Προπίνιο

Το προπίνιο ή μεθυλακετυλένιο (αγγλικά: propyne) είναι οργανική χημική ένωση με μοριακό τύπο C3H4 και ημισυντακτικό τύπο CH3C≡CH. Είναι το 2ο μέλος της ομόλογης σειράς των αλκινίων, αμέσως μετά από το αιθίνιο, που είναι το απλούστερο αλκίνιο 

Το χημικά καθαρό προπίνιο,  στις «κανονικές συνθήκες περιβάλλοντος», δηλαδή σε θερμοκρασία 25 °C και υπό πίεση 1 atm, είναι άχρωμο αέριο, που χρησιμοποιείται ευρύτατα ως καύσιμο και ως πρόδρομη ένωση σύνθεσης άλλων οργανικών ενώσεων. Ήταν ένα συστατικό του αερίου MAPP, μαζί με το ισομερές του προπαδιένιο, που χρησιμοποιήθηκε συχνά στην οξυγονοκόλληση, γιατί αντίθετα από το αιθίνιο, το προπίνιο μπορεί να συμπιεστεί με ασφάλεια.

Ισομέρεια 
Με βάση τον παραπάνω αναφερόμενο μοριακό τύπο (C3H4), έχει τα ακόλουθα δύο (2) ισομερή θέσης:
 Το προπαδιένιο: Ένα αλκαδιένιο.
 Το κυκλοπροπένιο: Ένα κυκλοαλκένιο.

Ονοματολογία 

Η ονομασία «προπίνιο» προέρχεται από την ονοματολογία κατά IUPAC. Συγκεκριμένα, το πρόθεμα «προπ-» δηλώνει την παρουσία τριών (3) ατόμων άνθρακα ανά μόριο της ένωσης, το ενδιάμεσο «-ιν-» δείχνει την παρουσία ενός (1) τριπλού δεσμού μεταξύ ατόμων άνθρακα στο μόριο και η κατάληξη «-ιο» φανερώνει ότι δεν περιέχει χαρακτηριστικές ομάδες, δηλαδή ότι είναι υδρογονάνθρακας.

Δομή 

Δυο (2) από τα άτομα άνθρακα που περιέχει βρίσκονται σε υβριδισμό sp και συνδέονται με τριπλό δεσμό, δηλαδή ένα (1) σ και δύο (2) π. Το άλλο βρίσκεται σε sp3 υβριδισμό. Οι π-δεσμοί στο μόριο του προπινίου είναι υπεύθυνοι για τη χρήσιμη δραστικότητά του. Η περιοχή του τριπλού δεσμού χαρακτηρίζεται από (σχετικά) υψηλή ηλεκτρονιακή πυκνότητα, που επομένως είναι ευάλωτη σε επιδράσεις ηλεκτρονιόφιλων. Πολλές αντιδράσεις του προπινίου καταλύνται από διάφορα μέταλλα μετάπτωσης, που σχηματίζουν προσωρινά σύμπλοκα με τα π και π* τροχιακά του προπινίου.

Παραγωγή

Μείγμα προπίνιου - προπαδιενίου (MAPD) παράγεται ως παραπροϊόν, συχνά ανεπιθύμητο, με πυρόλυση προπανίου, από την οποία το κύριο προϊόν είναι το προπένιο, που είναι μια σημαντική πρόδρομη ένωση της χημικής βιομηχανίας. Στη συνέχεια, το MAPD, αν δεν απομακρυνθεί, παίρνει μέρος στον καταλυτικό πολυμερισμό του προπενίου, σχηματίζοντας (συνήθως ανεπιθύμητα) συμπολυμερή.

Εργαστηριακές μέθοδοι 

Το προπίνιο μπορεί να συνθεθεί, σε εργαστηριακή κλίμακα, με αναγωγή 1-προπανόλης, 2-προπεν-1-όλης ή προπανόνης, με διέλευση ατμών τους πάνω από μαγνήσιο.

Εναλλακτικές μέθοδοι

Με απόσπαση υδραλογόνων 

Με απόσπαση δύο ισοδυνάμων υδραλογόνου από 1,1-διαλοπροπάνιο, με χρήση υδροξειδίου του νατρίου (NaOH), παράγεται προπίνιο:

 Το 1,2-διαλοπροπάνιο δίνει και μια σχετικά μικρή ποσότητα προπαδιένιου.

Με απόσπαση αλογόνων 

Με απόσπαση δύο μορίων αλογόνου από 1,1,2,2-τετραλοπροπάνιο, με χρήση ψευδαργύρου (Zn), παράγεται προπίνιο:

Με μεθυλίωση αιθινίου 

Το αιθινικό νάτριο μπορεί να μεθυλιωθεί με μεθυλαλογονίδιο:

Χημικές ιδιότητες και παράγωγα 

Το προπίνιο είναι μια ένωση που είναι βολική στο να προσθέτει ομάδα τριών ατόμων άνθρακα σε οργανικές συνθέσεις. Με επίδραση αλκυλολιθιακών ενώσεων, όπως το βουτυλολίθιο (BuLi), δίνει 1-προπινυλολίθιο (CH3C≡CLi). Το τελευταίο είναι ένα πυρηνόφιλο αντιδραστήριο, που μπορεί να δώσει αντίδραση προσθήκης σε καρβονυλικές ομάδες, παράγοντας έτσι αλκοόλες και εστέρες. Αν και το ίδιο το χημικά καθαρό προπίνιο είναι ακριβό, το αέριο MAPP μπορεί να χρησιμοποιηθεί στη θέση του και παράγεται (σχετικά) φθηνά σε μεγάλες ποσότητες.

Το προπίνιο, μαζί με το 2-βουτίνιο, μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για τη σύνθεση αλκυλιωμένων υδροκινονών, γεγονός που έχει εφαρμογή στη σύνθεση βιταμίνης Ε.

Ισομερείωση 

Βρίσκεται σε χημική ισορροπία με το ισομερές του προπαδιένιο. Το μείγμα συμβολίζεται συντομογραφικά MAPD (MethylAcetylPropylDiene):

Η σταθερά ισορροπίας της αντίδρασης είναι 0,22 στους 270 °C και 0,1 στους 5 °C. Βιομηχανικά το MAPD παράγεται ως παραπροϊόν της πυρόλυσης του προπανίου, που παράγει κυρίως προπένιο. Το MAPD επεμβαίνει στον κατιονικό πολυμερισμό του προπενίου (αλλάζοντας το προϊόν πολυμερισμού με προϊόν συμπολιμερισμού).

Καύση 

Με το οξυγόνο του αέρα καίγεται παρέχοντας κυανή φλόγα υψηλότατης θερμοκρασίας:

Ενυδάτωση 

Με επίδραση θειικού οξέος και στη συνέχεια νερού (ενυδάτωση) σε προπίνιο, παρουσία ιόντων υδραργύρου (Hg), παράγεται προπανόνη (CH3COCH3):

 Ενδιάμεσα παράγεται προπεν-2-όλη (ασταθής ενόλη) που ισομερειώνεται σε προπανόνη.

Προσθήκη υπαλογονώδους οξέος 

Με επίδραση (προσθήκη) υποαλογονώδους οξέος (HOX) προπίνιο παράγεται αλοπροπανόνη:

 Ενδιάμεσα παράγεται 1-αλοπροπεν-2-όλη (ασταθής ενόλη) που ισομερειώνεται σε αλοπροπανόνη.

Καταλυτική υδρογόνωση 

Με καταλυτική υδρογόνωση προπινίου σχηματίζεται αρχικά προπένιο και στη συνέχεια (με περίσσεια υδρογόνου) προπάνιο.:

Αλογόνωση 

Με επίδραση αλογόνου (X2) (αλογόνωση) σε προπίνιο έχουμε προσθήκη στον τριπλό δεσμό. Παράγεται αρχικά 1,2-διαλοπροπένιο και στη συνέχεια (με περίσσεια αλογόνου) 1,1,2,2-τετραλοπροπάνιο.:

Υδραλογόνωση 

Με προσθήκη υδραλογόνων (HX) (υδραλογόνωση) σε προπίνιο παράγεται  αρχικά 2-αλοπροπένιο και στη συνέχεια (με περίσσεια υδραλογόνου) 2,2-διαλοπροπάνιο.:

Υδροκυάνωση 

Με προσθήκη υδροκυανίου (HCN) (υδροκυάνωση) σε προπίνιο παράγεται μεθυλαιθενονιτρίλιο:

Προσθήκη μονοξειδίου του άνθρακα 

1. Με προσθήκη μονοξειδίου του άνθρακα (CO) και νερού (H2O), παράγεται μεθυλο-2-προπενικό οξύ:

2. Με προσθήκη μονοξειδίου του άνθρακα (CO) και αλκοόλης (ROH), παράγεται μεθυλο-2-προπενικός αλκυλεστέρας:

Διυδροξυλίωση 

Η διυδροξυλίωση προπινίου, αντιστοιχεί σε προσθήκη H2O2 και παράγει υδροξυπροπανόνη:

1. Επίδραση αραιού διαλύματος υπερμαγγανικού καλίου (KMnO4). Π.χ.:
 
2. Επίδραση καρβονικού οξέος και υπεροξείδιου του υδρογόνου:
 

 Ενδιάμεσα παράγεται 1,2-προπενοδιόλη (ασταθής ενόλη) που ισομερειώνεται σε υδροξυαιθανάλη.

Επίδραση πυκνού υπερμαγγανικού καλίου 

Με επίδραση πυκνού διαλύματος υπερμαγγανικού καλίου (KMnO4) παράγεται πυροσταφυλικό οξύ:

Προσθήκη αλκοολών 

Με επίδραση αλκοόλης (ROH) σε προπίνιο παράγεται 2-αλκοξυπροπένιο:

Προσθήκη καρβονικών οξέων 

Με επίδραση καρβονικών οξέων (RCOOH) σε προπίνιο παράγεται καρβονικός μεθυλοβινυλεστέρας:

Οζονόλυση 

Με επίδραση όζοντος (οζονόλυση) σε προπίνιο, παράγεται αρχικά ασταθές οζονίδιο που τελικά διασπάται σε οξοπροπανάλη:

Όξινη συμπεριφορά 

1. Αντιδρά με το νατραμίδιο, σε υγρή αμμωνία, σχηματίζοντας προπινικό νάτριο:
 

2. Αντιδρά με το  βουτυλολίθιο, σε ψυχρό τετραϋδροφουράνιο, σχηματίζοντας προπινικό λίθιο:
 

3. Με επίδραση μεταλλικού νατρίου παράγεται προπινικό νάτριο:
 
 
 Το προπανικό νάτριο αποτελεί πρώτη ύλη για την παραγωγή άλλων παραγώγων με τριπλό δεσμό, γιατί αντιδρά με αλκυλαλογονίδια (RX):
 

4. Με επίδραση ιόντων αργύρου (Ag+) και παρουσία αμμωνίας (NH3) παράγεται ένα λευκό στερεό, ο προπινικός άργυρος:
 

5. Με επίδραση ιόντων μονοσθενούς χαλκού (Cu+) και παρουσία αμμωνίας (NH3) παράγεται ένα κεραμιδί στερεό, ο προπινικός χαλκός:
 

 Οι αντιδράσεις #4 και #5 χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση της ομάδας -C ≡ CH.

Χημεία Reppe 

Ο Γουώλτερ Ρέππε (Walter Reppe) ανακάλυψε ότι, παρουσία διαφόρων καταλυτών, το προπίνιο μπορεί να αντιδράσει με διάφορα αντιδραστήρια παράγοντας μια ευρεία ποικιλία βιομηχανικά σημαντικών χημικών.

1. Με αλκοόλες (ROH), με το υδροκυάνιο (HCN), με το υδροχλώριο (HCl) και με καρβοξυλικά οξέα (RCOOH), το αιθίνιο παράγει 2-προπενυλενώσεις (δηλαδή ενώσεις γενικού τύπου AC(CH3)=CH2): 

2. Με αλδεΰδες (RCHO) δίνει προπινυλόλες, σύμφωνα με την αντίδραση Φαβόρσκιυ (Favorskii reaction):

3. Με αντίδραση προπινίου με μονοξείδιο του άνθρακα και νερό ή αλκοόλη παράγεται μεθυλοπροπενικό οξύ ή μεθυλοπροπενικός εστέρας, αντιστοίχως, που χρησιμοποιούνται, με τη σειρά τους, για την παραγωγή μεθακρυλικού γυαλιού και άλλων μεθακρυλικών προϊόντων:

4. Με κυκλοποίηση (μαζί με ολιμερισμό) προπινίου παράγεται το μεσιτυλένιο, το 1,3,5,7-τετραμεθυλοκυκλοοκτατετραένιο και η 2,5-διμεθυλουδροκινόνη: 
 

 1,3,5,7-τετραμεθυλοκτατετραένιο
  2,5-διμεθυλυδροκινόνη

Προσθήκη καρβενίων 

Κατά την προσθήκη μεθυλενίου σε προπίνιο σχηματίζονται 1-βουτίνιο, 2-βουτίνιο και κυκλοπροπένιο:
 

 Η αντίδραση είναι ελάχιστα εκλεκτική και αυτό σημαίνει ότι κατά προσέγγιση έχουμε:
1. Παρεμβολή στους τρεις (3) δεσμούς C#3-H: Προκύπτει 1-βουτίνιο, που είναι ένα αλκίνιο.
2. Παρεμβολή στον έναν (1) δεσμό C#1-H: Προκύπτει 2-βουτίνιο, που είναι ένα αλκίνιο.
3. Προσθήκη στον έναν (1) τριπλό δεσμό: Προκύπτει 1-μεθυλοκυκλοπροπένιο, που είναι ένα κυκλοαλκένιο.

 Προκύπτει επομένως μίγμα 1-βουτινίου ~60%,  2-βουτινίου ~20% και 1-μεθυλοκυκλοπροπενίου ~20%.
 Με τη χρήση διιωδομεθάνιου (CH2I2) και ψευδαργύρου (Zn) επικρατεί η προσθήκη, οπότε είναι:

Χρήση ως καυσίμου πυραύλων 

Ευρωπαϊκές εταιρίες παραγωγής διαστημικών οχημάτων ερευνούν τη χρήση ελαφρών υδρογονανθράκων σε συνδυασμό με υγρό οξυγόνο, ως υψηλής απόδοσης προωθητικό πυραύλων, που είναι επίσης λιγότερο τοξικό από το συνηθισμένο χρησιμοποιούμενο μίγμα MMH/NTO, που είναι μίγμα μονομεθυλυδραζίνης και τετροξειδίου του αζώτου. Η έρευνά τους έδειξε ότι το προπίνιο θα μπορούσε να δώσει ένα καύσιμο με πολλά πλεονεκτήματα για σκάφη που προορίζονται για επιχειρήσεις χαμηλής τροχιάς πάνω από τη Γη. Έφθασαν σε αυτό το συμπέρασμα βασιζόμενοι στην ειδική προώθηση του προπινίου που αναμένεται να φθάνει, με χρήση οξυγόνου ως οξειδωτικού, τα 370 s, με υψηλή πυκνότητα και πυκνότητα ισχύος, αλλά μέτρια θερμοκρασία βρασμού, γεγονός που κάνει ευκολότερη την αποθήκευσή του, σε σύγκριση με άλλα καύσιμα που απαιτούν πολύ χαμηλές, κρυογονικές θερμοκρασίες.

Παρατηρήσεις, υποσημειώσεις και αναφορές

Πηγές 

 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
 University College of Cork

Αλκίνια
C3