Κυκλοπεντάνιο

Το κυκλοπεντάνιοΔείτε τις εναλλακτικές ονομασίες στον παρακείμενο πίνακα πληροφοριών χημικής ένωσης. (αγγλικά Cyclopentane) είναι οργανική χημική ένωση, που περιέχει άνθρακα και υδρογόνο, δηλαδή είναι υδρογονάνθρακας, με μοριακό τύπο C5H10. Πιο συγκεκριμένα, είναι ένας αλεικυκλικός υδρογονάνθρακας . Δομικά, κάθε μόριό του αποτελείται από ένα δακτύλιο που αποτελείται από πέντε (5) άτομα άνθρακα, το καθένα από τα οποία συνδέεται με δύο (2) άτομα υδρογόνου. Το κυκλοπεντάνιο ανήκει στην ομόλογη σειρά των κυκλοαλκανίων, δηλαδή των κορεσμένων υδρογονανθράκων με ένα δακτύλιο. Ο όρος επεικτείνεται και πέρα της «μητρικής» ένωσης, και σε μια σειρά «θυγατρικών» παραγώγων αυτής, που, μαζί με τη «μητρική», ονομάζονται συλλήβδην «κυκλοπεντάνια».

 Ιστορία 
Παράχθηκε για πρώτη φορά το 1893 από το Γερμανό χημικό Γιοχάνες Βισλικένους (Johannes Wislicenus).J. Wislicenus and W. Hentschel (1893) "Der Pentamethenylalkohol und seine Derivate" (Cyclopentanol and its derivatives), Annalen der Chemie, 275 : 322-330; see especially pages 327-330. Wislicenus prepared cyclopentane from cyclopentanone ("Ketopentamethen"), which is prepared by heating calcium adipate.

 Φυσική παρουσία 
Το κυκλοπεντάνιο εμφανίζεται ως συστατικό του αργού πετρελαίου.

 Δομή κυκλοπεντανίων 

«Κυκλοπεντάνια» ονομάζονται τα κυκλοαλκάνια με (έναν τουλάχιστον) πενταμελή δακτύλιο, που αποτελεί και το χαρακτηριστικό της δομής τους. Οι πλευρικές αλυσίδες, όταν υπάρχουν, διαμορφώνονται όπως στα αλκάνια.

Ο γραμμικός τύπος που χρησιμοποιείται δεν αντικατοπτρίζει την «πραγματική» μοριακή δομή των κυκλοπεντανίων. Τα πέντε (5) ανθρακοάτομα του δακτυλίου δεν είναι συνεπίπεδα. Το άτομο άνθρακα (και οι υποκαταστάτες του) που βρίσκεται σε σχετικά υπερυψωμένη θέση και τα υπόλοιπα στις σχετικά χαμηλότερες δεν παραμένουν σταθερά εκεί, αλλά στις θέσεις αυτές εναλλάσσονται. Αυτό το φαινόμενο της εσωτερικής μοριακής κίνησης ονομάζεται «ψευδοπεριστροφή» (pseudorotation). Οι ενεργειακά ευνοϊκές διαμορφώσεις είναι η διαμόρφωση «φακέλου» (envelope) και «ημιανάκλιντρου» (half-chair), όπως αποδείχθηκε από πειράματα περίθλασης ηλεκτρονίων:

κέντρο|300x300εσ
Στη δομή αυτή προκύπτουν δεσμικές γωνίες με μέσο όρο 105° < 109° 28΄, που είναι η συνηθισμένη γωνία δεσμού σ (2sp³-2sp³) που αντιστοιχεί σε κορεσμένο, οπότε προκύπτει «ενέργεια τάσης δεσμών», όπως στα κυκλοπροπάνια, αλλά πολύ μικρότερη: Υπολογίστηκε ότι ανέρχεται σε ΔQ = 29 kJ/moleΝ. Αλεξάνδρου, Γενική Οργανική Χημεία, ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 1985, σελ. 125-126, §6.1., σελ.128-129, §6.2.. Αποτέλεσμα των παραπάνω είναι τα κυκλοπεντάνια να μη δείνουν αντιδράσεις κυκλοδιάνοιξης, γιατί σ' αυτά η ενέργεια τάσης δεσμών είναι ανεπαρκής.

 Παραγωγή 

Βιομηχανικά παράγεται με απομόνωσή του από το αργό πετρέλαιο, με πυρόλυση κυκλοεξανίου, παρουσία αλουμίνας (Al2O3) ως καταλύτη, ή και με καταλυτική αναμόρφωση μεθυλοβουτανίου, με τη χρήση λευκοχρύσου ως καταλύτη. Σημειώνεται ότι το κυκλοπεντάνιο έχει μεγαλύτερο βαθμό οκτανίου (141) και από το κυκλοεξάνιο (με βαθμό οκτανίου 110) και από το μεθυλοβουτάνιο (με βαθμό οκτανίου 99).

 Εναλλακτικές μέθοδοι 

 Με θέρμανση αλάτων δικαρβονικών οξέων με Ca ή Ba 

Κατά τη θέρμανση εξανοδιικού ασβεστίου ή εξανοδιικού βαρίου παίρνουμε κυκλοπεντανόνη. Στη συνέχεια αυτή ανάγεται προς το κυκλοπεντάνιο. Π.χ. υδροξείδιο του ασβεστίου [Ca(OH)2]Ασκήσεις και προβλήματα Οργανικής Χημείας Ν. Α. Πετάση 1982:154, §6.5.Α1., ν = 4.:
 40 px

40 px 40px|κυκλοπεντάνιο

 Με διαμοριακή συμπύκνωση διεστέρων δικαρβονικών οξέων 

Η διαμοριακή συμπύκνωση δύο διεστέρων δικαρβονικών οξέων, από τους οποίους ο ένας είναι του οξαλικού οξέως και ο άλλος του πεντανοδιικού οξέος, γίνεται με επίδραση μεταλλικού νατρίου. Με τον τρόπο αυτό σχηματίζεται δικετοδικαρβοξυλικός διεστέρας με πενταμελή δακτύλιο. Στη συνέχεια αυτός ανάγεται προς σαπωνοποείται προς το αντίστοιχο δικαρβονικό άλας. Το τελευταίο διαποκαρβοξυλιώνεται προς την αντίστοιχη κυκλοδικετόνη, που τελικά ανάγεται προς το αντίστοιχο κυκλοαλκάνιοΑσκήσεις και προβλήματα Οργανικής Χημείας Ν. Α. Πετάση 1982:154, §6.5.Α3., ν = 1.:
 150 px150 px  150 px150 px  60 px60 px  40 px
 Τα αλκύλια R δεν είναι υποχρεωτικό να είναι ίδια. Χρησιμοποιήθηκε το ίδιο σύμβολο για λόγους απλότητας.

 Πενταμελής δακτύλιος με αντίδραση Pauson-Khand 

Κατά την επίδραση αλκινίων και μονοξειδίου του άνθρακα σε αλκένια έχουμε την ονομαζόμενη αντίδραση Pauson-Khand η οποία στην περίπτωση αυτή οδηγεί σε παραγωγή παραγώγων κυκλοπεντενόνης, τα οποία στη συνέχεια ανάγονται σε κυκλοπεντάνια. Π.χ. με αιθένιο και αιθίνιο παράγεται κυκλοπεντεν-2-όνηP. L. Pauson and I. U. Khand. Ann. N.Y. Acad. Sci. 1977, 295, 2.Blanco-Urgoiti, J.; Añorbe, L.; Pérez-Serrano, L.; Domínguez, G.; Pérez-Castells, J. Chem. Soc. Rev. 2004, 33, 32. (doi:10.1039/b300976a):
 40 px40 px  40px|κυκλοπεντάνιο

 Φυσικοχημικές ιδιότητες 
Το χημικά καθαρό κυκλοπεντάνιο, υπό κανονική πίεση 1 atm, πήζει στους -94 °C και βράζει στους 49 °C. Είναι πρακτικά αδιάλυτο στο νερό, αλλά είναι αναμίξιμο με πολλούς οργανικούς διαλύτες. Έχει τάση ατμών 34,6 kPa στους 20 °C. Στις «κανονικές συνθήκες περιβάλλοντος», δηλαδή σε θερμοκρασία 25°C και υπό πίεση 1 atm, το κυκλοπεντάνιο είναι ένα άχρωμο πτητικό και ιδιαίτερα εύφλεκτο υγρό, της οποίας είναι ιδιαίτερα επιθυμητό συστατικό, αφού το χημικά καθαρό κυκλοπεντάνιο έχει βαθμό οκτανίου 141.[www.elmhurst.edu/.../515gasolinecpd.html| Παν/μιο Έλμχερστ] Η ελάχιστη θερμοκρασία ανάφλεξής του είναι -51 °C, ενώ η θερμοκρασία αυτανάφλεξής του είναι 320 ° C.Eintrag zu Cyclopentan in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFA, abgerufen am 28. Februar 2017.

 Χημικές ιδιότητες 

 Τα κυκλοαλκάνια με μεγαλύτερο από τετραμελή δακτύλιο δεν έχουν αρκετή ενέργεια τάσης δεσμών για να δώσουν αντιδράσεις διάνοιξης του δακτυλίου και γι' αυτό συμπεριφέρονται χημικά όπως τα αλκάνιαΑ. Βάρβογλη, «Χημεία Οργανικών Ενώσεων», παρατηρητής, Θεσσαλονίκη 1991, σελ.24, §1.2.:

 Οξείδωση 

1. Όπως όλα τα κυκλοαλκάνια, το κυκλοπεντάνιο με περίσσεια οξυγόνου καίγεται προς διοξείδιο του άνθρακα (CO2) και νερό (H2O)Α. Βάρβογλη, «Χημεία Οργανικών Ενώσεων», Παρατηρητής, Θεσσαλονίκη 1991, σελ.21, §1.1.Ν. Αλεξάνδρου, Γενική Οργανική Χημεία, ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 1985: Σελ.126, 6.1.:
40px|κυκλοπεντάνιο 
 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-CΔHC-C= +347 kJ/mol , των δεσμών C-HΔHC-H = +415 kJ/mol και των δεσμών (Ο=Ο)ΔHO-O=+146 kJ/mol του O2.
 Στην αναφερόμενη θερμότητα καύσεως εμπεριέχεται και η χημική ενέργεια που έχει αποθηκευθεί ως ενέργεια παραμόρφωσης κατά το σχηματισμό του πενταμελούς δακτυλίου και απελευθερώνεται με την καύση. Η ενέργεια αυτή για πενταμελή ισοκυκλικό ανθρακούχο δακτύλιο υπολογίστηκε, όπως αναφέρεται πιο πάνω, σε 29 kJ/mole.
2. Παραγωγή υδραερίου:
40px|κυκλοπεντάνιο 
3. Καταλυτική οξείδωση προς κυκλοπεντανόνη:
40px|κυκλοπεντάνιο  40 px

 Αλογόνωση 

 Το κυκλοπεντάνιο έχει 10 ισότιμα άτομα υδρογόνου για φωτοχημική αντικατάσταση από αλογόνα, οπότε προκύπτει ένα μόνο κυκλοπεντυλαλογονίδιοSCHAUM'S OUTLINE SERIES, ΟΡΓΑΝΙΚΗ ΧΗΜΕΙΑ, Μτφ. Α. Βάρβογλη, 1999, σελ. 43-46 §4.4.3.:
40px|κυκλοπεντάνιο  50px
 Δραστικότητα των X2: F2 > Cl2 > Br2 > Ι2.
Ανάλυση του μηχανισμού της χλωρίωσης του κυκλοπεντανίου:
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.
40px|κυκλοπεντάνιο  50 pxκαθοριστικό ταχύτητας
50 px  60px
3. Τερματισμός: Καταναλώνονται μεταξύ τους οι ελεύθερες ρίζες, κατά τη στατιστικά σπάνια περίπτωση της συνάντησής τους.
50 px 60px
 50 px  80 px
 Είναι όμως πρακτικά δύσκολο να σταματήσει η αντίδραση στην παραγωγή μονοαλογονοπαραγώγων.
 Αν χρησιμοποιηθούν ισομοριακές ποσότητες 40px|κυκλοπεντάνιο και Χ2 θα παραχθεί μίγμα όλων των X-παραγώγων του 40px|κυκλοπεντάνιο
 Αν όμως χρησιμοποιηθει περίσσεια 40px|κυκλοπεντάνιο, τότε η απόδοση των μονοπαραγώγων αυξάνεται πολύ, λόγω της αύξησης της στατιστικής πιθανότητας συνάντησης 40px|κυκλοπεντάνιο με X. σε σχέση με την πιθανότητα συνάντησης μονοπαραγώγου και X., που μπορεί να οδηγήσει στην παραγωγή των υπόλοιπων X-παραγώγων.

 Επίδραση καρβενίων 

 Το κυκλοπεντάνιο έχει 10 ισότιμα άτομα υδρογόνου για παρεμβολή καρβενίων, οπότε προκύπτει ένα μόνο προϊόν. Π.χ. με επίδραση μεθυλενίου παράγεται μεθυλοκυκλοπεντάνιοSCHAUM'S OUTLINE SERIES, ΟΡΓΑΝΙΚΗ ΧΗΜΕΙΑ, Μτφ. Α. Βάρβογλη, 1999, σελ. 46 §4.4.4.:
40px|κυκλοπεντάνιο  60 px|μεθυλοκυκλοπεντάνιο

 Νίτρωση 

 Αντιδρά με ατμούς HNO3 σε αέρια φάση. Προκύπτει νιτροκυκλοπεντάνιοΑσκήσεις και προβλήματα Οργανικής Χημείας Ν. Α. Πετάση 1982: Σελ. 244, §10.3.2. :
40px|κυκλοπεντάνιο  40 px|νιτροκυκλοπεντάνιο

 Βιομηχανικές εφαρμογές 

Από τη δεκαετία του 1990, κυκλοπεντάνιο (προαιρετικά αναμεμιγμένο με τα άλλα ισομερή του ή και με υδρογονάνθρακες C4) χρησιμοποιείται επίσης ως φυσικός παράγοντας εμφύσησης στην παραγωγή άκαμπτων αφρών πολυουρεθάνης. Η πλειοψηφία των νεότερων οικιακών ψυγείων που διατίθενται στη Γερμανία (και όχι μόνο) περιέχουν μεθυλοβουτάνιο ως ψυκτικό μέσο και το κυκλοπεντάνιο ως προωθητικό αέριο αφρού.

Το κυκλοπεντάνιο χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή (σχετικά) «οικολογικό» ψυκτικού υγρού σε οικιακά ψυγεία και καταψύκτες, αντικαθιστώντας ψυκτικά τύπου φρεόν όπως τα CFC-11 και HCFC-14bGreenpeace - Appliance Insulation..

Χρησιμοποιήθηκε, ακόμη, ως πρόδρομη ένωση για την παραγωγή κυκλοπεντανόνης, μετά από καταλυτική οξείδωση.Shell Devel. Co., Patent, US 2391740 1944.

Πιο προχωρημένες τεχνολογίες, όπως είναι οι σκληροί δίσκοι ηλεκτρονικών υπολογιστών και κάποια είδη διαστημικού εξοπλισμού, χρησιμοποιούν πολυαλκυλιωμένα παράγωγα κυκλοπεντανίου, (MAC, MultiAlcylated Cyclopentane) ως λιπαντικά, επειδή έχουν πολύ χαμηλή πτητικότηταPennzane - lubrication technology..

Στις ΗΠΑ παράγονται πάνω από 500.000 τόνοι κυκλοπεντανίου το χρόνο.

 Οδηγίες ασφαλείας 
Το (υγρό) κυκλοπεντάνιο είναι (σχετικά) ελαφρά εύφλεκτο και ελαφρά επικίνδυνο για τους υδρόβιους οργανισμούς (WGK 1). Οι ατμοί του, όμως, σχηματίζουν πολύ εύφλεκτα μείγματα με τον αέρα, εξαιτίας της χαμηλής θερμοκρασίας βρασμού του (49 °C) και της χαμηλής ελάχιστης θερμοκρασίας ανάφλεξης (-51 °C). Το εκρηκτικό εύρος κυμαίνεται μεταξύ 1,5 και 8,7% κατ' όγκο. Η ελάχιστη ενέργεια ανάφλεξης της ένωσης ανέρχεται σε 0,24 mJoule, με αποτέλεσμα τα μείγματα κυκλοπεντανίου - υδρατμών να είναι ιδιαίτερα αναφλέξιμα.Fenn, J.B.: Lean flammability limit and minimum spark ignition energy in Ind. Eng. Chem. 43 (1951), S. 2865–2869.Calcote, H.F.; Gregory, C.A.; Barnett, C.M.; Gilmer, R.B.: Spark Ignition – Effect of Molecular Structure in Ind. Eng. Chem. 44 (1952), S. 2656–2662. Η έκθεση ανθρώπων σε υψηλές συγκεντρώσεις κυκλοπεντανίου μπορούν να οδηγήσει σε αναισθησία.

 Αναφορές και σημειώσεις 

 Πηγές 

 Ν. Αλεξάνδρου, Γενική Οργανική Χημεία, ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 1985: Σελ.126, 6.1.
 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

Κατηγορία:Κυκλοαλκάνια
Κατηγορία:C5
Κατηγορία:Μητρικές ενώσεις