1-βουτένιο

Το 1-βουτένιο είναι οργανική χημική ένωση, που περιέχει άνθρακα και υδρογόνο, με χημικό τύπο C4H8 και σύντομο συντακτικό τύπο CH3CH2CH=CH2. Είναι μέλος της ομόλογης σειράς των αλκενίων, με τέσσερα (4) άτομα άνθρακα.
Το χημικά καθαρό 1-βουτένιο, στις «συνηθισμένες συνθήκες», δηλαδή σε θερμοκρασία 25 °C και υπό πίεση 1 atm, είναι άχρωμο, άοσμο και εξαιρετικά εύφλεκτο αέριο. Στην εμπορική του μορφή είναι αναμεμειγμένο με ίχνη κάποιου οσμοθέτη, συνήθως κάποια θειόλη, η οποία του δίνει χαρακτηριστική οσμή και έτσι το κάνει εύκολα ανιχνεύσιμο ακόμα και σε πολύ μικρές συγκεντρώσεις, στην ατυχή περίπτωση διαρροής του.

Συνήθως μεταφέρεται και αποθηκεύεται σε υγρή μορφή υπό πίεση, γιατί έτσι καταλαμβάνει πολύ μικρότερο όγκο. Είναι πολύ λίγο διαλυτό στο νερό αλλά διαλύεται εύκολα στην αλκοόλη. Ανήκει στα λεγόμενα «υγραέρια».

Ισομέρεια 

Με βάση χημικό τύπο του έχει 4 ισομερή θέσης (+ 1 γεωμετρικό ισομερές = 5 συνολικά ισομερή): 
 2-βουτένιο (β-βουτυλένιο, σε 2 γεωμερικά ισομερή).
 Μεθυλοπροπένιο (γ-βουτυλένιο).
 Κυκλοβουτάνιο. 
 Μεθυλοκυκλοπροπάνιο.

Ονοματολογία 

Η ονομασία «1-βουτένιο» προέρχεται από την ονοματολογία κατά IUPAC. Συγκεκριμένα, το πρόθεμα «βουτ-» δηλώνει την παρουσία τεσσάρων (4) ατόμων άνθρακα ανά μόριο 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, δηλαδή ότι είναι υδρογονάνθρακας. Τέλος τοποθετεί υποχρεωτικά στην αρχή ο αριθμός θέσης (1-) του διπλού δεσμού του, γιατί να γίνει διάκριση με το ισομερές 2-βουτένιο.

Δομή 

Αυτός ο υδρογονάνθρακας έχει μόριο που αποτελείται από τρία (3) άτομα υδρογόνου και ένα αιθύλιο, ενωμένα με ένα ζεύγος ατόμων άνθρακα, που συνδέονται μεταξύ τους με ένα διπλό δεσμό. Όλα αυτά τα έξι (6) συνολικά άτομα [5 υδρογόνου + 3 άτομα άνθρακα (τα 2 με το διπλό δεσμό + το πρώτο από το αιθύλιο)] είναι ομοεπίπεδα. Η γωνία 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 προπενίου είναι υπεύθυνος για τη χρήσιμη χημική δραστικότητά του. Ή περιοχή του διπλού δεσμού χαρακτηρίζεται από (σχετικά) υψηλή ηλεκτρονιακή πυκνότητα, που επομένως είναι ευάλωτη σε επιδράσεις ηλεκτρονιόφιλων. Πολλές αντιδράσεις του προπενίου καταλύνται από διάφορα μέταλλα μετάπτωσης, που σχηματίζουν προσωρινά σύμπλοκα με τα π και π* τροχιακά του προπενίου.

Παραγωγή

Βιομηχανική μέθοδος 

Το 1-βουτένιο παράγεται βιομηχανικά με τις ακόλουθες μεθόδους:

 Με το διαχωρισμό του από το κλάσμα C4 ενός διυλιστηρίου αργού πετρελαίου. 
 Με διμερισμό αιθένιου. Μετά αποστάζεται για να ληφθεί με μεγαλύτερη καθαρότητα.

Με πυρόλυση αλκανίων 

Με πυρόλυση αλκανίων παράγονται μίγματα που περιέχουν και 1-βουτένιο. Π.χ.:

Με αφυδάτωση αλκανολών 

Με ενδομοριακή αφυδάτωση 1-βουτανόλης παράγεται 1-βουτένιο. Η αντίδραση ευνοείται σε σχετικά υψηηλές θερμοκρασίες, >150 °C:

Με απόσπαση υδραλογόνου 

Με απόσπαση υδραλογόνου (HX) από 1-αλοβουτάνιο παράγεται 1-βουτένιο::

Με απόσπαση αλογόνου 

Με απόσπαση αλογόνου (X2) από 1,2-διαλοβουτάνιο παράγεται 1-βουτένιο:

Με μερική καταλυτική υδρογόνωση 

Με μερική καταλυτική υδρογόνωση 1-βουτινίου παράγεται 1-βουτένιο:

Με καταλυτική αφυδρογόνωση αλκανίων 

Με καταλυτική αφυδρογόνωση βουτανίου, παράγεται και 1-βουτένιο:

 Όπου .

Με θέρμανση τεταρτοταγών αμμωνιακών αλάτων 

Με θέρμανση τεταρτοταγών αμμωνιακών αλάτων (μέθοδος Hoffmann) παράγεται και 1-βουτένιο. Π.χ.

Με επίδραση φωσφοροϋλιδίων σε καρβονυλικές ενώσεις 

Με επίδραση φωσφοροϋλιδίου σε προπανάλη ή μεθανάλη (μέθοδος Wittig) παράγεται 1-βουτένιο. Π.χ.:
ή

Χημική συμπεριφορά

Χημική σταθερότητα 

Το 1-βουτένιο είναι χημικά σταθερό μόνο του, αλλά πολυμερίζεται εξωθερμικά. Είναι πολύ εύφλεκτο και γρήγορα σχηματίζει εκρηκτικά μίγματα με τον ατμοσφαιρικό αέρα. Είναι, ωστόσο, ασύμβατο με την παρουσία ορισμένων μεταλλικών αλάτων, αλογόνων, οξειδίων του αζώτου, τριφθοριούχου βορίου, υδραλογόνων και ισχυρών οξειδωτικών μέσων.

Τέλεια καύση

Ενυδάτωση 

1. Επίδραση θειικού οξέος και στη συνέχεια νερού (ενυδάτωση). Παράγεται 2-βουτανόλη:

2. Υδροβορίωση και στη συνέχεια επίδραση με υπεροξείδιο του υδρογόνου. Παράγεται βουτυλοβοράνιο και στη συνέχεια 1-βουτανόλη:

 Προσθήκη διβορανίου έχει το ίδιο αποτέλεσμα.
3. Αντίδραση με οξικό υδράργυρο και έπειτα αναγωγή. Παράγεται 2-βουτανόλη:

4. Υπάρχει ακόμη η δυνατότητα αλλυλικής υδροξυλίωσης κατά Prins με επίδραση αλδευδών ή κετονών σε 1-βουτένιο απουσία νερού. Π.χ. με μεθανάλη προκύπτει 1-πεντεν-2-όλη:

Προσθήκη υποαλογονώδους οξέως 

Με επίδραση (προσθήκη) υποαλογονώδους οξέος (HOX) σε 1-βουτένιο παράγεται 1-αλο-2-βουτανόλη:

 Το HOX παράγεται συνήθως επιτόπου με την αντίδραση:

Καταλυτική υδρογόνωση 

Με καταλυτική υδρογόνωση 1-βουτένιου σχηματίζεται βουτάνιο. Π.χ.:

Αλογόνωση 

1. Με προσθήκη αλογόνου (X2) (αλογόνωση) σε 1-βουτένιο έχουμε προσθήκη στο διπλό δεσμό. Παράγεται 1,2-διαλοβουτάνιο. Π.χ.:

2. Υποκατάσταση σε αλλυλική θέση, δηλαδή σε α θέση ως προς το διπλό δεσμό. Παράγεται 3-αλο-βουτένιο-1: Π.χ.:

 Η αλλυλική υποκατάσταση ευνοείται με ορισμένα ειδικά αντιδραστήρια αλογόνωσης ή σε υψηλές θερμοκρασίες.

Υδραλογόνωση 

Με προσθήκη υδραλογόνων (HX) (υδραλογόνωση) σε 1-βουτένιο:
1. Με τον πολικό μηχανισμό. Παράγεται 2-βουτυλαλογονίδιο:

2. Με το μηχανισμό ελευθέρων ριζών. Παράγεται 1-βουτυλαλογονίδιο:

Καταλυτική αμμωνίωση 

1. Προσθήκη αμμωνίας (NH3). Παράγεται 2-βουταναμίνη. Π.χ.:

 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 δ. βουτυλαμίνη. Π.χ. με μεθυλαμίνη παράγεται N-μεθυλο-2-βουταναμίνη:

3. Προσθήκη δευτεροταγούς αμίνης. Παράγεται τριτοταγής δ. βουτυλαμίνη. Π.χ. με διμεθυλαμίνη παράγεται N,N-διμεθυλο-2-βουταναμίνη:

Καταλυτική φορμυλίωση 

Με προσθήκη μεθανάλης (CO + H2) σε βουτένιο παράγεται 2-μεθυλοβουτανάλη ή πεντανάλη. 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.

Προσθήκη αλδεΰδών ή κετονών κατά Prins 

Με επίδραση περίσσειας αλδευδών ή κετονών σε προπένιο απουσία νερού, σε χαμηλή θερμοκρασία παράγεται παράγωγο διοξανίου. Π.χ. με μεθανάλη παράγεται 4-αιθυλο-1,3-διοξάνιο και 5-αιθυλο-1,3-διοξάνιο:

Διυδροξυλίωση 

Η διυδροξυλίωση 1-βουτενίου, αντιστοιχεί σε προσθήκη H2O2: 
1. Επίδραση αραιού διαλύματος υπερμαγγανικού καλίου. Παράγει 1,2-βουτανοδιόλη:
 
2. Επίδραση καρβονικού οξέος και υπεροξείδιου του υδρογόνου. Παράγει 1,2-βουτανοδιόλη:
 
3. Μέθοδος Sharpless. Παράγει 1,2-βουτανοδιόλη:
 
4. Μέθοδος Woodward. Παράγει 1,2-βουτανοδιόλη:
 
5. Υπάρχει ακόμη δυνατότητα για 1,3-διυδροξυλίωση με επίδραση αλδευδών ή κετονών σε αιθένιο, παρουσία νερού. Αντίδραση Prins. Π.χ. με μεθανάλη παράγεται 1,3-πεντανοδιόλη:

Οζονόλυση 

Με επίδραση όζοντος (οζονόλυση) σε 1-βουτένιο, παράγεται ασταθές οζονίδιο που τελικά διασπάται σε μεθανάλη και προπανάλη:

Επίδραση πυκνού υπερμαγγανικού καλίου 

Με επίδραση πυκνού διαλύματος υπερμαγγανικού καλίου (KMnO4) παράγεται τελικά διοξείδιο του άνθρακα και προπανικό οξύ:
 
 Ενδιάμεσα παράγεται και μεθανικό οξύ, αλλά είναι ευαίσθητο σε τυχόν περίσσεια υπερμαγγανικού καλίου:

Καταλυτική προσθήκη οξυγόνου 

Κατά την καταλυτική προσθήκη οξυγόνου σε 1-βουτένιο σχηματίζεται αιθυλοξιράνιο. Π.χ.:

Αλλυλική οξείδωση 

Με επίδραση διοξειδίου του σεληνίου σε 1-βουτένιο παράγεται 3-βουτεν-2-όλη:

 Η μέθοδος αυτή ονομάζεται αλλυλική οξείδωση.

Αντίδραση Diels–Adler 

Κατά την επίδραση αλκαδιενίου (διένιου) σε 1-βουτένιο (διενόφιλο) έχουμε την ονομαζόμενη (αντίδραση Diels–Adler) που στην περίπτωση αυτή οδηγεί σε παραγωγή παραγώγου κυκλοεξενίου. Π.χ. με 1,3-βουταδιένιο παίρνουμε 4-αιθυλοκυκλοεξένιο:

Αντίδραση Pauson-Khand 

Κατά την επίδραση αλκίνια και μονοξειδίου του άνθρακα σε 1-βουτένιο έχουμε την ονομαζόμενη αντίδραση Pauson-Khand που στην περίπτωση αυτή οδηγεί σε παραγωγή παραγώγων κυκλοπεντόνης. Π.χ. με αιθίνιο παράγεται 4-αιθυλο-2-κυκλοπεντενόνη και 5-αιθυλο-2-κυκλοπεντενόνη:

Προσθήκη καρβενίων 

Κατά την προσθήκη μεθυλενίου σε 1-βουτένιο σχηματίζεται αιθυλοκυκλοπροπάνιο. Ταυτόχρονα όμως γίνονται και αντιδράσεις παρεμβολής στους δεσμούς C-H, οπότε παράγονται και πεντένια:
 

 Η αντίδραση είναι ελάχιστα εκλεκτική και αυτό σημαίνει ότι κατά προσέγγιση έχουμε:
1. Παρεμβολή στους δύο (2) δεσμούς C#1H-H: Παράγεται 2-πεντένιο.
2. Παρεμβολή στον (1) δεσμό C-H: Παράγεται 2-μεθυλο-1-βουτένιο.
3. Παρεμβολή στους δύο (2) δεσμούς C#3H-H: Παράγεται 3-μεθυλο-1-βουτένιο.
4. Παρεμβολή στους τρεις (3) δεσμούς CH2-H: Παράγεται 1-πεντένιο.
5. Προσθήκη στον (ένα διπλό) δεσμό: Παράγεται αιθυλοκυκλοπροπάνιο.

Προκύπτει επομένως μίγμα 1-πεντενίου ~33%, 3-μεθυλο-1-βουτένιου ~22%, 2-πεντενίου ~22%, 2-μεθυλο-1-βουτένιου ~11% και αιθυλοκυκλοπροπάνιου ~11%.

Πολυμερισμός 

Διακρίνονται τα ακόλουθα είδη πολυμερισμού 1-βουτένιου, που όλα παράγουν α-πολυβουτυλένιο:
1. Κατιονικός. Π.χ.:
 
2.. Ελευθέρων ριζών. Π.χ.:

Φωτοχημικός διμερισμός 

Κατά το φωτοχημικό διμερισμό 1-βουτένιου σχηματίζεται 1,3-διαιθυλοκυκλοβουτάνιο. Π.χ.:

Φωτοχημική προσθήκη αλδεϋδών ή κετονών 

Με επίδραση αλδευδών ή κετονών σε 1-βουτένιο απουσία νερού σχηματίζονται και φωτοχημικά παράγωγα οξετανίου (Αντίδραση Paterno–Büchi). Π.χ. με μεθανάλη παράγεται 3-αιθυλοξετάνιο:

Αρυλίωση 

Με επίδραση αρενίων (ArH) παράγεται παράγωγο γενικού τύπου ArCH(CH3)CH2CH3. Π.χ. με βενζολίου, παρουσία καταλύτη, παράγεται 2-φαινυλοβουτάνιο:
 
 Πρόκειται για αντίδραση προσθήκης του βενζολίου (PhH) με την έννοια Phδ--Hδ+.

Παράγωγα 

Το 1-βουτένιο χρησιμοποιείται για την παραγωγή πολλών άλλων χημικών προϊόντων, όπως γραμμικό χαμηλής πυκνότητας πολυαιθυλένιο (Linear Low - Density Polyethylene → LLDPE), ρητίνες πολυπροπυλενίου, πολυβουτένιο, τετραϋδροφουράνιο και βουτανόνη.

Αναφορές και σημειώσεις

Πηγές 
 Πληροφορίες για το βουτένιο-1 στη ιστοσελίδα της Shell.
 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

Αλκένια
C4