Οκτάνιο

Οκτάνιο
Γενικά
Όνομα IUPAC	Οκτάνιο
Χημικά αναγνωριστικά
Χημικός τύπος	C8H18
Μοριακή μάζα	114,23 amu
Σύντομος συντακτικός τύπος	CΗ3(CH2)6CΗ3
Συντομογραφίες	Bu2
Αριθμός CAS	111-65-9
SMILES	CCCCCCCC
InChI	1S/C8H18/c1-3-5-7-8-6-4-2/h3-8H2,1-2H3
Αριθμός RTECS	RG8400000
PubChem CID	356
ChemSpider ID	349
Ισομέρεια
Ισομερή θέσης	17
Φυσικές ιδιότητες
Σημείο τήξης	−57 °C
Σημείο βρασμού	125,52 °C
Πυκνότητα	703 kg/m3
Ιξώδες	0,542 cP (20 °C)
Εμφάνιση	Άχρωμο υγρό
Χημικές ιδιότητες
Βαθμός οκτανίου	-17
Βαθμός κετανίου	63,8
Ελάχιστη θερμοκρασία ανάφλεξης	13 °C
Σημείο αυτανάφλεξης	220 °C
Επικινδυνότητα
Εξαιρετικά εύφλεκτο (F+), Επιβλαβές (Xn), Τοξικό για τους υδρόβιους οργανισμούς (N)
Φράσεις κινδύνου	R11, R38, R50/53, R65, R67
Φράσεις ασφαλείας	S2, S9, S16, S29, S33, S60, S61, S62
Εκτός αν σημειώνεται διαφορετικά, τα δεδομένα αφορούν υλικά υπό κανονικές συνθήκες περιβάλλοντος (25°C, 100 kPa).

Το οκτάνιο είναι ένα αλκάνιο, δηλαδή άκυκλος κορεσμένος υδρογονάνθρακας, με χημικό τύπο C₈H₁₈ και σύντομο συντακτικό τύπο CH₃(CH₂)₆CH₃. Το οκτάνιο έχει τα ακόλουθα δεκαεπτά (17) ισομερή θέσης:

1. 2-μεθυλεπτάνιο, με σύντομο συντακτικό τύπο CH₃(CH₂)₄CH(CH₃)₂.
2. 3-μεθυλεπτάνιο, με σύντομο συντακτικό τύπο CH₃(CH₂)₃CH(CH₃)CH₂CH₃ (σε δύο (2) οπτικά ισομερή).
3. 4-μεθυλεπτάνιο, με σύντομο συντακτικό τύπο [CH₃(CH₂)₂]₂CHCH₃.
4. Αιθυλεξάνιο, με σύντομο συντακτικό τύπο (CH₃CH₂)₂CHCH₂CH₂CH₃.
5. 2,2-διμεθυλεξάνιο ή νεοοκτάνιο, με σύντομο συντακτικό τύπο (CH₃)₃C(CH₂)₃CH₃.
6. 2,3-διμεθυλεξάνιο, με σύντομο συντακτικό τύπο (CH₃)₂CΗCH(CH₃)CH₂CH₂CH₃ (σε δύο (2) οπτικά ισομερή).
7. 2,4-διμεθυλεξάνιο, με σύντομο συντακτικό τύπο (CH₃)₂CΗCH₂CH(CH₃)CH₂CH₃ (σε δύο (2) οπτικά ισομερή).
8. 2,5-διμεθυλεξάνιο, με σύντομο συντακτικό τύπο (CH₃)₂CΗCH₂CH₂CΗ(CH₃)₂
9. 3,3-διμεθυλεξάνιο, με σύντομο συντακτικό τύπο CH₃CH₂C(CH₃)₂CH₂CH₂CH₃.
10. 3,4-διμεθυλεξάνιο, με σύντομο συντακτικό τύπο CH₃CH₂CH(CH₃)CH(CH₃)CH₂CH₃ (σε τρία (3) οπτικά ισομερή).
11. Αιθυλο-2-μεθυλοπεντάνιο, με σύντομο συντακτικό τύπο (CH₃CH₂)₂CHCH(CH₃)₂.
12. Αιθυλο-3-μεθυλοπεντάνιο, με σύντομο συντακτικό τύπο (CH₃CH₂)₂C(CH₃)₂.
13. 2,2,3-τριμεθυλοπεντάνιο, με σύντομο συντακτικό τύπο CH₃CH₂CH(CH₃)C(CH₃)₃ (σε δύο (2) οπτικά ισομερή).
14. 2,2,4-τριμεθυλοπεντάνιο ή ισοκτάνιο, με σύντομο συντακτικό τύπο (CH₃)₂CHCH₂C(CH₃)₃ (σε δύο (2) οπτικά ισομερή).
15. 2,3,3-τριμεθυλοπεντάνιο, με σύντομο συντακτικό τύπο CH₃CH₂C(CH₃)₂CH(CH₃)₂.
16. 2,3,4-τριμεθυλοπεντάνιο, με σύντομο συντακτικό τύπο (CH₃)₂CHCH(CH₃)CH(CH₃)₂ (σε δύο (2) οπτικά ισομερή).
17. Τετραμεθυλοβουτάνιο (CH₃)₃CC(CH₃)₃.

Από αυτά είναι γνωστότερο το 2,2,4-τριμεθυλοπεντάνιο ή ισοκτάνιο θεωρείται η σταθερά 100 στο βαθμό οκτανίου ως καύσιμο για κινητήρες εσωτερικής καύσης.

Όλα τα οκτάνια (δηλαδή το οκτάνιο και τα ισομερή του) είναι συστατικά της βενζίνης και φυσικά εξαιρετικά εύφλεκτα.

Ονοματολογία

Η ονομασία «οκτάνιο» προέρχεται από την ονοματολογία κατά IUPAC. Συγκεκριμένα, το πρόθεμα «οκτ-» δηλώνει την παρουσία οκτώ (8) ατόμων άνθρακα ανά μόριο της ένωσης, το ενδιάμεσο «-αν-» δείχνει την παρουσία μόνο απλών δεσμών μεταξύ ατόμων άνθρακα στο μόριο και η κατάληξη «-ιο» φανερώνει ότι δεν περιέχει χαρακτηριστικές ομάδες, δηλαδή ότι είναι υδρογονάνθρακας.

Δομή

Το μόριό του αποτελείται από οκτώ (8) άτομα άνθρακα (δύο (2) πρωτοταγή και έξι (6) δευτεροταγή) και δεκαοκτώ (18) άτομα υδρογόνου.

Δεσμοί
Δεσμός	τύπος δεσμού	ηλεκτρονική δομή	Μήκος δεσμού	Ιονισμός
C-H	σ	2sp3-1s	109 pm	3% C- H+
C-C	σ	2sp3-2sp3	154 pm
Κατανομή φορτίων σε ουδέτερο μόριο
C#1,#8	-0,09
C#2-#7	-0,06
H	+0,03

Παραγωγή

Απομόνωση από φυσικές και βιομηχανικές πηγές

1. Απομονώνεται από το πετρέλαιο.
2. Απομονώνεται από μίγματα που προκύπτουν από πυρόλυση βαρύτερων προϊόντων διύλισης πετρελαίου ή πολυμερών υδρογονανθράκων.

Παρασκευή με αντιδράσεις σύνθεσης: Από πρώτες ύλες με μικρότερη ανθρακική αλυσίδα

1. Το οκτάνιο είναι συμμετρικό αλκάνιο, δηλαδή αποτελείται από δυο συμμετρικά τμήματα βουτυλίου (CH₃CH₂CH₂CH₂-). Αυτό επιτρέπει τη παραγωγή του με τη μέθοδο Wüutz, από βουτυλαλογονίδιο (CH₃CH₂CH₂CH₂X) και Na:

$\mathrm {2CH_{3}CH_{2}CH_{2}CH_{2}X+2Na{\xrightarrow {}}CH_{3}CH_{2}CH_{2}CH_{2}CH_{2}CH_{2}CH_{2}CH_{3}+2NaX}$

• • όπου Χ: Cl, Br, I.
  • To K επίσης δίνει την αντίστοιχη αντίδραση.
  • Η απόδοση είναι αρκετά καλή: ~60%.

2. Είναι επίσης εύκολη η σύνθεση με αντίδραση βουτυλαλογονίδιου - βουτυλολίθιου:

$\mathrm {CH_{3}CH_{2}CH_{2}CH_{2}X+2Li{\xrightarrow {|Et_{2}O|}}CH_{3}CH_{2}CH_{2}CH_{2}Li+LiX}$
$\mathrm {CH_{3}CH_{2}CH_{2}CH_{2}X+CH_{3}CH_{2}CH_{2}CH_{2}Li{\xrightarrow {}}CH_{3}CH_{2}CH_{2}CH_{2}CH_{2}CH_{2}CH_{2}CH_{3}+LiX}$

3. Για τον ίδιο λόγο παράγεται και με ηλεκτρόλυση διαλύματος πεντανικού νάτριου(CH₃CH₂CH₂CH₂COONa):

$\mathrm {2CH_{3}CH_{2}CH_{2}CH_{2}COONa+2H_{2}O{\xrightarrow {\eta \lambda \epsilon \kappa \tau \rho {\acute {o}}\lambda \upsilon \sigma \eta }}2CH_{3}CH_{2}CH_{2}CH_{2}CH_{2}CH_{2}CH_{2}CH_{3}+2NaOH+2CO_{2}\uparrow +H_{2}\uparrow }$

4. Ακόμη, το οκτάνιο μπορεί να ληφθεί με επίδραση νατρίου σε πεντανονιτρίλιο (CH₃CH₂CH₂CH₂CN):

$\mathrm {2CH_{3}CH_{2}CH_{2}CH_{2}CN+2Na{\xrightarrow {}}CH_{3}CH_{2}CH_{2}CH_{2}CH_{2}CH_{2}CH_{2}CH_{3}+2NaCN}$

Χημικές ιδιότητες

Οξείδωση

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

$\mathrm {2C_{8}H_{18}+25O_{2}{\xrightarrow {\triangle }}16CO_{2}+18H_{2}O+10971kJ}$

• 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:

$\mathrm {C_{8}H_{18}+8H_{2}O{\xrightarrow[{700-1100^{o}C}]{Ni}}8CO+17H_{2}}$

3. Καταλυτική οξείδωση προς oκτανόνη-2, oκτανόνη-3 και oκτανόνη-4:

$\mathrm {C_{8}H_{18}+O_{2}{\xrightarrow[{\triangle }]{Cu}}{\frac {1}{3}}CH_{3}CH_{2}CH_{2}CH_{2}CH_{2}CH_{2}COCH_{3}+{\frac {1}{3}}CH_{3}CH_{2}CH_{2}CH_{2}CH_{2}COCH_{2}CH_{3}+{\frac {1}{3}}CH_{3}CH_{2}CH_{2}CH_{2}COCH_{2}CH_{2}CH_{3}+H_{2}O}$

• Είναι τα κύρια προϊόντα της καταλυστικής οξείδωσης του οκτανίου, αλλά παράγεται και μια μικρή ποσότητα οκτανάλης.

Αλογόνωση

$\mathrm {CH_{3}CH_{2}CH_{2}CH_{2}CH_{2}CH_{2}CH_{2}CH_{3}+X_{2}{\xrightarrow[{\triangle }]{UV}}aCH_{3}CH_{2}CH_{2}CH_{2}CH_{2}CH_{2}CH_{2}CH_{2}X+bCH_{3}CH_{2}CH_{2}CH_{2}CH_{2}CH_{2}CHXCH_{3}+cCH_{3}CH_{2}CH_{2}CH_{2}CH_{2}CHXCH_{2}CH_{3}+dCH_{3}CH_{2}CH_{2}CH_{2}CHXCH_{2}CH_{2}CH_{3}+HX}$

• Δραστικότητα των X₂: F₂ > Cl₂ > Br₂ > Ι₂.
• όπου 0<a,b,c,d<1, a + b + c + d = 0, διαφέρουν ανάλογα με το αλογόνο:
  • Τα F και Cl είναι πιο δραστικά και λιγότερο εκλεκτικά. Η αναλογία των οκτυλαλογονιδίων τους εξαρτάται κυρίως πό τη στατιστική αναλογία των προς αντικατάσταση ατόμων H. Ειδικά γοα το χλώριο θα έχουμε:
    • 1-χλωροκτάνιο: 6·1 = 6.
    • 2-χλωροκτάνιο: 4·3,8 = 15,2.
    • 3-χλωροκτάνιο: 4·3,8 = 15,2.
    • 4-χλωροκτάνιο: 4·3,8 = 15,2.
• Δηλαδή το μίγμα που προκύπτει είναι: 11,6% 1-χλωροκτάνιο, 29,5% 2-χλωροκτάνιο, 29,5% 3-χλωροκτάνιο και 29,5% 4-χλωροκτάνιο.
• Τα Br και I είναι πιο εκλεκτικά και λιγότερο δραστικά. Η αναλογία των εξυλαλογονιδίων μεταβάλλεται προς όφελος των δευτεροταγών (αυτών που το αλογόνο συνδέεται με δευτεροταγές άτομο C, δηλαδή ατόμου C ενωμένου με 2 άλλα άτομα C) εξυλοαλογονίδιων. Ειδικα για το βρώμιο θα έχουμε:
  • 1-βρωμοκτάνιο: 6·1 = 6.
  • 2-βρωμοκτάνιο: 4·82 = 328.
  • 3-βρωμοκτάνιο: 4·82 = 328.
  • 4-βρωμοκτάνιο: 4·82 = 328.
• Δηλαδή το μίγμα που προκύπτει είναι: 0,6% 1-βρωμοκτάνιο, 33,1% 2-βρωμοκτάνιο, 33,1% 3-βρωμοκτάνιο και 33,1% 4-βρωμοκτάνιο.
  • Είναι όμως πρακτικά δύσκολο να σταματήσει η αντίδραση στην παραγωγή μονοαλογονοπαραγώγων.
    • Αν χρησιμοποιηθούν ισομοριακές ποσότητες CH₃(CH₂)₆CH₃ και Χ₂ θα παραχθεί μίγμα όλων των X-παραγώγων του CH₃(CH₂)₆CH₃.
    • Αν όμως χρησιμοποιηθει περίσσεια CH₃(CH₂)₆CH₃, τότε η απόδοση τωμ μονοπαραγώγων αυξάνεται πολύ, λόγω της αύξησης της στατιστική πιθανότητας συνάντισης CH₃(CH₂)₆CH₃ με X^. σε σχέση με την πιθανότητα συνάντισης μονοπαραγώγου και X^., που μπορεί να οδηγήσει στην παραγωγή των υπόλοιπων X-παραγώγων.

Παρεμβολή καρβενίων

• • Τα καρβένια (π.χ. [:CH₂]) μπορούν παρεμβληθούν στους δεσμούς C-H. Π.χ. έχουμε:

$\mathrm {CH_{3}CH_{2}CH_{2}CH_{2}CH_{2}CH_{2}CH_{2}CH_{3}+CH_{3}Cl+KOH{\xrightarrow {}}{\frac {1}{3}}CH_{3}CH_{2}CH_{2}CH_{2}CH_{2}CH_{2}CH_{2}CH_{2}CH_{3}+{\frac {2}{9}}CH_{3}CH_{2}CH_{2}CH_{2}CH_{2}CH_{2}CH(CH_{3})_{2}+{\frac {2}{9}}CH_{3}CH_{2}CH_{2}CH_{2}CH_{2}CH(CH_{3})CH_{2}CH_{3}+{\frac {2}{9}}CH_{3}CH_{2}CH_{2}CH_{2}CH(CH_{3})CH_{2}CH_{2}CH_{3}+KCl+H_{2}O}$

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

1. Παρεμβολή στους έξι(6) δεσμούς C_#1,#8H₂-H: 6
2. Παρεμβολή στους τέσσερεις (4) δεσμούς C_#2,#7H-H: 4
3. Παρεμβολή στους τέσσερεις (4) δεσμούς C_#3,#6H-H: 4
4. Παρεμβολή στους τέσσερεις (4) δεσμούς C_#4,#5H-H: 4

Προκύπτει επομένως μίγμα εννεάνιου ~33%, 2-μεθυλοκτανίου ~22%, 3-μεθυλοκτανίου ~22% και 3-μεθυλοκτάνιου ~22%.

Νίτρωση

• Αντιδρά με ατμούς HNO₃ σε αέρια φάση:

$\mathrm {CH_{3}CH_{2}CH_{2}CH_{2}CH_{2}CH_{2}CH_{2}CH_{3}+HNO_{3}{\xrightarrow {\triangle }}aCH_{3}CH_{2}CH_{2}CH_{2}CH_{2}CH_{2}CH_{2}CH_{2}NO_{2}+bCH_{3}CH_{2}CH_{2}CH_{2}CH_{2}CH_{2}CH(NO_{2})CH_{3}+cCH_{3}CH_{2}CH_{2}CH_{2}CH_{2}CH(NO_{2})CH_{2}CH_{3}+dCH_{3}CH_{2}CH_{2}CH_{2}CH(NO_{2})CH_{2}CH_{2}CH_{3}+H_{2}O}$

όπου 0<a,b,c,d<1, a + b + c + d = 1.

Καταλυτική ισομερείωση

To οκτάνιο μπορεί να υποστεί καταλυτική ισομερείωση προς τα ισομερή του.

Πηγές

• Παπαγεωργίου Β.Π., “Εφαρμοσμένη Οργανική Χημεία: Άκυκλες Ενώσεις”, Εκδόσεις Παρατηρητής, Θεσσαλονίκη 1986.
• Ασκήσεις και προβλήματα Οργανικής Χημείας Ν. Α. Πετάση 1982
• 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
• Μερικές από τις ενέργειες αντιδράσεων υπολογίστηκαν με χρήση κατάλληλου λογισμικού. Θα διασταυρωθούν και βιβλιογραφικά το συντομότερο για μεγαλύτερη ακρίβεια.