Μεθυλοκυκλοβουτάνιο

Από τη Βικιπαίδεια, την ελεύθερη εγκυκλοπαίδεια
Πήδηση στην πλοήγηση Πήδηση στην αναζήτηση
Μεθυλοκυκλοβουτάνιο
MethylCyclobutane.png
Γενικά
Όνομα IUPAC Μεθυλοκυκλοβουτάνιο
Χημικά αναγνωριστικά
Χημικός τύπος C5H10
Μοριακή μάζα 70,07825±0 amu
Σύντομος
συντακτικός τύπος
MethylCyclobutane.png
Αριθμός CAS 598-61-8
SMILES CC1CCC1
InChI 1S/C5H10/c1-5-3-2-4-5/h5H,2-4H2,1H3
PubChem CID 11725
ChemSpider ID 11232
Δομή
Μοριακή γεωμετρία Τα ανθρακοάτομα του τετραμελούς δακτυλίου
σε πτυχωμένη τετράπλευρη θέση.
Ισομέρεια
Ισομερή θέσης 9
Φυσικές ιδιότητες
Σημείο βρασμού 36 °C[1]
Εμφάνιση Άχρωμο υγρό
Χημικές ιδιότητες
Θερμότητα πλήρους
καύσης
3.394 kJ/mole
Επικινδυνότητα
Hazard F.svg
Εξαιρετικά εύφλεκτο (F+)
Εκτός αν σημειώνεται διαφορετικά, τα δεδομένα αφορούν υλικά υπό κανονικές συνθήκες (25°C, 100 kPa).

Το μεθυλοκυκλοβουτάνιο[2] (αγγλικά Methylcyclobutane) είναι οργανική χημική ένωση, που περιέχει άνθρακα και υδρογόνο, δηλαδή είναι υδρογονάνθρακας, με μοριακό τύπο C5H10 ή πιο αναλυτικά (C4H7)CH3. Πιο συγκεκριμένα, είναι ένας αλεικυκλικός υδρογονάνθρακας. Δομικά αποτελείται από έναν κυκλοβουτανικό δακτύλιο (δηλαδή ανήκει στα «θυγατρικά» κυκλοβουτάνια) και από μια μεθυλομάδα (CH3-). Το μεθυλοκυκλοβουτάνιο ανήκει στην ομόλογη σειρά των κυκλοαλκανίων, δηλαδή των κορεσμένων υδρογονανθράκων με έναν (τουλάχιστον) δακτύλιο.

Παραγωγή[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Ενδομοριακή αντίδραση Freund[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Με την τροποποιημένη αντίδραση Φρέουντ (Freund reaction) με Zn, που δίνει μεγαλύτερη απόδοση στην ενδομοριακή αντίδραση. Σ' αυτήν την περίπτωση η στοιχειομετρική εξίσωση της αντίδρασης γίνεται[3][4]:

μεθυλοκυκλοβουτάνιο

  • Με μικρή απόδοση, γιατί παράλληλα με την ενδομοριακή αντίδραση διεξάγεται αναπόφευκτα και διαμοριακή, τα κύρια προϊόντα της οποίας είναι τα ακόλουθα τρία (3):
    1. 2,9-διβρωμοδεκάνιο (CH3CHBrCH2CH2CH2CH2CH2CH2CHBrCH3).
    2. 1,8-διβρωμο-4-μεθυλεννεάνιο [CH3CHBrCH2CH2CH2CH(CH3)CH2CH2CH2Br].
    3. 1,8-διβρωμο-4,5-διμεθυλοκτάνιο [BrCH2CH2CH(CH3)CH(CH3)CH2CH2Br].

Επίδραση μεθυλενίου σε κυκλοβουτάνιο[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

κυκλοβουτάνιο μεθυλοκυκλοβουτάνιο

Χημικές ιδιότητες[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Οξείδωση[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

1. Όπως όλα τα κυκλοαλκάνια, το μεθυλοκυκλοβουτάνιο με περίσσεια οξυγόνου καίγεται προς διοξείδιο του άνθρακα (CO2) και νερό (H2O):[6][7]

μεθυλοκυκλοβουτάνιο

  • 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,[8] των δεσμών C-H[9] και των δεσμών (Ο=Ο)[10] του O2.
  • Στην αναφερόμενη θερμότητα καύσεως εμπεριέχεται και η χημική ενέργεια που έχει αποθηκευθεί ως ενέργεια παραμόρφωσης κατά το σχηματισμό του τετραμελούς δακτυλίου και απελευθερώνεται με την καύση. Η ενέργεια αυτή για τετραμελή ισοκυκλικό ανθρακούχο δακτύλιο υπολογίστηκε, όπως αναφέρεται στο κυκλοβουτάνιο, σε 109 kJ/mole.

2. Παραγωγή υδραερίου:

μεθυλοκυκλοβουτάνιο

3. Καταλυτική οξείδωση: Με καταλυτική οξυγόνωση δίνει (κυρίως) 2-μεθυλοξολάνιο:

μεθυλοκυκλοβουτάνιο 2-MeOxolane.png

4. Με υπερμαγγανικό κάλιο προς 1-μεθυλοκυκλοβουτανόλη:

μεθυλοκυκλοβουτάνιο 1-MeC4ole.png

Αλογόνωση[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

1. Φωτοχημική αλογόνωση υποκατάστασης υδρογόνου: Το μεθυλοκυκλοβουτάνιο έχει 10 άτομα υδρογόνου για φωτοχημική αντικατάσταση από αλογόνα, οπότε προκύπτουν τα ακόλουθα τέσσερα (4) ισομερή αλογονοπαράγωγα:[11]

  1. 1-αλο-1-μεθυλοκυκλοβουτάνιο (1-halo-1--methylcyclobutane.png).
  2. 1-αλο-2-μεθυλοκυκλοβουτάνιο (1-halo-2-methylcyclobutane.png).
  3. 1-αλο-3-μεθυλοκυκλοβουτάνιο (1-halo-3-methylcyclobutane.png).
  4. Κυκλοβουτυλομεθυλοαλογονίδιο (Cyclobutylmethylhalide.png).

μεθυλοκυκλοβουτάνιο 1-halo-1--methylcyclobutane.png 1-halo-2-methylcyclobutane.png 1-halo-3-methylcyclobutane.png Cyclobutylmethylhalide.png

  • Δραστικότητα των X2: F2 > Cl2 > Br2 > Ι2.
  • όπου 0<a,b,c<1, a + b + c + d = 0, διαφέρουν ανάλογα με το αλογόνο:
  • Τα F και Cl είναι πιο δραστικά και λιγότερο εκλεκτικά. Η αναλογία των προπυλαλογονιδίων τους εξαρτάται κυρίως πό τη στατιστική αναλογία των προς αντικατάσταση ατόμων H. Ειδικά γοα το χλώριο θα έχουμε:
Δηλαδή το μίγμα που προκύπτει είναι: 49,4% 2-μεθυλο-1-χλωροκυκλοβουτάνιο, 24,7% 3-μεθυλο-1-χλωροκυκλοβουτάνιο, 16,2% 1-μεθυλο-1-χλωροκυκλοβουτάνιο και 9,7%

κυκλοβουτυλομεθυλοχλωρίδιο.

  • Τα Br και I είναι πιο εκλεκτικά και λιγότερο δραστικά. Η αναλογία των βουτυλαλογονιδίων μεταβάλλεται προς όφελος του 1-αλο-1-μεθυλο-κυκλοπροπάνιο. Ειδικά για το βρώμιο θα έχουμε:
Δηλαδή το μίγμα που προκύπτει είναι: 15,7% 1-βρωμο-2-μεθυλοκυκλοβουτάνιο, 7,8% 1-βρωμο-3-μεθυλοκυκλοβουτάνιο, 76,4% 1-βρωμο1-μεθυλοκυκλοβουτάνιο και 0,1% κυκλοβουτυλομεθυλοβρωμίδιο.
Ανάλυση του μηχανισμού της χλωρίωσης του μεθυλοκυκλοβουτάνιο:
1. Έναρξη: Παράγονται ελεύθερες ρίζες.

  • Η απαιτούμενη ενέργεια προέρχεται από το υπεριώδες φως (UV) ή θερμότητα (Δ).
2. Διάδοση: Καταναλώνονται οι παλιές ελεύθερες ρίζες, σχηματίζοντας νέες.

μεθυλοκυκλοβουτάνιο 2-MeC4rad.png 3-MeC4rad.png 1-MeC4rad.png C4Merad.png
2-MeC4rad.png 1-Chloro-2-methylcyclobutane.png
2-MeC4rad.png 1-Chloro-3-methylcyclobutane.png
1-MeC4rad.png 1-chloro-1-methylcyclobutane.png
C4Merad.png Cyclobutylmethylchloride.png

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


50 px 1-Chloro-2-methylcyclobutane.png
50 px 1-Chloro-3-methylcyclobutane.png
1-MeC4rad.png 1-chloro-1-methylcyclobutane.png
C4Merad.png Cyclobutylmethylchloride.png
2-MeC4rad.png 2-Me-(2'-NeC4)C4.png
3-MeC4rad.png 3-Me-(3'-NeC4)C4.png
C4Merad.png 1,2-diC4Et.png

  • Η τριτοταγής ρίζα 1-MeC3rad.png δεν μπορεί να ενωθεί με τον εαυτό της, λόγω στερεοχημικής παρεμπόδισης.
  • Είναι όμως πρακτικά δύσκολο να σταματήσει η αντίδραση στην παραγωγή μονοααλογονιδίων.
  • Αν χρησιμοποιηθούν ισομοριακές ποσότητες μεθυλοκυκλοβουτάνιο και Χ2 θα παραχθεί μίγμα όλων των αλογονοπαραγώγων του MethylCyclopropane.png.
  • Αν όμως χρησιμοποιηθει περίσσεια μεθυλοκυκλοβουτάνιο, τότε η απόδοση τωμ μονοπαραγώγων αυξάνεται πολύ, λόγω της αύξησης της στατιστική πιθανότητας συνάντισης μεθυλοκυκλοβουτάνιο με X. σε σχέση με την πιθανότητα συνάντισης μονοπαραγώγου και X., που μπορεί να οδηγήσει στην παραγωγή των υπόλοιπων X-παραγώγων.

2. 1,4-αλογόνωση: Παράγεται (κυρίως) 1,4-διαλοπεντάνιο:

μεθυλοκυκλοβουτάνιο

Επίδραση καρβενίων[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

  • Το μεθυλοκυκλοβουτάνιο έχει 10 άτομα υδρογόνου για παρεμβολή καρβενίων:[5]

μεθυλοκυκλοβουτάνιο 1 2-dimethylcyclobutane.png Ethylcyclobutane.png 1 3-dimethylcyclobutane.svg 1 1-diethylcyclobutane.png

  • Η αντίδραση είναι ελάχιστα εκλεκτική και αυτό σημαίνει ότι κατά προσέγγιση έχουμε:
1. Παρεμβολή στους δύο (4) δεσμούς CNo1,4H-H: 4.
1. Παρεμβολή στους δύο (2) δεσμούς CNo3H-H: 2.
2. Παρεμβολή στον (1) δεσμό C-H: 1.
3. Παρεμβολή στους τρεις (3) δεσμούς CH2-H: 3.

Προκύπτει επομένως μίγμα 1,2-διμεθυλοκυκλοβουτάνιου ~40%, αιθυλοκυκλοβουτάνιου ~30%, 1,3-διμεθυλοκυκλοβουτάνιου ~20% και 1,1-διμεθυλοκυκλοβουτάνιου ~10%.

Νίτρωση[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

  • Αντιδρά με ατμούς HNO3 στην αέρια φάση:[12]

μεθυλοκυκλοβουτάνιο 2-Methyl-1-nitrocyclobutane.png 3-Methyl-1-nitrocyclobutane.png 1-Methyl-1-nitrocyclobutane.png Cyclobutylnitromethane.png

όπου 0<a,b,c,d<1, a + b + c + d = 1.

Καταλυτική υδρογόνωση-1,4[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Με καταλυτική υδρογόνωση, παράγεται (κυρίως) μεθυλοβουτάνιο:

μεθυλοκυκλοβουτάνιο

Υδραλογόνωση-1,4[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Με υδραλογόνο (ΗΧ), παράγεται (κυρίως) 2-αλοπεντάνιο:

μεθυλοκυκλοβουτάνιο

Υδροξυαλογόνωση-1,4[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Με υπαλογονώδες οξύ (HOX) , παράγεται (κυρίως) 5-αλο-2-πεντανόλη:

μεθυλοκυκλοβουτάνιο

Ενυδάτωση-1,4[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Με επίδραση θειικού οξέως σε μεθυλοκυκλοβουτάνιo παράγεται (κυρίως) όξινος θειικός 2-πεντυλεστέρας [CH3CH2CH2CH(SO4H)CH3], που υδρολύεται σχηματίζοντας 2-πεντανόλη [CH3CH2CH2CH(OH)CH3]:

μεθυλοκυκλοβουτάνιο

Διυδροξυλίωση-1,4[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Με επίδραση υπεροξείδιο του υδρογόνου (H2O2) σε μεθυλοκυκλοβουτάνιo, παρουσία καρβοξυλικών οξέων παράγεται (κυρίως) 1,4-πεντανοδιόλη [CH3CH(OH)CH2CH2CH2OH]:

μεθυλοκυκλοβουτάνιο

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

Αναφορές[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

  1. Alkane Boiling Points
  2. Η πλήρης συστηματική ονομασία του θα ήταν 1-μεθυλοκυκλοβουτάνιο, αλλά ο αριθμός θέσης παραλήπεται ως πλεονασμός, επειδή δεν υπάρχει άλλο μεθυλοκυκλοβουτάνιο για να υπάρχει ανάγκη διάκρισης.
  3. G. Gustavson (1887). "Ueber eine neue Darstellungsmethode des Trimethylens". J. Prakt. Chem. 36: 300–305. doi:10.1002/prac.18870360127. http://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k90799n/f308.table.
  4. Ασκήσεις και προβλήματα Οργανικής Χημείας Ν. Α. Πετάση 1982, σελ. 154, §6.5.Β1.
  5. 5,0 5,1 SCHAUM'S OUTLINE SERIES, ΟΡΓΑΝΙΚΗ ΧΗΜΕΙΑ, Μτφ. Α. Βάρβογλη, 1999, σελ. 46 §4.4.4.
  6. Α. Βάρβογλη, «Χημεία Οργανικών Ενώσεων», παρατηρητής, Θεσσαλονίκη 1991, σελ.21, §1.1.
  7. Ν. Αλεξάνδρου, Γενική Οργανική Χημεία, ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 1985: Σελ.126, 6.1.
  8. ΔHC-C= +347 kJ/mol
  9. ΔHC-H = +415 kJ/mol
  10. ΔHO-O=+146 kJ/mol
  11. SCHAUM'S OUTLINE SERIES, ΟΡΓΑΝΙΚΗ ΧΗΜΕΙΑ, Μτφ. Α. Βάρβογλη, 1999, σελ. 43-46 §4.4.3.
  12. Ασκήσεις και προβλήματα Οργανικής Χημείας Ν. Α. Πετάση 1982: Σελ. 244, §10.3.2.