アルカン

有機化学において、アルカン、またはパラフィン（他の意味もある歴史的な慣用名）は、非環式飽和炭化水素である。言い換えれば、アルカンは、すべての炭素-炭素結合が単結合であるツリー構造に配置された水素原子と炭素原子からなる。^[1]アルカンの一般化学式はC _n H _{2 n +2}である。アルカンの複雑さは、 n = 1の最も単純なメタン（CH ₄） （親分子と呼ばれることもある）から、ペンタコンタン（C ₅₀ H ₁₀₂ ）やテトラデカン（C _{14 H 30} ）の異性体である6-エチル-2-メチル-5-（1-メチルエチル）オクタンなどの任意の大きさで複雑な分子にまで及ぶ。

国際純正応用化学連合(IUPAC) は、アルカンを「一般式C _n H _{2 n +2}を持ち、完全に水素原子と飽和炭素原子から構成される、非環式の分岐または非分岐炭化水素」と定義しています。ただし、一部の情報源では、明確な一般式を持つにもかかわらず (たとえば、シクロアルカンはC _n H _{2 n} )、単環式 (シクロアルカン) または多環式を含む、あらゆる飽和炭化水素を指すためにこの用語を使用しています。

アルカンでは、各炭素原子は4 つのシグマ結合(C–C またはC–H )でsp ³混成されており、各水素原子は炭素原子の 1 つに結合しています (C–H 結合)。分子内で結合した炭素原子の最長の列は、炭素骨格または炭素バックボーンとして知られています。炭素原子の数は、アルカンのサイズと考えることができます。

高級アルカンの 1 つのグループはワックスで、標準常温常圧(SATP) で固体であり、炭素骨格の炭素原子の数が約 17 を超えています。アルカンは、-CH ₂単位の繰り返しにより、メンバーの分子量が14.03  u (質量 12.01 u の炭素原子 1 個と質量が約 1.01 u の水素原子 2 個で構成される各メチレン架橋単位の合計質量) の倍数だけ異なる有機化合物の同族系列を構成します。

メタンはメタン生成細菌によって生成され、一部の長鎖アルカンは特定の動物種ではフェロモンとして、植物や菌類では保護ワックスとして機能します。ただし、ほとんどのアルカンは生物学的活性があまりありません。アルカンは、生物学的分子のより活性/反応性の高い官能基を吊るすことができる分子ツリーとして考えることができます。

アルカンには、石油（原油）と天然ガスという 2 つの主な商業的供給源があります。

アルキル基は、結合のための 1 つの開いた原子価を持つアルカンベースの分子フラグメントです。これらは通常、任意の有機基の記号R で略されますが、Alk はアルキル基 (アルケニル基またはアリール基とは対照的) を具体的に表すために使用されることもあります。

通常、CC単結合距離は1.53オングストローム（1.53 × 10 ⁻¹⁰  m）です。^[2] 飽和炭化水素は、直鎖、分岐、環状のいずれかになります。3番目のグループは、シクロアルカンと呼ばれることもあります。^[1]直鎖、分岐、環状アルカンを組み合わせることで、非常に複雑な構造が可能になります。

3 つ以上の炭素原子を持つアルカンは、さまざまな方法で配置され、構造異性体を形成します。アルカンの最も単純な異性体は、炭素原子が分岐のない単一の鎖に配置されているものです。この異性体は、n異性体 ( n は「通常」の略ですが、必ずしも最も一般的ではありません) と呼ばれることがあります。ただし、炭素原子の鎖は、1 つ以上の点で分岐している場合もあります。可能な異性体の数は、炭素原子の数とともに急速に増加します。たとえば、非環式アルカンの場合: ^[3]

• C ₁ :メタンのみ
• C ₂ :エタンのみ
• C ₃ :プロパンのみ
• C ₄ : 2異性体：ブタンとイソブタン
• C ₅ : 3 異性体:ペンタン、イソペンタン、ネオペンタン
• C ₆ : 5 異性体:ヘキサン、2-メチルペンタン、3-メチルペンタン、2,2-ジメチルブタン、2,3-ジメチルブタン
• C ₇ : 9 異性体:ヘプタン、2-メチルヘキサン、3-メチルヘキサン、2,2-ジメチルペンタン、2,3-ジメチルペンタン、2,4-ジメチルペンタン、3,3-ジメチルペンタン、3-エチルペンタン、2,2,3-トリメチルブタン
• C ₈ : 18 異性体:オクタン、2-メチルヘプタン、3-メチルヘプタン、4-メチルヘプタン、2,2-ジメチルヘキサン、2,3-ジメチルヘキサン、2,4-ジメチルヘキサン、2,5-ジメチルヘキサン、3,3-ジメチルヘキサン、3,4-ジメチルヘキサン、3-エチルヘキサン、2,2,3-トリメチルペンタン、2,2,4-トリメチルペンタン、2,3,3-トリメチルペンタン、2,3,4-トリメチルペンタン、3-エチル-2-メチルペンタン、3-エチル-3-メチルペンタン、2,2,3,3-テトラメチルブタン
• C ₉ : 35異性体
• C ₁₀ : 75 異性体
• C ₁₂ : 355 異性体
• C ₃₂ : 27,711,253,769 異性体
• C ₆₀ : 22,158,734,535,770,411,074,184 異性体があり、その多くは安定していない

分岐アルカンはキラルである可能性があります。たとえば、3-メチルヘキサンとその高級同族体は、立体中心が炭素原子番号 3 にあるためキラルです。上記のリストには、連結性の違いのみが含まれており、立体化学は含まれていません。アルカン異性体に加えて、炭素原子の鎖は 1 つ以上の環を形成する場合があります。このような化合物はシクロアルカンと呼ばれ、環の数を変えると分子式が変わるため、上記のリストからも除外されています。たとえば、シクロブタンとメチルシクロプロパンは互いに異性体 (C ₄ H _{8 ) ですが、ブタン (C 4} H ₁₀ )の異性体ではありません。

分岐アルカンは、直鎖（または分岐の少ない）異性体よりも熱力学的に安定しています。たとえば、分岐度の高い2,2,3,3-テトラメチルブタンは、直鎖異性体であるn-オクタンよりも約1.9kcal/mol安定しています。^[4]

アルカンのIUPAC命名法（化合物の命名体系）は炭化水素鎖の識別に基づいています。分岐のない飽和炭化水素鎖は、炭素数を表すギリシャ数字の接頭辞と接尾辞「-ane」で体系的に命名されています。^[5]

1866年、アウグスト・ヴィルヘルム・フォン・ホフマンは、炭化水素C _n H _{2 n} +2、C n H 2 n 、C _n H _{2 n −2}、C n H 2 _n −4 、C _{n H 2 n −6に対して、} a、e、i、o、 uの母音の並び_{全体を使用し}て接尾辞-ane、-ene、-ine（または-yne）、-one、-uneを_作成することにより命名法を体系化することを提案しました。^[6]現代の命名法_{では、最初の3つは単結合、二重結合、三重結合を持つ}炭化水素を具体的に指定します。^[7]_{一方、「-one」は現在}ケトンを表します。

直鎖アルカンは、非線形異性体が存在する場合、接頭辞「n-」または「 n -」（「normal」の略）で示されることがあります。これは厳密には必要なく、IUPAC 命名システムの一部ではありませんが、直鎖異性体と分岐鎖異性体を強調または区別したい場合には、この使用法が依然として一般的です。たとえば、イソブタンと区別するために、単に「ブタン」ではなく「n-ブタン」を使用します。石油業界では、このグループの別名として、線形パラフィンまたはn-パラフィンが使用されます。

この系列の最初の 8 つのメンバー (炭素原子の数による) は、次のように命名されています。

メタン

CH ₄ – 炭素1個と水素4個

エタン

C ₂ H ₆ – 炭素2個と水素6個

プロパン

C ₃ H ₈ – 炭素3個と水素8個

ブタン

C ₄ H ₁₀ – 炭素4個と水素10個

ペンタン

C ₅ H ₁₂ – 炭素5個と水素12個

ヘキサン

C ₆ H ₁₄ – 炭素6個と水素14個

ヘプタン

C ₇ H ₁₆ – 炭素7個と水素16個

オクタン

C ₈ H ₁₈ – 炭素8個と水素18個

最初の4つの名前は、メタノール、エーテル、プロピオン酸、酪酸に由来しています。5つ以上の炭素原子を持つアルカンは、基本数値項から末尾の母音（-aまたは-o ）を省略し、適切な数値乗数接頭辞^[8]に接尾辞-aneを追加して命名されます。したがって、ペンタン、C ₅ H ₁₂、ヘキサン、C ₆ H ₁₄、ヘプタン、C ₇ H ₁₆、オクタン、C ₈ H ₁₈などです。数字接頭辞は通常ギリシャ語ですが、ノナンなど炭素原子数が9で終わるアルカンには、ラテン語の接頭辞non-を使用します。

単純な分岐アルカンは、線状アルカンと区別するために接頭辞を使用した一般名を持つことが多いです。たとえば、n-ペンタン、イソペンタン、ネオペンタンなどです。

IUPAC 命名規則を使用して体系的な名前を作成できます。

より複雑な分岐アルカンの命名における重要なステップは以下の通りである: ^[9]

• 炭素原子の最長連続鎖を特定する
• 標準的な命名規則に従って、この最長ルートチェーンに名前を付けます。
• アルカン名の接尾辞を「-ane」から「-yl」に変更して、各側鎖に名前を付けます。
• 最も長い連続鎖に番号を付け、側鎖の番号を可能な限り小さくする^[10]
• ルートチェーンの名前の前にサイドチェーンに番号と名前を付けます
• 同じタイプの側鎖が複数ある場合は、「di-」や「tri-」などの接頭辞を使用してそれを示し、それぞれに番号を付けます。
• ルートチェーン名の前に、アルファベット順（「di-」などの接頭辞は無視）でサイドチェーン名を追加します。

このクラスの炭化水素は、技術的にはアルカンとは異なりますが、一部では「環状アルカン」と呼ばれています。説明にあるように、環状アルカンには 1 つ以上の環が含まれています。

単純なシクロアルカンには、アルカンと区別するために接頭辞「シクロ-」が付きます。シクロアルカンは、その骨格に含まれる炭素原子の数に応じて、非環式化合物と同様に命名されます。たとえば、シクロペンタン(C ₅ H _{10 ) は、}ペンタン(C ₅ H ₁₂ )と同様に 5 個の炭素原子を持つシクロアルカンですが、5 員環で結合しています。同様に、プロパンとシクロプロパン、ブタンとシクロブタンなどもあります。

置換シクロアルカンは置換アルカンと同様に命名される。シクロアルカン環が示され、置換基は環上の位置に従って示され、番号付けはカーン・インゴルド・プレローグの優先規則に従って決定される。^[8]

アルカンの慣用名（非体系的）は「パラフィン」である。アルカンはまとめて「パラフィンシリーズ」として知られている。化合物の慣用名は、通常、歴史的な遺物である。それらは体系的な名前が開発される前に造られ、業界でよく使われているため保持されている。シクロアルカンはナフテンとも呼ばれる。^{[11] [12]}

分岐鎖アルカンはイソパラフィンと呼ばれます。「パラフィン」は一般的な用語であり、純粋な化合物と異性体の混合物、つまり同じ化学式の化合物（ペンタンとイソペンタンなど）を区別しないことがよくあります。

IUPACでは

以下の慣用名は IUPAC システムで保持されます。

• 2-メチルプロパンの代わりにイソブタン
• 2-メチルブタンの代わりにイソペンタン
• 2,2-ジメチルプロパンの代わりのネオペンタン。

非IUPAC

IUPAC に従わない慣用名が時々使用されます:

• セタン（ヘキサデカン）
• セラン（ヘキサコサン）^[13]

すべてのアルカンは無色です。^{[14] [15]}分子量が最も低いアルカンは気体、中間の分子量のアルカンは液体、最も重いアルカンはワックス状の固体です。^{[16] [17]}

アルカンは分子間ファンデルワールス力を受けます。これらの分子間力の累積的な効果により、アルカンの沸点が高くなります。^[18]

ファンデルワールス力の強さには 2 つの要因が影響します。

• 分子を取り囲む電子の数はアルカンの分子量とともに増加する。
• 分子の表面積

標準条件下では、CH ₄からC ₄ H _{10 の}アルカンは気体、C ₅ H ₁₂からC ₁₇ H ₃₆は液体、C ₁₈ H ₃₈以降は固体です。アルカンの沸点は主に重量によって決まるため、沸点が分子の大きさ（分子量）とほぼ直線関係にあることは驚くべきことではありません。経験則として、鎖に炭素が 1​​ つ追加されるごとに沸点は 20～30 °C 上昇します。この法則は他の同族列にも当てはまります。^[18]

直鎖アルカンは、隣接する分子間の接触面積が大きく、したがってファンデルワールス力が大きくなるため、分岐鎖アルカンよりも沸点が高くなります。たとえば、イソブタン（2-メチルプロパン）とn-ブタン（ブタン）はそれぞれ-12℃と0℃で沸騰しますが、2,2-ジメチルブタンと2,3-ジメチルブタンはそれぞれ50℃と58℃で沸騰します。^[18]

一方、シクロアルカンは、分子の固定された立体配座によって分子間接触面が形成されるため、直鎖状のアルカンよりも沸点が高くなる傾向があります。

アルカンの融点は、上で概説したのと同じ理由で、沸点と同様の傾向をたどります。つまり、（他の条件が同じであれば）分子が大きいほど融点は高くなります。沸点と融点には、1 つの大きな違いがあります。固体は液体よりも硬く固定された構造をしています。この硬質構造を分解するにはエネルギーが必要です。したがって、よく組み立てられた固体構造ほど、分解するのにより多くのエネルギーが必要です。アルカンの場合、これは上のグラフ（つまり、青い線）からわかります。奇数アルカンは、偶数アルカンよりも融点の傾向が低くなっています。これは、偶数アルカンが固体相でよく詰め込まれ、よく組織化された構造を形成し、分解するのにより多くのエネルギーを必要とするためです。奇数アルカンは詰め込みが悪く、したがって「より緩い」組織化された固体パッキング構造は、分解するのにより少ないエネルギーを必要とします。^[19]結晶構造の視覚化については、^{[20]を参照してください。}

分岐鎖アルカンの融点は、対応する直鎖アルカンの融点よりも高くなったり低くなったりしますが、これもまた、アルカンが固相にうまく詰め込まれる能力に依存します。

アルカンは電気をまったく伝導せず、電場によって実質的に分極することもありません。このため、アルカンは水素結合を形成せず、水などの極性溶媒には溶けません。個々の水分子間の水素結合はアルカン分子から離れて整列するため、アルカンと水が共存すると分子秩序が増加します（エントロピーが減少します）。水分子とアルカン分子の間には有意な結合がないため、熱力学の第二法則によれば、アルカンと水の接触を最小限に抑えることでこのエントロピーの減少を最小限に抑えることができます。アルカンは水に溶けないため、 疎水性であると言われています。

非極性溶媒への溶解度は比較的高く、この性質は親油性と呼ばれます。例えば、アルカンは、アルカン同士であれば、あらゆる割合で混和します。

アルカンの密度は通常、炭素原子の数とともに増加しますが、水の密度よりは低いままです。そのため、アルカンはアルカンと水の混合物の上層を形成します。^[21]

アルカンの分子構造は、その物理的および化学的特性に直接影響します。これは、 4 つの価電子を持つ炭素の電子配置に由来します。アルカンの炭素原子は sp ³混成体として記述されます。つまり、価電子は、2s 軌道と 3 つの 2p 軌道の組み合わせから派生した四面体の角に向けられた軌道にあります。幾何学的には、結合間の角度は cos ⁻¹ (− ⁠1/3⁠ ) ≈ 109.47°。これはメタンの場合に正確ですが、C–H 結合と C–C 結合の組み合わせを含むより大きなアルカンでは、通常、この理想化された値から数度以内の結合になります。

アルカンには C–H および C–C 単結合のみがあります。前者は炭素の sp ³軌道と水素の 1s 軌道の重なりによって生じ、後者は隣接する炭素原子の 2 つの sp ³軌道の重なりによって生じます。結合長はC–H 結合の場合は 1.09 × 10 ⁻¹⁰  m、C–C 結合の場合は 1.54 × 10 ⁻¹⁰ mになります 。

結合の空間配置は、4 つの sp ³軌道の配置と似ており、四面体状に配置され、それらの間の角度は 109.47° です。結合が互いに直角であると表す構造式は一般的で便利ですが、形状を正確に表すものではありません。

CCおよびCH結合の空間配置は分子のねじれ角によって記述され、その配座として知られています。アルカンの配座を研究するための最も単純な例であるエタンでは、炭素-炭素単結合の周りをほぼ自由に回転します。2つの制限配座が重要です。重なり合った配座とねじれ合った配座です。ねじれ配座は、重なり合った配座（最も不安定）よりもエネルギーが12.6 kJ/mol（3.0 kcal/mol）低い（より安定）。高度に分岐したアルカンでは、結合角は、かさ高い基に対応するために最適値（109.5°）と異なる場合があります。このような歪みは分子に張力をもたらし、立体障害または歪みとして知られています。歪みは反応性を大幅に増加させます。^[22]

アルカンの分光学的特徴は主要な特性評価技術によって得られる。^[23]

CH伸縮振動モードは2850～2960  cm ⁻¹に強い吸収を示し、CC伸縮振動モードの弱い吸収帯は800～1300 cm ⁻¹に吸収を示す。炭素-水素変角モードは基の性質に依存し、メチル基は1450 cm ⁻¹と1375 cm ⁻¹に吸収を示し、メチレン基は1465 cm ⁻¹と1450 cm ⁻¹に吸収を示す。^{[24] 4個以上の炭素原子を持つ炭素鎖は725 cm −1}付近に弱い吸収を示す。

アルカンの陽子共鳴は、通常δ _{H = 0.5～ 1.5}で見られます。炭素 13 共鳴は、炭素に結合した水素原子の数によって決まります。δ C = 8～30 (第一級、メチル、-CH ₃ )、15～55 (第二級、メチレン、-CH _{2 – )、20～60 (第三級、メチン、C–H)、第四級です。第四級炭素原子の炭素 13 共鳴は、}核オーバーハウザー効果がないことと緩和時間が長いことから、特徴的に弱く、弱いサンプルや十分に長い時間分析されていないサンプルでは見逃される可能性があります。

アルカンはイオン化エネルギーが高いため、電子衝撃質量スペクトルでは分子イオンの電流が弱いことが示される。フラグメンテーションパターンの解釈は難しいが、分岐鎖アルカンの場合、生成されるフリーラジカルの相対的安定性のため、炭素鎖は第三級または第四級炭素で優先的に切断される。直鎖アルカンの質量スペクトルはドデカンの質量スペクトルで示される。メチル基1個（M − 15）の喪失によって生じるフラグメントは存在せず、フラグメントは分子イオンよりも強度が高く、CH ₂基 の喪失に対応する14質量単位の間隔で配置されている。^[25]

アルカンは、ほとんどの化合物と弱い反応性しか示しません。アルカンは、強い C–H 結合 (~100 kcal/mol) と C–C 結合 (~90 kcal/mol) のおかげで、最も強い求電子試薬とのみ反応します。また、アルカンはフリーラジカルに対しても比較的反応しません。この不活性さが、パラフィン(ここでは「親和性がない」という意味) という用語の由来です。原油では、アルカン分子は数百万年にわたって化学的に変化していません。

すべてのアルカンの酸解離定数（p Ka ）値は_、外挿法に応じて 50 から 70 の範囲と推定されるため、アルカンは塩基に対して実質的に不活性な極めて弱い酸です（炭素酸を参照）。また、極めて弱い塩基でもあり、純粋な硫酸（H ₀ ~ −12）ではプロトン化は観察されませんが、少なくとも数百万倍強い超酸がアルカンをプロトン化して超配位アルカンイオンを与えることが知られています（メタニウムイオンを参照）。したがって、五フッ化アンチモン（SbF ₅）とフルオロスルホン酸（HSO ₃ F）の混合物はマジック酸と呼ばれ、アルカンをプロトン化することができます。^[26]

すべてのアルカンは燃焼反応で酸素と反応しますが、炭素原子の数が増えるにつれて発火しにくくなります。完全燃焼の一般的な式は次のとおりです。

C _n H _{2 n +2} + ( ⁠3/2⁠ n  +  ⁠1/2⁠ ) O ₂ → ( n  + 1) H ₂ O + n  CO ₂

または C _n H _{2 n +2} + ( ⁠3n +1です/2⁠ ) O ₂ → ( n  + 1) H ₂ O + n  CO ₂

十分な酸素がない場合、以下に示すように一酸化炭素や煤が発生する可能性があります。

C _n H _{2 n +2} + ( n  +  ⁠1/2⁠ )  O ₂ → ( n  + 1) H ₂ O + n  CO

C _n H _{2 n +2} + ( ⁠1/2⁠ n  +  ⁠1/2⁠ )  O ₂ → ( n  + 1) H ₂ O + n  C

例えばメタン：

2CH4 + _3O2 → _4H2O + _2CO

CH ₄ + O ₂ → 2 H ₂ O + C

詳細なデータについては、アルカンの生成熱の表を参照してください。アルカンの標準燃焼エンタルピー変化Δ _c H ^⊖は、CH ₂グループ1 つにつき約 650 kJ/mol 増加します。分岐鎖アルカンは、同じ炭素原子数の直鎖アルカンよりも Δ _c H ^⊖の値が低いため、やや安定していることがわかります。

一部の生物はアルカンを代謝することができます。^{[27] [28]} メタンモノオキシゲナーゼはメタンをメタノールに変換します。高級アルカンの場合、シトクロムP450はアルカンをアルコールに変換し、その後分解されやすくなります。

フリーラジカル、つまり不対電子を持つ分子は、アルカンのほとんどの反応で大きな役割を果たしています。 ハロゲンではフリーラジカルハロゲン化反応が起こり、ハロアルカンが生成されます。アルカンの水素原子は徐々にハロゲン原子に置き換えられます。アルカンとフッ素の反応は発熱性が高く、爆発につながる可能性があります。^[29]これらの反応は、ハロゲン化炭化水素への重要な工業的ルートです。3つのステップがあります。

• ハロゲンラジカルはホモリシスによって形成されます。通常、熱または光の形でのエネルギーが必要です。
• その後、連鎖反応または伝播が起こり、ハロゲンラジカルがアルカンから水素を抽出してアルキルラジカルを生成します。これがさらに反応します。
• ラジカルが再結合する連鎖停止。

実験では、すべてのハロゲン化ですべての異性体の混合物が生成され、すべての水素原子が反応しやすいことが示されています。ただし、生成される混合物は統計的ではありません。2級および3級の水素原子は、2級および3級のフリーラジカルの安定性が高いため、優先的に置換されます。プロパンのモノ臭素化に例が見られます。^[18]

リード反応では、二酸化硫黄と塩素が光の影響を受けて炭化水素をスルホニルクロリドに変換します。

ある条件下では、アルカンはニトロ化を起こします。

特定の遷移金属錯体はアルカンとの非ラジカル反応を促進し、C-H結合活性化反応を引き起こす。^[30]

クラッキングは、大きな分子を小さな分子に分解します。この反応には熱と触媒が必要です。熱クラッキングプロセスは、フリーラジカルの形成を伴うホモリティックメカニズムに従います。接触クラッキングプロセスには、酸触媒（通常はシリカアルミナやゼオライトなどの固体酸）の存在が関係しており、これがヘテロリティック（非対称）な結合の切断を促進し、反対の電荷を持つイオンのペア（通常はカルボカチオン）を生成します。炭素に局在するフリーラジカルとカチオンはどちらも非常に不安定で、鎖の再配列、ベータ位置での C–C 切断（つまりクラッキング）、および分子内および分子間の水素移動または水素化物移動のプロセスを経ます。どちらのタイプのプロセスでも、対応する反応中間体（ラジカル、イオン）は永久に再生されるため、自己伝播連鎖メカニズムによって進行します。反応連鎖は、ラジカルまたはイオンの再結合によって最終的に終了します。^[要出典]

ドラガンと彼の同僚は、アルカンの異性化について初めて報告した。^[31]異性化と改質は、直鎖アルカンを白金触媒の存在下で加熱するプロセスである。異性化では、アルカンは分岐鎖異性体になる。言い換えれば、炭素や水素を失わず、同じ分子量を維持する。^[31]改質では、アルカンはシクロアルカンまたは芳香族炭化水素になり、副産物として水素を放出する。これらのプロセスは両方とも物質のオクタン価を上げる。ブタンは、高オクタン価の分岐アルカンを多数生成するため、異性化プロセスを受ける最も一般的なアルカンである。^[31]

水蒸気改質では、アルカンはニッケル触媒の存在下で水蒸気と反応して水素と一酸化炭素 を生成します。

アルカンは、木星（メタン0.1%、エタン2  ppm）、土星（メタン0.2%、エタン5 ppm）、天王星（メタン1.99%、エタン2.5 ppm） 、海王星（メタン1.5%、エタン1.5 ppm）などの外惑星の大気のわずかな部分を形成している。土星の衛星タイタン（メタン1.6%）は、ホイヘンス探査機によって調査され、タイタンの大気が定期的に液体メタンを衛星の表面に降らせていることが示された。^[32]また、カッシーニ計画はタイタンの極域付近で季節的なメタン/エタン湖を撮影した。メタンとエタンは、百武彗星の尾でも検出されている。化学分析により、エタンとメタンの豊富さがほぼ同じであることが示され、これは太陽から離れた星間空間で氷が形成され、これらの揮発性分子が蒸発したことを示唆していると考えられている。^{[33]アルカンは}炭素質コンドライトなどの隕石からも検出されている。

地球の大気中には微量のメタンガス（約0.0002％または1745ppb）が存在し、主に反芻動物の腸内の古細菌などのメタン生成微生物によって生成されます。 ^[34]

アルカンの最も重要な商業的供給源は天然ガスと石油です。^[18]天然ガスには主にメタンとエタンが含まれ、プロパンとブタンも多少含まれています。石油は液体アルカンと他の炭化水素の混合物です。これらの炭化水素は、海洋動物と植物（動物プランクトンと植物プランクトン）が死んで太古の海の底に沈み、無酸素環境で堆積物に覆われ、何百万年もかけて高温高圧で現在の形に変換されたときに形成されました。天然ガスは、たとえば次の反応から生成されました。

C ₆ H ₁₂ O ₆ → 3 CH ₄ + 3 CO ₂

これらの炭化水素鉱床は、不浸透性の岩盤の下に閉じ込められた多孔質の岩石に蓄積され、商業油田を構成しています。これらは何百万年もかけて形成され、いったん枯渇すると容易に補充することはできません。これらの炭化水素埋蔵量の枯渇は、エネルギー危機と呼ばれる現象の原因となっています。

アルカンは水への溶解度が低いため、海洋中の含有量はごくわずかです。しかし、高圧および低温（海洋底など）では、メタンは水と共結晶化して固体のメタンクラスレート（メタンハイドレート）を形成することがあります。これは現時点では商業的に利用することはできませんが、既知のメタンクラスレートフィールドの可燃性エネルギー量は、天然ガスと石油の鉱床すべてを合わせたエネルギー含有量を超えています。したがって、メタンクラスレートから抽出されたメタンは、将来の燃料の候補となります。

石油と天然ガスを除けば、アルカンは自然界ではメタンとしてのみ存在し、これは一部の古細菌によってメタン生成のプロセスによって生成される。これらの生物はシロアリ^{[35]や牛[36]}の腸内に見られる。 メタンは二酸化炭素または他の有機化合物から生成される。エネルギーは水素の酸化によって放出される。

CO ₂ + 4H ₂ → CH ₄ + 2H ₂ O

現在の天然ガスの鉱床も同様の方法で形成されたと考えられます。^[37]

RCH2\sCH3}} (R =アルキル)

アルカンを生成するもう 1 つの方法は水素化分解で、これは水素を使用して C ヘテロ原子結合を切断するものです。産業界では、主な基質は有機窒素と有機硫黄の不純物、つまりヘテロ原子が N と S です。具体的なプロセスは、水素化脱窒素と水素化脱硫と呼ばれます。

R ₃ N + 3 H ₂ → 3 RH + H ₃ N

R ₂ S + 2 H ₂ → 2 RH + H ₂ S

水素化分解は、事実上あらゆる官能基を炭化水素に変換するのに応用できます。基質には、ハロアルカン、アルコール、アルデヒド、ケトン、カルボン酸などがあります。水素化分解と水素化はどちらも製油所で実施されています。これらは、リチウムアルミニウム水素化物、クレメンソン還元、およびその他の特殊な経路を使用して実行できます。

石炭はアルカンのより伝統的な前駆物質です。何世紀にもわたって、さまざまな技術が集中的に実践されてきました。[ ^{38]石炭を加熱するだけでアルカンが得られ、}コークスが 残ります。関連する技術には、ベルギウス法と石炭液化があります。石炭と関連する固体有機化合物の部分燃焼により一酸化炭素が発生し、これはフィッシャー・トロプシュ法を使用して水素化できます。この技術により、アルカンを含む液体炭化水素を合成できます。この方法は、石油留分の代替品を製造するために使用されます。

アルカンの合成に関心が寄せられることはほとんどない。なぜならアルカンは通常市販されており、事実上あらゆる前駆体よりも価値が低いからである。最もよく知られている方法はアルケンの水素化である。多くのCX結合はリチウムアルミニウムヒドリド、クレメンソン還元、およびその他の特殊な経路を使用してCH結合に変換できる。^[39]アルキルグリニャール試薬とアルキルリチウム化合物 の加水分解によりアルカンが得られる。^[40]

アルカンの主な用途は燃料です。容易に液化できるガスであるプロパンとブタンは、一般に液化石油ガス(LPG) として知られています。^[41]ペンタン からオクタンまでのアルカンは、揮発性の高い液体です。これらは、燃焼室に入ると液滴を形成せずに容易に気化するため、内燃機関の燃料として使用されます。分岐鎖アルカンは、ノッキングを引き起こす早期着火が直鎖同族体よりも大幅に少ないため好まれます。この早期着火の傾向は、燃料のオクタン価で測定されます。2,2,4-トリメチルペンタン(イソオクタン) は任意の値が 100 で、ヘプタンは値が 0 です。燃料としての使用とは別に、中間のアルカンは非極性物質の良好な溶媒でもあります。ノナンからヘキサデカン（炭素原子16個を持つアルカン）などのアルカンは、粘度の高い液体で、ガソリンへの使用にはますます適さなくなっています。代わりに、ディーゼル燃料や航空燃料の主要部分を形成しています。ディーゼル燃料はセタン価によって特徴付けられます。セタンはヘキサデカンの古い名前です。ただし、これらのアルカンの融点が高いため、低温や極地では燃料が濃すぎて正しく流れなくなるという問題が発生する可能性があります。

クラッキングのプロセスにより、アルカンはアルケンに変換されます。単純なアルケンは、ポリエチレンやポリプロピレンなどのポリマーの前駆体です。クラッキングが極端に行われると、アルカンはタイヤの重要な成分であるカーボンブラックに変換されます。

メタンを塩素化するとクロロメタンが生成され、これは溶媒や複合化合物の構成要素として使用されます。同様に、メタンを硫黄で処理すると二硫化炭素が生成されます。さらに他の化学物質は、三酸化硫黄と一酸化窒素との反応によって生成されます。

一部の軽質炭化水素はエアロゾルスプレーとして使用されます。

ヘキサデカン以上のアルカンは、燃料油と潤滑油の最も重要な成分を形成します。後者の機能では、疎水性のため水が金属表面に到達できないため、防錆剤としても機能します。多くの固体アルカンは、たとえばキャンドルのパラフィンワックスとして使用されます。ただし、これを主にエステルで構成される真のワックスと混同しないでください。

炭素原子が約 35 個以上の鎖長を持つアルカンは、道路舗装材などに使用されるビチューメンに含まれています。しかし、高級アルカンはあまり価値がなく、通常はクラッキングによって低級アルカンに分解されます。

アルカンは非常に可燃性が高いが、毒性は低い。メタンは「毒物学的には実質的に不活性」である。アルカンは窒息性や麻薬性がある。^[38]

• アルケン
• アルキン
• シクロアルカン
• 高級アルカン
• 脂肪族化合物

• 有機化学の仮想教科書
• ノナンまでのアルカンの結晶構造の視覚化
• ボバートンのレッドウッド（1911年）。「パラフィン」 。ブリタニカ百科事典。 Vol. 20（第11版）。 752–756ページ。