2,4-διμεθυλοπεντάνιο

Το 2,4-διμεθυλοπεντάνιο είναι ένα από τα ισομερή θέσης του επτανίου.

Ονοματολογία 

Η ονομασία «2,4-διμεθυλοπεντάνιο» προέρχεται από την ονοματολογία κατά IUPAC. Συγκεκριμένα: Η ονομασία διαιρείται (νοητά) αρχικά σε δύο τμήματα: στο τμήμα που περιέχει τις πληροφορίες για τις διακλαδώσεις (ή και τους υποκαταστάτες) «2,4-διμεθυλο-» και το τμήμα που έχει περιέχει τις πληροφορίες για την κύρια (δηλαδή την πολυπλοκότερη δυνατή) ανθρακική αλυσίδα «-πεντάνιο».   Το αρχικό πρόθεμα «δι-» δηλώνει την παρουσία δύο όμοιων διακλαδώσεων, το «μεθυλ-», ότι πρόκειται για διακλαδώσεις ενός (1) ατόμου άνθρακα. Οι αριθμοί που προηγούνται στο τμήμα των διακλαδώσεων («2,4-») δηλώνουν τους αριθμούς θέσης των ατόμων άνθρακα της κύριας ανθρακικής αλυσίδας στην οποία στα οποία ενώνονται οι ακολουθούμενες διακλαδώσεις. Ακολουθεί η ονομασία της κύριας ανθρακικής αλυσίδας: Το τμήμα «πεντ-» δηλώνει την παρουσία  πέντε (5) ατόμων άνθρακα στην κύρια ανθρακική αλυσίδα 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, που έχουν χαρακτηριστικές καταλήξεις και επειδή δεν υπήρχαν ούτε στην αρχή χαρακτηριστικά προθέματα υποκαταστατών, παρά μόνο απλά ανθρακούχες διακλαδώσεις, συμπεραίνεται ότι η ένωση είναι ένας υδρογονάνθρακας.

Δομή 

Το μόριό του αποτελείται από επτά (7) άτομα άνθρακα (τέσσερα (4) πρωτοταγή (#1,#5,#1΄ και #1΄΄), ένα (2) δευτεροταγές (#3) και δύο (2) τριτοταγή (#2 και #4)) και δεκαέξι (16) άτομα υδρογόνου.

Παραγωγή

Απομόνωση από φυσικές και βιομηχανικές πηγές 

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

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

1. Δομικά το 2,4-διμεθυλοπεντάνιο αποτελείται από ισοβουτύλιο ((CH3)CHCH2CH2-) και ένα ισοπροπύλιο ((CH3)2CH-).  Επομένως, ο απλούστερος τρόπος παρασκευής καθαρού ισοεπτανίου είναι η αντίδραση ζεύγους ισοβουτυλολίθιου με ισοπροπυλαλογονίδιο ή αντίστροφα ισοβουτυλαλογονίδιου με ισοπροπυλολίθιο:
ή

2. Εναλλακτικά γίνεται η σύνθεση 2,4-διμεθυλοπεντανίου γίνεται και με επίδραση μεθυλολιθίου σε 2,4-διαλοπεντάνιο:

3. Ακόμη μια δυνατότητα είναι η επίδραση ισοπροπυλολιθίου σε διαλομεθάνιο:

Παραγωγή με αντιδράσεις χωρίς αλλαγή ανθρακικής αλυσίδας

Με αναγωγή  κατάλληλων αλογονούχων ενώσεων 

Κατάλληλα για παραγωγή αιθυλοπεντάνιου είναι τα ακόλουθα αλκυλαλογονίδια:
 1-αλο-2,4-διμεθυλοπεντάνιο.
 2-αλο-2,4-διμεθυλοπεντάνιο.
 3-αλο-2,4-διμεθυλοπεντάνιο.

 Καθένα από αυτά, π.χ. το 1-αλο-2,4-διμεθυλοπεντάνιο., μπορεί να αναχθεί με τους ακόλουθους τρόπους:
1. Με «υδρογόνο εν τω γεννάσθαι», δηλαδή μέταλλο + οξύ:

2. Με λιθιοαργιλιοϋδρίδιο (LiAlH4) ή νατριοβοριοϋδρίδιο (NaBH4):

3. Με αναγωγή των αντίστοιχων αλκυλιωδιδίων από HI:

4. Με αναγωγή από μέταλλα (συνήθως λίθιο ή μαγνήσιο) και στη συνέχεια υδρόλυση των παραγόμενων οργανομεταλλικών ενώσεων.Π.χ.::
  
ή

5. Με αναγωγή από σιλάνιο, παρουσία τριφθοριούχου βορίου, παράγεται 2,3-διμεθυλοπεντάνιο.Π.χ.::

 Συμπαράγονται και πολυαλογονοπαράγωγα του σιλανίου.
 Στην παραπάνω λίστα αναφέρθηκαν μόνο οι κατάλληλες αλογονούχες ενώσεις με ένα άτομο αλογόνου ανά μόριο. Υπάρχουν όμως και πολυπλοκότερες, με περισσότερα άτομα αλογόνων ανά μόριο, που μπορούν να επίσης να δώσουν 2,4-διμε8υλοπεντάνιο.

Με αναγωγή  κατάλληλων οξυγονούχων ενώσεων 

1. Με αναγωγή 2,4-διμεθυλοπεντανάλης με υδραζίνη (NH2NH2) (αντίδραση Wölf-Kishner) παράγεται 2,4-διμεθυλοπεντάνιο:

2. Με αναγωγή της 2,4-διμεθυλοπεντανόνης (Αντίδραση Clemmensen) παράγεται 2,4-3ιμεθυλοπεντάνιο:

 Παραπάνω αναφέρθηκαν μόνο οι κατάλληλες οξυγονούχες ενώσεις με ένα άτομο οξυγόνου ανά μόριο. Υπάρχουν όμως και πολυπλοκότερες, με περισσότερα άτομα οξυγόνου ανά μόριο, που μπορούν να επίσης να δώσουν 2,4-διμε8υλοπεντάνιο.

Με αναγωγή κατάλληλων θειολών 

Με αναγωγή των κατάλληλων θειολών (μέθοδος Raney) παράγεται 2,4-διμεθυλοπεντάνιο. Για την παραγωγή του 2,4-διμεθυλοπεντάνιου κατάλληλες είναι οι ακόλουθες θειόλες:
 2,4-διμεθυλοπεντανοθειόλη-1.
 2,4-διμεθυλοπεντανοθειόλη-2.
 2,4-διμεθυλοπεντανοθειόλη-3.

Π.χ. για την 2,4-διμεθυλοπεντανοθειόλη-1 χουμε την ακόλουθη στοιχειομετρική εξίσωση:

Με καταλυτική υδρογόνωση κατάλληλων ακόρεστων αλειφατικών υδρογονανθράκων 

Κατάλληλα για την παραγωγή 2,4-διμεθυλοπεντανίου είναι τα αλκένια, αλκίνια, αλκαδιένια ή και περισσότερο ακόρεστοι υδρογονάνθρακες με συνολικά επτά (7) άτομα άνθρακα. Ειδικότερα, κατάλληλα είναι τα ακόλουθα αλκένια:
 2,4-διμεθυλοπεντένιο-1.
 2,4-διμεθυλοπεντένιο-2.

Π.χ. για το 2,4-διμεθυλοπεντένιο-1 έχουμε την ακόλουθη στοιχειομετρική εξίσωση:

Παραγωγή με αντιδράσεις αποσύνθεσης με μείωση του μήκους της ανθρακικής αλυσίδας

Αποκαρβοξυλίωση κατάλληλων καρβοξυλικών αλάτων 

 Mε τη θέρμανση αλκαλικού διαλύματος των κατάλληλων καρβοξυλικών οξέων παράγεται 2,4-διμεθυλοπεντάνιο. Κατάλληλα για την παραγωγή του 2,4-διμεθυλοπεντάνιου είναι π.χ. τα ακόλουθα καρβοξυλικά οξέα:
 3,5-διμεθυλεξανικό οξύ.
 2,2,4-τριμεθυλοπεντανικό οξύ.
 2-ισοπροπυλο-3-μεθυλοβουτανικό οξύ.

Π.χ. για το 3,5-διμεθυλεξανικό οξύ έχουμε την ακόλουθη στοιχειομετρική εξίσωση:

 Στην παραπάνω λίστα αναφέρθηκαν μόνο τα  κατάλληλα καρβονικά οξέα. Υπάρχουν όμως και δικαρβονικά, τρικαρβονικά, κ.τ.λ. καρβοξυλικά οξέα που με διπλή, τριπλή κ.τ.λ, αποκαρβοξυλίωση αντίστοιχα μπορούν να επίσης να δώσουν 2,4-διμεθυλοπεντάνιο.

Με αναγωγή κατάλληλων θειαιθέρων 

Με αναγωγή των κατάλληλων θειαιθέρων (μέθοδος Raney) παράγεται 2,3-διμεθυλοπεντάνιο. Για την παραγωγή του 2,3-διμεθυλοπεντάνιου κατάλληλοι είναι π.χ. οι ακόλουθοι θειαιθέρες:

 2,4-διμεθυλο-1-(2΄,4΄-διμεθυλοπεντυλοθειο)πεντάνιο.
 2,4-διμεθυλο-2-(2΄,4΄-διμεθυλοπεντυλοθειο)πεντάνιο.
 2,4-διμεθυλο-3-(2΄,4΄-διμεθυλοπεντυλοθειο)πεντάνιο.
 2,4-διμεθυλο-2-(2΄,2΄,4΄-τριμεθυλοβουτυλοθειο)πεντάνιο.
 2,4-διμεθυλο-3-(2΄-ισοπροπυλο-3΄-μεθυλοπροπυλοθειο)πεντάνιο.

Π.χ. για το 2,4-διμεθυλο-1-(2΄,4΄-διμεθυλοπεντυλοθειο)πεντάνιο έχουμε την ακόλουθη στοιχειομετρική εξίσωση

 Στις παραπάνω λίστες αναφέρθηκαν μόνο οι κατάλληλες θειούχες ενώσεις με ένα άτομο θείου ανά μόριο. Υπάρχουν όμως και πολυπλοκότερες, με περισσότερα άτομα θείου ανά μόριο, ή και θειούχες ετεροκυκλικές που μπορούν να επίσης να δώσουν 2,4-διμεθυλοπεντάνιο. Επίσης, παραλήφθηκαν όσες οι μικτοί θειαιθέρες που δείνον μίγματα που περιέχουν και 2,4-διμεθυλοπεντάνιο.

Φυσικές ιδιότητες και ισομερή 

Είναι αδιάλυτο στο νερό, αλλά διαλυτό σε πολλούς οργανικούς διαλύτες, όπως οι αλκοόλες και ο διαιθυλαιθέρας. Ωστόσο, το 2,4-διμεθυλοπεντάνιο θεωρείται και το ίδιο ως ένας οργανικός διαλύτης. Ο διαχωρισμός των δύο ισομερών είναι δυνατός, αν και αντιοικονομικός, με εξαντλητικές αποστάξεις.

Το 2,4-διμεθυλοπεντάνιο έχει τα ακόλουθα οκτώ (8) [δέκα (10) αν μετρηθούν και τα εναντιομερή] ισομερή: 
 (n-) ή (κ-) C7H16: (Κανονικό) επτάνιο.
 CH3(CH2)3CH(CH3)2: 2-μεθυλεξάνιο ή ισοεπτάνιο.
 CH3(CH2)2*CH(CH3)CH2CH3: R,S-3-μεθυλεξάνιο.
 (CH3CH2)3CH: αιθυλοπεντάνιο.
 (CH3)2CΗ*CH(CH3)CH2CH3: R,S-2,3-διμεθυλοπεντάνιο.
 (CH3)3CCH2CH2CH3: 2,2-διμεθυλοπεντάνιο.
 (CH3CH2)2C(CH3)2: 3,3-διμεθυλοπεντάνιο.
 (CH3)3CCH(CH3)2: τριμεθυλοβουτάνιο ή τριπτάνιο.

Τα ισομερή αυτά παρόλο που έχουν ίδιο χημικό τύπο και μοριακό βάρος, έχουν διαφορετικές δομές και διαφορετικές ιδιότητες:

Χημικές ιδιότητες 

Οι διακλαλώσεις κάνουν το 2,4-διμεθυλοπεντάνιο πιο εύφλεκτο από το επτάνιο. Επίσης, θεωρητικά το 2,4-διμεθυλοπεντάνιο καίγεται με φλογα που παράγει λιγότερη αιθάλη και εκπέμπει ακτινοβολία υψηλότερης συχνότητας, αλλά επειδή η διαφορά είναι μικρή, το αποτέλεσμα και για τα δυο ισομερή είναι μια έντονη κίτρινη φλόγα όταν αναφλέγονται.

Επίσης, σε σύγκριση με το επτάνιο, το 2,4-διμεθυλοπεντάνιο έχει χαμηλότερο σημείο τήξης, χαμηλότερο σημείο βρασμού αλλά και χαμηλότερη πυκνότητα.

Στην κλίμακα NFPA 704 το 2,4-διμεθυλοπεντάνιο κατατάσσεται στο επίπεδο 0 χημικής δραστικότητας, μαζί με τα υπόλοιπα άλλα αλκάνια. Ωστόσο η παρουσία των δύο (2) τριτοταγών #3 ατόμου άνθρακα διευκολύνουν την οξείδωσή του και τις φωτοχημικές αντιδράσεις με αλογόνα, συνήθως με το βρώμιο, σε διαλύτες όπως συνήθως το 1,1,1-τριχλωραιθάνιο.

Οξείδωση 

1. Όπως όλα τα αλκάνια, το 2,4-διμεθυλοπεντάνιο 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 κυρίως προς 2,4-διμεθυλοπεντανόλη-2:

4. Οξείδωση με υπερμαγγανικό κάλιο κυρίως προς 2,4-διμεθυλοπεντανόλη-2:

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 δώδεκα (12) συνολικά ισότιμους δεσμούς C#1,#1΄,#1΄΄,#5H2-H. Παράγεται 2,4-διμεθυλεξάνιο.
 Παρεμβολή στους δύο (2) συνολικά ισότιμους δεσμούς C#2,#4-H. Παράγεται 2,2,4-τριμεθυλοπεντάνιο.
 Παρεμβολή στους δύο (2) συνολικά ισότιμους δεσμούς C#3H-H. Παράγεται 2,3,4-διμεθυλοπεντάνιο.

Προκύπτει επομένως μίγμα 2,4-διμεθυλεξάνιου (~75%), 2,2,4-τριμεθυλοπεντάνιου (~12,5%) και 2,3,4-τριμεθυλοπεντάνιου (~12,5%).

Καταλυτική ισομερείωση 

2,4-διμεθυλοπενάνιο μπορεί να υποστεί καταλυτική ισομερείωση προς όλα τα ισομερή του:

Aναφορές και σημειώσεις

Πηγές 

 Παπαγεωργίου Β.Π., “Εφαρμοσμένη Οργανική Χημεία: Άκυκλες Ενώσεις”, Εκδόσεις Παρατηρητής, Θεσσαλονίκη 1986.
 Ασκήσεις και προβλήματα Οργανικής Χημείας Ν. Α. Πετάση 1982
 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.

Επτάνια