1-βουτανόλη

Η 1-βουτανόλη είναι οργανική χημική ένωση, που περιέχει άνθρακα, υδρογόνο και οξυγόνο, με χημικό τύπο C4H10O, αν και παριστάνεται συχνά και με τους τύπους C4H9OH, CH3CH2CH2CH2OH και BuOH. Είναι μια πρωτοταγής αλκοόλη με τέσσερα (4) άτομα άνθρακα ανά μόριο. Με βάση το χημικό τύπο της, C4H10O, έχει τα ακόλουθα 6 ισομερή θέσης
(+ 1 οπτικό = 7 συνολικά ισομερή):
 2-βουτανόλη ή δευτεροταγής βουτανόλη, με σύντομο συντακτικό τύπο: CH3CH2CH(OH)CH3, σε δύο (2) οπτικά ισομερή.
 Μεθυλο-1-προπανόλη ή ισοβουτανόλη, με σύντομο συντακτικό τύπο: (CH3)2CHCH2OH.
 Μεθυλο-2-προπανόλη ή τριτοταγής βουτανόλη, με σύντομο συντακτικό τύπο:  (CH3)3COH.
 1-μεθοξυπροπάνιο ή μεθυλοπροπυλαιθέρας, με σύντομο συντακτικό τύπο: CH3CH2CH2ΟCH3.
 2-μεθοξυπροπάνιο ή ισοπροπυλομεθυλαιθέρας, με σύντομο συντακτικό τύπο: (CH3)2CHΟCH3.
 Αιθυοξυαιθάνιο ή διαιθυλαιθέρας, με σύντομο συντακτικό τύπο: CH3CH2ΟCH2CH3.

Η βουτανόλη ανήκει στην ομάδα των ζυμελαίων  (αγγλόφωνος όρος: fusel alcohols, γερμανόφωνος όρος: 
bad likör), δηλαδή των αλκοολών που έχουν περισσότερων από δύο (2) άτομα άνθρακα ανά μόριο και έχουν σημαντική διαλυτότητα στο νερό.

Η βουτανόλη βρίσκεται φυσικά ως ένα παραπροϊόν της αλκοολικής ζύμωσης ζάχαρης και άλλων σακχάρων. Γι' αυτό είναι φυσικά παρούσα σε πολλά τρόφιμα και ποτά. Είναι επίσης επιτρεπτό τεχνητό αρωματικό πρόσθετο στις ΗΠΑ, που χρησιμοποιήθηκε στο βούτυρο, σε κρέμες, σε φρούτα, σε ρούμι, σε ουΐσκι, σε παγωτά, σε γρανίτες, σε ζαχαρώδη, σε αρτοσκευάσματα, σε λικέρ, καθώς και σε μεγάλο εύρος άλλων καταναλωτικών προϊόντων.

Η μεγαλύτερη χρήση της βουτανόλης είναι ως ένα βιομηχανικό ενδιάμεσο, ειδικότερα για την παραγωγή αιθανικού βουτυλεστέρα, που χρησιμοποιείται ως τεχνητό αρωματικό πρόσθετο και ως βιομηχανικός διαλύτης. Η βουτανόλη είναι είναι πετροχημικό προϊόν, παραγώμενο από το προπένιο και συνήθως χρησιμοποιείται κοντά στη μονάδα παραγωγής της. Η εκτιμώμενη ετήσια παραγωγή της ήταν το 1997 784.000 τόννοι από τις ΗΠΑ, 575.000 τόννοι από τη Δυτική Ευρώπη και 225.000 τόννοι από την Ιαπωνία.

Ονοματολογία 

Η ονομασία «1-βουτανόλη» προέρχεται από την ονοματολογία κατά IUPAC. Συγκεκριμένα, το πρόθεμα «βουτ-» δηλώνει την παρουσία τεσσάρων (4) ατόμων άνθρακα ανά μόριο της ένωσης, το ενδιάμεσο «-αν-» δείχνει την παρουσία μόνο απλών δεσμών μεταξύ ατόμων άνθρακα στο μόριο και η κατάληξη «-όλη» φανερώνει ότι περιέχει ένα υδροξύλιο ως κύρια χαρακτηριστική ομάδα, δηλαδή ότι πρόκειται για αλκοόλη. Τέλος, στην αρχή τοποθετείται ο αριθμός θέσης του ατόμου άνθρακα στο οποίο συνδέεται το υδροξύλιο (1-), ώστε να υπάρχει διαχωρισμός των ισομερών προπανολών.

Μοριακή δομή

Φυσική παρουσία 

Κάποιες φερμομόνες κινδύνου που ανακαλύφθηκαν από τον αδένα μελιού Koschevnikov των μελισσών περιέχουν 1-βουτανόλη.

Η 1-βουτανόλη υπάρχει φυσικά ως ένα παραπροϊόν της ζύμφωσης σακχάρων σε έναν αριθμό οινοπνευματωδών ποτών, που περιλαμβάνουν τη μπύρα, το κονιάκ, το κρασί και το ουΐσκυ. Ακόμη έχει ανιχνευθεί σε αναθυμιάσεις του λυκίσκου, κάποιους καρπούς, γάλακτος θερμικής επεξεργασίας musk melon,, μοσχοπέπονων, τυριών, μπιζέλια και μαγιρευμένου ρυζιού n-Butanol is also formed during deep frying of corn oil, cottonseed oil, trilinolein, and triolein.. Ακόμη, η 1-βουτανόλη σχηματίζεται στα ακόλουθα έλαια κατά το τηγάνισμα: καλαμποκελαιο, βαμβακέλαιο, τριλινολεΐνη και τριολεΐνη.

Η 1-βουτανόλη χρησιμοποιήθηκε ακόμη ως συστατικό σε επεξεργασμένες και τεχνητές αρωματικές ουσίες, για την εκχύλιση αποβουτυρωμένης πρωτεΐνης από κρόκο αυγού, φυσικών αρωματικών υλικών, φυτικών ελαίων, μπυρομαγιάς, καθώς και ως ένας διαλύτης για αφαίρεση χρωστικών ουσιών από υγρό στρώμα πρωτεΐνης από  πηγμένο γάλα για τυρί.

Παραγωγή

Βιομηχανική 

Η 1-βουτανόλη παράγεται βιομηχανικά από το προπένιο, που είναι μια πετροχημική πρώτη ύλη . Το προπένιο αρχικά υδροφορμυλιώνεται (με προσθήκη μονοξειδίου του άνθρακα και υδρογόνου), παρουσία ενός ομογενούς καταλύτη με βάση το ρόδιο, παράγοντας βουτανάλη. Στη συνέχεια, η παραγώμενη βουτανάλη υδρογονώνεται σχηματίζοντας 1-βουτανόλη:

Εργαστηριακή 

 Οι παρακάτω μέθοδοι πρακτικά δεν εφαρμόζονται, παρά μόνο για την ακαδημαϊκή μελέτη τους:

Από 1-βουτένιο 

Από το 1-βουτένιο (παράγωγο του πετρελαίου) με υδροβορίωση και στη υδρόλυση παράγεται 1-βουτανόλη:

 Προσθήκη διβορανίου έχει το ίδιο αποτέλεσμα.

Από προπυλαλογονίδια 

1. Με υδρόλυση βουτυλαγολογονιδίων (CH3CH2CH2CH2X) παράγεται 1-βουτανόλη:

 Ισχυρές βάσεις, όπως το υδροξείδιο του νατρίου, παράγουν 1-βουτένιο, αποσπώντας υδραλογόνο.
 Ως AgOH στην πράξη χρησιμοποιείται υδατικό εναιώρημα οξειδίου του αργύρου (Ag2O).
2. Με επίδραση καρβοξυλικών αλάτων (RCOONa) παράγονται αρχικά καρβοξυλικοί βουτυλεστέρες (RCOOCH2CH2CH2CH3), που υδρολόνται προς προπανόλη-1:

Από προπυλεστέρες 

Με υδρόλυση βουτυλεστέρων (RCOOCH2CH2CH2CH3) παράγεται 1-βουτανόλη:

Από βουτανάλη 

Με αναγωγή βουτανάλης (CH3CH2CH2CHO) παράγεται 1-βουτανόλη:
1. Με καταλυτική υδρογόνωση:

2. Με λιθιοαργιλιοϋδρίδιο (LiAlH4):

Από βουτανικό οξύ 

Με αναγωγή βουτανικού οξέος με LiAlH4 παράγεται 1-βουτανόλη:

Από βουτανικό βουτυλεστέρα 

Ο βουτανικός βουτυλεστέρας δίνει αντιδράσεις οξειδοαναγωγής, σχηματίζοντας 1-βουτανόλη:

1. Με νάτριο (Na) και αιθανόλη (CH3CH2OH):

2. Με διυδρογόνο (H2) και νικέλιο (Ni):

3. Με λιθιοαργιλιοτετραϋδρίδιο (LiAlH4):

Από 1-βουταναμίνη 

Με επίδραση νιτρώδους οξέος (ΗΝΟ2) σε 1-βουταναμίνη παράγεται 1-βουτανόλη::

Από μεθανόλη 

Αρχίζει με την παραγωγή μεθυλοϊωδίδιου και μετά, με επίδραση οξετανίου σε μεθυλομαγνησιοϊωδίδιο, παράγεται 1-βουτανόλη:

Από αιθανόλη 

Αρχίζει με την παραγωγή βρωμαιθάνιου και μετά, με επίδραση οξιρανίου σε αιθυλομαγνησιοϊωδίδιο, παράγεται 1-βουτανόλη:

Από 1-προπανόλη 

Υπάρχουν δύο (2) μέθοδοι για ανοικοδόμηση 1-προπανόλης προς 1-βουτανόλη:
Αρχίζουν και οι δύο με την παραγωγή 1-βρωμοπροπάνιου και μετά βουτανονιτρίλιου:

1. Υδρόλυση βουτανονιτριλίου προς βουτανικό οξύ και μετά αναγωγή προς 1-βουτανόλη:

2. Αναγωγή προς 1-βουταναμίνη και μετατροπή της τελευταίας σε 1-βουτανόλη:

Από 1-πεντανόλη 

Με αποικοδόμιση της ανθρακικής αλυσίδας της 1-πεντανόλης προς 1-βουτανόλη:

Χημικές ιδιότητες και παράγωγα

Αλκοολικά άλατα 
1. Αντίδραση με αλκαλιμέταλλα:

2. Αντίδραση με αμίδια μετάλλων::

3. Αντίδραση με αιθινικά μέταλλα::

4. Αντίδραση με αντιδραστήρια Grignard::

 Ενδεικτική σειρά οξύτητας ορισμένων ενώσεων: νερό (H2O) > 1-βουτανόλη (CH3CH2CH2CH2OH) > αιθίνιο (HC ≡ CH) > αμμωνία (NH3) > μεθάνιο (CH4).

Υποκατάσταση από αλογόνα 

1. Αντίδραση με υδροϊώδιο:

2. Αντίδραση με άλλα υδραλογόνα (X: F, Cl, Br):

3. Αντίδραση με ισχυρά χλωριωτικά μέσα:
1. Με PCl5:

2. Με PCl3:

 Η συγκεκριμένη μέθοδος εφαρμόζεται επίσης για την παραγωγή 1-βρωμοβουτάνιου από 1-βουτανόλη, με την ανάλογη χρήση του τριβρωμιούχου φωσφόρου.
3. Με SOCl2:

1-ένιο 

Με ενδομοριακή αφυδάτωση 1-βουτανόλης παράγεται 1-βουτένιο. Η αντίδραση ευνοείται σε σχετικά υψηλές θερμοκρασίες, >150 °C. Σε χαμηλότερες ευνοείται η διαμοριακή αφυδάτωση που δίνει διβουτυλαιθέρα, ενώ χωρίς καθόλου θέρμανση παράγεται ο όξινος θειικός βουτυλεστέρας (CH3CH2CH2CH2OSO3H), που αποτελεί την ενδιάμεση ένωση για τις αφυδατώσεις.:

Διβουτυλαιθέρας 

Παραγωγή διβουτυλαιθέρα:

Καρβοξυλικοί εστέρες 

Αντίδραση με ακυλιωτικά μέσα:
1. Εστεροποίηση με καρβοξυλικό οξύ:

2. Εστεροποίηση με ανυδρίτη καρβοξυλικού οξέος:

3. Εστεροποίηση με ακυλαλογονίδιο:

 Όπου Py: πυριδίνη.

Οξείδωση 

1. Με υπερμαγγανικό κάλιο (KMnO4). Παράγεται βουτανικό οξύ:

2. Με τριοξείδιο του χρωμίου (CrO3). Παράγεται αρχικά βουτανάλη και στη συνέχεια, με περίσσεια τριοξειδίου του χρωμίου, βουτανικό οξύ:

 Η διαφορά είναι ότι στην περίπτωση #2, η οξείδωση μπορεί να σταματήσει στην βουτανάλη.

Αποικοδόμηση προς 1-προπανόλη 

Με αποικοδόμηση της ανθρακικής αλυσίδας της αιθανόλης παράγεται 1-προπανόλη::

Ανοικοδόμηση προς 1-πεντανόλη 

Υπάρχουν δύο (2) μέθοδοι για ανοικοδόμηση 1-βουτανόλης προς 1-πεντανόλη:
Αρχίζουν και οι δύο με την παραγωγή 1-ιωδοβουτάνιου και μετά πεντανονιτρίλιου:

1. Υδρόλυση πεντανονιτριλίου προς πεντανικό οξύ και μετά αναγωγή προς 1-πεντανόλη:

2. Αναγωγή προς 1-πενταναμίνη και μετατροπή της τελευταίας σε 1-πεντανόλη:

Ανοικοδόμηση προς 1-εξανόλη 

Αρχίζει με την παραγωγή 1-ιωδοβουτάνιου και μετά, με επίδραση οξιρανίου σε βουτυλομαγνησιοϊωδίδιο, παράγεται 1-εξανόλη:

Προσθήκη σε εποξυαιθάνιο 

Με επίδραση σε εποξυαιθάνιο παράγεται 2-βουτοξυαιθανόλη:

Επίδραση καρβενίων 

Παρεμβολή καρβενίων, π.χ. με μεθυλενίου παράγονται 1-πεντανόλη, 2-πεντανόλη, 2-μεθυλο-1-βουτανόλη, 3-μεθυλο-1-βουτανόλη και βουτυλομεθυλαιθέρας:

Εφαρμογές

Βιομηχανικές εφαρμογές 

Η 1-βουτανόλη είναι ένα βιομηχανικό ενδιάμεσο για την παραγωγή προπενικού βουτυλεστέρα, σιθανικού βουτυλεστέρα, φθαλικού διβουτυλοδιεστέρα, σεβακικού διβουτυλοδιεστέρα , καθώς και άλλων χρήσιμων βουτυλεστέρων και βουτυλαιθέρων. Άλλες βιομηχανικές χρήσεις της 1-βουτανόλης περιλαμβάνουν την παραγωγή φαρμακευτικών, πολυμερών, ζιζανιοκτόνων, καθώς και κάποιων ρητινών.

Άλλες εφαρμογές 

Η 1-βουτανόλη χρησιμοποιήθηκε ως ένα συστατικό σε αρώματα και ως ένας διαλύτης για την εκχύλιση αιθέριων ελαίων. Χρησιμοποιήθηκε ακόμη ως ένας εκχυλιστής στην παραγωγή αντιβιοτικών, ορμονών και βιταμινών. Χρησιμοποιήθηκε ακόμη ως διαλύτης για μπογιές, επιστρώσεις, φυσικές ρητίνες, μαστίχες, συνθετικές ρητίνες, βερνίκια, αλκαλοειδή και καμφορά. Διάφορες άλλες εφαρμογές της 1-βουτανόλης είναι ως μέσο διόγκωσης σε υφάσματα, ως συστατικό του υγρού φρένων, ως συστατικό καθαριστικών, απογρασωτικών, εντομοαπωθητικών, μέσων επίπλευσης μεταλλευμάτων και ξυλοθεραπευτικών συστημάτων.

Η 1-βουτανόλη προτάθηκε ως ένα υποκατάστατο ντίζελ και βενζίνης. Παράγεται σε μικρές ποσότητες ως παραπροϊόν σχεδόν σε όλες τις ζυμώσεις, αλλά κάποια είδη του κλωστρίδιου (Clostridium) την παράγουν σε υψηλότερες αποδόσεις, ενώ υπάρχουν σε εξέλιξη έρευνες για ακόμη μεγαλύτερη παραγωγή βιο-1-βουτανόλης από βιομάζα.

Η παραγωγή ή η χρήση κάποιων από τα ακόλουθα προϊόντα μπορεί να έχει ως αποτέλεσμα στην έκθεση σε 1-βουτανόλη: τεχνητό δέρμα, βουτυστέρες, «λαστιχένιο τσιμέντο», βερνίκια, εκχυλίσματα φρούτων, λικέρ, κινηματογραφικές ταινίες, φωτογραφικά φιλμ, αδιάβροχα, αρώματα, τεχνητό μετάξι, γυαλιά ασφάλειας, γομαλάκα βερνίκια και αδιάβροχα ρούχα.

Μεταβολισμός 

Η 1-βουτανόλη απορροφάται γρήγορα μέσω της πεπτικής οδού και των πνευμόνων, καθώς επίσης και από κάποια επαφή από το δέρμα. Μεταβολίζεται τελείως στα σπονδυλωτά παρόμοια με την αιθανόλη: Η αλκοολική δεϋδρογονάση μετατρέπει την 1-βουταβόλη σε βουτανάλη. Αυτή μετατρέπεται σε βουτανικό οξύ από τη δεϋδρογονάση της αιθανάλης. Το παραγώμενο βουτανικό οξύ μπορεί να μεταβολιστεί πλήρω; σε διοξείδιο του άνθρακα και νερό από την μεταβολική οδό της β-οξείδωσης, της οποίας άλλωστε αποτελεί το προτελευταίο στάδιο. Πειράματα που έγιναν σε ποντίκια έδειξαν ότι μόλις το 0,03% μιας δόσης 2 g/kg 1-βουτανόλης αποβλήθηκε ανέπαφο από τα ούρα τους.

Τοξικότητα 

Η ακριβής τοξικότητα της 1-βουτανόλης είναι σχετικά χαμηλή, με την LD50 να κυμαίνεται από 2290 – 4360 mg/kg, δηλαδή συγκρίσιμη μ' αυτήν της αιθανόλης, που αντίστοιχα είναι 7000–15000 mg/kg.. Δεν αναφέρθηκε κανένας θάνατος μετά από εισπνοή 1-βουτανόλης με συφκέντρωση 8000 ppm  επί τετράωρο από ποντίκια. Σε δόσεις μικρότερες από τη θανατηφόρα, η 1-βουτανόλη δρα με παρόμοιο δυσάρεστο τρόπο στο κεντρικό νευρικό σύστημα. Μια σχετική έρευνα σε ποντίκια έδειξε ότι η μέθη από 1-βουτανόλη είναι εξαπλάσια από αυτήν από αιθανόλη, πιθανότατα γιατί η εξουδετέρωσή της από την αλκοολική δεϋδρογονάση  είναι πιο αργή.

Η 1-βουτανόλη είναι ένα φυσικό συστατικό σε πολλά οινοπνευματώδη ποτά, αν και σε χαμηλές αλλά κυμαινόμενες συγκεντρώσεις. Μαζί με άλλα παρόμοια ζυμέλαια είναι υπεύθυνη για σοβαρές περιπτώσεις μέθης, αν και πειράματα σε ζώα δεν έδωσαν ενδείξεις γι' αυτό.

Άλλοι κίνδυνοι χρήσης 

Η υγρή 1-βουτανόλη είναι, όπως είναι πολύ συνηθισμένο με τους περισσότερους οργανικούς διαλύτες, είναι εξαιρετικά ερεθιστική για τα μάτια, αλλά επαναλαμβανόμενη επαφή μπορεί να προκαλέσει ερεθισμό και στο δέρμα. Αυτό πιστεύεται ότι είναι το γενικό αποτέλεσμα από την αφαίρεση του υποδόρειου λίπους. Ωστόσο, δεν έχει παρατηρηθεί ευαισθητοποίηση του δέρματος. Ο ερεθισμός στις αναπνευστικές οδούς συμβαίνει μόνο σε πολύ υψηλές συγκεντρώσεις (>2400 ppm)..

Έχοντας ως ελάχιστη θερμοκρασία ανάφλεξης τους 29 °C, η 1-βουτανόλη παρουσιάζει ένα μέτριο κίνδυνο ανάφλεξης. Είναι λίγο πιο εύφλεκτη από την κηροζίνη ή το ντίζελ, αλλά λιγότερο εύφλεκτη από τους περισσότερους άλλους οργανικούς διαλύτες. Η δυσάρεστη επίδραση της 1-βουτανόλης στον εγκέφαλο (παρόμοια με τη μέθη από την αιθανόλη) είναι ένας δυνητικός κίνδυνος όταν κάποιοι εργάζονται χρησιμοποιώντας 1-βουτανόλη σε κλειστούς χώρους, αν και το κατώφλι όσφρησης για την 1-βουτανόλη  (0,2–30 ppm) είναι πολύ χαμηλότερο από τις συγκεντρώσεις με κάποιο νευρολογικό αποτέλεσμα.

Η 1-βουτανόλη έχει (σχετικά) χαμηλή τοξικότητα για την υδάτινη χλωρίδα και πανίδα. Βιοαποικοδομείται γρήγορα στο νερό, ενώ στον αέρα δημιουργεί ελεύθερες ρίζες υδροξυλίου με ημιζωή 1,2 - 2,3 ημέρες. Επίσης έχει χαμηλό δυναμικό βιοσυσσώρευσης. Ένας δυνητικός κίνδυνος που δημιουργεί η παρουσία της σε υδάτινα περιβάλλοντα είναι η αυξημένη χημική απαίτηση οξυγόνου (C.O.D.) που σχετίζεται με τη βιοαποικοδόμησή της.

Αναφορές και σημειώσεις

Πηγές 

 Βάρβογλης Α. "Χημεία Οργανικών Ενώσεων", Θεσσαλονίκη 1986.
 Μανωλκίδης Κ., Μπέζας Κ. "Στοιχεία οργανικής χημείας", Έκδοση 13η, Αθήνα 1985.
 Αλεξάνδρου Ν. Ε. "Γενική Οργανική Χημεία, Δομή-Φάσματα-Μηχανισμοί", Τόμοι 1ος και 2ος, Θεσσαλονίκη 1985.
 Τσακιστράκης Α. "Οργανική Χημεία", Αθήνα 1993
 Κεχαγιόγλου Α. Χ. "Βιομηχανική Οργανική Χημεία", Θεσσαλονίκη 1989.
 Morrison R. T., Boyd R. N. "Οργανική Χημεία" Τόμοι 1ος,2ος,3ος, Μετάφραση:Σακαρέλλος-Πηλίδης-Γεροθανάσης, Ιωάννινα 1991.
 Meislich H., Nechamkin H., Sharefkin J. "Οργανική Χημεία", Μετάφραση:Βάρβογλης Α., Αθήνα 1983.
 Ιακώβου Π. "Οργανική Χημεία. Σύγχρονη Θεωρία και Ασκήσεις", Θεσσαλονίκη 1995.
 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
 Δημήτριου Ν. Νικολαΐδη: Ειδικά μαθήματα Οργανικής Χημείας, Θεσσαλονίκη 1983.
 Ν. Αλεξάνδρου, Α. Βάρβογλη, Δ. Νικολαΐδη: Χημεία Ετεροχημικών Ενώσεων, Θεσσαλονίκη 1985

Αλκανόλες
C4