Aliphatische Kohlenwasserstoffe

Begriff und Einordnung

Aliphatische Kohlenwasserstoffe sind organische chemische Verbindungen, die nur aus Kohlenstoff und Wasserstoff bestehen und nicht aromatisch sind. Sie gehören damit zu den Kohlenwasserstoffen. Nach der IUPAC-Nomenklatur sind aliphatische Verbindungen „acyclische oder cyclische, gesättigte oder ungesättigte Kohlenstoffverbindungen, außer aromatischen Verbindungen.“

Die Stoffe lassen sich nach ihrer Struktur einordnen: Alkane sind gesättigte Kohlenwasserstoffe, also Verbindungen ohne Mehrfachbindungen. Auch Cycloalkane sind gesättigt, besitzen jedoch ringförmige Kohlenstoffketten. Alkene und Alkine sind ungesättigte Kohlenwasserstoffe. Als alicyclische Verbindungen bezeichnet man die Untergruppe der Aliphaten mit ringförmigen Ketten. Sie ähneln Aromaten zwar in ihrer Ringform, werden aber anhand der Aromatizitätskriterien von diesen unterschieden.

Reine aliphatische Kohlenwasserstoffe sind unpolar und lipophil; sie sind daher nicht wasserlöslich. Die Einteilung organischer Verbindungen in Aliphaten und Aromaten erfolgt durch die Aromatizitätskriterien. Weil die IUPAC-Definition aliphatische Verbindungen den aromatischen Kohlenstoffverbindungen gegenüberstellt, werden im Umkehrschluss alle nicht aromatischen organischen Verbindungen als aliphatisch bezeichnet.

Stoffgruppen und Beispiele

Zu den wichtigsten Stoffgruppen zählen n-Alkane, iso-Alkane und Cycloalkane als gesättigte Kohlenwasserstoffe. Bei den ungesättigten Verbindungen gehören geradkettige, verzweigte und cyclische Alkene sowie Alkine dazu. Diene besitzen zwei Doppelbindungen; Polyene enthalten mehrere Doppelbindungen.

Typische einfache Beispiele sind Methan, CH₄ (CAS-Nummer 74-82-8), als Alkan, Ethen beziehungsweise Ethylen, C₂H₄ (74-85-1), als Alken und Ethin beziehungsweise Acetylen, C₂H₂ (74-86-2), als Alkin. Weitere Alkane aus der Tabelle sind Ethan, C₂H₆, Propan, C₃H₈, n-Butan, C₄H₁₀, n-Pentan, C₅H₁₂, Nonan, C₉H₂₀, und Undecan, C₁₁H₂₄.

Auch ringförmige und mehrfach ungesättigte Stoffe werden aufgeführt: Cyclohexen, C₆H₁₀, ist ein Cycloalken; Cycloheptan und Methylcyclohexan mit jeweils C₇H₁₄ sind Cycloalkane. 1,2-Butadien, C₄H₆, ist ein Dien, während 1-Butin mit derselben Summenformel ein Alkin ist. Dicyclopentadien, C₁₀H₁₂, zählt zu Dien und Cycloalken. Die Terpene Phellandren, α-Terpinen und Limonen haben jeweils die Formel C₁₀H₁₆ und werden als Diene beziehungsweise Cycloalkene eingeordnet. Squalen, C₃₀H₅₀, ist ein Terpen und Polyen. Polyethylen (PE) hat die Formel C₂ₙH₄ₙ und wird als Alkan angegeben.

Erkennung durch Spektroskopie

In der Spektroskopie lassen sich aliphatische Bausteine an charakteristischen Signalen erkennen. C-H-Valenzschwingungen sind Schwingungen der Bindung zwischen Kohlenstoff und Wasserstoff. Bei nicht konjugierten aliphatischen C-H-Bausteinen liegen ihre charakteristischen Peaks im IR-Spektrum zwischen 3000 und 2750 cm⁻¹. Konjugierte C-H-Bausteine zeigen ihre Peaks dagegen jenseits der Grenze von 3000 cm⁻¹.

Im ¹H-NMR-Spektrum liegen die meisten aliphatischen Peaks bei 1–2 ppm. Befinden sich elektronenziehende Gruppen in der Nachbarschaft, können höhere Werte bis etwa 5 ppm auftreten.

Gewinnung und wichtige Produkte

Die Hauptquelle für die Gewinnung aliphatischer Verbindungen ist Erdöl. Das wichtigste Verfahren der Erdölaufbereitung ist das Steamcracken. Dabei werden unter anderem Ethan, LPG, Naphtha und Gasöl oder andere geeignete Kohlenwasserstoffe gecrackt. Die Gasphase der Steamcrackerprodukte enthält die aliphatischen Grundchemikalien Ethylen, Propylen, den C₄-Schnitt – hauptsächlich Buten, Isobuten und 1,3-Butadien – sowie Isopren.

Bedeutende Folgeprodukte werden insbesondere aus Eth(yl)en, Prop(yl)en und But(yl)en hergestellt. Aus Ethylen entsteht Polyethylen, zum Beispiel über das Ziegler-Natta-Verfahren. Von der Gesamtethylenproduktion entfallen etwa 21 % auf LDPE, etwa 13 % auf LLDPE und etwa 23 % auf HDPE. Außerdem werden α-Olefine gewonnen; Poly-α-Olefine dienen als Schmiermittel und α-Olefine als Co-Monomere für Polyethylen.

Aus Propylen wird Polypropylen hergestellt, ebenfalls zum Beispiel durch das Ziegler-Natta-Verfahren; dies entspricht etwa 57 % der Gesamtpropylenproduktion. Buten wird für Monomere und Co-Monomere in der Kunststoffherstellung verwendet. Isobuten ist ein Monomer für die Copolymerisation mit Isopren. 1,3-Butadien dient als Monomer oder Co-Monomer für die Polymerisation zu Elastomeren.