Gesattigte Kohlenwasserstoffe: Alkane und Cycloalkane

Alkane und Cycloalkane enthalten neben C-H – nur C-C-Einfachbindungen. Die Kohlen – stoffatome der Alkane bzw. Cycloalkane sind durch Bindung der maximal moglichen An – zahl von H-Atomen abgesattigt (gesattigte KW). Die Molekiilstruktur dieser Verbindungen kann durch eine sp3-Hybridisierung der C-Atome beschrieben werden (Кар. 3.2.3).

Alkane. Alkane bilden eine homologe Reihe von Verbindungen mit der allgemeinen Bil – dungsformel CnH2n+2 (n = 1, 2, …). In einer homologen Reihe unterscheiden sich zwei benachbarte Glieder jeweils um eine CH2-Gruppe (Methylengruppe). Die Verbindungen einer homologen Reihe („homologe Verbindungen64) besitzen ahnliche chemische Eigen­schaften und weisen hinsichtlich ihrer physikalischen Eigenschaften, wie z. B. den Schmelz – und Siedepunkten, eine regelmaBige Abstufung auf. Alkane mit einem unverzweigten Ge – riist, wo die C-Atome in durchgehender Reihenfolge miteinander verbunden sind, nennt man Normalalkane (normale Alkane, n-Alkane). Alkane werden auch als Paraffine be – zeichnet (lat. parum affinis, wenig reaktionsfahig), da sie – von der Verbrennung abgesehen – wegen der stabilen C-C – und C-H-Bindungen chemisch eher reaktionstrage sind.

R. Benedix, Bauchemie, DOI 10.1007/978-3-8348-9944-6_10,

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Подпись: Summenformei: C2H6
Gesattigte Kohlenwasserstoffe: Alkane und Cycloalkane

Die Summenformei einer organischen Verbindung kennzeichnet Art und Anzahl der vor – handenen Atome. Die fur anorganische Verbindungen haufig benutzte Valenzstrichformel wird bei organischen Verbindungen Konstitutionsformel genannt. Sie gibt zusatzlich Aus – kunft uber die Art der Verknupfung der Atome.

Подпись: Konstitutions formel: Подпись: H H I I H-с —C-H I I H H Gesattigte Kohlenwasserstoffe: Alkane und Cycloalkane

Abgekurzte Kon­stitutionsformel: CH3 – CH3 CH3 – CH2 – CH3

Die Konstitutionsformeln werden haufig dahingehend vereinfacht, dass die Valenzstriche vollig weggelassen werden, z. B. CH3CH3 oder CH3CH2CH3. Tab. 10.1 enthalt Namen, Formeln und Siedepunkte der ersten zehn Vertreter der unverzweigten Alkane.

Obwohl man die Alkane in der Regel als lineare Ketten schreibt (siehe oben), muss man stets bedenken, dass sie wegen der Tetraedergeometrie der gesattigten C-Atome (sp3- Hybridisierung) in Wirklichkeit als zickzackformige, meist ineinander verknaulte Ketten vorliegen.

Tabelle 10.1 Namen, Formeln und Siedepunkte (bei Normaldruck) der ersten zehn unverzweigten Alkane

Name

Zahl der C-Atome

Summenformei

Konstitutionsformel

Siedepunkt

(°С)

Methan

1

CH4

CH4

-161

Ethan

2

c2H6

CH3-CH3

-89

Propan

3

c3H8

CH3-CH2-CH3

-42

Butan

4

C4H10

CH3-CH2-CH2-CH3

-0,5

Pentan

5

C5H12

CH3-CH2-CH2-CH2-CH3

36

Hexan

6

C6H,4

CH3-CH2- CH2-CH2-CH2-CH3

68

Heptan

7

c7H16

СНз-(СН2)5-СНз

98

Octan

8

C8H, s

СН3-(СН2)б-СНз

126

Nonan

9

C9H20

СНз-(СН2)7-СНз

151

Decan

10

CjoH22

СНз-(СН2)8-СНз

174

Ab der Summenformei C4H10 treten durch mogliche Kettenverzweigung in zunehmender Zahl Verbindungen auf, die sich von den n-Alkanen in ihren Siede – und Schmelzpunkten unterscheiden. Diese Erscheinung bezeichnet man als Konstitutions – oder Stellungsisome – rie. Konstitutionsisomerie liegt vor, wenn Verbindungen mit gleicher Summenformei un – terschiedliche Konstitutionsformeln (d. h. eine unterschiedliche Atomverknupfimg!) aufwei – sen. Wahrend beim Butan nur zwei Konstitutionsisomere (kurz: Isomere) existieren,

gibt es bereits drei konstitutionsisomere Pentane (abgekiirzte Schreibweise):

CH3

1 І2 3 4

H3C – CH2- CH2- CH2- CH3 H3C – CH – CH2- CH3

Подпись: 2-Methylbutan (Sdp. 29 °С) (Isopentan, і - Pentan)

Подпись: n-Pentan (Sdp. 36,1 °С) Подпись: H I H-C-H H I H І І ■ 2 I 3 H-C —c —C-H I I I H H H 2-Methylpropan (Sdp. -11,7 °С) (Isobutan, і - Butan)
Подпись: H H H H I I I I H- C —C—c —C-H I I I I H H H H n-Butan (Sdp. - 0,5 °С)

CH3

I

H3C—C —CH3 I

CH3

2,2-Dimethylpropan (Sdp. 9,5 °С)

Die Benennung der verzweigten Alkane leitet sich von der langsten Kohlenstoffkette im Molektil ab, die als Verbindungsstamm oder Stammkette betrachtet wird. Gruppen, die an der Stammkette gebunden sind, bezeichnet man als Substituenten. Sie ersetzen (substituie – ren) ein Wasserstoffatom an der Stammkette. Substituenten, die sich von einem gesattigten Kohlenwasserstoff durch Entfemen eines H-Atoms ableiten (allgemeine Formel: CnH2n+i), bezeichnet man als Alkylreste oder – gruppen. Ihr Name ergibt sich aus der Bezeichnung des jeweiligen Alkans, indem die Endung – an gegen – yl ausgetauscht wird. Die in den obi – gen Beispielen an der Stammkette gebundenen Substituenten enthalten nur ein С-Atom. Sie leiten sich demnach vom Methan ab und heiBen Methylgruppen. Weitere haufig anzutref- fende Alkylgruppen sind die Ethylgruppe (-C2H5), die Propylgruppe (-C3H7) und die Butyl – gruppe (-C4H9).

Die Position (Stellung) der Gruppe am Verbindungsstamm wird mit einer Ziffer bezeich­net. Die Nummerierung der C-Atome der Kette erfolgt so, dass der erste Substituent entlang der Kette die niedrigste Stellungsziffer erhalt. Treten zwei oder mehrere gleiche Gruppen auf, so wird dies durch die Vorsilben di-, tri-, tetra-, … gekennzeichnet. Jeder Substituent muss benannt und beziffert werden. Die Konstitutionsisomerie ist die eigentliche Ursache fur die ungeheuer groBe Zahl organischer Verbindungen.

Die ersten vier Glieder der homologen Reihe der Alkane (Ci bis C4) sind unter Normalbe – dingungen gasformig, die folgenden von C5 bis Ci6 flussig (typischer Benzingeruch!) und die hoheren Homologen ab C17 (Heptadecan Ci7H36) fest. Wie bereits betont sind die Al­kane, von ihrer Verbrennung abgesehen, reaktionstrage Verbindungen.

Wegen des Fehlens polarer hydrophiler Gruppen losen sich die Alkane nicht im (polaren) Losungsmittel Wasser. So bildet beispielsweise ein Hexan/Wasser-Gemisch zwei Phasen
aus, da es den unpolaren Hexanmolekulen nicht gelingt, in die durch Wasserstoffbrucken – bindungen dominierte Wasserstruktur einzudringen. Beide Flussigkeiten sind nicht mitein – ander mischbar. Das Hexan ist im Zweiphasensystem mit Wasser die spezifisch leichtere (obere) Phase (p = 0,68 g/cm3, 25°C). Gut loslich sind die Alkane dagegen in unpolaren bzw. schwach polaren Losungsmitteln, wie z. B. in Benzol, Ether, Chloroform oder Tetra- chlorkohlenstoff. Die praktische Bedeutung der Alkane Pentan, Hexan oder Heptan als Losungsmittel ist vor allem auf ihre gute Fettloslichkeit zurlickzufuhren.

Alle Alkane verbrennen bei geniigender Luftzufuhr zu Kohlendioxid und Wasser. Mit Luft bilden die gasformigen und leichtflUchtigen Vertreter explosive Gemische. Auf dieser Ei – genschaft beruht ihre Verwendung als Vergaserkraftstoffe. Handelstibliche Ottokraftstoffe (Benzine) sind Gemische aus bis zu 150 Kohlenwasserstoffen mit 5… 12 C-Atomen, in denen neben Alkanen noch wechselnde Mengen an Alkenen, Cycloalkanen und – alkenen (friihere Bezeichnung: Naphthene) sowie Aromaten enthalten sind. Gewohnliches Benzin ist eine wasserhelle, leicht verdunstende, auBerordentlich feuergefahrliche, brennbare Fltis – sigkeit, deren Flammpunkt (Кар. 10.2) unter 21°C liegt.

Benzine verschiedener Siedegrenzen (Siedegrenz – bzw. Spezialbenzine) werden im Labo – ratorium und in der Technik unter bestimmten, in Normen festgelegten Bezeichnungen gehandelt. Nach DIN 51630-51636 unterscheidet man: Petrolether (Sdp. 25… 80°C), Siede – grenzbenzine I (60…95°C), II (80…110°C) und III (100…140°C), Testbenzine (130… 220°C), Wetterlampenbenzin (60…160°C), Leucht-, Brenn – und Losungspetroleum (130…280°C). Daneben kennt man noch Bezeichnungen wie Waschbenzin (Sdp. 80… 110°C), Lack – oder Testbenzine und Wundbenzin (Sdp. 40…70°C).

Die in der Praxis als Paraffin (Paraffinwachs) bezeichnete wachsahnliche, mitunter auch dickfliissige Masse ist ein Gemisch gesattigter Kohlenwasserstoffe, das vorwiegend aus Alkanen der Kettenlange C[4 bis C30 besteht. Seine Konsistenz hangt von der Molekulmasse der KW ab. Das geruch – und geschmacklose, ungiftige, isolierend wirkende Paraffin lost sich nicht in Wasser. Mineralole (flUssige Destillationsprodukte des Erdols) sind Gemische aus gesattigten Kohlenwasserstoffen.

Cycloalkane. Verlieren die endstandigen CH3-Gruppen eines n-Alkans je ein H-Atom und erfolgt ein Ringschluss, gelangt man zu den Cycloalkanen. Die homologe Reihe der Cyclo­alkane wird durch die allgemeine Formel CnH2n (n = 3, 4, …) beschrieben. Sie beginnt mit dem kleinstmoglichen Ring aus drei CH2-Gruppen, dem Cyclopropan (С3Нб).

Подпись:*ChL

H2C

Подпись: 'CH0

Cyclopropan

Cyclopentan (C5Hio) und – hexan (C6Hi2) sind farblose, mit Wasser nicht mischbare Flus­sigkeiten. Sie sind reaktionstrage wie die Alkane und verbrennen ebenfalls zu Kohlendioxid und Wasser. Vor allem Cyclohexan findet als Losungsmittel Anwendung.