Κυκλοβουτάνιο

Κυκλοβουτάνιο
Γενικά
Όνομα IUPAC	Κυκλοβουτάνιο
Χημικά αναγνωριστικά
Χημικός τύπος	C4H8
Μοριακή μάζα	42,08 amu
Σύντομος συντακτικός τύπος
Αριθμός CAS	00287-23-0
SMILES	C1CCC1
Δομή
Είδος δεσμού	C-H: σ(2sp3-1s)
Πόλωση δεσμού	C--H+: 3%
Μοριακή γεωμετρία	Τα ανθρακοάτομα σε πτυχωμένη τετράπλευρη θέση.
Ισομέρεια
Ισομερή θέσης	4 Βουτένιο-1 (CH3CH2CH=CH2 Βουτένιο-2 (CH3CH=CHCH3) Μεθυλοπροπένιο (CH3CH=C(CH3)2) Μεθυλοκυκλοπροπάνιο ()
Φυσικές ιδιότητες
Σημείο τήξης	-91°C
Σημείο βρασμού	12,5°C
Πυκνότητα	720 kg/m3 (υγρό)
Εμφάνιση	Άχρωμο αέριο
Χημικες ιδιότητες
Θερμότητα πλήρους καύσης	2.728 kJ/mole
Επικινδυνότητα
Εξαιρετικά εύφλεκτο (F+)
Η κατάσταση αναφοράς είναι η πρότυπη κατάσταση (25°C, 1 Atm) εκτός αν σημειώνεται διαφορετικά

Το κυκλοβουτάνιο είναι το δεύτερο απλούστερο κυκλοαλκάνιο, δηλαδή κορεσμένος υδρογονάνθρακας με δακτύλιο. Με βάση το συνοπτικό χημικό τύπο, C₄H₈, είναι ισομερές θέσης με τις ακόλουθες τέσσερεις (4) ενώσεις:

1. Μεθυλοκυκλοπροπάνιο
2. Βουτένιο-1
3. Ε,Ζ-βουτένιο-2 (με 2 γεωμερικά ισομερή) και
4. Μεθυλοπροπένιο

Ονοματολογία

Η ονομασία «κυκλοβουtάνιο» προέρχεται από την ονοματολογία κατά IUPAC. Συγκεκριμένα, το πρόθεμα της κύριας ονομασίας «βουt-» δηλώνει την παρουσία τεσσάρων (4) ατόμων άνθρακα ανά μόριο της ένωσης, το ενδιάμεσο «-αν-» δείχνει την παρουσία μόνο απλών δεσμών μεταξύ ατόμων άνθρακα στο μόριο και η κατάληξη «-ιο» φανερώνει ότι δεν περιέχει χαρακτηριστικές ομάδες, δηλαδή ότι είναι υδρογονάνθρακας. Το αρχικό πρόθεμα «κυκλο-» δηλώνει την παρουσία ενός (1) ισοκυκλικού δακτυλίου στο μόριο της ένωσης.

Κυκλοβουτάνια

«Κυκλοβουτάνια» ονομάζονται τα κυκλοαλκάνια με τετραμελή δακτύλιο, που αποτελεί και το χαρακτηριστικό της δομής τους. Οι πλευρικές αλυσίδες, όταν υπάρχουν, διαμορφώνονται όπως στα αλκάνια. Το ιδιαίτερο χαρακτηριστικό της μοριακής δομής τους είναι η εμφάνιση όχι επίπεδου τετραγώνου, όπως θα περίμενε κανείς, με βάση τα κυκλοπροπάνια, αλλά «πτυχωμένης» (Puckered), όπως αποδείχθηκε από πειράματα περίθλασης ηλεκτρονίων:

Στη δομή αυτή προκύπτουν δυο απέναντι ζεύγη γωνιών που δείνουν μέσο όρο $\mathrm{\widehat{C-C-C} \simeq 88^o < 109^o28'}$, που είναι η συνηθισμένη γωνία δεσμού sp³-sp³ που αντιστοιχεί σε κορεσμένο, οπότε και πάλι προκύπτει «ενέργεια τάσης δεσμών», όπως παραπάνω στα κυκλοπροπάνια, αλλά μικρότερη: Υπολογίστηκε σε ΔQ = 109 kJ/mole. Αποτέλεσμα των παραπάνω είναι τα κυκλοβουτάνια να δείνουν αντιδράσεις προσθηκοδιάσπασης-1,4, αν και χρειάζονται πιο έντονες συνθήκες για να αντιδράσουν και δείνουν μικρότερες αντίστοιχες ταχύτητες αντίδρασης.

Δομή

Δεσμοί
Δεσμός	τύπος δεσμού	ηλεκτρονική δομή	Μήκος δεσμού	Ιονισμός
C-H	σ	2sp3-1s	108,7 pm	3% C- H+
C-C	σ με κάμψη	2sp3-2sp3	154 pm (C-C)
Κατανομή φορτίων σε ουδέτερο μόριο
C	-0,06
H	+0,03

Παραγωγή

Επίδραση δισθενών μετάλλων σε 1,4-διαλοβουτάνιο

Με επίδραση μετάλλων (συνήθως ψευδάργυρο ή μαγνήσιο) και σε 1,4-διαλοβουτάνιο. Π.χ.:

$\mathrm{BrCH_2CH_2CH_2CH_2Br + Zn \xrightarrow{} ZnBr_2 +}$

• Με μικρή απόδοση.

Με φωτοχημικό διμερισμό αιθένιου

• Με φωτοχημικό διμερισμό αιθενίου:

$\mathrm{2CH_2=CH_2 \xrightarrow{hv}}$

Χημικές ιδιότητες

• Τα κυκλοαλκάνια με τετραμελή δακτύλιο (δηλαδή τα «κυκλοβουτάνια») έχουν αρκετή ενέργεια τάσης δεσμών για να δώσουν προσθηκοδιάσπαση-1,4, αλλά κάτο από πιο έντονες συνθήκες και με μικρότερη ταχύτητα αντίδρασης σε σχέση με τα αλκένια και με τα κυκλοπροπάνια. Κατά τα άλλα συμπεριφέρονται χημικά όπως τα αλκάνια:

Οξείδωση

1. Όπως όλα τα κυκλοαλκάνια, το κυκλοβουτάνιο με περίσσεια οξυγόνου καίγεται προς διοξείδιο του άνθρακα και νερό:

$\mathrm{+ 6O_2 \xrightarrow{\triangle} 4CO_2 + 4H_2O + 2.728 J}$

• Αν και η αντίδραση είναι μια έντονα εξώθερμη δεν συμβαίνει σε μέτριες θερμοκρασίες, γιατί για την έναρξή της πρέπει να υπερπηδηθεί πρώτα το εμπόδιο της διάσπασης των δεσμών C-C, των δεσμών C-H και των δεσμών (Ο=Ο) του O₂:

2. Παραγωγή υδραερίου:

$\mathrm{4H_2O \xrightarrow[700-1100^oC]{Ni} 4CO + 8H_2}$

3. Καταλυτική οξείδωση:

1. Χωρίς προσθηκοδιάσπαση προς κυκλοβουτανόνη:

$\mathrm{+ O_2 \xrightarrow[\triangle]{Cu} H_2O +}$

2. Με πιο έντονες συνθήκες δίνει προσθηκοδιάσπαση-1,4 προς οξολάνιο:

$\mathrm{+ \frac{1}{2}O_2 \xrightarrow[1-2MPa,\triangle]{Ag}}$

Αλογόνωση

1. Φωτοχημική αλογόνωση υποκατάστασης υδρογόνου: Το κυκλοπεντάνιο έχει 8 ισότμα άτομα υδρογόνου για φωτοχημική αντικατάσταση από αλογόνα, οπότε προκύπτει ένα μόνο κυκλοπροπυλαλογονίδιο:

$\mathrm{+ X_2 \xrightarrow[\triangle]{UV} HX +}$

• Δραστικότητα των X₂: F₂ > Cl₂ > Br₂ > Ι₂.

Ανάλυση του μηχανισμού της χλωρίωσης του κυκλοβουτανίου:

1. Έναρξη: Παράγονται ελεύθερες ρίζες:

$\mathrm{Cl_2 \xrightarrow[\triangle]{UV} 2Cl^\bullet - 239 kJ}$

• Η απαιτούμενη ενέργεια προέρχεται από το υπεριώδες φως (UV) ή θερμότητα (Δ).

2. Διάδοση: Καταναλώνονται οι παλιές ελεύθερες ρίζες, σχηματίζοντας νέες.

$\mathrm{+ Cl^\bullet \xrightarrow{} HCl + 14 kJ +}$
$\mathrm{+ Cl_2 \xrightarrow{} Cl^\bullet + 100 kJ +}$

3. Τερματισμός: Καταναλώνονται μεταξύ τους οι ελεύθερες ρίζες, κατά τη στατιστικά σπάνια περίπτωση της συνάντησής τους.

$\mathrm{2Cl^\bullet \xrightarrow{} Cl_2 + 239 kJ}$
$\mathrm{+ Cl^\bullet \xrightarrow{} 339 kJ +}$
$\mathrm{2}$ $\mathrm{\xrightarrow{} 347 kJ +}$

• Είναι όμως πρακτικά δύσκολο να σταματήσει η αντίδραση στην παραγωγή μονοαλογονοπαραγώγων.

• Αν χρησιμοποιηθούν ισομοριακές ποσότητες και Χ₂ θα παραχθεί μίγμα όλων των X-παραγώγων του
• Αν όμως χρησιμοποιηθει περίσσεια , τότε η απόδοση τωμ μονοπαραγώγων αυξάνεται πολύ, λόγω της αύξησης της στατιστική πιθανότητας συνάντισης με X^. σε σχέση με την πιθανότητα συνάντισης μονοπαραγώγου και X^., που μπορεί να οδηγήσει στην παραγωγή των υπόλοιπων X-παραγώγων.

2. Με 1,4-Προσθηκοδιάσπαση παράγεται 1,4-διαλοβουτάνιο:

$\mathrm{+ X_2 \xrightarrow{CCl_4} XCH_2CH_2CH_2CH_2X}$

Επίδραση καρβενίων

• Το κυκλοβουτάνιο έχει 8 ισότμα άτομα υδρογόνου για παρεμβολή καρβενίων, οπότε προκύπτει ένα μόνο προϊόν. Π.χ. με επίδρση μεθυλενίου παράγεται μεθυλοκυκλοβουτάνιο:

$\mathrm{+ CH_3Cl + KOH \xrightarrow{} KCl + H_2O + }$

Νίτρωση

• Αντιδρά με ατμούς HNO₃ στην αέρια φάση:

$\mathrm{+ HNO_3 \xrightarrow{\triangle} + H_2O +}$

Καταλυτική υδρογόνωση-1,4

Με καταλυτική υδρογόνωση - Παράγεται βουτάνιο:

$\mathrm{+ H_2 \xrightarrow{Pt} CH_3CH_2CH_2CH_3}$

Υδραλογόνωση-1,4

Με υδραλογόνο (ΗΧ) - Παράγεται βουτυλοαλογονίδιο:

$\mathrm{+ HX \xrightarrow{} CH_3CH_2CH_2CH_2X}$

Υδροξυαλογόνωση-1,4

Με υπαλογονώδες οξύ (HOX) - Παράγεται 4-αλογονοβουτανόλη-1:

$\mathrm{+ HOX \xrightarrow{} XCH_2CH_2CH_2CH_2OH}$

Ενυδάτωση-1,4

Με επίδραση θειικού οξέως σε κυκλοβουτάνιo παράγεται ο μονοβουτυλεστέρας του θειικού οξέος, που υδρολύεται σχηματίζοντας βουτανόλη-1:

$\mathrm{+ H_2SO_4 \xrightarrow{} CH_3CH_2CH_2CH_2OSO_3H \xrightarrow[-H_2SO_4]{+H_2O} CH_3CH_2CH_2CH_2OH}$

Διυδροξυλίωση-1,4

Με επίδραση υπεροξείδιο του υδρογόνου σε κυκλοβουτάνιo, παρουσία καρβονικών οξέων παράγεται βουτανoδιόλη-1,4:

$\mathrm{ + H_2O_2 \xrightarrow{RCOOH} HOCH_2CH_2CH_2CH_2OH }$

Χρήσεις

• Εκτός από τη χρήση του ως καυσίμου, η οποία όμως δεν αξίζει τον κόπο και το κόστος ειδικής παραγωγής ή και απομόνωσης, η παρασκευή διαφόρων παραγώγων είναι η κύρια χρήση του.΄

Πηγές

• Ν. Αλεξάνδρου, Γενική Οργανική Χημεία, ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 1985: Σελ.126, 6.1.
• Α. Βάρβογλη, «Χημεία Οργανικών Ενώσεων», παρατηρητής, Θεσσαλονίκη 1991
• SCHAUM'S OUTLINE SERIES, ΟΡΓΑΝΙΚΗ ΧΗΜΕΙΑ, Μτφ. Α. Βάρβογλη, 1999
• Ασκήσεις και προβλήματα Οργανικής Χημείας Ν. Α. Πετάση 1982