2-φθοροβουτάνιο

Τα 2-φθοροβουτάνια είναι ένα ζεύγος χειρόμορφων οπτικών ισομερών οργανικών χημικών ενώσεων, που περιέχουν άνθρακα, υδρογόνο και φθόριο, με χημικό τύπο C₄H₉F και σύντομο συντακτικό τύπο CH₃CH₂CHFCH₃. Το καθαρό 2-φθοροβουτάνιο, δηλαδή σε θερμοκρασία 25°C και υπό πίεση 1 atm, βρίσκεται ακριβώς στη θερμοκρασία βρασμού του. Με βάση τον παραπάνω αναφερόμενο χημικό τύπο τους, έχουν τα ακόλουθα τρία (3) ισομερή θέσης:

1. 1-φθοροβουτάνιο.
2. Μεθυλο-1-φθοροπροπάνιο.
3. Μεθυλο-2-φθοροπροπάνιο.

2-φθοροβουτάνιο
Γενικά
Όνομα IUPAC	2-φθοροβουτάνιο
Άλλες ονομασίες	2-βουτυλοφθορίδιο δευτεροταγές βουτυλοφθορίδιο
Χημικά αναγνωριστικά
Χημικός τύπος	C4H9F
Μοριακή μάζα	76,113863 amu
Σύντομος συντακτικός τύπος	CH3CH2CHFCH3
Συντομογραφίες	sBuF
Αριθμός CAS	359-01-3
SMILES	CCC(F)C
Ισομέρεια
Ισομερή θέσης	3 1-φθοροβουτάνιο μεθυλο-1-φθοροπροπάνιο μεθυλο-2-φθοροπροπάνιο
Οπτικά ισομερή	2
Φυσικές ιδιότητες
Σημείο τήξης	-121°C
Σημείο βρασμού	25°C
Πυκνότητα	770 kg/m3 (15 °C)
Δείκτης διάθλασης , nD	1,3299 (20 °C)
Εμφάνιση	Άχρωμο αέριο
Χημικές ιδιότητες
Επικινδυνότητα
Φράσεις κινδύνου	R12,R18
Φράσεις ασφαλείας	S9,S16
Εκτός αν σημειώνεται διαφορετικά, τα δεδομένα αφορούν υλικά υπό κανονικές συνθήκες περιβάλλοντος (25°C, 100 kPa).

Τα δυο οπτικά ισομερή σπανίως διαχωρίζονται, γιατί αυτό και δύσκολο είναι και ο διαχωρισμός τους σπάνια απαιτείται από τις όποιες διερευνώμενες εφαρμογές του 2-φθοροβουτανίου.

Ονοματολογία

Η ονομασία «φθοροβουτάνιο» προέρχεται από την ονοματολογία κατά IUPAC. Συγκεκριμένα, το πρόθεμα «βουτ-» δηλώνει την παρουσία τεσσάρων (4) 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 που έχουν χαρακτηριστικές καταλήξεις. Το αρχικό πρόθεμα «φθορο-» δηλώνει την παρουσία ενός (1) ατόμου φθορίου ανά μόριο της ένωσης. Τέλος, ο αρχικός αριθμός θέσης «2-», δηλώνει τον αριθμό θέσης του ατόμου του άνθρακα με το οποίο ενώνεται το άτομο του φθορίου, για να διαχωριστεί η ένωση από την ισομερή της 1-φθοροβουτάνιο.

Μοριακή δομή

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
C-F	σ	2sp3-2sp3	139 pm	43% C+ F-
Κατανομή φορτίων σε ουδέτερο μόριο
F	-0,43
H	+0,03
C#2	+0,40
C#1,#4	-0,09
C#2	-0,06

Παραγωγή

Με υποκατάσταση υδροξυλίου από φθόριο

Με επίδραση υδροφθορίου (HF) σε 2-βουτανόλη (CH₃CH₂CH(OH)CH₃):

$\mathrm {CH_{3}CH_{2}CH(OH)CH_{3}+HF{\xrightarrow {ZnF_{2}}}CH_{3}CH_{2}CHFCH_{3}+H_{2}O}$

• Συνήθως το υδροφθόριο παρασκευάζεται επιτόπου με την αντίδραση:

$\mathrm {2NaF+H_{2}SO_{4}{\xrightarrow {}}Na_{2}SO_{4}+2HF}$

Με υποκατάσταση χλωρίου από φθόριο

Με επίδραση φθοριούχου υφυδραργύρου (Hg₂F₂) σε 2-χλωροβουτάνιο (CH₃CH₂CHClCH₃):

$\mathrm {2CH_{3}CH_{2}CHClCH_{3}+Hg_{2}F_{2}{\xrightarrow {}}2CH_{3}CH_{2}CHFCH_{3}+Hg_{2}Cl_{2}\downarrow }$

Με προσθήκη υδροφθορίου σε 1-βουτένιο ή σε 2-βουτένιο

Με προσθήκη υδροφθορίου σε 1-βουτένιο ή σε 2-βουτένιο παράγεται 2-φθοροβουτάνιο::

$\mathrm {CH_{3}CH_{2}CH=CH_{2}+HF{\xrightarrow {}}CH_{3}CH_{2}CHFCH_{3}}$
ή
$\mathrm {CH_{3}CH=CHCH_{3}+HF{\xrightarrow {}}CH_{3}CH_{2}CHFCH_{3}}$

Με προσθήκη φθορομεθανίου σε προπένιο

Με προσθήκη φθρορομεθανίου σε προπένιο παράγεται 2-φθοροβουτάνιο::

$\mathrm {CH_{3}CH=CH_{2}+CH_{3}F{\xrightarrow {}}CH_{3}CH_{2}CHFCH_{3}}$

Με προσθήκη υδροφθορίου σε μεθυλοκυκλοπροπάνιο

Με προσθήκη υδροφθορίου (ΗF) σε μεθυλοκυκλοπροπάνιο παράγεται 2-φθοροβουτάνιο:

$\mathrm {+HF{\xrightarrow {}}CH_{3}CH_{2}CHFCH_{3}}$

Χημικές ιδιότητες και παράγωγα

Αντιδράσεις υποκατάστασης

• Οι αντιδράσεις είναι πολύ πιο αργές σε σύγκριση με τα αντίστοιχα αλκυλαλογονίδια των άλλων αλογόνων, γιατί οι μηχανισμοί που επικρατούν σ' αυτές τις αντιδράσεις υποκαταστάσεως είναι οι S_N¹ και S_N².

Υποκατάσταση από υδροξύλιο

Κατά την υδρόλυσή του με εναιώρημα υδροξειδίου του αργύρου (AgOH) σχηματίζεται 2-βουτανόλη (CH₃CH₂CH(OH)CH₃):

$\mathrm {CH_{3}CH_{2}CHFCH_{3}+AgOH{\xrightarrow {}}CH_{3}CH_{2}CH(OH)CH_{3}+AgF}$

Υποκατάσταση από αλκοξύλιο

Με αλκοολικά άλατα (RONa) σχηματίζει 2-αλκοξυβουτάνιο (CH₃CH₂CH(OR)CH₃):

$\mathrm {CH_{3}CH_{2}CHFCH_{3}+RONa{\xrightarrow {}}CH_{3}CH_{2}CH(OR)CH_{3}+NaF}$

Υποκατάσταση από αλκινύλιο

Με αλκινικά άλατα (RC≡CNa) σχηματίζει αλκίνιο (RC≡CCH(CH₃)CH₂CH₃). Π.χ.:

$\mathrm {CH_{3}CH_{2}CHFCH_{3}+RC\equiv CNa{\xrightarrow {}}RC\equiv CCH(CH_{3})CH_{2}CH_{3}+NaF}$

Υποκατάσταση από ακύλιο

Με καρβονικά άλατα (RCOONa) σχηματίζει καρβονικό δευτεροταγή βουτυλεστέρα (RCOOCH(CH₃)CH₂CH₃):

$\mathrm {CH_{3}CH_{2}CHFCH_{3}+RCOONa{\xrightarrow {}}RCOOCH(CH_{3})CH_{2}CH_{3}+NaF}$

Υποκατάσταση από κυάνιο

Με κυανιούχο νάτριο (NaCN) σχηματίζει 2-μεθυλοβουτανονιτρίλιο (CH₃CH₂CH(CN)CH₃):

$\mathrm {CH_{3}CH_{2}CHFCH_{3}+NaCN{\xrightarrow {}}CH_{3}CH_{2}CH(CN)CH_{3}+NaF}$

Υποκατάσταση από αλκύλιο

Με αλκυλολίθιο (RLi) σχηματίζει αλκάνιο:

$\mathrm {CH_{3}CH_{2}CHFCH_{3}+RLi{\xrightarrow {}}RCH(CH_{3})CH_{2}CH_{3}+LiF}$

Υποκατάσταση από σουλφυδρίλιο

Με όξινο θειούχο νάτριο (NaSH) σχηματίζει 2-βουτανοθειόλη (CH₃CH₂CH(SH)CH₃):

$\mathrm {CH_{3}CH_{2}CHFCH_{3}+NaSH{\xrightarrow {}}CH_{3}CH_{2}CH(SH)CH_{3}+NaF}$

Υποκατάσταση από σουλφαλκύλιο

Με θειολικό νάτριο (RSNa) σχηματίζει 2-αλκυλοθειοβουτάνιο (RSCH(CH₃)CH₂CH₃):

$\mathrm {CH_{3}CH_{2}CHFCH_{3}+RSNa{\xrightarrow {}}CH_{3}CH_{2}CH(SR)CH_{3}+NaF}$

Υποκατάσταση από ιώδιο

Με ιωδιούχο νάτριο (NaI) σχηματίζει 2-ιωδοβουτάνιο (CH₃CH₂CHICH₃):

$\mathrm {CH_{3}CH_{2}CHFCH_{3}+NaI{\xrightarrow {}}CH_{3}CH_{2}CHICH_{3}+NaF}$

Υποκατάσταση από αμινομάδα

Με αμμωνία (NH₃) σχηματίζει 2-βουταναμίνη (CH₃CH₂CH(NH₂)CH₃):

$\mathrm {CH_{3}CH_{2}CHFCH_{3}+NH_{3}{\xrightarrow {}}CH_{3}CH_{2}CH(NH_{2})CH_{3}+HF}$

Υποκατάσταση από αλκυλαμινομάδα

Με πρωυτοταγείς αμίνες (RNH₂) σχηματίζει N-αλκυλο-2-βουταναμίνη (CH₃CH₂CH(NHR)CH₃):

$\mathrm {CH_{3}CH_{2}CHFCH_{3}+RNH_{2}{\xrightarrow {}}CH_{3}CH_{2}CH(NHR)CH_{3}+HF}$

Υποκατάσταση από διαλκυλαμινομάδα

Με δευτεροταγείς αμίνες (R'NHR) σχηματίζει N,N-διαλκυλο-2-βουταναμίνη [(CH₃CH₂CH(NRR΄)CH₃)]:

$\mathrm {CH_{3}CH_{2}CHFCH_{3}+R{\acute {}}\;NHR{\xrightarrow {}}CH_{3}CH_{2}CH(NRR{\acute {}})CH_{3}+HF}$

Υποκατάσταση από τριαλκυλαμινομάδα

Με τριτοταγείς αμίνες [R'N(R)R΄΄] σχηματίζει φθοριούχο N,N,N-τριαλκυλο(1-μεθυλοπροπυλ)αμμώνιο {[(CH₃CH₂CH(NRR΄R΄΄)CH₃]F}:

$\mathrm {CH_{3}CH_{2}CHFCH_{3}+R{\acute {}}\;N(R)R{\acute {}}\;{\acute {}}\;{\xrightarrow {}}[CH_{3}CH_{2}CH(N(R)(R{\acute {}})R{\acute {}}\;{\acute {}})CH_{3}]F}$

Υποκατάσταση από φωσφύλιο

Με φωσφίνη σχηματίζει 2-βουτανοφωσφαμίνη:

$\mathrm {CH_{3}CH_{2}CHFCH_{3}+PH_{3}{\xrightarrow {}}CH_{3}CH_{2}CH(PH_{2})CH_{3}+HF}$

Υποκατάσταση από νιτροομάδα

Με νιτρώδη άργυρο (AgNO₂) σχηματίζει 2-νιτροβουτάνιο (CH₃CH₂CH(NO₂)CH₃):

$\mathrm {CH_{3}CH_{2}CHFCH_{3}+AgNO_{2}{\xrightarrow {}}CH_{3}CH_{2}CH(NO_{2})CH_{3}+AgF}$

Υποκατάσταση από φαινύλιο

Με επίδραση τύπου Friedel-Crafts σε βενζολίου παράγεται 2-φαινυλοβενζόλιο:

$\mathrm {PhH+CH_{3}CH_{2}CHFCH_{3}{\xrightarrow {AlF_{3}}}CH_{3}CH_{2}CH(Ph)CH_{3}+HF}$

Παραγωγή οργανομεταλλικών ενώσεων

1. Με λίθιο (Li σχηματίζει δευτεροταγές βουτυλολίθιο:

$\mathrm {CH_{3}CH_{2}CHFCH_{3}+2Li{\xrightarrow[{-10^{o}C}]{|Et_{2}O|}}CH_{3}CH_{2}CHLiCH_{3}+LiF}$

2. Με μαγνήσιο (Mg) σχηματίζει δευτεροταγές βουτυλομαγνησιοφθορίδιο :

$\mathrm {CH_{3}CH_{2}CHFCH_{3}+Mg{\xrightarrow {|Et_{2}O|}}CH_{3}CH_{2}CH(MgF)CH_{3}}$

Αναγωγή

1. Με λιθιοαργιλλιοϋδρίδιο (LiAlH₄) παράγεται βουτάνιο.:

$\mathrm {4CH_{3}CH_{2}CHFCH_{3}+LiAlH_{4}{\xrightarrow {}}4CH_{3}CH_{2}CH_{2}CH_{3}+LiF+AlF_{3}}$

2. Με «υδρογόνο εν τω γενάσθαι», δηλαδή μέταλλο + οξύ παράγεται βουτάνιο.:

$\mathrm {CH_{3}CH_{2}CHFCH_{3}+Zn+HCl{\xrightarrow {}}CH_{3}CH_{2}CH_{2}CH_{3}+ZnClF}$

3. Με σιλάνιο, παρουσία τριφθοριούχου βορίου, παράγεται βουτάνιο:

$\mathrm {CH_{3}CH_{2}CHFCH_{3}+SiH_{4}{\xrightarrow {BF_{3}}}CH_{3}CH_{2}CH_{2}CH_{3}+SiH_{3}F}$

4. Αναγωγή από ένα αλκυλοκασσιτεράνιο. Π.χ.:

$\mathrm {CH_{3}CH_{2}CHFCH_{3}+RSnH_{3}{\xrightarrow {}}CH_{3}CH_{2}CH_{2}CH_{3}+RSnH_{2}F}$

Αντιδράσεις προσθήκης

1. Σε αλκένια. Π.χ. με αιθένιο (CH₂=CH₂) παράγει 3-μεθυλο-1-φθοροπεντάνιο :

$\mathrm {CH_{3}CH_{2}CHFCH_{3}+CH_{2}=CH_{2}{\xrightarrow {}}CH_{3}CH_{2}CH(CH_{3})CH_{2}CH_{2}F}$

2. Σε αλκίνια. Π.χ. με αιθίνιο (HC≡CH) παράγει 3-μεθυλο-1-φθορο-1-πεντένιο :

$\mathrm {CH_{3}CH_{2}CHFCH_{3}+HC\equiv CH{\xrightarrow {}}CH_{3}CH_{2}CH(CH_{3})CH=CHF}$

3. Η αντίδραση του 1-φθοροβουτανίου με συζυγή αλκαδιένια αντιστοιχεί κυρίως σε 1,4-προσθήκη, αν και είναι επίσης δυνατές η 1,2-προσθήκη και η 3,4-προσθήκη, με τη χρήση κατάλληλων συνθηκών. Π.χ:

$\mathrm {RCH=CHCH=CH_{2}+CH_{3}CH_{2}CHFCH_{3}{\xrightarrow {}}RCH_{2}FCH=CHCH_{2}CH(CH_{3})CH_{2}CH_{3}}$ (1,4-προσθήκη)
$\mathrm {RCH=CHCH=CH_{2}+CH_{3}CH_{2}CHFCH_{3}{\xrightarrow {}}RCH=CHCHFCH_{2}CH(CH_{3})CH_{2}CH_{3}}$ (1,2-προσθήκη)
$\mathrm {RCH=CHCH=CH_{2}+CH_{3}CH_{2}CHFCH_{3}{\xrightarrow {}}{\frac {1}{2}}RCHFCH(CH(CH_{3})CH_{2}CH_{3})CH=CH_{2}+{\frac {1}{2}}RCH(CH(CH_{3})CH_{2}CH_{3})CHFCH=CH_{2}}$ (3,4-προσθήκη)

4. Σε κυκλοαλκάνια που έχουν τριμελή ή τετραμελή δακτύλιο. Π.χ. με κυκλοπροπάνιο παράγει 4-μεθυλο-1-φθορεξάνιο:

$\mathrm {+CH_{3}CH_{2}CHFCH_{3}{\xrightarrow {}}CH_{3}CH_{2}CH(CH_{3})CH_{2}CH_{2}CH_{2}F}$

5. Σε ετεροκυκλικές ενώσεις που έχουν τριμελή ή τετραμελή δακτύλιο. Π.χ. με εποξυαιθάνιο παράγει δευτεροταγές βουτοξυ-2-φθοραιθάνιο:

$\mathrm {+CH_{3}CH_{2}CHFCH_{3}{\xrightarrow {}}FCH_{2}CH_{2}OCH(CH_{3})CH_{2}CH_{3}}$

Αντίδραση απόσπασης

Με απόσπαση υδροφθορίου (HF) από 2-φθοροβουτάνιο παράγεται (κυρίως) 2-βουτένιο:

$\mathrm {CH_{3}CH_{2}CHFCH_{3}+NaOH{\xrightarrow[{\triangle }]{ROH}}CH_{3}CH=CHCH_{3}+NaF+H_{2}O}$

Παρεμβολή καρβενίων

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

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

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

1. Παρεμβολή στους τρεις (3) δεσμούς C_#1H₂-H. Παράγεται 3-φθοροπεντάνιο.

2. Παρεμβολή στους τρεις (3) δεσμούς C_#4H₂-H. Παράγεται 2-φθοροπεντάνιο.

3. Παρεμβολή στους δυο (2) δεσμούς CH-H: Παράγεται 3-μεθυλο-2-φθοροβουτάνιο.

4. Παρεμβολή στον ένα (1) δεσμό C-H: Παράγεται 2-μεθυλο-2-φθοροβουτάνιο.

Προκύπτει επομένως μίγμα 3-φθοροπεντάνιου ~33%, 3-φθοροπεντάνιου ~33%, 3-μεθυλο-2-φθοροβουτάνιου ~22% και 2-μεθυλο-2-φθοροβουτάνιου ~11%.

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
• Ν. Αλεξάνδρου, Α. Βάρβογλη, Δ. Νικολαΐδη: Χημεία Ετεροχημικών Ενώσεων, Θεσσαλονίκη 1985