3-μεθυλο-1-βουτένιο

Το 3-μεθυλο-1-βουτένιο (αγγλικά: 3-methyl-1-butene) είναι οργανική χημική ένωση, που περιέχει άνθρακα και υδρογόνο, με μοριακό τύπο C5H10 και ημισυντακτικό τύπο (CH3)2CHCH=CH2. Ανήκει στην ομόλογη σειρά των αλκενίων. Το χημικά καθαρό 3-μεθυλο-1-βουτένιο, στις «κανονικές συνθήκες περιβάλλοντος», δηλαδή σε θερμοκρασία 25 °C και υπό πίεση 1 atm, είναι εξαιρετικά εύφλεκτο και αέριο. Το 3-μεθυλο-1-βουτένιο είναι α-αλκένιο. Συνήθως, παράγεται ως παραπροϊόν καταλυτικής ή θερμικής πυρόλυσης αργού πετρελαίου, συχνότερα κατά τη διάρκεια της παραγωγής αιθενίου και προπενίου, αλλά επίσης και μέσω θερμικής πυρόλυσης διαφόρων κλασμάτων υδρογονανθράκων, προερχόμενα από διεργασίες ανακύκλωσης πολυμερών. Σπάνια απομονώνεται ως μια ξεχωριστή ένωση. Είναι επιθυμητό συστατικό της βενζίνης. εφόσον έχει αριθμό οκτανίου 97,5.

 Η ονομασία «3-μεθυλο-1-βουτένιο» προέρχεται από την ονοματολογία κατά IUPAC. Συγκεκριμένα, το πρόθεμα της κύριας ονομασίας «βουττ-» δηλώνει την παρουσία τεσσάρων (4) ατόμων άνθρακα στην «κύρια» αλυσίδα του μορίου της ένωσης, το ενδιάμεσο «-εν-» δείχνει την παρουσία ενός (1) διπλού δεσμού μεταξύ ατόμων άνθρακα στο μόριο και η κατάληξη «-ιο» φανερώνει ότι δεν περιέχει χαρακτηριστικές ομάδες με χαρακτηριστικές καταλήξεις. Τέλος, προηγείται υποχρεωτικά ο αριθμός θέσης (1-), του διπλού δεσμού του, γιατί υπάρχει και άλλη δυνατή και μη ισοδύναμη θέση. Μπροστά από την κύρια ονομασία, μπαίνει το πρόθεμα «μεθυλο», για την «πλευρική» μεθυλομάδα που περιέχει η ένωση, με το «3-», ως αριθμό θέσης. Αυτός ο υδρογονάνθρακας έχει μόριο που αποτελείται από τρία (3) άτομα υδρογόνου και ένα ισοπροπύλιο [-CH(CH3)2], ενωμένα με ένα ζεύγος ατόμων άνθρακα, που συνδέονται μεταξύ τους με ένα διπλό δεσμό. Όλα αυτά τα έξι (6) συνολικά άτομα [3 υδρογόνου + 3 άνθρακα (τα 2 με το διπλό δεσμό + το πρώτο άτομο άνθρακα από το ισοπροπύλιο)] είναι ομοεπίπεδα. Η γωνία H C H ^ {\displaystyle \mathrm {\widehat {HCH}} } είναι 119°, δηλαδή πολύ κοντά στις 120° που προβλέπονται για τον sp² υβριδισμό των ατόμων άνθρακα, που συνδέονται με διπλό δεσμό. Η περιστροφή του δεσμού C=C απαιτεί (σχετικά) υψηλή ποσότητα ενέργειας, γιατί απαιτεί την (προσωρινή) διάσπαση του π-δεσμού. Ο π-δεσμός στο μόριο του 3-μεθυλο-1-βουτενίου είναι υπεύθυνος για τη χρήσιμη δραστικότητά του. Η περιοχή του διπλού δεσμού χαρακτηρίζεται από (σχετικά) υψηλή ηλεκτρονιακή πυκνότητα, που επομένως είναι ευάλωτη σε επιδράσεις ηλεκτρονιόφιλων. Πολλές αντιδράσεις του 3-μεθυλο-1-βουτενίου καταλύνται από διάφορα μέταλλα μετάπτωσης, που σχηματίζουν προσωρινά σύμπλοκα με τα π και π* τροχιακά του 2-μεθυλο-1-βουτενίου. Με πυρόλυση αλκανίων (βιομηχανική μέθοδος) παράγονται μίγματα που περιέχουν και 3-μεθυλο-1-βουτένιο. Π.χ.: Με ενδομοριακή αφυδάτωση 3-μεθυλο-1-βουτανόλης παράγεται 3-μεθυλο-1-βουτένιο. Η αντίδραση ευνοείται σε σχετικά υψηλές θερμοκρασίες, >150 °C: Με απόσπαση υδραλογόνου (HX) από 1-αλο-3-μεθυλοβουτάνιο παράγεται 3-μεθυλο-1-βουτένιο: Με απόσπαση αλογόνου (X2) από 1,2-διαλο-3-μεθυλοβουτάνιο παράγεται 3-μεθυλο-1-βουτένιο: Με μερική καταλυτική υδρογόνωση μεθυλοβουτινίου παράγεται 3-μεθυλο-1-βουτένιο: Με θέρμανση τεταρτοταγών αμμωνιακών αλάτων [ μέθοδος Χόφφμανν (Hoffmann)] παράγεται και 3-μεθυλο-1-βουτένιο. Π.χ. Με επίδραση φωσφοροϋλιδίου σε μεθανάλη [ μέθοδος Βίττινγκ (Wittig)] παράγεται 3-μεθυλο-1-βουτένιο. Π.χ.: 1. Επίδραση θειικού οξέος (H2SO4) και στη συνέχεια νερού (H2O, ενυδάτωση). Παράγεται 3-μεθυλο-2-βουτανόλη:2. Υδροβορίωση και στη συνέχεια επίδραση με υπεροξείδιο του υδρογόνου (Η2Ο2) . Παράγεται τρι(3-μεθυλο-2-βουτυλο)βοράνιο, και στη συνέχεια 3-μεθυλο-1-βουτανόλη: Προσθήκη διβορανίου (B2H4) έχει το ίδιο αποτέλεσμα. 3. Αντίδραση με οξικό υδράργυρο [(CH3CH2)2Hg] και έπειτα αναγωγή. Παράγεται 3-μεθυλο-2-βουτανόλη:4. Υπάρχει ακόμη η δυνατότητα αλλυλικής υδροξυλίωσης κατά Πρινς (Prins) με επίδραση αλδευδών ή κετονών σε 3-μεθυλο-1-βουτένιο, απουσία νερού. Π.χ. με μεθανάλη προκύπτει 4-μεθυλο-2-πεντεν-1-όλη: Με επίδραση (προσθήκη) υποαλογονώδους οξέος (HOX) σε 3-μεθυλο-1-βουτένιο παράγεται 1-αλο-3-μεθυλο-2-βουτανόλη:Η παραπάνω αντίδραση ισχύει όταν X: Cl, Br και I. Αν X = F, παράγεται 3-μεθυλο-2-φθορο-1-βουτανόλη: Με καταλυτική υδρογόνωση 3-μεθυλο-1-βουτένιου σχηματίζεται μεθυλοβουτάνιο. Π.χ.: 1. Με προσθήκη αλογόνου (X2) (αλογόνωση) σε 3-μεθυλο-1-βουτένιο έχουμε προσθήκη στο διπλό δεσμό. Παράγεται 1,2-διαλο-3-μεθυλοβουτάνιο. Π.χ.:2. Υποκατάσταση σε αλλυλική θέση, δηλαδή σε α θέση ως προς το διπλό δεσμό. Παράγεται 3-αλο-3-μεθυλο-1-βουτένιο: Π.χ.: Με προσθήκη υδραλογόνων (HX) (υδραλογόνωση) σε 3-μεθυλο-1-βουτένιο: 1. Με τον πολικό μηχανισμό. Παράγεται 2-αλο-3-μεθυλοβουτάνιο:2. Με το μηχανισμό ελευθέρων ριζών. Παράγεται 1-αλο-3-μεθυλοβουτάνιο: 1. Προσθήκη αμμωνίας (NH3). Παράγεται 3-μεθυλο-1-βουταναμίνη: Τα παραπάνω μέταλλα που αναφέρονται στη θέση του καταλύτη χρησιμοποιούνται με τη μορφή συμπλόκων τους και όχι σε μεταλλική μορφή. 2. Προσθήκη πρωτοταγούς αμίνης. Παράγεται δευτεροταγής αλκυλο(3-μεθυλοβουτυλ)αμίνη. Π.χ. με μεθυλαμίνη παράγεται 3,N-διμεθυλο-2-βουταναμίνη:3. Προσθήκη δευτεροταγούς αμίνης. Παράγεται τριτοταγής διαλκυλο(3-μεθυλοβουτυλ)αμίνη. Π.χ. με διμεθυλαμίνη παράγεται 3,N,N-τριμεθυλο-2-βουταναμίνη: Με προσθήκη μεθανάλης (CO + H2) σε 3-μεθυλο-1-βουτένιο παράγεται 2,3-διμεθυλοβουτανάλη ή 4-μεθυλοπεντανάλη. Π.χ.: Τα παραπάνω μέταλλα που αναφέρονται στη θέση του καταλύτη χρησιμοποιούνται με τη μορφή συμπλόκων τους και όχι σε μεταλλική μορφή. Όπου . Εξαρτάται από την επιλογή του καταλύτη. Οι σχετικά ογκώδεις καταλύτες ευνοούν το δεύτερο παραγωγο. Με επίδραση περίσσειας αλδευδών ή κετονών σε 3-μεθυλο-1-βουτένιο, απουσία νερού, σε χαμηλή θερμοκρασία παράγεται παράγωγο διοξανίου. Π.χ. με μεθανάλη παράγεται 4-ισοοπροπυλο-1,3-διοξάνιο και 5-ισοπροπυλο-1,3-διοξάνιο: Η διυδροξυλίωση 3-μεθυλο-1-βουτενίου, αντιστοιχεί σε προσθήκη H2O2: 1. Επίδραση αραιού διαλύματος υπερμαγγανικού καλίου (KMnO4). Παράγει 3-μεθυλο-1,2-βουτανοδιόλη:2. Επίδραση καρβοξυλικού οξέος και υπεροξείδιου του υδρογόνου (Η2Ο2). Παράγει 3-μεθυλο-1,2-βουτανοδιόλη:3. Μέθοδος Σάρπλες (Sharpless). Παράγει 3-μεθυλο-1,2-βουτανοδιόλη:4. Μέθοδος Γούντγαρντ (Woodward). Παράγει 3-μεθυλο-1,2-βουτανοδιόλη5. Υπάρχει ακόμη δυνατότητα για 1,3-διυδροξυλίωση με επίδραση αλδευδών ή κετονών σε πεντένιο, παρουσία νερού. Αντίδραση Πρινς (Prins). Π.χ. με μεθανάλη παράγεται 4-μεθυλο-1,3-πεντανοδιόλη: Με επίδραση όζοντος (Ο3, οζονόλυση) σε 3-μεθυλο-1-βουτένιο, παράγεται ενδιάμεσα ασταθές οζονίδιο, που τελικά διασπάται σε μεθανάλη και μεθυλοπροπανάλη: Με επίδραση διοξειδίου του σεληνίου (SeO2) σε 3-μεθυλο-1-βουτένιο παράγεται 2-μεθυλο-3-βουτεν-2-όλη: Η μέθοδος αυτή ονομάζεται αλλυλική οξείδωση. Κατά την επίδραση αλκαδιενίου (διένιου) σε 3-μεθυλο-1-βουτένιο (διενόφιλο) έχουμε την ονομαζόμενη (αντίδραση Ντιλς-Άλντερ) που στην περίπτωση αυτή οδηγεί σε παραγωγή παραγώγου κυκλοεξενίου. Π.χ. με 1,3-βουταδιένιο παίρνουμε 4-ισοπροπυλοκυκλοεξένιο: Κατά την επίδραση αλκίνια και μονοξειδίου του άνθρακα (CO) σε 3-μεθυλο-1-βουτένιο έχουμε την ονομαζόμενη αντίδραση Παύσον-Χαντ (Pauson-Khand) που στην περίπτωση αυτή οδηγεί σε παραγωγή παραγώγων κυκλοπεντόνης. Π.χ. με αιθίνιο παράγεται 4-ισοπροπυλοκυκλο-2-πεντενόνη και 5-ισοπροπυλοκυκλο-2-πεντενόνη: Κατά την προσθήκη μεθυλενίου σε 3-μεθυλο-1-βουτένιο σχηματίζoνται ισοπροπυλοκυκλοπροπάνιο και μερικά ισομερή εξένια: Πιο συγκεκριμένα, επειδή η αντίδραση αυτή είναι ελάχιστα εκλεκτική και αυτό σημαίνει ότι κατά προσέγγιση έχουμε:1. Παρεμβολή στους έξι (6) δεσμούς C#4H2-H και C#1΄Η2-Η: Προκύπτει 3-μεθυλο-1-πεντένιο, ένα αλκένιο. 2. Παρεμβολή στον ένα (1) δεσμό C#3-H: Προκύπτει 3,3-διμεθυλο-1-βουτένιο, ένα αλκένιο. 3. Παρεμβολή στον ένα (1) δεσμό C#2-H: Προκύπτει 2,3-διμεθυλο-1-βουτένιο, ένα αλκένιο. 4. Παρεμβολή στους δύο (2) δεσμούς C#1H-H: Προκύπτει 3-μεθυλο-2-πεντένιο, ένα αλκένιο. 5. Προσθήκη στον ένα (1) διπλό δεσμό: Προκύπτει ισοπροπυλοκυκλοπροπάνιο, ένα κυκλοαλκάνιο.Προκύπτει επομένως μείγμα από 3-μεθυλο-1-πεντένιο ~54%, 3,3-διμεθυλο-1-βουτένιο ~9%, 2,3-διμεθυλο-1-βουτένιο ~9%, 3-μεθυλο-2-πεντένιο ~18% και ισοπροπυλοκυκλοπροπάνιο ~9%. Με τη χρήση διιωδομεθανίου (CH2I2) και ψευδαργύρου (Zn) επικρατεί η προσθήκη, οπότε (κυρίως) είναι: ( C H 3 ) 2 C H C H = C H 2 + C H 2 I 2 + Z n → Z n I 2 + {\displaystyle \mathrm {(CH_{3})_{2}CHCH=CH_{2}+CH_{2}I_{2}+Zn{\xrightarrow {}}ZnI_{2}+} } Κατά την καταλυτική προσθήκη οξυγόνου (O2) σε 3-μεθυλο-1-βουτένιο σχηματίζεται ισοπροπυλοξιράνιο. Π.χ.: Διακρίνονται τα ακόλουθα είδη πολυμερισμού 3-μεθυλο-1-βουτένιου, που όλα παράγουν πολυ(3-μεθυλοβουτυλένιο): 1. Κατιονικός. Π.χ.:2.. Ελευθέρων ριζών. Π.χ.: Όπου v ο βαθμός πολυμερισμού. Κατά το φωτοχημικό διμερισμό 3-μεθυλο-1-βουτένιου σχηματίζεται (κυρίως) 1,3-διισοπροπυλοκυκλοβουτάνιο. Π.χ.: Με επίδραση αλδευδών ή κετονών σε 3-μεθυλο-1-βουτένιο, απουσία νερού, σχηματίζονται και φωτοχημικά παράγωγα οξετανίου (Αντίδραση Πατέρνο-Μπουχί, Paterno–Büchi). Π.χ. με μεθανάλη παράγεται 3-ισοπροπυλοξετάνιο: Speight J. G., “Chemical and Process Design Handbook”, McGraw-Hill, 2002. 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 Ασκήσεις και προβλήματα Οργανικής Χημείας Ν. Α. Πετάση 1982