2,2-διμεθυλοβουτάνιο

Το 2,2-διμεθυλοβουτάνιο ή νεοεξάνιο είναι ένα αλκάνιο, δηλαδή άκυκλος κορεσμένος υδρογονάνθρακας, με μοριακό τύπο C6H14 και σύντομο συντακτικό τύπο (CH3)3CCH2CH3. Αποτελεί συστατικό του αργού πετρελαίου και ιδιαίτερα της βενζίνης, μετά από πυρόλυση. Η ποιότητά του ως καύσιμο βενζινοκινητήρων είναι μέτρια, αφού έχει αριθμό οκτανίου 93,4. Ως καύσιμο ντίζελ είναι ακόμη χειρότερο, με αριθμό κετανίου 24,4.

Ονοματολογία 

Η ονομασία «διμεθυλοβουτάνιο» προέρχεται από την ονοματολογία κατά IUPAC. Συγκεκριμένα, το αρχικό πρόθεμα «διμεθυλο-» δηλώνει την παρουσία δύο (2) όμοιων διακλαδώσεων  και τα δυο («δι-») ενός (1) ατόμου άνθρακα («-μεθυλο-») και συγκεκριμένα και οι δυο στο άτομο άνθρακα #2, όπως δηλώνουν οι αρχικοί αριθμοί θέσης («2,2-»), το τμήμα «βουτ-» δηλώνει την παρουσία  τεσσάρων (4) 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 διαθέτουν χαρακτηριστικές καταλήξεις.

Δομή 

Το μόριό του αποτελείται από έξι (6) άτομα άνθρακα [τέσσερα (4) πρωτοταγή, ένα (1) δευτεροταγές και  ένα (1) τεταρτογενές], που πλαισιώνονται δεκατέσσερα (14) άτομα υδρογόνου.

Παραγωγή

Απομόνωση από φυσικές και βιομηχανικές πηγές 

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

Παρασκευή με αντιδράσεις σύνθεσης 

1. Δομικά το 2,2-διμεθυλοβουτάνιο αποτελείται από δυο τμήματα: α) το τριτοταγές βουτύλιο [(CH3)3C-] και β) το αιθύλιο (CH3CH2-). Επομένως, η απλούστερη μέθοδος σύνθεσης καθαρού 2,2-διμεθυλοβουτάνιου είναι η αντίδραση αντίστοιχων ζευγών αλκυλαλογονιδίου-αλκυλολιθίου. Δηλαδή:
ή

όπου X οποιοδήποτε αλογόνο, αλλά συνήθως χρησιμοποιείται το βρώμιο (Br).

2. Αν επιχειρηθεί η ανάλογη αντίδραση Βουρτζ (Wurtz) το αποτέλεσμα είναι ένα μείγμα προϊόντων, λόγω των ακόλουθων δύο (2) ανταγωνιστικών αντιδράσεων: 

 Οι ρίζες των τριτοταγών βουτυλίων δεν ενώνονται μεταξύ τους λόγω στερεοχημικής παρεμπόδισης.
 Η αντίδραση είναι συγκριτικά ασύμφορη σε σχέση με την προηγούμενη, αλλά τα προϊόντα αυτά διαχωρίζονται σχετικά εύκολα, με απόσταξη. Το βαρύτερο είναι το ζητούμενο (εδώ) νεοεξάνιο με σ.ζ.: 49,73 °C ενώ του βουτανίου με σ.ζ.: -0,5 °C.

Παραγωγή με αντιδράσεις χωρίς αλλαγή μήκους ανθρακικής αλυσίδας

Με αναγωγή αλογονούχων ενώσεων 

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

ή

Με υδρογόνωση ακόρεστων υδρογονανθράκων 

1. Από 3,3-διμεθυλοβουτένιο:

2. Από διμεθυλοβουτίνιο:

Με αναγωγή οξυγονούχων ενώσεων 

1. Με αναγωγή κατάλληλων αλδεϋδών - Αντίδραση Βολφ-Κίσνερ (Wolf-Kishner):
1. Από 2,2-διμεθυλοβουτανάλη:

2. Από 3,3-διμεθυλοβουτανάλη:

2. Με αναγωγή κατάλληλων κετονών - Αντίδραση Κλεμμενσέν (Clemmensen):
1. Από διμεθυλοβουτανόνη:

Με αναγωγή θειούχων ενώσεων 

1. Με αναγωγή των κατάλληλων θειολών μπορεί να παραχθεί 2,2-διμεθυλοβουτάνιο. Π.χ. από την αναγωγή της 3,3-διμεθυλοβουτανοθειόλης (μέθοδος Raney):

2. Με αναγωγή των κατάλληλων θειαιθέρων μπορεί να παραχθεί 2,2-διμεθυλοβουτάνιο. Π.χ. από την αναγωγή του δι(3,3-διμεθυλοβουτυλο)θειαιθέρα (μέθοδος Raney):

Παρασκευή με αντιδράσεις αποσύνθεσης, δηλαδή με μείωση του μήκους της ανθρακικής αλυσίδας 

 Με τη θέρμανση αλκαλικού διαλύματος 3,3-διμεθυλοπεντανικού οξέος [CH3CH2(CH3)CH2COOΗ] ή 4,4-διμεθυλοπεντανικού οξέος [CH3(CH3)CH2CH2COOΗ] ή 2,3,3-τριμεθυλοβουτανικού οξέος [(CH3)3CCH(CH3COOΗ]:
ήή

Φυσικές ιδιότητες και ισομερή 

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

Με βάση το χημικό τύπο του προκύπτει ότι η ένωση σχηματίζει τέσσερα (4) ισομερή και συγκεκριμένα τα ακόλουθα:

 Εξάνιο: CH3(CH2)4CH3
 2-μεθυλοβουτάνιο (ισοεξάνιο):(CH3)2CHCH2CH2CH3
 3-μεθυλοπεντάνιο: CH3CH2CH(CH3)CH2CH3
 2,3-διμεθυλοβουτάνιο: (CH3)2CHCH(CH3)2

Χημικές ιδιότητες

Οξείδωση 

1. Τέλεια καύση:  Όπως όλα τα αλκάνια, το νεοεξάνιο με περίσσεια οξυγόνου καίγεται προς διοξείδιο του άνθρακα και νερό:

 Αν και η αντίδραση είναι 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 διμεθυλοβουτανόνη:

Αλογόνωση  

 Δραστικότητα των X2: F2 > Cl2 > Br2 > Ι2.
 όπου 0<a,b,c<1, a+b+c = 1, διαφέρει ανάλογα με το αλογόνο: 

 Τα F και Cl είναι πιο δραστικά και λιγότερο εκλεκτικά. Το φθόριο είναι επικίνδυνα δραστικό και γι'  αυτό η χρήση του γενικά αποφεύγεται. Αν χρησιμοποιηθεί συνήθως καταλήγει σε γενική ανάφλεξη που οδηγεί σε μείγματα φθορανθράκων (όπως ο τετραφθοράνθρακας, CF4) και όχι απλώς αντικατάσταση ατόμων υδρογόνου από άτομα φθορίου. Έτσι, αν είναι επιθυμητή η παραγωγή μονοφθοροπαραγώγων, προτιμάται πρώτα χλωρίωση ή βρωμίωση και στη συνέχεια υποκατάσταση του άλλου αλογόνου από φθόριο, συνήθως με χρήση αλάτων όπως ο φθοριούχος υφυδράργυρος (Hg2F2) ή ο φθοριούχος άργυρος (AgF). Για το χλώριο, η αναλογία των χλωριδίων εξαρτάται σημαντικά από τη στατιστική αναλογία των προς αντικατάσταση ατόμων H:
2,2-διμεθυλοχλωροβουτάνιο: 9·1 = 9
 3,3-διμεθυλο-2-χλωροβουτάνιο: 2·3,8=7,6
 3,3-διμεθυλο-1-χλωροβουτάνιο: 9·1 = 6
 Δηλαδή το μείγμα που προκύπτει είναι: 2,2-διμεθυλοχλωροβουτάνιο [9/(9+7,6+6) =] 39,8%, 3,3-διμεθυλο-2-χλωροβουτάνιο = [7,6/(9+7,6+6) =] 33,6%, 3,3-διμεθυλο-1-χλωροβουτάνιο [6/(9+7,6+6)=] 26,5%.
 Τα Br και I είναι πιο εκλεκτικά και λιγότερο δραστικά. Η αναλογία των αλογονιδίων μεταβάλλεται προς όφελος του 2-αλο-3,3-διμεθυλοβουτάνιου που έχει το X σε δευτεροταγές άτομο C (άτομο C που συνδέεται με άλλα 2 άτομα C). Ειδικά για το βρώμιο θα έχουμε:

βρωμο-2,2-διμεθυλοβουτάνιο: 9·1 = 9
 2-βρωμο-3,3-διμεθυλοβουτάνιο: 2·82=164
 1-βρωμο-3,3-διμεθυλοβουτάνιο: 6·1 = 6
 Δηλαδή το μείγμα που προκύπτει είναι: βρωμο-2,2-διμεθυλοβουτάνιο [9/(9+164+6)=]5%, 2-βρωμο-3,3-διμεθυλοβουτάνιο [164/(9+164+6)=] 91,6%, 1-βρωμο-3,3-διμεθυλοβουτάνιο [6/(9+164+6)=] 3,3%.
 Ανάλυση του μηχανισμού της χλωρίωσης του CH3CH2C(CH3)3:
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  CH3CH2C(CH3)3 και Χ2 θα παραχθεί μείγμα όλων των αλογονοπαραγώγων του CH3CH2C(CH3)3.
 Αν όμως χρησιμοποιηθεί περίσσεια  CH3CH2C(CH3)3, τότε η απόδοση των μονοπαραγώγων αυξάνεται πολύ, λόγω της αύξησης της στατιστική πιθανότητας συνάντησης  CH3CH2C(CH3)3 με X. σε σχέση με την πιθανότητα συνάντησης μονοπαραγώγου και X., που μπορεί να οδηγήσει στην παραγωγή των υπόλοιπων X-παραγώγων.

Παρεμβολή καρβενίων 

 Τα καρβένια C-H. Π.χ. έχουμε:

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

 Παρεμβολή στους τρεις (3) δεσμούς C#4H2-Η : 3
 Παρεμβολή στους δύο (2) δεσμούς  CH-H: 2
 Παρεμβολή στους εννέα (9) δεσμούς C#1,#1',#1"H2-H: 9: 9

Προκύπτει επομένως μείγμα 3,3-διμεθυλοπεντάνιου (~64%), 2,2-διμεθυλοπεντάνιου (~21%) 
και τριμεθυλοβουτάνιου (-14%).

Νίτρωση 

 Αντιδρά με ατμούς HNO3 στην αέρια φάση:

όπου 0<a,b,c<1, a + b + c = 1.

Καταλυτική ισομερείωση 

Τo 2,2-διμεθυλοβουτάνιο μπορεί να υποστεί καταλυτική ισομερείωση προς εξάνιο, 2-μεθυλοπεντάνιο, 3-μεθυλοπεντάνιο και 2,3-διμεθυλοβουτάνιο:

Χρήσεις 

 Είναι συστατικό της βενζίνης, που χρησιμοποιείται ως καύσιμο και διαλυτικό.
 Πρώτη ύλη συνθέσεων, μέσω των αλογονοπαραγώγων του.

Αναφορές και σημειώσεις

Πηγές 

 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

Εξάνια