Methan ist der einfachste Kohlenwasserstoff und dient als Grundstoff für verschiedene organische Synthesen. So kann z.B. Methanol daraus hergestellt werden.
Zur Herstellung von Methan kann Kohlenstoffdioxid mit Wasserstoff in einer zweischrittigen Gleichgewichtsreaktion zu Methangas und Wasserdampf umgesetzt werden. Diese Reaktion wird nach ihrem Entdecker als Sabatier-Reaktion bezeichnet.
Aus Methan lässt sich Methanol herstellen, das seinerseits mit Methanal reagieren kann.
Wird Methanal mit Ethanal umgesetzt, so entsteht ein Molekül, das sowohl eine Carbonyl-Gruppe als auch eine Hydroxy-Gruppe beinhaltet und daher zu einer Stoffgruppe zählt, die auch als „Aldole“ bezeichnet wird.

Material 1

Reaktionsschritte der Sabatier-Reaktion

Die Sabatier-Reaktion kann als Abfolge von zwei Schritten betrachtet werden: Schritt 1: Kohlenstoffdioxid reagiert mit Wasserstoff zu Kohlenstoffmonooxid und Wasser. Schritt 2: Das entstandene Kohlenstoffmonooxid reagiert mit Wasserstoff zu Methan und Wasser. Für die beiden Schritte lassen sich unter Standardbedingungen folgende Reaktionsenthalpien messen: Die zugehörige Reaktionsgleichung für die Gesamtreaktion lautet:

Material 2

Daten zur Gleichgewichtsreaktion in Schritt 2 der Sabatier-Reaktion

bei Gleichgewichtskonzentrationen:

Material 3

Die Sabatier-Reaktion in der Weltraumforschung

Bei längeren Aufenthalten von Menschen im Weltraum, wie etwa auf der internationalen Raumstation ISS, muss die Versorgung dieser Astronauten mit allen notwendigen Stoffen gewährleistet werden. So wird regelmäßig unter großem finanziellen und technischen Aufwand Wasser von der Erde zur ISS transportiert. Ein großer Teil dieses Wassers wird mit Hilfe von ausreichend vorhandenem Solarstrom elektrolysiert, wodurch die Elemente Sauerstoff und Wasserstoff entstehen. So lässt sich Sauerstoff für die Astronauten gewinnen. Der ebenfalls entstehende Wasserstoff wird teilweise als Abfall ins All abgegeben, genauso wie das von den Astronauten ausgeatmete Kohlenstoffdioxid.
In der amerikanischen Weltraumbehörde NASA wird aktuell daran geforscht, inwieweit die Sabatier-Reaktion zusammen mit der Zersetzung von Methan in die Elemente (Pyrolyse) zur Lösung der Versorgungsprobleme bei Weltraummissionen beitragen könnte.
Die entscheidenden Reaktionsgleichungen sind im Folgenden dargestellt:

Material 4

Herstellung von Methanol aus Methan

Material 5

Mechanismus der basenkatalysierten Aldol-Bildung durch Reaktion von Ethanal mit Methanal

Durch Einwirkung eines Hydroxid-Ions wird das Ethanal-Molekül deprotoniert, indem am -Atom eine der drei C-H-Bindungen heterolytisch gespalten wird. Dabei bildet sich ein Ion aus, für das sich mesomere Grenzstrukturen formulieren lassen. Eine dieser mesomeren Grenzstrukturen entspricht einem Carbanion, das am -Atom eine negative Ladung trägt. Die zweite mesomere Grenzstruktur entspricht einem Enolat-Ion, das eine C-C-Doppelbindung und eine negative Ladung am Sauerstoff-Atom beinhaltet. Außerdem wird bei diesem Reaktionsschritt Wasser freigesetzt. Anschließend greifen die in der Enolat-Struktur zwischen den beiden Kohlenstoff-Atomen dargestellten -Elektronen die Carbonylgruppe des Methanal-Moleküls nucleophil an. Dadurch entsteht eine Struktur, die an einem Ende ein negativ geladenes Sauerstoff-Atom und am anderen Ende eine Aldehyd-Gruppe beinhaltet. Im letzten Reaktionsschritt reagiert diese Struktur mit Wasser, wobei sich die Aldol-Struktur ausbildet und zugleich der Katalysator zurückgewonnen wird. Die Aldol-Struktur beinhaltet neben der Aldehyd-Gruppe auch eine Hydroxy-Gruppe.