Μεθυλοκυκλοπροπάνιο

Το **μεθυλοκυκλοπροπάνιο** (αγγλικά *methylcyclopropane*) είναι οργανική χημική ένωση, που περιέχει άνθρακα και υδρογόνο, με χημικό τύπο **C<sub>4</sub>H<sub>8</sub>**, αλλά συνήθως παριστάνεται με το γραμμικό του τύπο (40 px). Το καθαρό μεθυλοκυκλοπροπάνιο, στις στις «συνηθισμένες συνθήκες», δηλαδή θερμοκρασία 25&nbsp;°C και υπό πίεση 1 atm, είναι άχρωμο αέριο, που είναι διαθέσιμο για υγροποίηση (και μόνο με συμπίεση, δηλαδή είναι ένα από τα υγραέρια). Ανήκει στην ομόλογη σειρά των κυκλοαλκανίων, και πιο συγκεκριμένα στα κυκλοπροπάνια. Από τη μητρική του ένωση (κυκλοπροπάνιο) διαφέρει έχοντας μια μεθυλομάδα (CH3-) αντί για ένα άτομο υδρογόνου. Με βάση το χημικό τύπο του (C4H8) έχει τα ακόλουθα 4 ισομερή θέσης:
# Κυκλοβουτάνιο
# 1-βουτένιο
# 2-βουτένιο (σε 2 γεωμερικά ισομερή)
# Μεθυλοπροπένιο

## Ονοματολογία

Η ονομασία «μεθυλοκυκλοπροπάνιο» από την ονοματολογία κατά IUPAC. Συγκεκριμένα, το αρχικό πρόθεμα «μεθυλο-» δηλώνει την παρουσία διακλάδωσης ενός (1) ατόμου άνθρακα, το τμήμα «κυκλο-» δηλώνει την παρουσία ενός δακτυλίου στην κύρια ανθρακική αλυσίδα, το τμήμα «προπ-» δηλώνει την παρουσία τριών (3) ατόμων άνθρακα στην κύρια ανθρακική αλυσίδα της ένωσης, το ενδιάμεσο «-αν-» δείχνει την απουσία διπλών ή και τριπλών δεσμών μεταξύ ατόμων άνθρακα στο μόριο και η κατάληξη «-ιο» φανερώνει ότι δεν περιέχει χαρακτηριστικές ομάδες, δηλαδή ότι είναι υδρογονάνθρακας.

## Κυκλοπροπάνια

«**Κυκλοπροπάνια**» ονομάζονται τα κυκλοαλκάνια με τριμελή δακτύλιο, που αποτελεί και το χαρακτηριστικό της δομής τους. Οι πλευρικές αλυσίδες, όταν υπάρχουν, διαμορφώνονται όπως στα αλκάνια. Το ιδιαίτερο χαρακτηριστικό της μοριακής δομής τους είναι η εμφάνιση γωνίας δεσμού  \mathrm{\widehat{C-C-C} = 60^o  που είναι η συνηθισμένη γωνία δεσμού sp3-sp3 που αντιστοιχεί σε κορεσμένο. Ύστερα από ενεργειακή ανάλυση των πιθανών δομών - μοριακών μοντέλων με κβαντομηχανικές μεθόδους προέκυψε ως πιθανότερη η εκδοχή του sp2 υβριδισμού και της δημιουργίας δύο μοριακών τροχιακών τριών κέντρων (των τριών ατόμων C), σ (2sp2-2sp2-2sp2) και π (2p-2p-2p), με 3 ηλεκτρόνια ανά μοριακό τροχιακό, ώστε να χρησιμοποιηθούν τα 6 διαθέσιμα ηλεκτρόνια των 3 ατόμων C (τα άλλα 6 χρησιμοποούνται για τους 6 σ δεσμούς με τα 6 άτομα υδρογόνου ή και τα αλκύλια). Αντί δηλαδή των κλασσικών 3 ομοιοπολικών δεσμών δύο κέντρων μεταξύ των ατόμων C, υπάρχουν 2 ομοιοπολικοί δεσμοί τριών κέντρων.

300 px

Εξαιτίας αυτού του γεγονότος προκύπτει η λεγόμενη «**ενέργεια τάσης δεσμών**» που συνυπολογίζει την ενέργεια παραμόρφωσης δεσμικής γωνίας (κατά Baeyer), που οφείλεται στη διαφορά γωνίας από την κανονική, και την ενέργεια στρέψης (κατά Piltzer), που οφείλεται στην αδυναμία του συστήματος να στρέψει τους δεσμούς του και να πάρει διαμόρρφωση αποφυγής των απώσεων τύπου Van der Waals, που αναπτύσσονται από την προσέγγιση αλληλοαπωθούμενων ατόμων και ομάδων αυτών. Ενώ λοιπόν το ισομερές προπένιο έχει θερμότητα ολικής καύσης 1.971 kcal/mole το κυκλοπροπάνιο έχει 2.088 kcal/mole. Το ΔQ = 117 kJ/mole αντιστοιχεί ακριβώς στην επιπλέον ενέργεια που παγιδεύει η ιδιάζουσα δομή του τριμελή δατυλίου.
Αποτέλεσμα των παραπάνω είναι τα κυκλοπροπάνια να δείνουν αντιδράσεις προσθηκοδιάσπασης-1,3.

## Δομή





## Παρασκευές

### Ενδομοριακή αντίδραση Würz

Με την τροποποιημένη αντίδραση Freund με Zn, που δίνει μεγαλύτερη απόδοση στην ενδομοριακή αντίδραση. Σ' αυτήν την περίπτωση η στοιχειομετρική εξίσωση της αντίδρασης γίνεται:

 \mathrm{CH_3CHBrCH_2CH_2Br + Zn \xrightarrow{} ZnBr_2 +} 40px|Μεθυλοκυκλοπροπάνιο


### Με χρήση καρβενίου

1. Με προσθήκη μεθυλενίου σε προπένο και χρήση συστήματος διωδομεθάνιου (CH2I2), ψευδαργύρου (Zn) και χαλκού (Cu):


\mathrm{CH_3CH=CH_2 + CH_2I_2 + Zn \xrightarrow{Cu} ZnI_2 +}  40px|Μεθυλοκυκλοπροπάνιο

2. Παρεμβολή μεθυλενίου σε κυκλοπροπάνιο:

40px|κυκλοπροπάνιο \mathrm{+ CH_3Cl + KOH \xrightarrow{} KCl + H_2O +}  40px|Μεθυλοκυκλοπροπάνιο


## Χημικές ιδιότητες

### Οξείδωση

1. Όπως όλα τα κυκλοαλκάνια, το μεθυλοκυκλοπροπάνιο με περίσσεια οξυγόνου καίγεται προς διοξείδιο του άνθρακα και νερό :

40px|Μεθυλοκυκλοπροπάνιο  \mathrm{+ 6O_2 \xrightarrow{\triangle} 4CO_2 + 4H_2O + 2.745 J} 

* 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:

40px|Μεθυλοκυκλοπροπάνιο  \mathrm{+ 3H_2O \xrightarrow[700-1100^oC]{Ni} 3CO + 6H_2} 


3. Με υπερμαγγανικό κάλιο προς 1-μεθυλοκυκλοπρονόλη:

40 px \mathrm{+ \frac{2}{3} KMnO_4 + \frac{1}{3} H_2SO_4 \xrightarrow{} \frac{2}{3} MnO_2 + \frac{1}{3} K_2SO_4 + \frac{1}{3} H_2O +} 100 px


### Αλογόνωση

1. **Φωτοχημική αλογόνωση υποκατάστασης υδρογόνου**: Το μεθυλοκυκλοπροπάνιο έχει 8 άτομα υδρογόνου για φωτοχημική αντικατάσταση από αλογόνα, οπότε προκύπτουν τα ακόλουθα τρία (3) ισομερή αλογονοπαράγωγα:
# 1-αλο-2-μεθυλοκυκλοπροπάνιο (50 px).
# 1-αλο-1-μεθυλοκυκλοπροπάνιο (50 px).
# κυκλοπροπυλομεθυλοαλογονίδιο (50 px).


40px|Μεθυλοκυκλοπροπάνιο  \mathrm{+ X_2 \xrightarrow[\triangle]{UV} HX + a}  50 px \mathrm{+ b} 50 px \mathrm{+ c} 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.

40px \mathrm{+ Cl^\bullet \xrightarrow{} 0,66}  50 px \mathrm{ + 0,22}  50 px \mathrm{ + 0,13}  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} 

: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} 
 \mathrm{2} 50 px  \mathrm{\xrightarrow{} } 50 px \mathrm{  + 347 kJ} 
 \mathrm{2} 50 px  \mathrm{\xrightarrow{} } 50 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 ποσότητες40px και Χ2 θα παραχθεί μίγμα όλων των αλογονοπαραγώγων του 40px.
** Αν όμως χρησιμοποιηθει περίσσεια 40px, τότε η απόδοση τωμ μονοπαραγώγων αυξάνεται πολύ, λόγω της αύξησης της στατιστική πιθανότητας συνάντισης 40px με X. σε σχέση με την πιθανότητα συνάντισης μονοπαραγώγου και X., που μπορεί να οδηγήσει στην παραγωγή των υπόλοιπων X-παραγώγων.

2. 1,3-Προσθηκοδιάσπαση παράγεται μίγμα 1,3-διαλοβουτάνιου και 1,3-διαλο-2-μεθυλοπροπάνιου:

40px|κυκλοπροπάνιο  \mathrm{+ X_2 \xrightarrow{CCl_4} \frac{2}{3} XCH_2CH_2CHXCH_3 + \frac{1}{3} XCH_2CH(CH_3)CH_2X} 


### Επίδραση καρβενίων

* Το μεθυλοκυκλοπροπάνιο έχει 8 άτομα υδρογόνου για παρεμβολή καρβενίων:

40px \mathrm{+ CH_3Cl + KOH \xrightarrow{} KCl + H_2O + \frac{1}{2}}  100 px \mathrm{+\frac{3}{8}}  60 px \mathrm{+\frac{1}{8}}  60 px


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

Προκύπτει επομένως μίγμα 1,2-διμεθυλοκυκλοπροπάνιου ~50%, αιθυλοκυκλοπροπάνιου 37,5% και 1,1-διμεθυλοκυκλοπροπάνιου ~12,5%.

### Νίτρωση

* Αντιδρά με ατμούς HNO<sub>3</sub> στην αέρια φάση:

40px  \mathrm{+ HNO_3 \xrightarrow{\triangle} + H_2O + a}   50 px \mathrm{+b}  100 px \mathrm{+c}  100 px


όπου 0
40px  \mathrm{+ H_2 \xrightarrow{Pt} CH_3CH_2CH_2CH_3} 


### Υδραλογόνωση-1,3

Με υδραλογόνο (ΗΧ) παράγεται κυρίως 2-αλοβουτάνιο:

40px  \mathrm{+ HX \xrightarrow{} CH_3CH_2CHXCH_3} 


### Υδροξυαλογόνωση-1,3

Με υπαλογονώδες οξύ (HOX) παράγεται κυρίως 4-αλο-2-βουτανόλη:

40px  \mathrm{+ HOX \xrightarrow{} XCH_2CH_2CH(OH)CH_3} 


### Ενυδάτωση-1,3

Με επίδραση θειικού οξέως σε μεθυλοκυκλοπροπάνιo παράγεται τελικά κυρίως 2-βουτανόλη:

40px  \mathrm{+ H_2O \xrightarrow{\pi.H_2SO_4} CH_3CH_2CH(OH)CH_3}



### Διυδροξυλίωση-1,3

Με επίδραση υπεροξείδιο του υδρογόνου σε μεθυλοκυκλοπροπάνιo, παρουσία καρβονικών οξέων παράγεται κυρίως 1,3-βουτανοδιόλη:

40px  \mathrm{ + H_2O_2 \xrightarrow{RCOOH} CH_3CH(OH)CH_2CH_2OH}



## Αναφορές και σημειώσεις


## Πηγές

* 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

Κατηγορία:Κυκλοπροπάνια
Κατηγορία:C4
Κατηγορία:Κυκλοαλκάνια