Μεθυλοβουτάνιο

Το μεθυλοβουτάνιο είναι οργανική ένωση, που περιέχει άνθρακα και υδρογόνο, με μοριακό τύπο C5H12, αλλά χρησιμοποιείται συχνά και ο πιο λεπτομερής ημισυντακτικός τύπος CH3CH2CH(CH3)2. Είναι διακλαδισμένο αλκάνιο, με πέντε (5) άτομα άνθρακα ανά μόριο. Το χημικά καθαρό μεθυλοπροπάνιο, στις «κανονικές συνθήκες περιβάλλοντος», δηλαδή σε θερμοκρασία 25 °C και υπό πίεση 1 atm, είναι εξαιρετικά πτητικό και εύφλεκτο υγρό. Η κανονική θερμοκρασία βρασμού του είναι 28,2 °C, δηλαδή μόλις κατά λίγους βαθμούς Κελσίου μεγαλύτερη από τη θερμοκρασία δωματίου (20 °C). Κατά συνέπεια το μεθυλοβουτάνιο βράζει και εξαερώνεται, αν βρεθεί στο περιβάλλον μια σχετικά θερμή μέρα. Το μεθυλοβουτάνιο χρησιμοποιείται συχνά, σε συνδυασμό με υγροποιημένο άζωτο, για την δημιουργία υγρού ψυκτικού μείγματος θερμοκρασίας −160 °C. Αυτή είναι κατά 1% τουλάχιστον μικρότερη από αυτή που απαιτείται για την υγροποίηση του φυσικού αερίου (τουλάχιστον των υδρογονανθράκων αυτού). Παράγεται από το πετρέλαιο και χρησιμοποιείται κυρίως ως καύσιμο, ως διαλύτης και ως πρόδρομη ύλη στη χημική βιομηχανία.

Ισομέρεια 
Με βάση το μοριακό τύπο του, C5H12, έχει τα ακόλουθα δύο (2) ισομερή θέσης:

 Πεντάνιο.
 Διμεθυλοπροπάνιο.

Ονοματολογία 

Η ονομασία «μεθυλοβουτάνιο»  από την ονοματολογία κατά IUPAC. Συγκεκριμένα, το αρχικό πρόθεμα «μεθυλο-» δηλώνει την παρουσία διακλάδωσης ενός (1) ατόμου άνθρακα, το τμήμα «βουτ-» δηλώνει την παρουσία  τεσσάρων (4) ατόμων άνθρακα στην κύρια ανθρακική αλυσλιδα 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. Η χρήση του αριθμού θέσης (2-) της διακλάδωσης αποτελεί πλεονασμό, αφού δεν υπάρχει άλλο διακριτό μεθυλοβουτάνιο για να υπάρχει κίνδυνος σύγχισης.

Δομή 

Το μόριό του αποτελείται από πέντε (5) άτομα άνθρακα (τρία (3) πρωτοταγή, ένα (1) δευτεροταγές και ένα (1) τριτοταγές), καθώς και από δωδεκα (12) άτομα υδρογόνου. 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 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 αργό πετρέλαιο.
 Απομονώνεται από μείγματα που προκύπτουν από πυρόλυση βαρύτερων προϊόντων διύλισης αργού πετρελαίου ή και πολυμερών υδρογονανθράκων.

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

1. Δομικά το ισοπεντάνιο αποτελείται από δυο μέρη: ισοπροπύλιο (CH3CHCH3) και αιθύλιο (CH3CH2).  Επομένως, ο απλούστερος τρόπος παρασκευής καθαρού ισοπεντανίου είναι η αντίδραση ζεύγους ισοπροπυλαλογονιδίου - αιθυλολιθίου ή ισοπροπυλολιθίου - αιθυλαλογονιδίου:
ή

2. Αν επιχειρηθεί η ανάλογη αντίδραση Würtz το αποτέλεσμα είναι ένα μείγμα προϊόντων: 

 Η αντίδραση είναι ασύμφορη σε σχέση με την προηγούμενη, αλλά τα προϊόντα αυτά διαχωρίζονται σχετικά εύκολα: Το βαρύτερο, το 2,5-διμεθυλοεξάνιο είναι υγρό (σ.ζ.: 108 °C) στις ΚΣΠ Το ζητούμενο (εδώ) ισοπεντάνιο είναι επίσης υγρό, αλλά πολύ πιο πτητικό (σ.ζ.: 28 °C) και το βουτάνιο είναι αέριο εύκολα υγροποιήσιμο με σχετικά μικρή ψύξη ή και με συμπίεση (σ.ζ.: -0,5 °C).

Παρασκευή με αντιδράσεις χωρίς αλλαγή ανθρακικής αλυσίδας

Με αναγωγή αλογονούχων ενώσεων 

1. Με «υδρογόνο εν τω γεννάσθαι», δηλαδή μέταλλο + οξύ:
ήήή
2. Με LiAlH4 ή NaBH4:
ήήή
3 Με αναγωγή 1-ιωδο-2-μεθυλοβουτάνιου ή 2-ιωδο-2-μεθυλοβουτάνιου ή 2-ιωδο-3-μεθυλοβουτάνιου ή 1-ιωδο-3-μεθυλοβουτάνιου από HI:
ήήή
4. Με αναγωγή από σιλάνιο, παρουσία τριφθοριούχου βορίου, παράγεται μεθυλοβουτάνιo:
ήήή
5. Αναγωγή από αλκυλοκασσιτεράνιο. Π.χ.:
 ή ή ή 
6 Με αναγωγή από μέταλλα και στη συνέχεια υδρόλυση των ενδιάμεσα παραγόμενων οργανομεταλλικών ενώσεων:
1. Με χρήση Li:
ήήή
2. Με χρήση Mg:
ήή
ή

Με υδρογόνωση ακόρεστων υδρογονανθράκων 

1. 2-μεθυλο-1-βουτένιου:

2. 3-μεθυλο-1-βουτένιου:

3. μεθυλο-2-βουτένιου:

4. μεθυλο-1-βουτίνιου:

5. μεθυλο-1,2-βουταδιενίου:

6. μεθυλο-1,3-βουταδιενίου:

7. μεθυλοβουτενινίου:

8. Με καταλυτική υδρογόνωση 1,1-διμεθυλοκυκλοπροπάνιου:

Με αναγωγή οξυγονούχων ενώσεων 

1. Με αναγωγή 2-μεθυλοβουτανάλης - Αντίδραση Wolf-Kishner:

2. Με αναγωγή 3-μεθυλοβουτανάλης - Αντίδραση Wolf-Kishner:

3. Με αναγωγή μεθυλοβουτανόνης - Αντίδραση Clemmensen:

Με αναγωγή θειούχων ενώσεων 

1. Με αναγωγή των κατάλληλων θειολών μπορεί να παραχθεί μεθυλοβουτάνιο. Π.χ. από την αναγωγή της 2-μεθυλο-1-βουτανοθειόλης (μέθοδος Raney):

2. Με αναγωγή των κατάλληλων θειαιθερών μπορεί να παραχθεί μεθυλοβουτάνιο. Π.χ. από την αναγωγή του δι(2-μεθυλοβουτυλο)θειαιθέρα (μέθοδος Raney):

Παρασκευή με αντιδράσεις αποσύνθεσης με μείωση του μήκους της ανθρακικής αλυσίδας 

 Με τη θέρμανση αΛκαλικού διαλύματος 3-μεθυλοπεντανικού οξέος [CH3CH2CH(CH3)CH2COOH] ή [2,2-διμεθυλοβουτανικού οξέος [CH3CH2C(CH3)2COOH] ή 2,3-διμεθυλοβουτανικού οξέος [CH3CH(CH3)CΗ(CH3)COOH] ή 4-μεθυλοπεντανικό οξέος [CH3CH(CH3)CΗ2CΗ2COOH]:
ήήή

Φυσικές διότητες και ισομερή

Το ισοπεντάνιο είναι άχρωμο και πολύ πτητικό υγρό με ελαφριά ευχάριστη οσμή. Ανήκει στην οικογένεια των αλκανίων και μάλιστα είναι ένα από τα μέλη που διατηρεί την εμπειρική του ονομασία ανεξάρτητα από τους κανόνες ονοματολογίας.

Είναι μία από τις τρεις ισομερείς μορφές του πεντανίου: το (κανονικό) n-πεντάνιο (CH3-(CH2)3-CH3) που είναι ένας γραμμικός υδρογονάνθρακας, το ισοπεντάνιο ή μεθυλο-βουτάνιο (CH-(CH3)2-CH2-CH3) και το νεοπεντάνιο ή διμεθυλο-προπάνιο (C-(CH3)4). Τα ισομερή αυτά παρόλο που έχουν ίδιο χημικό τύπο και μοριακό βάρος, έχουν διαφορετικές δομές και διαφορετικές ιδιότητες.

Αναμιγνύεται πλήρως με υδρογονάνθρακες, και αιθέρες αλλά είναι αδιάλυτος στο νερό.

Χημικές ιδιότητες

Οξείδωση 

1. Όπως όλα τα αλκάνια, το ισοπεντάνιο 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 ενεργειακό εμπόδιο της διάσπασης των δεσμών C-C, των δεσμών C-H και των δεσμών (Ο=Ο) του O2:

2. Παραγωγή υδραερίου:

3. Καταλυτική οξείδωση κυρίως προς 2-μεθυλο-2-βουτανόλη

4. Το μεθυλοβουτάνιο οξειδώνεται από το διοξιράνιο, παράγοντας (κυρίως) 2-μεθυλο-2-βουτανόλη:

5. Οξείδωση με υπερμαγγανικό κάλιο προς 2-μεθυλο-2-βουτανόλη:

Αλογόνωση 

 Δραστικότητα των X2: F2 > Cl2 > Br2 > Ι2.
 όπου 0<a,b,c,d<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 για το χλώριο θα έχουμε: 
 3-μεθυλοβουτυλοχλωρίδιο-1: 3·1 = 3.
 3-μεθυλοβουτυλοχλωρίδιο-2: 2·3,8 = 7,6.
 2-μεθυλοβουτυλοχλωρίδιο-2: 1·5 = 5.
 2-μεθυλοβουτυλοχλωρίδιο-1: 6·1 = 6.

 Δηλαδή το μείγμα που προκύπτει είναι: 13,9% 3-μεθυλοβουτυλοχλωρίδιο-1, 35,2% 3-μεθυλοβουτυλοχλωρίδιο-2, 23,1% 2-μεθυλοβουτυλοχλωρίδιο-2 και 27,8% 2-μεθυλοβουτυλοχλωρίδιο-1.
 Τα Br και I είναι πιο εκλεκτικά και λιγότερο δραστικά. Η αναλογία των πεντυλαλογονιδίων μεταβάλλεται προς όφελος του τριτοταγούς (αυτού που το αλογόνο συνδέεται με τριτοταγές άτομο C, δηλαδή ατόμου C ενωμένου με 3 άλλα άτομα C) 2-μεθυλοβουτυλοαλογονιδίου-2. Ειδικα για το βρώμιο θα έχουμε:
 3-μεθυλοβουτυλοβρωμίδιο-1: 3·1 = 3.
 3-μεθυλοβουτυλοβρωμίδιο-2: 2·82 = 164.
 2-μεθυλοβουτυλοβρωμίδιο-2: 1·1600 = 1600.
 2-μεθυλοβουτυλοβρωμίδιο-1: 6·1 = 6.

 Δηλαδή το μείγμα που προκύπτει είναι: 0,2% 3-μεθυλοβουτυλοβρωμίδιο-1, 9,2% 3-μεθυλοβουτυλοβρωμίδιο-2, 90,2% 2-μεθυλοβουτυλοβρωμίδιο-2 και 0,3% 2-μεθυλοβουτυλοβρωμίδιο-1.

 Ανάλυση του μηχανισμού της χλωρίωσης του  CH3CH2CH(CH3)2:
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 μονοααλογονιδίων.
 Αν χρησιμοποιηθούν ισομοριακές ποσότητες CH3CH2CH(CH3)2 και Χ2 θα παραχθεί μείγμα όλων των αλογονοπαραγώγων του CH3CH2CH(CH3)2.
 Αν όμως χρησιμοποιηθει περίσσεια CH3CH2CH(CH3)2, τότε η απόδοση τωμ μονοπαραγώγων αυξάνεται πολύ, λόγω της αύξησης της στατιστική πιθανότητας συνάντισης CH3CH2CH(CH3)2 με X. σε σχέση με την πιθανότητα συνάντισης μονοπαραγώγου και X., που μπορεί να οδηγήσει στην παραγωγή των υπόλοιπων X-παραγώγων.

Περιφθορίωση 

Το μεθυλοβουτάνιο αντιδρά με το τριφθοριούχο κοβάλτιο, αντικαθιστώντας όλα τα άτομα υδρογόνου με άτομα φθορίου, παράγοντας έτσι εννεαφθορο(τριφθορομεθυλο)βουτάνιο:

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 (τρεις) (3) δεσμούς C#1H2-H: Παράγεται 2-μεθυλοπεντάνιο.
 Παρεμβολή στους δύο (2)  δεσμούς CH-H: Παράγεται 2,3-διμεθυλοβουτάνιο.
 Παρεμβολή στο δεσμό C-H: Παράγεται 2,2-διμεθυλοβουτάνιο.
 Παρεμβολή στους έξι (6) δεσμούς C#1,#1'H2-H: Παράγεται 3-μεθυλοπεντάνιο.

Προκύπτει επομένως μείγμα 2-μεθυλοπεντάνιου (~25%), 2,3-διμεθυλοβουτάνιου (~16,7%), 2,2-διμεθυλοβουτανίου (~8,3%) και 3-μεθυλοπεντάνιου (-50%).

Νίτρωση 

 Αντιδρά με ατμούς HNO3 στην αέρια φάση:

 

όπου 0<a,b,c,d<1,  a + b + c + d = 1.

Προσθήκη σε πολλαπλούς δεσμούς 

Το μεθυλοβουτάνιο μπορεί να δώσει αντιδράσεις προσθήκης σε πολλαπλούς δεσμούς κατά την έννοια (CH3)2Cδ-(CH2CH3)-Hδ+. Π.χ.:

Καταλυτική ισομερείωση

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

Εφαρμογές

Το ισοπεντάνιο χρησιμοποιείται κυρίως ως διαλύτης και ενδιάμεση ένωση στη χημική βιομηχανία.

Σε μείγματα με n-πεντάνιο χρησιμοποιείται στην παραγωγή διογκωμένου πολυστυρενίου, αλλά και ως προωθητικό ψεκασμού για τα αεροζόλ. Επίσης ως οικολογικό διογκωτικό αέριο της πολυουρεθάνης μαζί με το κυκλοπεντάνιο έχει αντικαταστήσει τα παλαιότερα διογκωτικά αέρια R-11 (τριχλωροφθορομεθάνιο, CCl3F) και R-141b (1,1-διχλωρο-1-φθοραιθάνιο, CH3CCl2F) στους θαλάμους φορτηγών-ψυγείων.

Ασφάλεια - υγεία

Το ισοπεντάνιο 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
Τάση ατμών ισοπεντανίου.
Η σελίδα της Ε.Ε. για την ταξινόμηση και την επισήμανση των επικίνδυνων ουσιών.
Τεχνικό δελτίο δεδομένων ισοπεντανίου από την Shell Chemicals
 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
Σημ.: Μερικές από τις ενέργειες αντιδράσεων υπολογίστηκαν με χρήση κατάλληλου λογισμικού. Θα διασταυρωθούν και βιβλιογραφικά το συντομότερο για μεγαλύτερη ακρίβεια.

Αλκάνια
C5