Πεντάνιο

Το (κανονικό) πεντάνιο είναι οργανική χημική ένωση με μοριακό τύπο C5H12, αν και γράφεται συχνά με τον ημισυντακτικό τύπο CH3(CH2)3CH3. Ανήκει στην ομόλογη σειρά των αλκανίων, δηλαδή είναι άκυκλος κορεσμένος υδρογονάνθρακας. Ο όρος «πεντάνιο» μπορεί να αναφέρεται σε οποιοδήποτε από τα συνολικά τρία (3) ισομερή θέσης (δείτε παρακάτω), όπως και σε οποιοδήποτε μείγμα τους. Ωστόσο, αυστηρά σύμφωνα με την ονοματολογία κατά IUPAC (δείτε παρακάτω) ο όρος «πεντάνιο» αναφέρεται αποκλειστικά στο ισομερές του κανονικού πεντανίου, ενώ τα άλλα δύο (2) αναφέρονται ως μεθυλοβουτάνιο (ισοπεντάνιο) και διμεθυλοπροπάνιο (νεοπεντάνιο). Το κυκλοπεντάνιο δεν είναι ισομερές του πεντανίου, γιατί έχει μοριακό τύπο C5H10 αντί C5H12, αλλά ωστόσο η ονομασία του περιέχει τη λέξη «πεντάνιο». 

Τα πεντάνια είναι συστατικά κάποιων καυσίμων και χρησιμοποιούνται ενίοτε ως εξειδικευμένοι εργαστηριακοί διαλύτες.Οι ιδιότητές των πεντανίων είναι πολύ παρόμοιες εκείνων των βουτανίων και των εξανίων.

Ονοματολογία 

Η ονομασία «πεντάνιο» προέρχεται από την . Συγκεκριμένα, το πρόθεμα «πεντ-» δηλώνει την παρουσία  πέντε (5) ατόμων άνθρακα ανά μόριο 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.
Οι μονοσθενείς ρίζες (αλκύλια) που προκύπτουν από την αφαίρεση ενός ατόμου υδρογόνου από το πεντάνιο λέγονται πεντύλια, ενώ οι δισθενείς πεντυλενύλια.

Ισομέρεια 

Με βάση το χημικό τύπο του, C5H12, έχει τα ακόλουθα δύο (2) ισομερή θέσης: 
 Μεθυλοβουτάνιο ή ισοπεντάνιο, με σύντομο συντακτικό τύπο CH3CH2CH(CH3)2.
 Διμεθυλοπροπάνιο ή τετραμεθυλομεθάνιο ή νεοπεντάνιο, με σύντομο συντακτικό τύπο (CH3)4C .

Και τα τρία (3) χημικά είδη λαμβάνονται από το πετρέλαιο, και χρησιμοποιούνται συνήθως ως καύσιμα ή ως διαλύτες. Μίγμα των παραπάνω τριών πεντανίων χρησιμοποιήθηκε κατά τον Α' Παγκόσμιο Πόλεμο, κυρίως από τη Γερμανία, σε μεγάλη κλίμακα ως πρώτη ύλη στη παραγωγή τεχνητού καουτσούκ. Ειδικότερα το μεθυλοβουτάνιο, χρησιμοποιήθηκε στη πλήρωση ειδικών θερμομέτρων για τη μέτρηση χαμηλών θερμοκρασιών, καλούμενα εξ αυτού «θερμόμετρα πεντανίου». Τα πεντάνια αποτελούν τα κύρια συστατικά της γαζολίνης ή και του πετρελαϊκού αιθέρα.Τα ισομερή, παρόλο που έχουν ίδιο χημικό τύπο και μοριακό βάρος, έχουν διαφορετικές δομές και διαφορετικές ιδιότητες:

Δομή 

Το μόριό του αποτελείται από πέντε (5) άτομα άνθρακα (δύο (2) πρωτοταγή + τρία (3) δευτεροταγή) και δώδεκα (12) 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 τρία (3) κεντρικά άτομα άνθρακα, η διαφορά είναι ότι είναι συνδεμένο με δύο (2) άτομα υδρογόνου και δύο (2) άτομα άνθρακα Οι δεσμοί C-H που σχηματίζονται είναι ελαφρά πολωμένοι (~3%) ομοιοπολικοί τύπου  σ (2sp³-1s), με μήκος 108,7 pm. Οι δεσμοί C-C είναι επίσης ομοιοπολικοί τύπου σ (2sp³-2sp³), με μήκος 154 pm. Οι δε δεσμικές γωνίες είναι περίπου 109° 28΄.

Παραγωγή

Απομόνωση από φυσικές και βιομηχανικές πηγές 

 Απομονώνεται από το πετρέλαιο και τον Παναθηναικο.
 Απομονώνεται από μίγματα που προκύπτουν από πυρόλυση βαρύτερων προϊόντων διύλισης πετρελαίου ή πολυμερών υδρογονανθράκων.

Παρασκευή με αντιδράσεις σύνθεσης: Από πρώτες ύλες με μικρότερη ανθρακική αλυσίδα 

1. Από κατάλληλα ζεύγη αλκυλαλογονιδίου - αλκυλολιθίου:
1. Ζεύγος 1-αλοπροπανίου - αιθυλολιθίου ή προπυλολιθίου - αιθυλαλογονιδίου
ή
2. Ζεύγος 1-αλοβουτανίου - μεθυλολιθίου ή βουτυλολιθίου - μεθυλαλογονιδίου:
ή
2. Οι αντίστοιχες αντιδράσεις Wurtz είναι γενικά ασύμφορες γιατί παράγουν μίγματα με παραπροϊόντα: 

 Τα προϊόντα αυτά διαχωρίζονται σχετικά εύκολα: Το βαρύτερο, το οκτάνιο είναι υγρό (σ.ζ.: 125,52 °C) στις ΣΣ Το ζητούμενο (εδώ) πεντάνιο είναι επίσης υγρό, αλλά πολύ πιο πτητικό (36,1 °C) και το αιθάνιο είναι αέριο (σ.ζ.: -88,6 °C).

Παρασκευή με αντιδράσεις χωρίς αλλαγή ανθρακικής αλυσίδας

Με αναγωγή αλκυλαλογονιδίων 

1. Με αναγωγή  1-αλοπεντανίου ή 2-αλοπεντανίου ή 3-αλοπεντανίου  από «υδρογόνο εν τω γεννάσθαι», δηλαδή μέταλλο + οξύ:
ή

ή
2. Με αναγωγή 1-αλοπεντανίου ή 2-αλοπεντανίου ή 3-αλοπεντανίου από LiAlH4 ή NaBH4:
ή

ή
3. Με αναγωγή 1-ιωδοπεντάνιου ή 2-ιωδοπεντάνιο ή 3-ιωδοπεντάνιου από HI:
ή

ή
4. Με αναγωγή από σιλάνιο, παρουσία τριφθοριούχου βορίου παράγεται βουτάνιo:
ή

ή
5. Αναγωγή από ένα αλκυλοκασσιτεράνιο. Π.χ.:
 

ή

 

ή

 
6 Με αναγωγή από μέταλλα και στη συνέχεια υδρόλυση των παραγόμενων οργανομεταλλικών ενώσεων:
1. Με χρήση Li:
ή

ή
2. Με χρήση Mg:
ή

ή

Με υδρογόνωση ακόρεστων υδρογονανθράκων 

1. 1-Πεντενίου ή 2-πεντενίου
ή
2. 1-Πεντίνιου ή 2-πεντίνιου:
ή
3. 1,2-Πενταδιενίου ή 1,3-πενταδιενίου ή 1,4-πενταδιενίου ή 2,3-πενταδιενίου:
ή

ή

ή
4. 1,2,3-Πεντατριένιου ή 1,2,4-πεντατριένιου:
ή
5. 3-Πεντεν-1-ινίου ή 4-Πεντεν-1-ινίου ή 4-Πεντεν-2-ινίου:
ή

ή
6. 1,3-Πενταδιίνιου ή 1,4-πενταδιίνιου:
ή
7. Πεντατετραένιου:

8. μεθυλοκυκλοβουτάνιου:

9. αιθυλοκυκλοπροπάνιου:

Με αναγωγή οξυγονούχων ενώσεων 

Με αναγωγή πεντανάλης - Αντίδραση Wolf-Kishner:

4. Με αναγωγή 2-πεντανόνης ή 3-πεντανόνης - Αντίδραση Clemmensen:
ή

Με αναγωγή θειούχων ενώσεων 

1. Με αναγωγή των κατάλληλων θειολών μπορεί να παραχθεί πεντάνιο. Π.χ. από την αναγωγή της 1-πεντανοθειόλης (μέθοδος Raney):

2. Με αναγωγή των κατάλληλων θειεστέρων μπορεί να παραχθεί πεντάνιο. Π.χ. από την αναγωγή του διπεντυλοθειαιθέρα (μέθοδος Raney):

Παρασκευή με αντιδράσεις αποσύνθεσης με μείωση του μήκους της ανθρακικής αλυσίδας 

 Με τη θέρμανση αΛκαλικού διαλύματος εξανικού οξέος (CH3CH2CH2CH2CH2COOH) ή 2-μεθυλοπεντανικού οξέος [CH3CH2CH2CH(CH3)COOH] ή 2-αιθυλοβουτανικού οξέος [CH3CH2CH(CH2CH3)COOH]  
:
ή

ή

Φυσικές ιδιότητες 

Το (κ-)πεντάνιο είναι άχρωμο υγρό με ελαφριά χαρακτηριστική οσμή. Ανήκει στην οικογένεια των αλκανίων και μάλιστα είναι το πρώτο μέλος της ομόλογης σειράς που είναι υγρό σε συνθήκες περιβάλλοντος.

Χημικές ιδιότητες

Οξείδωση 

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

 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:

3. Καταλυτική οξείδωση προς 2-πεντανόνη και 3-πεντανόνη:

 Είναι τα κύρια προϊόντα της καταλυστικής οξείδωσης του πεντανίου, αλλά παράγεται και μια μικρή ποσότητα πεντανάλης.
4. Το πεντάνιο οξειδώνεται από το διοξιράνιο, παράγοντας (κυρίως) μίγμα 2-πεντανόνης και 3-πεντανόνης:

5. Ακόμη, αξιοποιείται βιομηχανικά και η οξείδωση του πεντανίου προς μηλεϊνικό ανυδρίτη:

Αλογόνωση

Φωτοχημική 

 Δραστικότητα των X2: F2 > Cl2 > Br2 > Ι2.
 όπου 0<a,b,c<1, a + b + c = 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: 
 πεντυλοχλωρίδιο-1: 6·1 = 6.
 πεντυλοχλωρίδιο-2: 4·3,8 = 15,2.
 πεντυλοχλωρίδιο-3: 2·3,8 = 7,6.
 Δηλαδή το μίγμα που προκύπτει είναι: 20,8% πεντυλοχλωρίδιο-1, 52,8% πεντυλοχλωρίδιο-2 και 26,4% πεντυλοχλωρίδιο-3.
 Τα Br και I είναι πιο εκλεκτικά και λιγότερο δραστικά. Η αναλογία των πεντυλαλογονιδίων μεταβάλλεται προς όφελος των δευτεροταγών (αυτών που το αλογόνο συνδέεται με δευτεροταγές άτομο C, δηλαδή ατόμου C ενωμένου με 2 άλλα άτομα C) πεντυλοαλογονίδιων. Ειδικα για το βρώμιο θα έχουμε:
 πεντυλοβρωμίδιο-1: 6·1 = 6.
 πεντυλοβρωμίδιο-2: 4·82 = 328.
 πεντυλοβρωμίδιο-3: 2·82 = 162.
 Δηλαδή το μίγμα που προκύπτει είναι: 1,2% πεντυλοβρωμίδιο-1, 66,1% πεντυλοβρωμίδιο-2 και 32,7% πεντυλοβρωμίδιο-3.

 Ανάλυση του μηχανισμού της χλωρίωσης του CH3(CH2)3CH3:
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.
 
3. Τερματισμός: Καταναλώνονται μεταξύ τους οι ελεύθερες ρίζες, κατά τη στατιστικά σπάνια περίπτωση της συνάντησής τους.

 Είναι όμως πρακτικά δύσκολο να σταματήσει η αντίδραση στην παραγωγή μονοαλογονοπαραγώγων.
 Αν χρησιμοποιηθούν ισομοριακές ποσότητες CH3(CH2)3CH3 και Χ2 θα παραχθεί μίγμα όλων των X-παραγώγων του CH3(CH2)3CH3
 Αν όμως χρησιμοποιηθει περίσσεια CH3(CH2)3CH3, τότε η απόδοση τωμ μονοπαραγώγων αυξάνεται πολύ, λόγω της αύξησης της στατιστική πιθανότητας συνάντισης CH3(CH2)3CH3 με X. σε σχέση με την πιθανότητα συνάντισης μονοπαραγώγου και X., που μπορεί να οδηγήσει στην παραγωγή των υπόλοιπων X-παραγώγων.

Περιφθορίωση 

Το πεντάνιο αντιδρά με το τριφθοριούχο κοβάλτιο, αντικαθιστώντας όλα τα άτομα υδρογόνου με άτομα φθορίου, παράγοντας έτσι δωδεκαφθοροπεντάνιο:

Παρεμβολή καρβενίων 

 Τα καρβένια (π.χ. [:CH2]) μπορούν παρεμβληθούν στους δεσμούς C-H. Π.χ. έχουμε:

 Η αντίδραση είναι ελάχιστα εκλεκτική και αυτό σημαίνει ότι κατά προσέγγιση έχουμε;

 Παρεμβολή στους έξι (6) δεσμούς CH2-H: Παράγεται εξάνιο.
 Παρεμβολή στους τέσσερεις (4) δεσμούς 2-C#2,#4H-H: Παράγεται 2-μεθυλοπεντάνιο.
 Παρεμβολή στους δύο (2) δεσμούς 3-C#3H-H: Παράγεται 3-μεθυλοπεντάνιο.

Προκύπτει επομένως μίγμα εξανίου ~50%, 2-μεθυλοπεντανίου ~33% και 3-μεθυλοπεντάνιου ~16,7%.

Νίτρωση 

 Αντιδρά με ατμούς HNO3 σε αέρια φάση:

όπου 0<a,b,c<1,  a + b + c = 1.

Καταλυτική ισομερείωση 

Το πεντάνιο μπορεί να υποστεί καταλυτική ισομερείωση προς ισοπεντάνιο και νεοπεντάνιο:

Εφαρμογές

Βιομηχανικές 

Τα πεντάνια είναι κάποια από τα κύρια διογκωτικά μέσα για την παραγωγή πολυστυρενικού αφρού, καθώς και άλλων αφρών, αλλά και ως προωθητικό αερολυμάτων. Συνήθως χρησιμοποιείται ένα μίγμα πεντανίου και μεθυλοβουτανίου, αλλά υπάρχει μια αυξανόμενη χρήση κυκλοπεντανίου για το σκοπό αυτό.

Επειδή έχει χαμηλή θερμοκρασία βρασμού, χαμηλό κόστος και είναι σχετικά ασφαλές, το πεντάνιο χρησιμοποιείται ως ένα λειτουργικό μέσο σε γεωθερμικούς ηλεκτροπαραγωγούς σταθμούς. Χρησιμοποιήθηκε επίσης ως ένα πρόσθετο σε κάποια ψυκτικά μίγματα.

Εργαστηριακές 

Λόγω του γεγονότος ότι είναι ο πιο πτητικός υγρός υδρογονάνθρακας, χρησιμοποιείται συχνά στα χημικά εργαστήρια ως διαλύτης που μπορεί εύκολα να απομακρυνθεί, όταν δεν χρειάζεται πια, με εξάτμιση. Ωστόσο, είναι άπολη ένωση και έτσι μπορεί να διαλύσει μόνο άπολες ενώσεις, ενώ αναμιγνύεται πλήρως με τους περισσότερους άλλους συνηθισμένους διαλύτες, όπως οι χλωράνθρακες, οι αρωματικοί υδρογονάνθρακες και οι αιθέρες. Χρησιμοποιείται επίσης συχνά στην υγρή χρωματογραφία.

Ασφάλεια - Υγεία 
Το n-πεντάνιο είναι ένα εξαιρετικά εύφλεκτο και πτητικό 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.

Τέλος, είναι επιβλαβές για τον άνθρωπο, σε περίπτωση κατάποσης μπορεί να προκαλέσει βλάβη στους πνεύμονες ενώ η εισπνοή ατμών μπορεί να προκαλέσει υπνηλία και ζάλη.

Αναφορές και σημειώσεις

Πηγές 
 Chemfinder: Χημικές ιδιότητες του πεντανίου 
 Η σελίδα της Ε.Ε. για την ταξινόμηση και την επισήμανση των επικίνδυνων ουσιών.
 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
 Μερικές από τις ενέργειες αντιδράσεων υπολογίστηκαν με χρήση κατάλληλου λογισμικού. Θα διασταυρωθούν και βιβλιογραφικά το συντομότερο για μεγαλύτερη ακρίβεια.

Αλκάνια
C5
Μη πολικοί διαλύτες