoff oder auch der Entzug von Wasserstoff zu verstehen. Im letzten Falle wird der Sauerstoff zunächst auch angelagert, verbindet sich dann aber mit zwei H-Atomen zu H₂O, das aus dem Molekül austritt.

Als Oxydationsmittel kommen auch hier die in der anorganischen Chemie üblichen Verbindungen in Frage: Schwefelsäure H₂SO₄, Salpetersäure HNO₃, Kaliumdichromat K₂Cr₂O₇, Braunstein MnO₂, Wasserstoffperoxid H₂O₂ und andere sowie auch der durch Katalysatoren aktivierte Sauerstoff, rein oder als Luft.

Unterwirft man Alkane bestimmter Kettenlänge (C15 bis C20) einer schonenden Luftoxidation, so entstehen höhere Carbonsäuren, die zur Herstellung von Seifen oder Fetten geeignet sind.

Darunter versteht man Reaktionen, bei denen langkettige Alkane, aber auch andere Verbindungen, eingesetzt und durch hohe Temperaturen gespalten werden. Oberhalb etwa 500°C brechen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen auf, so daß die größeren Moleküle in zwei oder mehr Bruchstücke zerlegt werden. Zum Teil wird dabei auch molekularer Wasserstoff abgespalten oder Kohlenstoff abgeschieden. Die beim Cracken entstehenden Verbindungen können verschiedener Natur sein.

Das Cracken bezeichnet man auch als thermische Zersetzung oder Pyrolyse. Crackprozesse gehören heute mit zu den wichtigsten Verfahren der organischen Chemie.

Dieses Verfahren hat Bedeutung für Verbindungen, die Isomere besitzen, z. B. für Alkane mit mehr als drei C-Atomen im Molekül. Die Überführung eines Isomers in ein anderes bezeichnet man als Isomerisierung. Dieser Reaktion gegenüber sind Alkane im allgemeinen sehr resistent, weil damit eine strukturelle Änderung des Moleküls verbunden ist. Bei Gegenwart geeigneter Katalysatoren sind aber auch diese Reaktionen durchführbar.

So kann man z. B. bei 30 °C n-Butan mit Aluminiumbromid / Bromwasserstoff als Katalysatoren teilweise zu i-Butan umsetzen:

Isomerisierungs - Reaktionen sind die Grundlagen wichtiger technischer Verfahren, z. B. zur Herstellung von Flugzeugbenzin.