Κυκλοπεντάνιο

Από τη Βικιπαίδεια, την ελεύθερη εγκυκλοπαίδεια
Μετάβαση σε: πλοήγηση, αναζήτηση
Κυκλοπεντάνιο
Cyclopentane2d.png
Cyclopentane3d.png
Cyclopentane3D.png
Trans-cyclopentane.svg
Cyclopentane halfchair.svg
Γενικά
Όνομα IUPAC Κυκλοπεντάνιο
Άλλες ονομασίες Πενταμεθυλένιο
Χημικά αναγνωριστικά
Χημικός τύπος C5H10
Μοριακή μάζα 70,1329 ± 0,0047 amu
Σύντομος
συντακτικός τύπος
Cyclopentane2d.png
Αριθμός CAS 287-92-3
SMILES C1CCCC1
Αριθμός RTECS GY2390000
PubChem CID 9253
Δομή
Ισομέρεια
Ισομερή θέσης 9
Φυσικές ιδιότητες
Σημείο τήξης -93,9°C
Σημείο βρασμού 49,2°C
Κρίσιμη θερμοκρασία 238,39°C
Κρίσιμη πίεση 4,560 MPa
Πυκνότητα 751 kg/m³
Διαλυτότητα
στο νερό
159 g/m³
Διαλυτότητα
σε άλλους διαλύτες
Διαλυτό σε:
Αιθανόλη
Προπανόνη
Διαιθυλαιθέρα
Δείκτης διάθλασης ,
nD
1,4065
Τάση ατμών 34,6 kPa (20°C)
51,3 kPa (30°C)
53,3 kPa (31°C)
73,9 kPa (40°C)
104,0 kPa (50°C)
Εμφάνιση Άχρωμο υγρό
Χημικές ιδιότητες
pKa ~45
Θερμότητα πλήρους
καύσης
3.314 kJ/mole
Βαθμός οκτανίου 141[1]
Ελάχιστη θερμοκρασία
ανάφλεξης
−37,2°C
Σημείο αυτανάφλεξης 361°C
Επικινδυνότητα
Hazard F.svg
Εξαιρετικά εύφλεκτο (F+)
Φράσεις κινδύνου 11, 52/53
Φράσεις ασφαλείας (2), 9, 16, 29, 33, 61
LD50 11,4 g/kg
Κίνδυνοι κατά
NFPA 704

NFPA 704.svg

3
1
0
 
Εκτός αν σημειώνεται διαφορετικά, τα δεδομένα αφορούν υλικά υπό κανονικές συνθήκες (25°C, 100 kPa).

To κυκλοπεντάνιο[2] (αγγλικά Cyclopentane) είναι οργανική χημική ένωση, που περιέχει άνθρακα και υδρογόνο, δηλαδή είναι υδρογονάνθρακας, με μοριακό τύπο C5H10. Πιο συγκεκριμένα, είναι ένας αλεικυκλικός υδρογονάνθρακας . Δομικά, κάθε μόριό του αποτελείται από ένα δακτύλιο που αποτελείται από πέντε (5 άτομα άνθρακα, το καθένα από τα οποία συνδέεται με δύο (2) άτομα υδρογόνου. Το κυκλοπεντάνιο ανήκει στην ομόλογη σειρά των κυκλοαλκανίων, δηλαδή των κορεσμένων υδρογονανθράκων με έναν (τουλάχιστον) δακτύλιο. Ο όρος επεικτείνεται και πέρα της «μητρικής» ένωσης, και σε μια σειρά «θυγατρικών» παραγώγων αυτής, που, μαζί με τη «μητρική», ονομάζονται συλλήβδην «κυκλοπεντάνια».

Ιστορία[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Παράχθηκε για πρώτη φορά το 1893 από το Γερμανό χημικό Γιοχάνες Βισλικένους (Johannes Wislicenus).[3]

Φυσική παρουσία[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Το κυκλοπεντάνιο εμφανίζεται ως συστατικό του αργού πετρελαίου.

Δομή κυκλοπεντανίων[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

«Κυκλοπεντάνια» ονομάζονται τα κυκλοαλκάνια με (έναν τουλάχιστον) πενταμελή δακτύλιο, που αποτελεί και το χαρακτηριστικό της δομής τους. Οι πλευρικές αλυσίδες, όταν υπάρχουν, διαμορφώνονται όπως στα αλκάνια.

Ο γραμμικός τύπος που χρησιμοποιείται δεν αντικατοπτρίζει την «πραγματική» μοριακή δομή των κυκλοπεντανίων. Τα πέντε (5) ανθρακοάτομα του δακτυλίου δεν είναι συνεπίπεδα. Το άτομο άνθρακα (και οι υποκαταστάτες του) που βρίσκεται σε σχετικά υπερυψωμένη θέση και τα υπόλοιπα στις σχετικά χαμηλότερες δεν παραμένουν σταθερά εκεί, αλλά στις θέσεις αυτές εναλλάσσονται. Αυτό το φαινόμενο της εσωτερικής μοριακής κίνησης ονομάζεται «ψευδοπεριστροφή» (pseudorotation). Οι ενεργειακά ευνοϊκές διαμορφώσεις είναι η διαμόρφωση «φακέλου» (envelope) και «ημιανάκλιντρου» (half-chair), όπως αποδείχθηκε από πειράματα περίθλασης ηλεκτρονίων:

Cyclopentanes.svg

Στη δομή αυτή προκύπτουν δεσμικές γωνίες με μέσο όρο 105° < 109° 28΄, που είναι η συνηθισμένη γωνία δεσμού σ (2sp³-2sp³) που αντιστοιχεί σε κορεσμένο, οπότε προκύπτει «ενέργεια τάσης δεσμών», όπως στα κυκλοπροπάνια, αλλά πολύ μικρότερη: Υπολογίστηκε ότι ανέρχεται σε ΔQ = 29 kJ/mole[4]. Αποτέλεσμα των παραπάνω είναι τα κυκλοπεντάνια να μη δείνουν αντιδράσεις κυκλοδιάνοιξης, γιατί σ' αυτά η ενέργεια τάσης δεσμών είναι ανεπαρκής.

Παραγωγή[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Βιομηχανικά παράγεται με απομόνωσή του από το αργό πετρέλαιο, με πυρόλυση κυκλοεξανίου, παρουσία αλουμίνας (Al2O3) ως καταλύτη, ή και με καταλυτική αναμόρφωση μεθυλοβουτανίου, με τη χρήση λευκοχρύσου ως καταλύτη. Σημειώνεται ότι το κυκλοπεντάνιο έχει μεγαλύτερο βαθμό οκτανίου (141) και από το κυκλοεξάνιο (με βαθμό οκτανίου 110) και από το μεθυλοβουτάνιο (με βαθμό οκτανίου 99).

Εναλλακτικές μέθοδοι[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Με θέρμανση αλάτων δικαρβονικών οξέων με Ca ή Ba[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Κατά τη θέρμανση εξανοδιικού ασβεστίου ή εξανοδιικού βαρίου παίρνουμε κυκλοπεντανόνη. Στη συνέχεια αυτή ανάγεται προς το κυκλοπεντάνιο. Π.χ. υδροξείδιο του ασβεστίου [Ca(OH)2][5]:

Cyclopentanone.png

Cyclopentanone.png κυκλοπεντάνιο

Με διαμοριακή συμπύκνωση διεστέρων δικαρβονικών οξέων[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Η διαμοριακή συμπύκνωση δύο διεστέρων δικαρβονικών οξέων, από τους οποίους ο ένας είναι του οξαλικού οξέως και ο άλλος του πεντανοδιικού οξέος, γίνεται με επίδραση μεταλλικού νατρίου. Με τον τρόπο αυτό σχηματίζεται δικετοδικαρβοξυλικός διεστέρας με πενταμελή δακτύλιο. Στη συνέχεια αυτός ανάγεται προς σαπωνοποείται προς το αντίστοιχο δικαρβονικό άλας. Το τελευταίο διαποκαρβοξυλιώνεται προς την αντίστοιχη κυκλοδικετόνη, που τελικά ανάγεται προς το αντίστοιχο κυκλοαλκάνιο[6]:

3,5-dicarbalkoxlyl-1,2-cyclopentanodione.png
3,5-dicarbalkoxlyl-1,2-cyclopentanodione.png 3,5-di(sodiumcarboxyl)cyclo-1,2-pentanodione.png
3,5-di(sodiumcarboxyl)cyclo-1,2-pentanodione.png 1,2-pentanodione.png
1,2-pentanodione.png Cyclopentane2d.png

  • Τα αλκύλια R δεν είναι υποχρεωτικό να είναι ίδια. Χρησιμοποιήθηκε το ίδιο σύμβολο για λόγους απλότητας.

Πενταμελής δακτύλιος με αντίδραση Pauson-Khand[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Κατά την επίδραση αλκινίων και μονοξειδίου του άνθρακα σε αλκένια έχουμε την ονομαζόμενη αντίδραση Pauson-Khand η οποία στην περίπτωση αυτή οδηγεί σε παραγωγή παραγώγων κυκλοπεντενόνης, τα οποία στη συνέχεια ανάγονται σε κυκλοπεντάνια. Π.χ. με αιθένιο και αιθίνιο παράγεται κυκλοπεντεν-2-όνη[7][8]:

Cyclopent-2-enone.svg
Cyclopent-2-enone.svg κυκλοπεντάνιο

Φυσικοχημικές ιδιότητες[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Το χημικά καθαρό κυκλοπεντάνιο, υπό κανονική πίεση 1 atm, πήζει στους -94°C και βράζει στους 49°C. Είναι πρακτικά αδιάλυτο στο νερό, αλλά είναι αναμίξιμο με πολλούς οργανικούς διαλύτες. Έχει τάση ατμών 34,6 kPa στους 20°C. Στις «κανονικές συνθήκες περιβάλλοντος», δηλαδή σε θερμοκρασία 25°C και υπό πίεση 1 atm, το κυκλοπεντάνιο είναι ένα άχρωμο πτητικό και ιδιαίτερα εύφλεκτο υγρό, της οποίας είναι ιδιαίτερα επιθυμητό συστατικό, αφού το χημικά καθαρό κυκλοπεντάνιο έχει βαθμό οκτανίου 141.[9] Η ελάχιστη θερμοκρασία ανάφλεξής του είναι -51°C, ενώ η θερμοκρασία αυτανάφλεξής του είναι 320 ° C.[10]

Χημικές ιδιότητες[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

  • Τα κυκλοαλκάνια με μεγαλύτερο από τετραμελή δακτύλιο δεν έχουν αρκετή ενέργεια τάσης δεσμών για να δώσουν αντιδράσεις διάνοιξης του δακτυλίου και γι' αυτό συμπεριφέρονται χημικά όπως τα αλκάνια[11]:

Οξείδωση[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

1. Όπως όλα τα κυκλοαλκάνια, το κυκλοπεντάνιο με περίσσεια οξυγόνου καίγεται προς διοξείδιο του άνθρακα (CO2) και νερό (H2O)[12][13]:

κυκλοπεντάνιο

  • 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[14], των δεσμών C-H[15] και των δεσμών (Ο=Ο)[16] του O2.
  • Στην αναφερόμενη θερμότητα καύσεως εμπεριέχεται και η χημική ενέργεια που έχει αποθηκευθεί ως ενέργεια παραμόρφωσης κατά το σχηματισμό του πενταμελούς δακτυλίου και απελευθερώνεται με την καύση. Η ενέργεια αυτή για πενταμελή ισοκυκλικό ανθρακούχο δακτύλιο υπολογίστηκε, όπως αναφέρεται πιο πάνω, σε 29 kJ/mole.

2. Παραγωγή υδραερίου:

κυκλοπεντάνιο

3. Καταλυτική οξείδωση προς κυκλοπεντανόνη:

κυκλοπεντάνιο Cyclopentanone.png

Αλογόνωση[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

  • Το κυκλοπεντάνιο έχει 10 ισότιμα άτομα υδρογόνου για φωτοχημική αντικατάσταση από αλογόνα, οπότε προκύπτει ένα μόνο κυκλοπεντυλαλογονίδιο[17]:

κυκλοπεντάνιο C5halide.png

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

Ανάλυση του μηχανισμού της χλωρίωσης του κυκλοπεντανίου:

1. Έναρξη: Παράγονται ελεύθερες ρίζες:

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

κυκλοπεντάνιο C5rad.png[18]
C5rad.png Chlorocyclopentane.png

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


C5rad.png Chlorocyclopentane.png
C5rad.png DiC5.png

  • Είναι όμως πρακτικά δύσκολο να σταματήσει η αντίδραση στην παραγωγή μονοαλογονοπαραγώγων.
  • Αν χρησιμοποιηθούν ισομοριακές ποσότητες κυκλοπεντάνιο και Χ2 θα παραχθεί μίγμα όλων των X-παραγώγων του κυκλοπεντάνιο
  • Αν όμως χρησιμοποιηθει περίσσεια κυκλοπεντάνιο, τότε η απόδοση των μονοπαραγώγων αυξάνεται πολύ, λόγω της αύξησης της στατιστικής πιθανότητας συνάντησης κυκλοπεντάνιο με X. σε σχέση με την πιθανότητα συνάντησης μονοπαραγώγου και X., που μπορεί να οδηγήσει στην παραγωγή των υπόλοιπων X-παραγώγων.

Επίδραση καρβενίων[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

κυκλοπεντάνιο μεθυλοκυκλοπεντάνιο

Νίτρωση[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

κυκλοπεντάνιο νιτροκυκλοπεντάνιο

Βιομηχανικές εφαρμογές[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Από τη δεκαετία του 1990, κυκλοπεντάνιο (προαιρετικά αναμεμιγμένο με τα άλλα ισομερή του ή και με υδρογονάνθρακες C4) χρησιμοποιείται επίσης ως φυσικός παράγοντας εμφύσησης στην παραγωγή άκαμπτων αφρών πολυουρεθάνης. Η πλειοψηφία των νεότερων οικιακών ψυγείων που διατίθενται στη Γερμανία (και όχι μόνο) περιέχουν μεθυλοβουτάνιο ως ψυκτικό μέσο και το κυκλοπεντάνιο ως προωθητικό αέριο αφρού.

Το κυκλοπεντάνιο χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή (σχετικά) «οικολογικό» ψυκτικού υγρού σε οικιακά ψυγεία και καταψύκτες, αντικαθιστώντας ψυκτικά τύπου φρεόν όπως τα CFC-11 και HCFC-14b[21].

Χρησιμοποιήθηκε, ακόμη, ως πρόδρομη ένωση για την παραγωγή κυκλοπεντανόνης, μετά από καταλυτική οξείδωση.[22]

Πιο προχωρημένες τεχνολογίες, όπως είναι οι σκληροί δίσκοι ηλεκτρονικών υπολογιστών και κάποια είδη διαστημικού εξοπλισμού, χρησιμοποιούν πολυαλκυλιωμένα παράγωγα κυκλοπεντανίου, (MAC, MultiAlcylated Cyclopentane) ως λιπαντικά, επειδή έχουν πολύ χαμηλή πτητικότητα[23].

Στις ΗΠΑ παράγονται πάνω από 500.000 τόνοι κυκλοπεντανίου το χρόνο.

Οδηγίες ασφαλείας[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Το (υγρό) κυκλοπεντάνιο είναι (σχετικά) ελαφρά εύφλεκτο και ελαφρά επικίνδυνο για τους υδρόβιους οργανισμούς (WGK 1). Οι ατμοί του, όμως, σχηματίζουν πολύ εύφλεκτα μείγματα με τον αέρα, εξαιτίας της χαμηλής θερμοκρασίας βρασμού του (49°C) και της χαμηλής ελάχιστης θερμοκρασίας ανάφλεξης (-51°C). Το εκρηκτικό εύρος κυμαίνεται μεταξύ 1,5 και 8,7% κατ' όγκο.[10] Η ελάχιστη ενέργεια ανάφλεξης της ένωσης ανέρχεται σε 0,24 mJoule, με αποτέλεσμα τα μείγματα κυκλοπεντανίου - υδρατμών να είναι ιδιαίτερα αναφλέξιμα.[24][25] Η έκθεση ανθρώπων σε υψηλές συγκεντρώσεις κυκλοπεντανίου μπορούν να οδηγήσει σε αναισθησία.

Αναφορές και σημειώσεις[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

  1. [www.elmhurst.edu/.../515gasolinecpd.html Παν/μιο Έλμχερστ]
  2. Δείτε τις εναλλακτικές ονομασίες στον παρακείμενο πίνακα πληροφοριών χημικής ένωσης.
  3. J. Wislicenus and W. Hentschel (1893) "Der Pentamethenylalkohol und seine Derivate" (Cyclopentanol and its derivatives), Annalen der Chemie, 275 : 322-330; see especially pages 327-330. Wislicenus prepared cyclopentane from cyclopentanone ("Ketopentamethen"), which is prepared by heating calcium adipate.
  4. Ν. Αλεξάνδρου, Γενική Οργανική Χημεία, ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 1985, σελ. 125-126, §6.1., σελ.128-129, §6.2.
  5. Ασκήσεις και προβλήματα Οργανικής Χημείας Ν. Α. Πετάση 1982:154, §6.5.Α1., ν = 4.
  6. Ασκήσεις και προβλήματα Οργανικής Χημείας Ν. Α. Πετάση 1982:154, §6.5.Α3., ν = 1.
  7. P. L. Pauson and I. U. Khand. Ann. N.Y. Acad. Sci. 1977, 295, 2.
  8. Blanco-Urgoiti, J.; Añorbe, L.; Pérez-Serrano, L.; Domínguez, G.; Pérez-Castells, J. Chem. Soc. Rev. 2004, 33, 32. (doi:10.1039/b300976a)
  9. [www.elmhurst.edu/.../515gasolinecpd.html| Παν/μιο Έλμχερστ]
  10. 10,0 10,1 Eintrag zu Cyclopentan in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFA, abgerufen am 28. Februar 2017.
  11. Α. Βάρβογλη, «Χημεία Οργανικών Ενώσεων», παρατηρητής, Θεσσαλονίκη 1991, σελ.24, §1.2.
  12. Α. Βάρβογλη, «Χημεία Οργανικών Ενώσεων», Παρατηρητής, Θεσσαλονίκη 1991, σελ.21, §1.1.
  13. Ν. Αλεξάνδρου, Γενική Οργανική Χημεία, ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 1985: Σελ.126, 6.1.
  14. ΔHC-C= +347 kJ/mol
  15. ΔHC-H = +415 kJ/mol
  16. ΔHO-O=+146 kJ/mol
  17. SCHAUM'S OUTLINE SERIES, ΟΡΓΑΝΙΚΗ ΧΗΜΕΙΑ, Μτφ. Α. Βάρβογλη, 1999, σελ. 43-46 §4.4.3.
  18. καθοριστικό ταχύτητας
  19. SCHAUM'S OUTLINE SERIES, ΟΡΓΑΝΙΚΗ ΧΗΜΕΙΑ, Μτφ. Α. Βάρβογλη, 1999, σελ. 46 §4.4.4.
  20. Ασκήσεις και προβλήματα Οργανικής Χημείας Ν. Α. Πετάση 1982: Σελ. 244, §10.3.2.
  21. Greenpeace - Appliance Insulation.
  22. Shell Devel. Co., Patent, US 2391740 1944.
  23. Pennzane - lubrication technology.
  24. Fenn, J.B.: Lean flammability limit and minimum spark ignition energy in Ind. Eng. Chem. 43 (1951), S. 2865–2869.
  25. Calcote, H.F.; Gregory, C.A.; Barnett, C.M.; Gilmer, R.B.: Spark Ignition – Effect of Molecular Structure in Ind. Eng. Chem. 44 (1952), S. 2656–2662.

Πηγές[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

  • 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
Στο λήμμα αυτό έχει ενσωματωθεί κείμενο από το λήμμα Cyclopentane της Γερμανικής Βικιπαίδειας, η οποία διανέμεται υπό την GNU FDL και την CC-BY-SA 3.0. (ιστορικό/συντάκτες).
Στο λήμμα αυτό έχει ενσωματωθεί κείμενο από το λήμμα Cyclopentane της Αγγλικής Βικιπαίδειας, η οποία διανέμεται υπό την GNU FDL και την CC-BY-SA 3.0. (ιστορικό/συντάκτες).
Στο λήμμα αυτό έχει ενσωματωθεί κείμενο από το λήμμα Циклопентан της Ρωσικής Βικιπαίδειας, η οποία διανέμεται υπό την GNU FDL και την CC-BY-SA 3.0. (ιστορικό/συντάκτες).