4-μεθυλεπτάνιο

Το 4-μεθυλεπτάνιο είναι ένα διακλαδισμένο αλκάνιο, δηλαδή άκυκλος κορεσμένος υδρογονάνθρακας, με χημικό τύπο C8H18 και σύντομο συντακτικό τύπο CΗ3(CH2)2CH(CH3)CH2)2CΗ3.

Ισομέρεια

Το 2-μεθυλεπτάνιο έχει τα ακόλουθα δεκαεπτά (17) ισομερή θέσης:
 οκτάνιο, με σύντομο συντακτικό τύπο CH3(CH2)6CH3).
 3-μεθυλεπτάνιο, με σύντομο συντακτικό τύπο CH3(CH2)3CH(CH3)CH2CH3 (σε δύο (2) οπτικά ισομερή).
 2-μεθυλεπτάνιο, με σύντομο συντακτικό τύπο CΗ3(CH2)2CH(CH3)CH2)2CΗ3.
 Αιθυλεξάνιο, με σύντομο συντακτικό τύπο (CH3CH2)2CHCH2CH2CH3.
 2,2-διμεθυλεξάνιο ή νεοοκτάνιο, με σύντομο συντακτικό τύπο (CH3)3C(CH2)3CH3.
 2,3-διμεθυλεξάνιο, με σύντομο συντακτικό τύπο (CH3)2CΗCH(CH3)CH2CH2CH3 (σε δύο (2) οπτικά ισομερή).
 2,4-διμεθυλεξάνιο, με σύντομο συντακτικό τύπο (CH3)2CΗCH2CH(CH3)CH2CH3 (σε δύο (2) οπτικά ισομερή).
 2,5-διμεθυλεξάνιο, με σύντομο συντακτικό τύπο (CH3)2CΗCH2CH2CΗ(CH3)2
 3,3-διμεθυλεξάνιο, με σύντομο συντακτικό τύπο CH3CH2C(CH3)2CH2CH2CH3.
 3,4-διμεθυλεξάνιο, με σύντομο συντακτικό τύπο CH3CH2CH(CH3)CH(CH3)CH2CH3 (σε τρία (3) οπτικά ισομερή).
 Αιθυλο-2-μεθυλοπεντάνιο, με σύντομο συντακτικό τύπο (CH3CH2)2CHCH(CH3)2.
 Αιθυλο-3-μεθυλοπεντάνιο, με σύντομο συντακτικό τύπο (CH3CH2)2C(CH3)2.
 2,2,3-τριμεθυλοπεντάνιο, με σύντομο συντακτικό τύπο CH3CH2CH(CH3)C(CH3)3 (σε δύο (2) οπτικά ισομερή).
 2,2,4-τριμεθυλοπεντάνιο ή ισοκτάνιο, με σύντομο συντακτικό τύπο (CH3)2CHCH2C(CH3)3 (σε δύο (2) οπτικά ισομερή).
 2,3,3-τριμεθυλοπεντάνιο, με σύντομο συντακτικό τύπο CH3CH2C(CH3)2CH(CH3)2.
 2,3,4-τριμεθυλοπεντάνιο, με σύντομο συντακτικό τύπο (CH3)2CHCH(CH3)CH(CH3)2 (σε δύο (2) οπτικά ισομερή).
 Τετραμεθυλοβουτάνιο (CH3)3CC(CH3)3.

Ονοματολογία 

Η ονομασία «4-μεθυλεπτάνιο»  από την ονοματολογία κατά IUPAC. Συγκεκριμένα, το αρχικό πρόθεμα «μεθυλ-» δηλώνει την παρουσία διακλάδωσης ενός (1) ατόμου άνθρακα και συγκεκριμένα στο άτομο άνθρακα #4, όπως δηλώνει ο αρχικός αριθμός θέσης, το τμήμα «επτ-» δηλώνει την παρουσία επτά (7) 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, δηλαδή ότι είναι υδρογονάνθρακας.

Δομή 

Το μόριό του αποτελείται από οκτώ (8) άτομα άνθρακα (τρία (3) πρωτοταγή, τέσσερα (4) δευτεροταγή και ένα (1) τριτοταγές) και δεκαοκτώ (18) 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 

Δομικά το 4-μεθυλεπτάνιο αποτελείται από τρία μέρη: δύο προπύλια (CH3CH2CH2) και ένα αιθυλιδένιο (>CHCH3).Επομένως, ο απλούστερος τρόπος παρασκευής καθαρού 4-μεθυλεπτάνιου είναι η αντίδραση ζεύγους προπυλολίθιου και 1,1-διαλαιθάνιου::

Παραγωγή με αντιδράσεις χωρίς αλλαγή ανθρακικής αλυσίδας

Με αναγωγή αλογονούχων ενώσεων 

Με αναγωγή κατάλληλων αλογονούχων ενώαεων μπορεί να παραχθεί 4-μεθυλεπτάνιο. Π.χ. για την αναγωγή του 1-αλο-4-μεθυλεπτανίου υπάρχουν οι ακόλουθες μέθοδοι:

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:
  
ή

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

Με αναγωγή οξυγονούχων ενώσεων 

Με αναγωγή κατάλληλων αλδεϋδών μπορεί να παραχθεί 4-μεθυλεπτάνιο. Π.χ. από την αναγωγή της 4-μεθυλεπτανάλης με υδραζίνη (NH2NH2) (Αντίδραση Wölf-Kishner): 

2. Με αναγωγή των κατάλληλων κετονών μπορεί να παραχθεί 4-μεθυλεπτάνιο. Π.χ. από την αναγωγή της  4-μεθυλεπτανόνης-2 (Αντίδραση Clemmensen):

Με αναγωγή θειούχων ενώσεων 

1. Με αναγωγή των κατάλληλων θειολών μπορεί να παραχθεί 4-μεθυλεπτάνιο. Π.χ. από την αναγωγή της 4-μεθυλεπτανοθειόλης-1 (μέθοδος Raney):

2. Με αναγωγή των κατάλληλων θειεστέρων μπορεί να παραχθεί 4-μεθυλεπτάνιο. Π.χ. από την αναγωγή του 1-(4΄-μεθυλεπτυλοθειο)-4-μεθυλεπτάνιου(μέθοδος Raney):

Με καταλυτική υδρογόνωση ακόρεστων αλειφατικών υδρογονανθράκων 

Με καταλυτική υδρογόνωση κατάλληλων ακόρεστων αλειφατικών υδρογονανθράκων μπορεί να παραχθεί 4-μεθυλεπτάνιο. Π.χ. με καταλυτική υδρογόνωση του 4-μεθυλεπτένιου-1:

Παρασκευή με αντιδράσεις αποσύνθεσης με μείωση του μήκους της ανθρακικής αλυσίδας 

 Με τη θέρμανση αΛκαλικού διαλύματος των κατάλληλων καρβοξυλικών οξέων παράγεται 4-μεθυλεπτάνιο. 
Π.χ. κατάλληλο είναι το 5-μεθυλοκτανικό οξύ:

Χημικές ιδιότητες 

Η διακλάδωση κάνει το 4-μεθυλεπτάνιο πιο εύφλεκτο από το οκτάνιο, όπως φαίνεται από τη χαμηλότερη θερμοκρασία αυτοανάφλεξης και την ελάχιστη θερμοκρασία ανάφλεξης σε σχέση με το οκτάνιο. Επίσης, θεωρητικά το 4-μεθυλεπτάνιο 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-μεθυλεπτάνιο έχει χαμηλότερο σημείο τήξης, χαμηλότερο σημείο βρασμού αλλά και χαμηλότερη πυκνότητα.

Στην κλίμακα NFPA 704 το 2-μεθυλεπτάνιο κατατάσσεται στο επίπεδο 0 χημικής δραστικότητας, μαζί με τα υπόλοιπα άλλα αλκάνια. Ωστόσο η παρουσία του τριτοταγούς #4 ατόμου άνθρακα διευκολύνει 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 4-μεθυλεπτάνιο 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 4-μεθυλεπτανόλη-4:

4. Οξείδωση με υπερμαγγανικό κάλιο προς 2-μεθυλεπτανόλη-2:

Αλογόνωση 

 Δραστικότητα των X2: F2 > Cl2 > Br2 > Ι2.
 όπου 0<a,b,c,d,e<1, a + b + c + d + e = 0, διαφέρουν ανάλογα με το αλογόνο: 
 Τα F και Cl είναι πιο δραστικά και λιγότερο εκλεκτικά. Η αναλογία των προπυλαλογονιδίων τους εξαρτάται κυρίως πό τη στατιστική αναλογία των προς αντικατάσταση ατόμων H. 
 Ειδικά για το χλώριο θα έχουμε: 
 Υποκατάσταση σε ένα από τα έξι (6) συνολικά άτομα υδρογόνου των ατόμων άνθρακα #1 και #7. Παράγεται 4-μεθυλο-1-χλωρεπτάνιο: 6·1 = 6.
 Υποκατάσταση σε ένα από τα τέσσερα (4) άτομα υδρογόνου των ατόμων άνθρακα #2 και #6. Παράγεται 4-μεθυλο-2-χλωρεπτάνιο: 4·3,8 = 15,2.
 Υποκατάσταση σε ένα από τα τέσσερα (4) άτομα υδρογόνου των ατόμων άνθρακα #3 και #5 . Παράγεται 4-μεθυλο-3-χλωρεπτάνιο: 4·3,8 = 15,2.
 Υποκατάσταση στο άτομο υδρογόνου του ατόμου άνθρακα #4. Παράγεται 4-μεθυλο-4-χλωρεπτάνιο: 1·5 = 5.
 Υποκατάσταση σε ένα από τα τρία (3) άτομα υδρογόνου του ατόμου άνθρακα #1΄. Παράγεται 2-προπυλο-1-χλωροπεντάνιο: 3·1 = 3.
 Δηλαδή το μίγμα που προκύπτει είναι: 13,5% 4-μεθυλο-1-χλωρεπτάνιο, 34,2% 4-μεθυλο-2-χλωρεπτάνιο, 34,2% 4-μεθυλο-3-χλωρεπτάνιο
11,2% 4-μεθυλο-4-χλωρεπτάνιο και 6,8% 2-προπυλο-1-χλωροπεντάνιο.
 Τα Br και I είναι πιο εκλεκτικά και λιγότερο δραστικά. Η αναλογία των πεντυλαλογονιδίων μεταβάλλεται προς όφελος του τριτοταγούς (αυτού που το αλογόνο συνδέεται με τριτοταγές άτομο C, δηλαδή ατόμου C ενωμένου με 3 άλλα άτομα C) 2-μεθυλοβουτυλοαλογονιδίου-2. 
 Ειδικα για το βρώμιο θα έχουμε:
 Υποκατάσταση σε ένα από τα έξι (6) συνολικά άτομα υδρογόνου των ατόμων άνθρακα #1 και #7. Παράγεται 1-βρωμο-4-μεθυλεπτάνιο: 6·1 = 6.
 Υποκατάσταση σε ένα από τα τέσσερα (4) άτομα υδρογόνου των ατόμων άνθρακα #2 και #6. Παράγεται 2-βρωμο-4-μεθυλεπτάνιο: 4·82 = 328.
 Υποκατάσταση σε ένα από τα τέσσερα (4) άτομα υδρογόνου των ατόμων άνθρακα #3 και #5. Παράγεται 3-βρωμο-4-μεθυλεπτάνιο: 4·82 = 328.
 Υποκατάσταση στο άτομο υδρογόνου του ατόμου άνθρακα #4. Παράγεται 4-βρωμο-4-μεθυλεπτάνιο: 1·1600 = 1600.
 Υποκατάσταση σε ένα από τα τρία (3) άτομα υδρογόνου του ατόμου άνθρακα #1΄. Παράγεται 1-βρωμο-2-προπυλοπεντάνιο: 3·1 = 3.
 Δηλαδή το μίγμα που προκύπτει είναι: 0,3% 1-βρωμο-4-μεθυλεπτάνιο, 14,4% 2-βρωμο-4-μεθυλεπτάνιο, 14,4% 3-βρωμο-4-μεθυλεπτάνιο, 70,6% 4-βρωμο-4-μεθυλεπτάνιο και 0,1% 1-βρωμο-1-προπυλοπεντάνιο.
 Είναι όμως πρακτικά δύσκολο να σταματήσει η αντίδραση στην παραγωγή μονοααλογονιδίων.
 Αν χρησιμοποιηθούν ισομοριακές ποσότητες CΗ3(CH2)2CH(CH3)CH2)2CΗ3 και Χ2 θα παραχθεί μίγμα όλων των αλογονοπαραγώγων του CΗ3(CH2)2CH(CH3)CH2)2CΗ3.
 Αν όμως χρησιμοποιηθει περίσσεια CΗ3(CH2)2CH(CH3)CH2)2CΗ3, τότε η απόδοση τωμ μονοπαραγώγων αυξάνεται πολύ, λόγω της αύξησης της στατιστική πιθανότητας συνάντισης CΗ3(CH2)2CH(CH3)CH2)2CΗ3 με X. σε σχέση με την πιθανότητα συνάντισης μονοπαραγώγου και X., που μπορεί να οδηγήσει στην παραγωγή των υπόλοιπων X-παραγώγων.

Νίτρωση 

 Αντιδρά με ατμούς HNO3 στην αέρια φάση:

 

όπου 0<a,b,c,d,e<1,  a + b + c + d + e = 1.

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 έξι (6) δεσμούς C#1,#7H2-H. Παράγεται 4-μεθυλοκτάνιο.
 Παρεμβολή στους  τέσσερεις (4) δεσμούς C#2,#6H-H: 2. Παράγεται 2,4-διμεθυλεπτάνιο.
 Παρεμβολή στους  τέσσερεις (4) δεσμούς C#3,#5H-H: 2. Παράγεται 3,4-διμεθυλεπτάνιο.
 Παρεμβολή στο δεσμό C#4-H. Παράγεται 4,2-διμεθυλεπτάνιο.
 Παρεμβολή στους  τρεις (3) δεσμούς C#1΄H2-H. Παράγεται 4-αιθυλεπτάνιο.

Προκύπτει επομένως μίγμα 4-μεθυλοκτάνιου (~33%), 2,4-διμεθυλεπτάνιου (~22%), 
3,4-διμεθυλεπτάνιο (~22%), 4,4-διμεθυλεπτάνιου (~5%) και 2-αιθυλεπτάνιου (-17%).

Καταλυτική ισομερείωση 

To 4-μεθυλεπτάνιο μπορεί να υποστεί καταλυτική ισομερείωση προς τα ισομερή του.

Αναφορές 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.

Οκτάνια