Alkane sind gesättigte Kohlenwasserstoffe mit der allgemeinen Formel C_nH_{2n+2} (für nicht-cyclische Alkane). Jedes Kohlenstoffatom ist sp³-hybridisiert und bildet vier Sigma-Bindungen, die zu den Ecken eines Tetraeders gerichtet sind. Die Kohlenstoff-Kohlenstoff- und Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen sind unpolar, was Alkane hydrophob und unter normalen Bedingungen chemisch inert macht. Alkane bilden das strukturelle Rückgrat organischer Moleküle und dienen als wichtige Brennstoffe, Schmiermittel und Lösungsmittel.
Die IUPAC-Nomenklatur für Alkane identifiziert die längste durchgehende Kohlenstoffkette als Stammnamen (Methan C1, Ethan C2, Propan C3, Butan C4, Pentan C5, Hexan C6 usw.). Von der Hauptkette abzweigende Substituenten werden als Alkylgruppen (Methyl, Ethyl, Propyl) bezeichnet und mit ihren Positionsnummern versehen. Bei mehreren Substituenten werden diese in alphabetischer Reihenfolge aufgeführt, und numerische Präfixe (di-, tri-, tetra-) kennzeichnen die Mehrfachheit. Den Substituenten wird unabhängig von ihrer Identität der niedrigste Satz von Lokanten zugewiesen, wobei die Regel des ersten Unterschieds befolgt wird.
Die physikalischen Eigenschaften von Alkanen folgen vorhersagbaren Trends. Die Siedepunkte steigen mit der Molekülmasse aufgrund stärkerer London-Dispersionskräfte; jede weitere CH₂-Gruppe erhöht den Siedepunkt um etwa 20–30 °C. Verzweigungen senken den Siedepunkt, indem sie die für den intermolekularen Kontakt verfügbare Moleküloberfläche verringern. Alkane sind in Wasser (einem polaren Lösungsmittel) praktisch unlöslich, lösen sich aber leicht in unpolaren organischen Lösungsmitteln. Ihre Dichte nimmt mit der Kettenlänge zu, übersteigt jedoch nie etwa 0,8 g·mL⁻¹, wodurch sie auf Wasser schwimmen — eine wichtige Eigenschaft für das Verhalten von Ölverschmutzungen.
Die Konformationsanalyse von Butan veranschaulicht die energetischen Präferenzen bei der Drehung um Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen. Die anti-Konformation (Diederwinkel 180°) ist am stabilsten, mit maximal getrennten Methylgruppen. Die gauche-Konformation (60°) ist aufgrund sterischer Abstoßung um etwa 3,8 kJ·mol⁻¹ weniger stabil. Die ekliptischen Konformationen (0° und 120°) sind am wenigsten stabil, mit Energiebarrieren von etwa 15–20 kJ·mol⁻¹ über der anti-Konformation. Diese konformationellen Präferenzen beeinflussen die dreidimensionale Struktur größerer Moleküle und sind entscheidend für das Verständnis der Stereochemie und von Reaktionsergebnissen.
Cycloalkane haben die allgemeine Formel C_nH_{2n} (zwei Wasserstoffatome weniger als offenkettige Alkane aufgrund des Ringschlusses). Die Baeyersche Spannungstheorie postulierte, dass Abweichungen vom idealen Tetraederwinkel (109,5°) eine Winkelspannung erzeugen und dass größere Ringe spannungsfrei wären. Heute erkennen wir jedoch drei Arten von Ringspannung: Winkelspannung (Abweichung von idealen Bindungswinkeln), Torsionsspannung (ekliptische Wechselwirkungen) und Transannulare Spannung (sterische Hinderung über den Ring hinweg). Cyclopropan (60° Bindungswinkel) hat eine starke Winkelspannung (~115 kJ·mol⁻¹), was es hochreaktiv macht. Cyclobutan und Cyclopentan haben fortschreitend weniger Spannung.
Cyclohexan nimmt eine Sesselkonformation ein, die sowohl Winkel- als auch Torsionsspannung eliminiert, mit allen C–C–C-Bindungswinkeln bei 109,5° und allen Bindungen gestaffelt. Die Sesselkonformation hat zwei Arten von Wasserstoffpositionen: axial (parallel zur Ringachse, abwechselnd nach oben und unten) und äquatorial (vom Ring wegstrahlend). Substituenten bevorzugen äquatoriale Positionen, um 1,3-diaxiale Wechselwirkungen zu vermeiden. Der Ringflip wandelt axiale und äquatoriale Positionen über eine Bootskonformation als Zwischenstufe ineinander um. Diese konformationelle Präferenz ist von zentraler Bedeutung für das Verständnis der Reaktivität und Stabilität substituierter Cyclohexane, ein Thema von grundlegender Bedeutung in der Organischen Chemie.
