Διμεθυλαιθέρας

Ο διμεθυλαιθέρας (Πρότυπο:Lang-en) είναι οργανική χημική ένωση, που περιέχει άνθρακα, υδρογόνο και οξυγόνο, με μοριακό τύπο C₂H₆O (δηλαδή τον ίδιο με την ισομερή του αιθανόλη) αν και συχνά αποδίδεται με τον ημισυντακτικό τύπο CH₃OCH₃, που γράφεται επίσης συντομογραφικά Me₂O. Με βάση το σύστημα κωδικής ονομασίας ψυκτικών που ξεκίνησε με τους φθοροχλωράνθρακες έχει τον κωδικό R-Ε170. Είναι ο απλούστερος αιθέρας. Στις συνηθισμένες συνθήκες, δηλαδή σε θερμοκρασία 25 °C και υπό πίεση 1 atm, είναι άχρωμο αέριο που χρησιμοποιείται ως πρόδρομη ύλη παραγώγων του και ως προωθητικό αερολυμάτων. Όταν καίγεται στον αέρα παράγει (σχετικά) ελάχιστες ποσότητες οξειδίων του αζώτου (NO_x) και μονοξειδίου του άνθρακα (CO), αν και η παραγωγή αιθάλης και υδρογονανθράκων είναι σημαντική. Γενικά, συμπεριφέρεται ως ένα σχετικά «καθαρό» καύσιμο, όταν καίγεται σε κινητήρες εσωτερικής καύσης.

Ονοματολογία

Η ονομασία «μεθοξυμεθάνιο» προέρχεται από την ονοματολογία κατά IUPAC της ένωσης. Συγκεκριμένα, το πρόθεμα «μεθ-» δηλώνει την παρουσία ενός (1) ατόμου 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 «μεθοξυ-» δηλώνει την παρουσία μιας μεθοξυομάδας (CH₃O-) ανά μόριο της ένωσης.

Η ονομασία «2-οξαπροπάνιο» προέρχεται από την «ονοματολογία αντικατάστασης», κατά την οποία η ένωση υποτίθεται ότι είναι προπάνιο, του οποίου το #2 άτομο άνθρακα έχει αντικατασταθεί από οξυγόνο. Η αντικατάσταση αυτή εννοεί ότι αφαιρούνται και δύο (2) άτομα υδρογόνου, σε σχέση με το προπάνιο, γιατί ο άνθρακας είναι τετρασθενής, ενώ το οξυγόνο δισθενές.

Ο κωδικός R-Ε170. παράγεται ως εξής: Το R προέρχεται από την αγγλόφωνη λέξη Refrigerant. Το πρώτο ψηφίο (1) σημαίνει ότι η ένωση περιέχει 1+1 = 2 άτομα άνθρακα (ανά μόριο). Το δεύτερο ψηφίο (7) σημαίνει ότι η ένωση περιέχει 7 - 1 = 6 άτομα υδρογόνου. Και, τέλος, το τελευταίο ψηφίο (0), σημαίνει ότι η ένωση δεν περιέχει άτομα φθορίου. Το Ε προέρχεται από την εκλατινισμένη λέξη Ether, διευκρίνιση που είναι απαραίτητη, γιατί διαφορετικά θα εννοούνταν η ένωση με μοριακό τύπο C₂H₆, δηλαδή το αιθάνιο.

Παραγωγή

Μονάδα σύνθεσης βιοδιμεθυλαιθέρα στο Chemrec's pilot facility

• Εκτός από τις παρακάτω κλασσικές χημικές μεθόδους, έχουν αναπτυχθεί (σε πειραματικό ακόμη επίπεδο) και ορισμένες βιοσύνθεσης διμεθυλαιθέρα.

Αφυδάτωση μεθανόλης

Ο διμεθυλαιθέρας παράγεται συνήθως με διαμοριακή αφυδάτωση μεθανόλης:

$\mathrm{2}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}\mathrm{O}\mathrm{H}\underset{140^{o}C}{\overset{\pi .H_{2}S{O}_4}{\to }}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}\mathrm{O}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}\mathrm{+}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}$

Περίπου 50.000 τόνοι διμεθυλαιθέρα παράχθηκαν το 1985 στη Δυτική Ευρώπη με αυτήν τη μέθοδο. Η απαιτούμενη μεθανόλη μπορεί να παραχθεί, με τη σειρά της, από υδραέριο, που είναι μίγμα υδρογόνου και μονοξειδίου του άνθρακα. Θεωρητικά, η μεθανόλη θα μπορούσε επίσης να ληφθεί και από οργανικά απόβλητα ή από βιομάζα. Άλλες πιθανές βελτιώσεις μπορούν τα είναι ένα διπλό καταλυτικό σύστημα που επιτρέπει τη σύνθεση της μεθανόλης και την άμεση διαμοριακή αφυδάτωσή της σε διμεθυλαιθέρα, στην ίδια μονάδα επεξεργασίας, χωρίς δηλαδή ενδιάμεσα να προηγηθεί απομόνωση και καθαρισμός της ενδιάμεσα παραγόμενης μεθανόλης. Και οι δυο παραπάνω διεργασίες, δηλαδή η παραγωγή του διμεθυμαιθέρα σε ένα ή και δυο στάδια, είναι εμπορικά διαθέσιμες. Προς το παρόν, πιο διαδεδομένη είναι η διεργασία σε δυο στάδια, γιατί είναι σχετικά απλή και το κόστος εκκίνησής της σχετικά χαμηλό. Η διεργασία σε ένα στάδιο υγρής φάσης είναι υπό ανάπτυξη.

Μεθυλίωση μεθανολικού άλατος

Εναλλακτικά μπορεί να παραχθεί με μεθυλίωση μεθανολικού άλατος (π.χ. CH₃ONa) με μεθυλαλογονίδιο, συνήθως ιωδομεθάνιο:

$\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}\mathrm{O}\mathrm{H}\mathrm{+}\mathrm{N}\mathrm{a}\stackrel{-\frac{1}{2}{H}_2}{\to }\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}\mathrm{O}\mathrm{N}\mathrm{a}\stackrel{+C{H}_{3}I}{\to }\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}\mathrm{O}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}\mathrm{+}\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{I}$

Χημικές ιδιότητες και παράγωγα

Αυτοξείδωση

Υπό την επίδραση φωτός (hv) και ατμοσφαιρικού οξυγόνου σχηματίζει ασταθή και εκρηκτικά υπεροξείδια:

$\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}\mathrm{O}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}\mathrm{+}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\stackrel{hv}{\to }\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}\mathrm{O}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{H}$

Επίδραση οξέων

Με την επίδραση οξέων, κλασσικών ή κατά Lewis, παράγει διάφορα οξώνια, δηλαδή ασταθή και πολύ δραστικά παράγωγα του O⁺:

$\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}\mathrm{O}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}\mathrm{+}{\mathrm{H}}^{\mathrm{+}}\stackrel{}{\to }\mathrm{[}\mathrm{(}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}{\mathrm{)}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}\mathrm{H}{\mathrm{]}}^{\mathrm{+}}$
$\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}\mathrm{O}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}\mathrm{+}\mathrm{B}{\mathrm{F}}_{\mathrm{3}}\stackrel{}{\to }\mathrm{[}\mathrm{(}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}{\mathrm{)}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}\mathrm{]}\mathrm{[}\mathrm{B}{\mathrm{F}}_{\mathrm{3}}\mathrm{]}\stackrel{+RF}{\to }\mathrm{[}\mathrm{(}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}{\mathrm{)}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}\mathrm{R}\mathrm{]}\mathrm{[}\mathrm{B}{\mathrm{F}}_{\mathrm{4}}\mathrm{]}$

Θειικό διμεθύλιο

Μια από τις κύριες εφαρμογές του διμεθυλαιθέρα και της δράσης του ως βάσης κατά Lewis είναι η παραγωγή θειικού διμεθυλίου [(CH₃)₂SO₄]:

$\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}\mathrm{O}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}\mathrm{+}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}\stackrel{}{\to }\mathrm{(}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}{\mathrm{)}}_{\mathrm{2}}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}}$

Αιθανικό οξύ

Μια άλλη από τις κύριες εφαρμογές του διμεθυλαιθέρα και της δράσης του ως βάσης κατά Lewis είναι η παραγωγή αιθανικού οξέος:

$\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}\mathrm{O}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}\mathrm{+}\mathrm{2}\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{+}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}\stackrel{}{\to }\mathrm{2}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{O}\mathrm{H}$

Υδρόλυση

Με επίδραση νερού, σε όξινο περιβάλλον, υδρολύεται προς μεθανόλη:

$\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}\mathrm{O}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}\mathrm{+}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}\stackrel{H^{+}}{\to }\mathrm{2}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}\mathrm{O}\mathrm{H}$

Επίδραση υδροϊωδίου

1. Με επίδραση ψυχρού υδροϊωδίου (HI) παράγεται μεθανόλη και ιωδομεθάνιο:

$\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}\mathrm{O}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}\mathrm{+}\mathrm{H}\mathrm{I}\stackrel{}{\to }\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}\mathrm{I}\mathrm{+}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}\mathrm{O}\mathrm{H}$

2. Με επίδραση θερμού υδροϊωδίου (HI) παράγεται μεθυλοϊωδίδιο και νερό:

$\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}\mathrm{O}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}\mathrm{+}\mathrm{2}\mathrm{H}\mathrm{I}\stackrel{\mathrm{△}}{\to }\mathrm{2}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}\mathrm{I}\mathrm{+}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}$

Μετάθεση Wittig

Με επίδραση αλκυλολιθίου (π.χ. μεθυλολιθίου) έχουμε τη μετάθεση Wittig, με την οποία παράγεται αιθανόλη και αλκάνιο (μεθάνιο αν είχε χρησιμοποιηθεί μεθυλολίθιο):

$\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}\mathrm{O}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}\mathrm{+}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}\mathrm{L}\mathrm{i}\stackrel{-C{H}_4}{\to }\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}\mathrm{L}\mathrm{i}\stackrel{+H_{2}O}{\to }\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}\mathrm{H}\mathrm{+}\mathrm{L}\mathrm{i}\mathrm{O}\mathrm{H}$

Επίδραση καρβενίων

Παρεμβολή καρβενίων, π.χ. με μεθυλενίου παράγεται αιθυλομεθυλαιθέρας:

$\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}\mathrm{O}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}\mathrm{+}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}\mathrm{C}\mathrm{l}\mathrm{+}\mathrm{K}\mathrm{O}\mathrm{H}\stackrel{}{\to }\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}\mathrm{+}\mathrm{K}\mathrm{C}\mathrm{l}\mathrm{+}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}$

Εφαρμογές

Ο διμεθυλαιθέρας έχει πέντε (5) κύριες εφαρμογές:

1. Ως προωθητικό σε φιάλες αερολυμάτων.
2. Ως πρώτη ύλη του θειικού διμεθυλίου
3. Παραγωγή αιθανικού οξέος.
4. Ως ελαφρά πολικός διαλύτης.
5. Ως ψυκτικό υγρό, σε ψυγεία και αλλού, μόνο του, ή και συμμετέχοντας σε σχετικά μίγματα.

Σε χημικά εργαστήρια

Ο διμεθυλαιθέρας είναι ένας διαλύτης χαμηλής θερμοκρασίας, χρήσιμος σε ειδικές εργαστηριακές διεργασίες. Η χρησιμότητά του ως διαλύτη είναι περιορισμένη από το σχετικά μικρό σημείο βρασμού του (−23 °C), αλλά αυτή ακριβώς η ιδιότητα δίνει το πλεονέκτημα ότι μοπρεί να απομακρυθεί εύκολα από μίγματα στα οποία συμμετέχει, όταν δεν χρειάζεται πλέον η παρουσία του. Επίσης ο διμεθυλαιθέρας είναι η πρώτη ύλη για την παραγωγή ενός χρήσιμου αλκυλιωτικού μέσου: του τετραφθοροβορίδιου του τριμεθυλοξώνιου (βλ. δεύτερη αντίδραση §2.2).

Καύσιμο σε κινητήρες εσωτερικής καύσης

Ο διμεθυλαιθέρας είναι ένα υποσχόμενο (καθαρό εναλλακτικό) καύσιμο για ντιζελοκινητήρες. Χρησιμοποιείται σε μίγματα 30% διαιθυλαιθέρα και 70% υγραερίου, σε αεριοστροβίλους, έχοντας υψηλό βαθμό κετένης (55), σε σύγκριση με το ίδιο το ντίζελ (40-53). Χρειάζεται μια σχετικά ήπια προσαρμογή για τους κινητήρες ντίζελ ώστε να μπορούν να καίνε διμεθυλαιθέρα. Η απλότητα της δομής του και η μικρή ανθρακική αλυσίδα που περιέχει οδηγεί σε πολύ χαμηλές εκπομπές ρύπων όπως τα οξείδια του αζώτου και το μονοξείδιο του άνθρακα. Έτσι ικανοποιεί τις πιο αυστηρές προδιαγραφές της Ευρωπαϊκής Ένωσης, των ΗΠΑ (από το 2010) και της Ιαπωνίας (από το 2009. Επίσης μελετάται η παραγωγή διμεθυλαιθέρα ως βιοκαύσιμο (BioDME), που θα παράγεται από λιγνοκυτταρική βιομάζα. Για την ώρα η Ευρωπαϊκή Ένωση σχεδίασε ότι ο βιοδιμεθυλαιθέρας θα μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε μίγματα βιοκαυσίμων από το 2030. Υπάρχουν εταιρείες που συνεργάζονται με την Ευρωπαϊκή ένωση σε τέτοιου είδους προγράμματα.

Το 2009 μια ομάδα φοιτητών του πανεπιστημίου «won the Urban Concept/Internal Combustion» από τη Δανία, μετείχε σε ένα άτυπο παγκόσμιο πρωτάθλημα με ένα όχημα που κατανάλωνε καθαρό διμεθυλαιθέρα. Το όχημα διένυε μέση απόσταση (ρεκόρ) 589 χιλιόμετρα για κάθε λίτρο καυσίμου του, με έναν κινητήρα ισοδύναμο με ένα δίχρονο κινητήρα βενζίνης 50 cm³, αλλά χρησιμοποιώντσς τιε αρχές ενός κινητήρα ντίζελ. Το παλαιότερο ρεκόρ ήταν 306 χιλιόμετρα ανά λίτρο καυσίμου, που το είχε πετύχει η ίδια ομάδα το 2007

Ψυκτικό υγρό για ψυγεία

Ο διμεθυλαιθέρας κερδίζει σε αυξανόμενη χρήση ως ένα ψυκτικό υγρό για ψυγεία, με χαρακτηριστικό διακριτικό R-E170. Ο διμεθυλαιθέρας χρησιμοποιήθηκε επίσης σε ψυκτικά μίγματα με βουτάνιο ή και με προπάνιο.

Θεραπεία μαντραβίτσας

Ένα μίγμα από διμεθυλαιθέρα και προπάνιο χρησιμοποιήθηκε σε συσκευή για τη θεραπεία της μαντραβίτσας, με το να την παγώνει (ψυχρός καυτηριασμός).

Ψυκτικό σπρέυ

Ο διμεθυλαιθέρας χρησιμοποιήθηκε ακόμη ως κύριο συστατικό σε ψυκικό σπρέυ, που χρησιμοποιείται για την (πρόσκαιρη) προόκληση χαμηλής θερμοκρασίας σε πεδία δοκιμών ηλεκτρονικών εξαρτημάτων.

Ασφάλεια

Είναι λιγότερο επιρρεπής στην αυτοξείδωση, σε σύγκριση με άλλους διαλκυλαιθέρες. Ακόμη είναι σχετικά μη τοξικός. Ωστόσο θέλει ιδιαίτερη προσοχή γιατί είναι πολύ εύφλεκτος.

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
• Δημήτριου Ν. Νικολαΐδη: Ειδικά μαθήματα Οργανικής Χημείας, Θεσσαλονίκη 1983.