Διμεθυλοπροπάνιο

Διμεθυλοπροπάνιο
Γενικά
Όνομα IUPAC	Διμεθυλοπροπάνιο
Άλλες ονομασίες	Νεοπεντάνιο Τετραμυθυλομεθάνιο
Χημικά αναγνωριστικά
Χημικός τύπος	C5H12
Μοριακή μάζα	72,15 amu
Σύντομος συντακτικός τύπος	C(CΗ3)4
Συντομογραφίες	NpH, tBuMe, CMe4
Αριθμός CAS	463-82-1
SMILES	CC(C)(C)C
Αριθμός EINECS	207-343-7
Ισομέρεια
Ισομερή θέσης	Πεντάνιο Μεθυλοβουτάνιο
Φυσικές ιδιότητες
Σημείο τήξης	−16,6°C
Σημείο βρασμού	9,5°C
Πυκνότητα	627 kg/m3 (υγρό στους 9,5°C)
Εμφάνιση	Άχρωμο αέριο
Χημικες ιδιότητες
Βαθμός οκτανίου	100
Ελάχιστη θερμοκρασία ανάφλεξης	-7°C
Ενθαλπία σχηματισμού	−168 kJ/mol
Επικινδυνότητα
Εξαιρετικά εύφλεκτο (F+), Επιβλαβές (Xn), Τοξικό για τους υδρόβιους οργανισμούς (N)
Φράσεις κινδύνου	12, 51/53, 65, 66, 67
Φράσεις ασφαλείας	2, 9, 16, 29, 33, 61, 62
MSDS	Σύνδεσμος MSDS
Κίνδυνοι κατά NFPA 704	4 1 0
Η κατάσταση αναφοράς είναι η πρότυπη κατάσταση (25°C, 1 Atm) εκτός αν σημειώνεται διαφορετικά

Το νεοπεντάνιο ή διμεθυλοπροπάνιο ή τετραμεθυλομεθάνιο ανήκει στην οικογένεια των αλκανίων, δηλαδή άκυκλος κορεσμένος υδρογονάνθρακας, με χημικό τύπο C₅H₁₂ και σύντομο συντακτικό τύπο (CH₃)₄C. Παράγεται από το πετρέλαιο και χρησιμοποιείται κυρίως ως πρώτη ύλη στη χημική βιομηχανία.

Ονοματολογία

Η ονομασία «διμεθυλοπροπάνιο» από την ονοματολογία κατά IUPAC. Συγκεκριμένα, το αρχικό πρόθεμα «διμεθυλο-» δηλώνει την παρουσία δύο (2) όμοιων διακλαδώσεων («δι-») ενός (1) ατόμου άνθρακα («-μεθυλο-»), το τμήμα «προπ-» δηλώνει την παρουσία τριών (3) ατόμων άνθρακα στην κύρια ανθρακική αλυσλιδα 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.

Δομή

Το μόριό του αποτελείται από τέσσερα (4) άτομα άνθρακα (4 πρωτοταγή και ένα τεταρτοταγές)) και δέκα (10) άτομα υδρογόνου. Δομικά, το κάθε ακραίο άτομο άνθρακα βρίσκεται στο κέντρο ενός τετραέδρου και τα τρία (3) άτομα υδρογόνου και το έτερο άτομο άνθρακα στις κορυφές του. Για τα κεντρικό άτομο άνθρακα, η διαφορά είναι ότι είναι συνδεμένο με ένα (1) άτομο υδρογόνου και τρία (3) άτομα άνθρακα Οι δεσμοί C-H που σχηματίζονται είναι ελαφρά πολωμένοι (~3%) ομοιοπολικοί τύπου σ (2sp³-1s), με μήκος 108,7 pm. Ο δεσμός C-C είναι ομοιοπολικός τύπου σ (2sp³-2sp³), με μήκος 154 pm. Οι δε γωνίες $\mathrm{\widehat{H C H}}$ είναι περίπου 109° 28΄.

Δεσμοί
Δεσμός	τύπος δεσμού	ηλεκτρονική δομή	Μήκος δεσμού	Ιονισμός
C-H	σ	2sp3-1s	109 pm	3% C- H+
C-C	σ	2sp3-2sp3	154 pm
Κατανομή φορτίων σε ουδέτερο μόριο
C#1,#3,#1',#1''	-0,09
C#2	-0,00
H	+0,03

Παρασκευές

Απομόνωση από φυσικές και βιομηχανικές πηγές

1. Απομονώνεται από το πετρέλαιο.
2. Απομονώνεται από μίγματα που προκύπτουν από πυρόλυση βαρύτερων προϊόντων διύλισης πετρελαίου ή πολυμερών υδρογονανθράκων.

Παρασκευή με αντιδράσεις σύνθεσης

1. Δομικά το ισοπεντάνιο αποτελείται από δυο μέρη: τ.βουτύλιο ((CH₃)₃C-) και μεθύλιο (CH₃-). Επομένως, ο απλούστερος τρόπος παρασκευής καθαρού νεοπεντανίου είναι η αντίδραση ζεύγους τ.βουτυλολογονιδίου - μεθυλολιθίου ή τ.βουτυλολιθίου - μεθυλαλογονιδίου:

$\mathrm{CH_3X + 2Li \xrightarrow{|Et_2O|} CH_3Li + LiX}$
$\mathrm{(CH_3)_3CX + CH_3Li \xrightarrow{} (CH_3)_4C + LiX}$
ή
$\mathrm{(CH_3)_3CX + 2Li \xrightarrow{|Et_2O|} (CH_3)_3CLi + LiX}$
$\mathrm{(CH_3)_3CLi + CH_3X \xrightarrow{} (CH_3)_4C + LiX}$

όπου X οποιοδήποτε αλογόνο, αλλά συνήθως χρησιμοποιείται το Br.

2. Αν επιχειρηθεί η ανάλογη αντίδραση Wurtz το αποτέλεσμα είναι ένα μίγμα προϊόντων:

$\mathrm{(CH_3)_3CX + CH_3X + 4Na \xrightarrow{} CH_3CH_3 + (CH_3)_4C + 4NaX}$

• Οι ρίζες των τ. βουτυλίων δεν ενώνονται μεταξύ τους λόγω στερεοχημικής παρεμπόδισης.
• Η αντίδραση είναι ασύμφορη σε σχέση με την προηγούμενη, αλλά τα προϊόντα αυτά διαχωρίζονται εύκολα: Το βαρύτερο είναι το ζητούμενο (εδώ) νεοπεντάνιο με σ.ζ.: 9,5 °C ενώ του αιθάνιου με σ.ζ.: -88,6 °C.

Παρασκευή με αντιδράσεις χωρίς αλλαγή ανθρακικής αλυσίδας

1. Αναγωγή νεοπεντυλαλογονιδίου (CH₃)₃CCH₂X):

1. Με «υδρογόνο εν τω γεννάσθαι», δηλαδή μέταλλο + οξύ:

$\mathrm{(CH_3)_3CCH_2X + Zn + HX \xrightarrow{} (CH_3)_4C + ZnX_2}$

2. Με LiAlH₄ ή NaBH₄:

$\mathrm{4(CH_3)_3CCH_2X + LiAlH_4 \xrightarrow{} (CH_3)_4C + AlX_3 + LiX}$

3 Με αναγωγή νεοπεντυλοϊωδίδιου:

$\mathrm{(CH_3)_3CCH_2I + HI \xrightarrow{} (CH_3)_4C + I_2}$

4 Με αναγωγή από μέταλλα και στη συνέχεια υδρόλυση των παραγόμενων οργανομεταλλικών ενώσεων:

1. Με χρήση Li:

$\mathrm{(CH_3)_3CCH_2X + 2Li \xrightarrow{|Et_2O|} (CH_3)_3CCH_2Li + LiX}$
$(\mathrm{CH_3)_3CCH_2Li + H_2O \xrightarrow{} (CH_3)_4C + LiOH}$

2. Με χρήση Mg:

$\mathrm{(CH_3)_3CCH_2X + Mg \xrightarrow{|Et_2O|} (CH_3)_3CCH_2MgX}$
$\mathrm{(CH_3)_3CCH_2MgX + H_2O \xrightarrow{} (CH_3)_4C + Mg(OH)X}$

2. Με αναγωγή κατάλληλων αλδεϋδών - Αντίδραση Wolf-Kishner:

1. Διμεθυλοπροπανάλη:

$\mathrm{(CH_3)_3CCHO + NH_2NH_2 \xrightarrow{KOH} (CH_3)_4C + N_2 + H_2O}$

Παρασκευή με αντιδράσεις αποσύνθεσης με μείωση του μήκους της ανθρακικής αλυσίδας

• Mε τη θέρμανση αλκαλικού διαλύματος 3,3-διμεθυλοβουτανικού οξέος [(CH₃)₃CCH₂COOΗ] :

$\mathrm{(CH_3)_3CCH_2COOH + NaOH \xrightarrow{} (CH_3)_3CCH_2COONa + H_2O \xrightarrow{\mathcal{4}} (CH_3)_4C + NaHCO_3 \xrightarrow{\triangle} (CH_3)_4C + NaOH + CO_2}$

Φυσικές διότητες και ισομερή

Το νεοπεντάνιο είναι άχρωμο και εξαιρετικά εύφλεκτο αέριο το οποίο υγροποιείται εύκολα μόλις στους 9,5C. Ανήκει στην οικογένεια των αλκανίων και μάλιστα είναι ένα από τα μέλη που διατηρεί την εμπειρική του ονομασία ανεξάρτητα από τους κανόνες ονοματολογίας.

Ισομερή πεντανίου

Το αέριο νεοπεντάνιο είναι βαρύτερο από τον αέρα (ειδικό βάρος ως προς τον αέρα 2,5) και γι' αυτό έχει την τάση να συγκεντρώνεται στο επίπεδο του εδάφους ή κάτω από αυτό ιδιαίτερα σε κλειστούς χώρους.

Είναι μία από τις τρεις ισομερείς μορφές του πεντανίου: το (κανονικό) n-πεντάνιο (CH₃-(CH₂)₃-CH₃) που είναι ένας γραμμικός υδρογονάνθρακας, το ισοπεντάνιο ή μεθυλο-βουτάνιο (CH-(CH₃)₂-CH₂-CH₃) και το νεοπεντάνιο ή διμεθυλο-προπάνιο (C-(CH₃)₄). Τα ισομερή αυτά παρόλο που έχουν ίδιο χημικό τύπο και μοριακό βάρος, έχουν διαφορετικές δομές και διαφορετικές ιδιότητες.

Αναμιγνύεται πλήρως με υδρογονάνθρακες, και αιθέρες αλλά είναι αδιάλυτος στο νερό.

Συντακτικός τύπος Δομή	Όνομα IUPAC (ελληνική μορφή) Όνομα	Μοριακό Βάρος	Σημείο ζέσεως (°C, 1 atm)	Κρίσιμη πίεση (atm)	Κρίσιμη Θερμοκρασία (°C)
	κ-πεντάνιο πεντάνιο	72,149	36,06	33,25	196,50
	2-μεθυλοβουτάνιο ισοπεντάνιο	72,149	27,84	33,37	187,24
	2,2-διμεθυλοπροπάνιο νεοπεντάνιο	72,149	9,50	31,57	160,60

Χημικές ιδιότητες

Οξείδωση

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

$\mathrm{C_5H_{12} + 8O_2 \xrightarrow{\triangle} 5CO_2 + 6H_2O + 3514,56 \; J}$

• 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:

$\mathrm{C_5H_{12} + 5H_2O \xrightarrow[700-1100^oC]{Ni} 5CO + 11H_2}$

3. Καταλυτική οξείδωση κυρίως προς νεοπεντανάλη

$\mathrm{(CH_3)_4C + O_2 \xrightarrow[\triangle]{Cu} (CH_3)_3CCHO + H_2O}$

Αλογόνωση

$\mathrm{(CH_3)_4C + X_2 \xrightarrow[\triangle]{UV}(CH_3)_3CCH_2X + HX}$

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

Ανάλυση του μηχανισμού της χλωρίωσης του (CH₃)₄C:

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.

$\mathrm{(CH_3)_4C + Cl^\bullet \xrightarrow{} (CH_3)_3CCH_2^\bullet + HCl + 14 kJ}$
$\mathrm{(CH_3)_3CCH_2^\bullet + Cl_2 \xrightarrow{} (CH_3)_3CCH_2Cl + Cl^\bullet + 100 kJ}$

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

$\mathrm{2Cl^\bullet \xrightarrow{} Cl_2 + 239 kJ}$
$\mathrm{(CH_3)_3CCH_2^\bullet + Cl^\bullet \xrightarrow{} (CH_3)_3CCH_2Cl + 339 kJ}$
$\mathrm{2(CH_3)_3CCH_2^\bullet \xrightarrow{} (CH_3)_3CCH_2CH_2C(CH_3)_3 + 347 kJ}$

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

• Αν χρησιμοποιηθούν ισομοριακές ποσότητες (CH₃)₄C και Χ₂ θα παραχθεί μίγμα όλων των αλογονοπαραγώγων του (CH₃)₄C.
• Αν όμως χρησιμοποιηθει περίσσεια (CH₃)₄C, τότε η απόδοση τωμ μονοπαραγώγων αυξάνεται πολύ, λόγω της αύξησης της στατιστική πιθανότητας συνάντισης (CH₃)₄C με X^. σε σχέση με την πιθανότητα συνάντισης μονοπαραγώγου και X^., που μπορεί να οδηγήσει στην παραγωγή των υπόλοιπων X-παραγώγων.

Παρεμβολή καρβενίων

• Τα καρβένια (π.χ. [:CH₂]) μπορούν παρεμβληθούν στους δεσμούς C-H, παράγοντας ένα (1) μόνο προϊόν. Π.χ., με μεθυλένιο [:CH₂] παράγεται μόνο 2,2-διμεθυλοεξάνιο:

$\mathrm{(CH_3)_4C + CH_3Cl + KOH \xrightarrow{} (CH_3)_3CCH_2CH_3 + KCl + H_2O}$

Νίτρωση

• Αντιδρά με ατμούς HNO₃ στην αέρια φάση:

$\mathrm{(CH_3)_4C + HNO_3 \xrightarrow{\triangle} (CH_3)_3CCH_2NO_2 + H_2O}$

Καταλυτική ισομερείωση

To νεοπεντάνιο μπορεί να υποστεί καταλυτική ισομερείωση προς πεντάνιο ή ισοπεντάνιο:

$\mathrm{CH_3CH_2CH_2CH_2CH_3 \stackrel{AlCl_3}{\overrightarrow\longleftarrow} CH_3CH_2CH \begin{pmatrix} CH_3 \end{pmatrix}_2 \stackrel{AlCl_3}{\overrightarrow\longleftarrow} \begin{pmatrix} CH_3 \end{pmatrix}_4C}$

Χρήσεις

Το νεοπεντάνιο χρησιμοποιείται κυρίως ως πρώτη ύλη στη χημική βιομηχανία για την παραγωγή του ισοβουτυλένιου από το οποίο στη συνέχεια παράγεται το καουτσούκ. Επίσης χρησιμοποιείται για την σύνθεση και άλλων οργανικών ενώσεων.

Ασφάλεια - υγεία

Το νεοπεντάνιο είναι ένα εξαιρετικά εύφλεκτο υλικό το οποίο πρέπει να αποθηκεύεται σε καλά αεριζόμενο μέρος και μακριά από πηγές ανάφλεξης. Είναι τοξικό για τους υδρόβιους οργανισμούς και πρέπει να αποφεύγεται η απελευθέρωσή στο περιβάλλον ή στην αποχέτευση.

Πηγές

• Η σελίδα της Ε.Ε. για την ταξινόμηση και την επισήμανση των επικίνδυνων ουσιών.
• Τεχνικό δελτίο δεδομένων για το νεοπεντάνιο
• Παπαγεωργίου Β.Π., Εφαρμοσμένη Οργανική Χημεία: Άκυκλες ενώσεις, Εκδόσεις Παρατηρητής, Θεσσαλονίκη 1986.
• Γ. Βάρβογλη, Ν. Αλεξάνδρου, Οργανική Χημεία, Αθήνα 1972
• Α. Βάρβογλη, Χημεία Οργανικών Ενώσεων, Παρατηρητής, Θεσσαλονίκη 1991
• SCHAUM'S OUTLINE SERIES, ΟΡΓΑΝΙΚΗ ΧΗΜΕΙΑ, Μτφ. Α. Βάρβογλη, 1999

Σημ.: Μερικές από τις ενέργειες αντιδράσεων υπολογίστηκαν με χρήση κατάλληλου λογισμικού. Θα διασταυρωθούν και βιβλιογραφικά το συντομότερο για μεγαλύτερη ακρίβεια.