Μεθυλοκυκλοβουτάνιο

Το μεθυλοκυκλοβουτάνιο () είναι οργανική χημική ένωση, που περιέχει άνθρακα και υδρογόνο, δηλαδή είναι υδρογονάνθρακας, με μοριακό τύπο C5H10 ή πιο αναλυτικά (C4H7)CH3. Πιο συγκεκριμένα, είναι ένας αλεικυκλικός υδρογονάνθρακας. Δομικά αποτελείται από έναν κυκλοβουτανικό δακτύλιο (δηλαδή ανήκει στα «θυγατρικά» κυκλοβουτάνια) και από μια μεθυλομάδα (CH3-). Το μεθυλοκυκλοβουτάνιο ανήκει στην ομόλογη σειρά των κυκλοαλκανίων, δηλαδή των κορεσμένων υδρογονανθράκων με έναν (τουλάχιστον) δακτύλιο.

 Παραγωγή 

  Ενδομοριακή αντίδραση Freund 

Με την τροποποιημένη αντίδραση Φρέουντ (Freund reaction) με Zn, που δίνει μεγαλύτερη απόδοση στην ενδομοριακή αντίδραση. Σ' αυτήν την περίπτωση η στοιχειομετρική εξίσωση της αντίδρασης γίνεταιG. Gustavson (1887). "Ueber eine neue Darstellungsmethode des Trimethylens". J. Prakt. Chem. 36: 300–305. doi:10.1002/prac.18870360127. http://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k90799n/f308.table.Ασκήσεις και προβλήματα Οργανικής Χημείας Ν. Α. Πετάση 1982, σελ. 154, §6.5.Β1.:
 50px|μεθυλοκυκλοβουτάνιο
 Με μικρή απόδοση, γιατί παράλληλα με την ενδομοριακή αντίδραση διεξάγεται αναπόφευκτα και διαμοριακή, τα κύρια προϊόντα της οποίας είναι τα ακόλουθα τρία (3):
 2,9-διβρωμοδεκάνιο (CH3CHBrCH2CH2CH2CH2CH2CH2CHBrCH3).
 1,8-διβρωμο-4-μεθυλεννεάνιο [CH3CHBrCH2CH2CH2CH(CH3)CH2CH2CH2Br].
 1,8-διβρωμο-4,5-διμεθυλοκτάνιο [BrCH2CH2CH(CH3)CH(CH3)CH2CH2Br].

 Επίδραση μεθυλενίου σε κυκλοβουτάνιο 

 Το κυκλοβουτάνιο έχει οκτώ (8) ισότμα άτομα υδρογόνου για παρεμβολή καρβενίων, οπότε προκύπτει ένα μόνο προϊόν. Έτσι, με επίδρση μεθυλενίου παράγεται μεθυλοκυκλοβουτάνιο:SCHAUM'S OUTLINE SERIES, ΟΡΓΑΝΙΚΗ ΧΗΜΕΙΑ, Μτφ. Α. Βάρβογλη, 1999, σελ. 46 §4.4.4.
40px|κυκλοβουτάνιο  50px|μεθυλοκυκλοβουτάνιο

 Χημικές ιδιότητες 

 Οξείδωση 

1. Όπως όλα τα κυκλοαλκάνια, το μεθυλοκυκλοβουτάνιο 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.
50px|μεθυλοκυκλοβουτάνιο  
 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,ΔHC-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 τετραμελούς δακτυλίου και απελευθερώνεται με την καύση. Η ενέργεια αυτή για τετραμελή ισοκυκλικό ανθρακούχο δακτύλιο υπολογίστηκε, όπως αναφέρεται στο κυκλοβουτάνιο, σε 109 kJ/mole.
2. Παραγωγή υδραερίου:
50px|μεθυλοκυκλοβουτάνιο 
3. Καταλυτική οξείδωση: Με καταλυτική οξυγόνωση δίνει (κυρίως) 2-μεθυλοξολάνιο:
50px|μεθυλοκυκλοβουτάνιο  100 px 
4. Με υπερμαγγανικό κάλιο προς 1-μεθυλοκυκλοβουτανόλη:
50px|μεθυλοκυκλοβουτάνιο  100 px

 Αλογόνωση 

1. Φωτοχημική αλογόνωση υποκατάστασης υδρογόνου: Το μεθυλοκυκλοβουτάνιο έχει 10 άτομα υδρογόνου για φωτοχημική αντικατάσταση από αλογόνα, οπότε προκύπτουν τα ακόλουθα τέσσερα (4) ισομερή αλογονοπαράγωγα:SCHAUM'S OUTLINE SERIES, ΟΡΓΑΝΙΚΗ ΧΗΜΕΙΑ, Μτφ. Α. Βάρβογλη, 1999, σελ. 43-46 §4.4.3.
 1-αλο-1-μεθυλοκυκλοβουτάνιο (50 px).
 1-αλο-2-μεθυλοκυκλοβουτάνιο (50 px). 
 1-αλο-3-μεθυλοκυκλοβουτάνιο (50 px). 
 Κυκλοβουτυλομεθυλοαλογονίδιο (50 px).

50px|μεθυλοκυκλοβουτάνιο  50 px  50 px  50 px  50 px
 Δραστικότητα των X2: F2 > Cl2 > Br2 > Ι2.
 όπου 0<a,b,c<1, a + b + c + d = 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 γοα το χλώριο θα έχουμε: 
 2-μεθυλο-1-χλωροκυκλοβουτάνιο (50 px): 4•3,8 = 15,2.
 3-μεθυλο-1-χλωροκυκλοβουτάνιο (50 px): 2•3,8 = 7,6.
 1-μεθυλο-1-χλωροκυκλοπροπάνιο (50 px): 1•5 = 5.
 κυκλοπροπυλομεθυλοχλωρίδιο (50 px): 3•1 = 3.
 Δηλαδή το μίγμα που προκύπτει είναι: 49,4% 2-μεθυλο-1-χλωροκυκλοβουτάνιο, 24,7% 3-μεθυλο-1-χλωροκυκλοβουτάνιο, 16,2% 1-μεθυλο-1-χλωροκυκλοβουτάνιο και 9,7% 
κυκλοβουτυλομεθυλοχλωρίδιο.
 Τα Br και I είναι πιο εκλεκτικά και λιγότερο δραστικά. Η αναλογία των βουτυλαλογονιδίων μεταβάλλεται προς όφελος του 1-αλο-1-μεθυλο-κυκλοπροπάνιο. Ειδικά για το βρώμιο θα έχουμε:
 1-βρωμο-1-μεθυλοκυκλοβουτάνιο (50 px): 1•1600=1600
 κυκλοβουτυλομεθυλοβρωμίδιο (50 px): 3•1 = 3.

 Δηλαδή το μίγμα που προκύπτει είναι: 15,7% 1-βρωμο-2-μεθυλοκυκλοβουτάνιο, 7,8% 1-βρωμο-3-μεθυλοκυκλοβουτάνιο, 76,4% 1-βρωμο1-μεθυλοκυκλοβουτάνιο και 0,1% κυκλοβουτυλομεθυλοβρωμίδιο.

 Ανάλυση του μηχανισμού της χλωρίωσης του 50px|μεθυλοκυκλοβουτάνιο:
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.
50px|μεθυλοκυκλοβουτάνιο  50 px  50 px  50 px  50 px
50 px  50 px 
50 px  50 px 50 px  50 px 
50 px  50 px 
3. Τερματισμός: Καταναλώνονται μεταξύ τους οι ελεύθερες ρίζες, κατά τη στατιστικά σπάνια περίπτωση της συνάντησής τους.
50 px  50 px 
50 px  50 px 
50 px  50 px 
50 px  50 px 
50 px 50 px 
50 px 100 px 
50 px 100 px  
 Η τριτοταγής ρίζα 50 px δεν μπορεί να ενωθεί με τον εαυτό της, λόγω στερεοχημικής παρεμπόδισης.
 Είναι όμως πρακτικά δύσκολο να σταματήσει η αντίδραση στην παραγωγή μονοααλογονιδίων.
 Αν χρησιμοποιηθούν ισομοριακές ποσότητες 50px|μεθυλοκυκλοβουτάνιο και Χ2 θα παραχθεί μίγμα όλων των αλογονοπαραγώγων του 40px.
 Αν όμως χρησιμοποιηθει περίσσεια 50px|μεθυλοκυκλοβουτάνιο, τότε η απόδοση τωμ μονοπαραγώγων αυξάνεται πολύ, λόγω της αύξησης της στατιστική πιθανότητας συνάντισης 50px|μεθυλοκυκλοβουτάνιο με X. σε σχέση με την πιθανότητα συνάντισης μονοπαραγώγου και X., που μπορεί να οδηγήσει στην παραγωγή των υπόλοιπων X-παραγώγων.

2. 1,4-αλογόνωση: Παράγεται (κυρίως) 1,4-διαλοπεντάνιο:
50px|μεθυλοκυκλοβουτάνιο 

 Επίδραση καρβενίων 

 Το μεθυλοκυκλοβουτάνιο έχει 10 άτομα υδρογόνου για παρεμβολή καρβενίων:
50px|μεθυλοκυκλοβουτάνιο  100 px  60 px 100 px  100 px

 Η αντίδραση είναι ελάχιστα εκλεκτική και αυτό σημαίνει ότι κατά προσέγγιση έχουμε:
1. Παρεμβολή στους δύο (4) δεσμούς CNo1,4H-H: 4.
1. Παρεμβολή στους δύο (2) δεσμούς CNo3H-H: 2.
2. Παρεμβολή στον (1) δεσμό C-H: 1.
3. Παρεμβολή στους τρεις (3) δεσμούς CH2-H: 3.

Προκύπτει επομένως μίγμα 1,2-διμεθυλοκυκλοβουτάνιου ~40%, αιθυλοκυκλοβουτάνιου ~30%, 1,3-διμεθυλοκυκλοβουτάνιου ~20% και 1,1-διμεθυλοκυκλοβουτάνιου ~10%.

 Νίτρωση 

 Αντιδρά με ατμούς HNO3 στην αέρια φάση:Ασκήσεις και προβλήματα Οργανικής Χημείας Ν. Α. Πετάση 1982: Σελ. 244, §10.3.2.
50px|μεθυλοκυκλοβουτάνιο  50 px  50 px  100 px  100 px

όπου 0<a,b,c,d<1, a + b + c + d = 1.

 Καταλυτική υδρογόνωση-1,4 
Με καταλυτική υδρογόνωση, παράγεται (κυρίως) μεθυλοβουτάνιο:
50px|μεθυλοκυκλοβουτάνιο 

 Υδραλογόνωση-1,4 

Με υδραλογόνο (ΗΧ), παράγεται (κυρίως) 2-αλοπεντάνιο:
50px|μεθυλοκυκλοβουτάνιο 

 Υδροξυαλογόνωση-1,4 

Με υπαλογονώδες οξύ (HOX) , παράγεται (κυρίως) 5-αλο-2-πεντανόλη:
50px|μεθυλοκυκλοβουτάνιο 

 Ενυδάτωση-1,4 

Με επίδραση θειικού οξέως σε μεθυλοκυκλοβουτάνιo παράγεται (κυρίως) όξινος θειικός 2-πεντυλεστέρας [CH3CH2CH2CH(SO4H)CH3], που υδρολύεται σχηματίζοντας 2-πεντανόλη [CH3CH2CH2CH(OH)CH3]:
50px|μεθυλοκυκλοβουτάνιο  

 Διυδροξυλίωση-1,4 

Με επίδραση υπεροξείδιο του υδρογόνου (H2O2) σε μεθυλοκυκλοβουτάνιo, παρουσία καρβοξυλικών οξέων παράγεται (κυρίως) 1,4-πεντανοδιόλη [CH3CH(OH)CH2CH2CH2OH]:
50px|μεθυλοκυκλοβουτάνιο 

 Σημειώσεις 

 Παραπομπές 

 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:Κυκλοβουτάνια
Κατηγορία:C4
Κατηγορία:Κυκλοαλκάνια