Μεθυλοκυκλοβουτάνιο

Το **μεθυλοκυκλοβουτάνιο** () είναι οργανική χημική ένωση, που περιέχει άνθρακα και υδρογόνο, δηλαδή είναι υδρογονάνθρακας, με μοριακό τύπο **[[C5H10|C<sub>5</sub>H<sub>10</sub>]]** ή πιο αναλυτικά **(C<sub>4</sub>H<sub>7</sub>)CH<sub>3</sub>**. 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 γίνεται:

 \mathrm{CH_3CHBrCH_2CH_2CH_2Br + Zn \xrightarrow{} ZnBr_2 +}  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:

40px|κυκλοβουτάνιο \mathrm{+ CH_3Cl + KOH \xrightarrow{} KCl + H_2O + } 50px|μεθυλοκυκλοβουτάνιο


## Χημικές ιδιότητες

### Οξείδωση

1. Όπως όλα τα κυκλοαλκάνια, το μεθυλοκυκλοβουτάνιο με περίσσεια οξυγόνου καίγεται προς διοξείδιο του άνθρακα (CO2) και νερό (H2O):

50px|μεθυλοκυκλοβουτάνιο \mathrm{+ \frac{15}{2}O_2 \xrightarrow{\triangle} 5CO_2 + 5H_2O + 3.394 \;kJ}  

* 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. 
* 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 \mathrm{+ 5H_2O \xrightarrow[700-1100^oC]{Ni} 5CO + 10H_2}  

3. Καταλυτική οξείδωση: Με καταλυτική οξυγόνωση δίνει (κυρίως) 2-μεθυλοξολάνιο:

50px|μεθυλοκυκλοβουτάνιο  \mathrm{+ \frac{1}{2}O_2 \xrightarrow[1-2MPa,\;\triangle]{Ag}} 100 px 

4. Με υπερμαγγανικό κάλιο προς 1-μεθυλοκυκλοβουτανόλη:

50px|μεθυλοκυκλοβουτάνιο \mathrm{+ 2KMnO_4 + H_2SO_4 \xrightarrow{} 2MnO_2 + K_2SO_4 + H_2O +} 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:
# 1-αλο-1-μεθυλοκυκλοβουτάνιο (50 px).
# 1-αλο-2-μεθυλοκυκλοβουτάνιο (50 px). 
# 1-αλο-3-μεθυλοκυκλοβουτάνιο (50 px). 
# Κυκλοβουτυλομεθυλοαλογονίδιο (50 px).


50px|μεθυλοκυκλοβουτάνιο  \mathrm{+ X_2 \xrightarrow[\triangle]{UV} HX + a}  50 px \mathrm{+ b} 50 px \mathrm{+ c} 50 px \mathrm{+ d} 50 px

* Δραστικότητα των X2: F2 > Cl2 > Br2 > Ι2.
* όπου 0
\mathrm{Cl_2 \xrightarrow[\triangle]{UV} 2Cl^\bullet - 239 kJ} 

* Η απαιτούμενη ενέργεια προέρχεται από το υπεριώδες φως (UV) ή θερμότητα (Δ).
:2. Διάδοση: Καταναλώνονται οι παλιές ελεύθερες ρίζες, σχηματίζοντας νέες.

50px|μεθυλοκυκλοβουτάνιο \mathrm{+ Cl^\bullet \xrightarrow{} 0,49}  50 px \mathrm{ + 0,25}  50 px \mathrm{ + 0,16}  50 px \mathrm{ + 0,10}  50 px
50 px \mathrm{+ Cl_2 \xrightarrow{}}  50 px \mathrm{+ Cl^\bullet + 100 kJ} 
50 px \mathrm{+ Cl_2 \xrightarrow{}}  50 px \mathrm{+ Cl^\bullet + 100 kJ} 50 px \mathrm{+ Cl_2 \xrightarrow{}}  50 px \mathrm{+ Cl^\bullet + 100 kJ} 
50 px \mathrm{+ Cl_2 \xrightarrow{}}  50 px \mathrm{+ Cl^\bullet + 100 kJ} 

:3. Τερματισμός: Καταναλώνονται μεταξύ τους οι ελεύθερες ρίζες, κατά τη στατιστικά σπάνια περίπτωση της συνάντησής τους.

 \mathrm{2Cl^\bullet \xrightarrow{} Cl_2 + 239 kJ} 
50 px  \mathrm{+ Cl^\bullet \xrightarrow{}}  50 px \mathrm{  + 339 kJ} 
50 px  \mathrm{+ Cl^\bullet \xrightarrow{}}  50 px \mathrm{  + 339 kJ} 
50 px  \mathrm{+ Cl^\bullet \xrightarrow{} }  50 px \mathrm{ + 339 kJ} 
50 px  \mathrm{+ Cl^\bullet \xrightarrow{} }  50 px \mathrm{ + 339 kJ} 
 \mathrm{2} 50 px  \mathrm{\xrightarrow{} } 50 px \mathrm{  + 347 kJ} 
 \mathrm{2} 50 px  \mathrm{\xrightarrow{} } 100 px \mathrm{  + 347 kJ} 
 \mathrm{2} 50 px  \mathrm{\xrightarrow{} } 100 px \mathrm{  + 347 kJ}   

* 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  \mathrm{+ X_2 \xrightarrow{CCl_4} XCH_2CH_2CH_2CHXCH_3} 


### Επίδραση καρβενίων

* Το μεθυλοκυκλοβουτάνιο έχει 10 άτομα υδρογόνου για παρεμβολή καρβενίων:

50px|μεθυλοκυκλοβουτάνιο \mathrm{+ CH_3Cl + KOH \xrightarrow{} KCl + H_2O + \frac{2}{5}}   100 px \mathrm{+\frac{3}{10}}  60 px\mathrm{+\frac{1}{5}}  100 px \mathrm{+\frac{1}{10}}  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 HNO<sub>3</sub> στην αέρια φάση:

50px|μεθυλοκυκλοβουτάνιο  \mathrm{+ HNO_3 \xrightarrow{\triangle} + H_2O + a}   50 px \mathrm{+b}  50 px \mathrm{+c}  100 px \mathrm{+d}  100 px


όπου 0
50px|μεθυλοκυκλοβουτάνιο  \mathrm{+ H_2 \xrightarrow{Pt} CH_3CH_2CH(CH_3)_2} 


### Υδραλογόνωση-1,4

Με υδραλογόνο (ΗΧ), παράγεται (κυρίως) 2-αλοπεντάνιο:

50px|μεθυλοκυκλοβουτάνιο  \mathrm{+ HX \xrightarrow{} CH_3CH_2CH_2CHXCH_3} 


### Υδροξυαλογόνωση-1,4

Με υπαλογονώδες οξύ (HOX) , παράγεται (κυρίως) 5-αλο-2-πεντανόλη:

50px|μεθυλοκυκλοβουτάνιο  \mathrm{+ HOX \xrightarrow{}XCH_2CH_2CH_2CH(OH)CH_3} 


### 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  \mathrm{+ H_2SO_4 \xrightarrow{} CH_3CH_2CH_2CH(OSO_3H)CH_3 \xrightarrow[-H_2SO_4]{+H_2O} CH_3CH_2CH_2CH(OH)CH_3}   


### Διυδροξυλίωση-1,4

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

50px|μεθυλοκυκλοβουτάνιο  \mathrm{ + H_2O_2 \xrightarrow{RCOOH} CH_3CH(OH)CH_2CH_2CH_2OH}



## 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