1-βουτίνιο

1-βουτίνιο
Γενικά
Όνομα IUPAC	1-βουτίνιο
Άλλες ονομασίες	Αιθυλακετυλένιο
Χημικά αναγνωριστικά
Χημικός τύπος	C4H6
Μοριακή μάζα	54,091 amu
Σύντομος συντακτικός τύπος	CH3CH2C≡CH
Συντομογραφίες	EtC≡CH
Αριθμός CAS	107-00-6
SMILES	C#CCC
InChI	1S/C4H6/c1-3-4-2/h1H,4H2,2H3
ChemSpider ID	7558
Δομή
Ισομέρεια
Ισομερή θέσης	8
Φυσικές ιδιότητες
Σημείο τήξης	−125,7 °C
Σημείο βρασμού	8,08 °C
Πυκνότητα	678,3 kg/m3 (υγρό)
Εμφάνιση	Άχρωμο αέριο
Χημικές ιδιότητες
Θερμότητα πλήρους καύσης	2.381,5 kJ
Επικινδυνότητα
Εκτός αν σημειώνεται διαφορετικά, τα δεδομένα αφορούν υλικά υπό κανονικές συνθήκες περιβάλλοντος (25°C, 100 kPa).

To 1-βουτίνιο (αγγλικά: 1-butyne) είναι οργανική χημική ένωση, που περιέχει άνθρακα και υδρογόνο, με μοριακό τύπο C₄H₆ και ημισυντακτικό τύπο CH₃CH₂C≡CH. Είναι εξαιρετικά εύφλεκτο και χημικά δραστικό αλκίνιο που χρησιμοποιείται ως πρόδρομη ένωση για τη σύνθεση άλλων οργανικών ενώσεων. Το χημικά καθαρό 1-βουτίνιο, στις «συνηθισμένες συνθήκες», δηλαδή σε θερμοκρασία 25 °C και υπό πίεση 1 atm, είναι άχρωμο αέριο.

Ισομέρεια

Με βάση τον παραπάνω αναφερόμενο χημικό τύπο του, έχει τα ακόλουθα οκτώ (8) ισομερή θέσης:

1. Το 2-βουτίνιο: Ένα αλκίνιο.
2. Το 1,2-βουταδιένιο: Ένα αλλένιο.
3. Το 1,3-βουταδιένιο: Ένα συζυγές αλκαδιένιο.
4. Το κυκλοβουτένιο: Ένα κυκλοαλκένιο.
5. Το 1-μεθυλοκυκλοπροπένιο: Ένα κυκλοαλκένιο.
6. Το 3-μεθυλοκυκλοπροπένιο: Ένα κυκλοαλκένιο.
7. Το μεθυλενοκυκλοπροπάνιο: Ένα κυκλοαλκένιο.
8. Το δικυκλοβουτάνιο: Ένα δικυκλοαλκάνιο.

Ονοματολογία

Η ονομασία «1-βουτίνιο» προέρχεται από την ονοματολογία κατά IUPAC. Συγκεκριμένα, το πρόθεμα «βουτ-» δηλώνει την παρουσία τεσσάρων (4) ατόμων άνθρακα ανά μόριο της ένωσης, το ενδιάμεσο «-ιν-» δείχνει την παρουσία ενός (1) τριπλού δεσμού μεταξύ ατόμων άνθρακα στο μόριο και η κατάληξη «-ιο» φανερώνει ότι δεν περιέχει χαρακτηριστικές ομάδες, δηλαδή ότι είναι υδρογονάνθρακας. Τέλος, ο αριθμός θέσης του τριπλού δεσμού («1-») προτάσσεται υποχρεωτικά στην ονομασία της ένωσης, ώστε η ένωση να διαχωρίζεται από την ισομερή της 2-βουτίνιο.

Δομή

Τα δύο (2) άτομα άνθρακα του τριπλού δεσμού, που περιέχει, βρίσκονται σε υβριδισμό sp και συνδέονται με σύστημα τριών (3) δεσμών, δηλαδή ένα (1) σ και δύο (2) π. Τα άλλα δύο (2) άτομα άνθρακα βρίσκονται σε sp³ υβριδισμό. Οι π-δεσμοί στο μόριο του 1-βουτινίου είναι υπεύθυνοι για τη χρήσιμη χημική δραστικότητά του. Η περιοχή του τριπλού δεσμού χαρακτηρίζεται από (σχετικά) υψηλή ηλεκτρονιακή πυκνότητα, που επομένως είναι ευάλωτη σε επιδράσεις ηλεκτρονιόφιλων. Πολλές αντιδράσεις του 1-βουτινίου καταλύνται από διάφορα μέταλλα μετάπτωσης, που σχηματίζουν προσωρινά σύμπλοκα με τα π και π* τροχιακά του 1-βουτινίου.

Δεσμοί
Δεσμός	τύπος δεσμού	ηλεκτρονική δομή	Μήκος δεσμού	Ιονισμός
C-H	σ	2sp-1s	106 pm	3% C- H+
C#1≡C#2	σ	2sp-2sp	120,6 pm
C#1≡C#2	π	2py-2py	120,6 pm
C#1≡C#2	π	2pz-2pz	120,6 pm
C#2-#3	σ	2sp-2sp³	147 pm
C#3-#4	σ	2sp³-2sp³	154 pm
Κατανομή φορτίων σε ουδέτερο μόριο
C#4	-0,09
C#3	-0,06
C#1	-0,03
C#2	0,00
H	+0,03

Παραγωγή

Με απόσπαση υδραλογόνων

Με απόσπαση δύο ισοδυνάμων υδραλογόνου από 1,1-διαλοβουτάνιο, με χρήση υδροξειδίου του νατρίου (NaOH), παράγεται 1-βουτίνιο:

$\mathrm {CH_{3}CH_{2}CH_{2}CHX_{2}+2NaOH{\xrightarrow {}}CH_{3}CH_{2}C\equiv CH\uparrow +2NaX+2H_{2}O}$

Με απόσπαση αλογόνων

Με απόσπαση δύο ισοδυνάμων αλογόνου από 1,1,2,2-τετραλοβουτάνιο, με χρήση ψευδαργύρου (Zn), παράγεται 1-βουτίνιο:

$\mathrm {CH_{3}CH_{2}CX_{2}CHX_{2}+2Zn{\xrightarrow {}}CH_{3}CH_{2}C\equiv CH\uparrow +2ZnX_{2}}$

Με αιθυλίωση αιθινίου

Το αιθινικό νάτριο μπορεί να αιθυλιωθεί με αιθυλαλογονίδιο, παράγοντας 1-βουτίνιο:

$\mathrm {HC\equiv CH+Na{\xrightarrow {-{\frac {1}{2}}H_{2}}}HC\equiv CNa{\xrightarrow {+CH_{3}CH_{2}X}}CH_{3}CH_{2}C\equiv CH\uparrow +NaX}$

Χημικές ιδιότητες και παράγωγα

• Εμφανίζει όλες τις χαρακτηριστικές ιδιότητες των ακόρεστων υδρογονανθράκων:

Καύση

• Με το οξυγόνο του αέρα καίγεται παρέχοντας κυανή φλόγα υψηλότατης θερμοκρασίας:

$\mathrm {CH_{3}CH_{2}C\equiv CH+{\frac {7}{2}}O_{2}{\xrightarrow {}}4CO_{2}+3H_{2}O+2.381\;kJ}$

Ενυδάτωση

Με επίδραση θειικού οξέος και στη συνέχεια νερού (ενυδάτωση) σε 1-βουτίνιο, παρουσία ιόντων υδραργύρου (Hg), παράγεται βουτανόνη (CH₃CH₂COCH₃):

$\mathrm {CH_{3}CH_{2}C\equiv CH+H_{2}O{\xrightarrow[{H_{2}SO_{4}}]{Hg^{2+}}}CH_{3}CH_{2}COCH_{3}}$

• Ενδιάμεσα παράγεται 2-βουτεν-1-όλη (ασταθής ενόλη) που ισομερειώνεται σε βουτανόνη .

Προσθήκη υπαλογονώδους οξέος

Με επίδραση (προσθήκη) υποαλογονώδους οξέος (HOX) 1-βουτίνιο παράγεται 1-αλοβουτανόνη:

$\mathrm {CH_{3}CH_{2}C\equiv CH+HOX{\xrightarrow {}}CH_{3}CH_{2}COCH_{2}X}$

• Ενδιάμεσα παράγεται 1-αλο-1-βουτεν-2-όλη (ασταθής ενόλη) που ισομερειώνεται σε 1-αλοβουτανόνη.

Τα παραπάνω ισχύουν μόνο όταν το αλογόνο (X) είναι χλώριο, βρώμιο ή ιώδιο, γιατί αν είναι φθόριο, τότε η προσθήκη είναι διαφορετική, με ενδιάμεσο προϊόν 2-φθορο-1-βουτεν-2-όλη και τελικό προϊόν 2-φθοροβουτανάλη:

$\mathrm {CH_{3}CH_{2}C\equiv CH+HOF{\xrightarrow {}}CH_{3}CH_{2}CHFCHO}$

Καταλυτική υδρογόνωση

Με καταλυτική υδρογόνωση 1-βουτίνιου σχηματίζεται αρχικά 1-βουτένιο και στη συνέχεια (με περίσσεια υδρογόνου) βουτάνιο.:

$\mathrm {CH_{3}CH_{2}C\equiv CH+H_{2}{\xrightarrow {Ni\;{\acute {\eta }}\;Pd\;{\acute {\eta }}\;Pt}}CH_{3}CH_{2}CH=CH_{2}{\xrightarrow[{+H_{2}}]{Ni\;{\acute {\eta }}\;Pd\;{\acute {\eta }}\;Pt}}CH_{3}CH_{2}CH_{2}CH_{3}}$

Αλογόνωση

Με επίδραση αλογόνου (X₂) (αλογόνωση) σε 1-βουτίνιο έχουμε προσθήκη στον τριπλό δεσμό. Παράγεται αρχικά 1,2-διαλο-1-βουτένιο και στη συνέχεια (με περίσσεια αλογόνου) 1,1,2,2-τετραλοβουτάνιο.:

$\mathrm {CH_{3}CH_{2}C\equiv CH+X_{2}{\xrightarrow {CCl_{4}}}CH_{3}CH_{2}CX=CHX{\xrightarrow[{+X_{2}}]{CCl_{4}}}CH_{3}CH_{2}CX_{2}CHX_{2}}$

Υδραλογόνωση

Με προσθήκη υδραλογόνων (HX) (υδραλογόνωση) σε 1-βουτίνιο παράγεται αρχικά 2-αλο-1-βουτένιο και στη συνέχεια (με περίσσεια υδραλογόνου) 2,2-διαλοβουτάνιο.:

$\mathrm {CN_{3}CH_{2}C\equiv CH+HX{\xrightarrow {}}CH_{3}CH_{2}CX=CH_{2}{\xrightarrow {+HX}}CH_{3}CH_{2}CX_{2}CH_{3}}$

Υδροκυάνωση

Με προσθήκη υδροκυανίου (HCN) (υδροκυάνωση) σε 1-βουτίνιο παράγεται αιθυλοπροπενονιτρίλιο:

$\mathrm {CH_{3}CH_{2}C\equiv CH+HCN{\xrightarrow {}}CH_{2}=C(CH_{2}CH_{3})CN}$

Διυδροξυλίωση

Η διυδροξυλίωση 1-βουτίνιου , αντιστοιχεί σε προσθήκη H₂O₂ και παράγει 1-υδροξυβουτανόνη:

1. Επίδραση αραιού διαλύματος υπερμαγγανικού καλίου (KMnO₄) σε 1-βουτίνιο:

$\mathrm {5CH_{3}CH_{2}C\equiv CH+4KMnO_{4}+2H_{2}SO_{4}{\xrightarrow {}}5CH_{3}CH_{2}COCH_{2}OH+4MnO+2K_{2}SO_{4}+2H_{2}O}$

2. Επίδραση καρβονικού οξέος και υπεροξείδιου του υδρογόνου σε 1-βουτίνιο:

$\mathrm {CH_{3}CH_{2}C\equiv CH+H_{2}O_{2}{\xrightarrow {RCOOH}}CH_{3}CH_{2}COCH_{2}OH}$

• Ενδιάμεσα παράγεται 1-βουτεν-1,2-διόλη (ασταθής ενόλη) που ισομερειώνεται σε 1-υδροξυβουτανόνη.

Επίδραση πυκνού υπερμαγγανικού καλίου

Με επίδραση πυκνού διαλύματος υπερμαγγανικού καλίου (KMnO₄) σε 1-βουτίνιο παράγεται 2-οξοβουτανικό οξύ:

$\mathrm {5CH_{3}CH_{2}C\equiv CH+6KMnO_{4}+3H_{2}SO_{4}{\xrightarrow {}}5CH_{3}CH_{2}COCOOH+6MnO_{2}+3K_{2}SO_{4}+8H_{2}O}$

Προσθήκη αλκοολών

Με επίδραση αλκοόλης (ROH) σε 1-βουτίνιο παράγεται 2-αλκοξυ-1-βουτένιο:

$\mathrm {CH_{3}CH_{2}C\equiv CH+ROH{\xrightarrow {\triangle }}CH_{3}CH_{2}C(OR)=CH_{2}}$

Προσθήκη καρβοξυλικών οξέων

Με επίδραση καρβοξυλικών οξέων (RCOOH) σε 1-βουτίνιο παράγεται καρβοξυλικός αιθυλοβινυλεστέρας:

$\mathrm {CH_{3}CH_{2}C\equiv CH+RCOOH{\xrightarrow {}}RCOOC(CH_{2}CH_{3})=CH_{2}}$

Οζονόλυση

Με επίδραση όζοντος (οζονόλυση) σε 1-βουτίνιο παράγεται αρχικά ασταθές οζονίδιο που τελικά διασπάται σε 2-οξοβουτανάλη:

$\mathrm {CH_{3}CH_{2}C\equiv CH+{\frac {2}{3}}O_{3}{\xrightarrow {H_{2}O}}CH_{3}CH_{2}COCHO}$

Όξινη συμπεριφορά

1. Αντιδρά με το νατραμίδιο (NaNH₂), σε υγρή αμμωνία, σχηματίζοντας βουτινικό νάτριο:

$\mathrm {CH_{3}CH_{2}C\equiv CH+NaNH_{2}{\xrightarrow {\upsilon \gamma \rho {\acute {\eta }}\;NH_{3}}}CH_{3}CH_{2}C\equiv CNa+NH_{3}}$

2. Αντιδρά με το βουτυλολίθιο, σε ψυχρό τετραϋδροφουράνιο, σχηματίζοντας βουτινικό λίθιο:

$\mathrm {CH_{3}CH_{2}C\equiv CH+BuLi{\xrightarrow[{-78^{o}C}]{THF}}CH_{3}CH_{2}C\equiv CLi+BuH}$

3. Με επίδραση μεταλλικού νατρίου σε 1-βουτίνιο παράγεται βουτινικό νάτριο:

$\mathrm {CH_{3}CH_{2}C\equiv CH+Na{\xrightarrow {}}CH_{3}CH_{2}C\equiv CNa+{\frac {1}{2}}H_{2}\uparrow }$

• Το βουτανικό νάτριο αποτελεί πρώτη ύλη για την παραγωγή άλλων παραγώγων με τριπλό δεσμό, γιατί αντιδρά με αλκυλαλογονίδια (RX):

$\mathrm {CH_{3}CH_{2}C\equiv CNa+RX{\xrightarrow {}}CH_{3}CH_{2}C\equiv CR+NaX}$

4. Με επίδραση ιόντων αργύρου (Ag⁺) και παρουσία αμμωνίας (NH₃) παράγεται ένα λευκό στερεό, ο βουτινικός άργυρος:

$\mathrm {CH_{3}CH_{2}C\equiv CH+Ag^{+}+NH_{3}{\xrightarrow {}}CH_{3}CH_{2}C\equiv CAg\downarrow +NH_{4}^{+}}$

5. Με επίδραση ιόντων μονοσθενούς χαλκού (Cu⁺) και παρουσία αμμωνίας (NH₃) παράγεται ένα κεραμιδί στερεό, ο βουτινικός χαλκός:

$\mathrm {CH_{3}CH_{2}C\equiv CH+Cu^{+}+NH_{3}{\xrightarrow {}}CH_{3}CH_{2}C\equiv CCu\downarrow +NH_{4}^{+}}$

• Οι αντιδράσεις #4 και #5 χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση της ομάδας -C≡CH.

Χημεία Reppe

Ο Γουώλτερ Ρέππε (Walter Reppe) ανακάλυψε ότι, παρουσία διαφόρων καταλυτών, το 1-βουτίνιο μπορεί να αντιδράσει με διάφορα αντιδραστήρια παράγοντας μια ευρεία ποικιλία βιομηχανικά σημαντικών χημικών. Το χημικά καθαρό αιθίνιο είναι άοσμο, αλλά το εμπορικού βαθμού καθαρότητας αιθίνιο έχει μια χαρακτηριστική οσμή, εξαιτίας προσμείξεων.

1. Με αλκοόλες (ROH), με το υδροκυάνιο (HCN), με το υδροχλώριο (HCl) και με καρβοξυλικά οξέα (RCOOH), το 1-βουτίνιο παράγει αιθυλοβινυλενώσεις (δηλαδή ενώσεις γενικού τύπου AC(CH₂CH₃)=CH₂):

$\mathrm {CH_{3}CH_{2}C\equiv CH+ROH{\xrightarrow {\kappa \alpha \tau .}}ROC(CH_{2}CH_{3})=CH_{2}}$
$\mathrm {CH_{3}CH_{2}C\equiv CH+HCN{\xrightarrow {\kappa \alpha \tau .}}CH_{2}=C(CH_{2}CH_{3})CN}$
$\mathrm {CH_{3}CH_{2}C\equiv CH+HCl{\xrightarrow {\kappa \alpha \tau .}}CH_{2}=CClCH_{2}CH_{3}}$
$\mathrm {CH_{3}CH_{2}C\equiv CH+RCOOH{\xrightarrow {\kappa \alpha \tau .}}RCOOC(CH_{2}CH_{3})=CH_{2}}$

2. Με αλδεΰδες (RCHO) δίνει (1-βουτινυλ)όλες, σύμφωνα με την αντίδραση Φαβόρσκιυ (Favorskii reaction):

$\mathrm {CH_{3}CH_{2}C\equiv CH+RCHO{\xrightarrow {\kappa \alpha \tau .}}CH_{3}CH_{2}C\equiv CCH(OH)R}$

3. Με αντίδραση 1-βουτινίου με μονοξείδιο του άνθρακα και νερό ή αλκοόλη παράγεται αιθυλοπροπενικό οξύ ή αιθυλοπροπενικός εστέρας, αντιστοίχως, που χρησιμοποιούνται, με τη σειρά τους, για την παραγωγή ακρυλικού γυαλιού και άλλων ακρυλικών προϊόντων:

$\mathrm {CH_{3}CH_{2}C\equiv CH+CO+H_{2}O{\xrightarrow {\kappa \alpha \tau .}}CH_{2}=C(CH_{2}CH_{3})COOH}$
$\mathrm {CH_{3}CH_{2}C\equiv CH+CO+ROH{\xrightarrow {\kappa \alpha \tau .}}CH_{2}=C(CH_{2}CH_{3})COOR}$

4. Με κυκλοποίηση (μαζί με ολιμερισμό) 1-βουτινίου παράγονται το 1,3,5-τριαιθυλοβενζόλιο, το 1,3,5,7-τετραιθυλοκυκλοοκτατετραένιο και η 2,5-διαιθυλυδροκινόνη:

$\mathrm {3CH_{3}CH_{2}C\equiv CH{\xrightarrow {Fe}}}$1,3,5-τριαιθυλοβενζόλιο
$\mathrm {4CH_{3}CH_{2}C\equiv CH{\xrightarrow[{60^{o}C,\;15\;bar}]{Ni(CN)_{2},\;CaC_{2},\;THF}}}$1,3,5,7-τετραιθυλοκυκλοοκτατετραένιο
$\mathrm {Fe(CO)_{5}+4CH_{3}CH_{2}C\equiv CH+2H_{2}O{\xrightarrow[{\beta \alpha \sigma \iota \kappa {\acute {\epsilon }}\varsigma \;\sigma \upsilon \nu \theta {\acute {\eta }}\kappa \epsilon \varsigma }]{50-80^{o}C,\;20-25\;atm}}FeCO_{3}+2}$ 2,5-διαιθυλυδροκινόνη

Προσθήκη καρβενίων

Κατά την προσθήκη μεθυλενίου σε 1-βουτίνιο σχηματίζονται 1-πεντίνιο, μεθυλοβουτίνιο, 2-πεντίνιο και 1-αιθυλοκυκλοπροπένιο:

$\mathrm {CH_{3}CH_{2}C\equiv CH+CH_{3}Cl+KOH{\xrightarrow {}}KCl+H_{2}O+{\frac {3}{7}}CH_{3}CH_{2}CH_{2}C\equiv CH+{\frac {2}{7}}(CH_{3})_{2}CHC\equiv CH+{\frac {1}{7}}CH_{3}CH_{2}C\equiv CCH_{3}+{\frac {1}{7}}}$

• Η αντίδραση είναι ελάχιστα εκλεκτική και αυτό σημαίνει ότι κατά προσέγγιση έχουμε:

1. Παρεμβολή στους τρεις (3) δεσμούς C₄-H: Προκύπτει 1-πεντίνιο, ένα αλκίνιο.

2. Παρεμβολή στους τρεις (2) δεσμούς C₃-H: Προκύπτει μεθυλοβουτίνιο, ένα αλκίνιο.

3. Παρεμβολή στον έναν (1) δεσμό C₁-H: Προκύπτει 2-πεντίνιο, ένα αλκίνιο.

4. Προσθήκη στον έναν (1) τριπλό δεσμό: Προκύπτει 1-αιθυλοκυκλοπροπένιο, ένα κυκλοαλκένιο.

• Προκύπτει επομένως μίγμα 1-πεντινίου ~43%, μεθυλο-1-βουτινίου ~29%, 2-πεντινίου ~14% και 1-αιθυλοκυκλοπροπενιου ~14%.
• Με τη χρήση μεθυλενοδιιωδιδίου (CH₂I₂) και ψευδαργύρου (Zn) επικρατεί η προσθήκη, οπότε είναι:

$\mathrm {CH_{3}CH_{2}C\equiv CH+CH_{2}I_{2}+Zn{\xrightarrow {}}ZnI_{2}+}$

Πηγές

• Speight J. G., “Chemical and Process Design Handbook”, McGraw-Hill, 2002.
• 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
• NIST Chemistry WebBook page for 1-butyne