Κυκλοπεντάνιο

Ιστορία

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

Φυσική παρουσία

Το κυκλοπεντάνιο εμφανίζεται ως συστατικό του αργού πετρελαίου.

Δομή κυκλοπεντανίων

«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:
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. Αποτέλεσμα των παραπάνω είναι τα κυκλοπεντάνια να μη δείνουν αντιδράσεις κυκλοδιάνοιξης, γιατί σ' αυτά η ενέργεια τάσης δεσμών είναι ανεπαρκής.

Παραγωγή

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).

Με θέρμανση αλάτων δικαρβονικών οξέων με Ca ή Ba

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]:

Πενταμελής δακτύλιος με αντίδραση Pauson-Khand

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:

Φυσικοχημικές ιδιότητες

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. Η ελάχιστη θερμοκρασία ανάφλεξής του είναι -51°C, ενώ η θερμοκρασία αυτανάφλεξής του είναι 320 ° C.

Βιομηχανικές εφαρμογές

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.
Χρησιμοποιήθηκε, ακόμη, ως πρόδρομη ένωση για την παραγωγή κυκλοπεντανόνης, μετά από καταλυτική οξείδωση.
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.
Στις ΗΠΑ παράγονται πάνω από 500.000 τόνοι κυκλοπεντανίου το χρόνο.

Οδηγίες ασφαλείας

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. Η ελάχιστη ενέργεια ανάφλεξης της ένωσης ανέρχεται σε 0,24 mJoule, με αποτέλεσμα τα μείγματα κυκλοπεντανίου - υδρατμών να είναι ιδιαίτερα αναφλέξιμα. Η έκθεση ανθρώπων σε υψηλές συγκεντρώσεις κυκλοπεντανίου μπορούν να οδηγήσει σε αναισθησία.