CICLOBUTAN: STRUCTURĂ, PROPRIETĂȚI, UTILIZĂRI ȘI SINTEZĂ - CHIMIE - 2025

Ciclobutan este o hidrocarbură care constă dintr - un cicloalcan patru atomi de carbon, cu formula moleculară C ₄ H ₈ . Acesta poate fi , de asemenea , numit tetrametilen, considerând că acestea sunt patru CH ₂ unități care formează un inel cu geometrie pătrat, deși ciclobutan nume este mai acceptat și cunoscut.

La temperatura camerei, este un gaz incolor, inflamabil, care arde cu o flacără strălucitoare. Utilizarea sa cea mai primitivă este ca sursă de căldură la ardere; cu toate acestea, baza sa structurală (pătratul) cuprinde aspecte biologice și chimice profunde și contribuie într-un fel la proprietățile acestor compuși.

Molecula de ciclobutan într-o conformație încordată. Sursa: Jynto.

Imaginea superioară arată o moleculă de ciclobutan cu o structură pătrată. În secțiunea următoare, vom explica de ce această conformare este instabilă, deoarece legăturile sale sunt strânse.

După ciclopropan, este cel mai instabil cicloalcan, cu cât dimensiunea inelului este mai mică, cu atât va fi mai reactiv. În consecință, ciclobutanul este mai instabil decât ciclurile pentanului și hexanului. Cu toate acestea, este curios să vedem în derivații săi un nucleu sau o inimă pătrată, care, după cum se va vedea, este dinamică.

Structura ciclobutanului

În prima imagine, structura ciclobutanului a fost abordată ca un pătrat simplu carbonizat și hidrogenat. Totuși, în acest pătrat perfect, orbitalii suferă o răsucire severă față de unghiurile lor inițiale: sunt despărțiți de un unghi de 90º față de 109,5º pentru un atom de carbon cu hibridizare sp ³ (tensiune unghiulară).

Atomii de carbon Sp ³ sunt tetraedri, iar pentru unii tetraedri ar fi dificil să-și flexeze orbitalii atât de mult pentru a crea un unghi de 90 °; dar ar fi cu atât mai mult ca carbonii cu hibridări sp ² (120º) și sp (180º) să devieze unghiurile lor inițiale. Din acest motiv ciclobutanul are în esență atomi de carbon sp ³ .

De asemenea, atomii de hidrogen sunt foarte apropiați unul de celălalt, eclipsați în spațiu. Aceasta duce la o creștere a obstacolului steric, care slăbește presupusul pătrat din cauza stresului torsional ridicat.

Prin urmare, tensiunile unghiulare și de torsiune (încapsulate în termenul „tensiune inelară”) fac ca această conformație să fie instabilă în condiții normale.

Molecula de ciclobutan va căuta să reducă ambele eforturi, iar pentru a realiza acest lucru, adoptă ceea ce este cunoscut sub numele de fluture sau conformă cu puckered (în engleză, puckered).

Conformații fluture sau rid

Conformări ale ciclobutanului. Sursa: Smokefoot.

Adevăratele conformații ale ciclobutanului sunt prezentate mai sus. În ele tensiunile unghiulare și de torsiune scad; deoarece, după cum se poate observa, acum nu toți atomii de hidrogen sunt eclipsați. Cu toate acestea, există un cost energetic: unghiul legăturilor sale este accentuat, adică scade de la 90 la 88º.

Rețineți că poate fi comparat cu un fluture, ale cărui aripi triunghiulare sunt alcătuite din trei atomi de carbon; iar al patrulea, poziționat la un unghi de 25º față de fiecare aripă. Săgețile cu două sensuri indică faptul că există un echilibru între ambele conformere. Este ca și cum fluturele coboară și-și ridică aripile.

În cazul derivaților ciclobutanului, pe de altă parte, se așteaptă ca acest declanșare să fie mult mai lent și împiedicat spațial.

Interacțiuni intermoleculare

Să presupunem că ați uitat pătratele pentru o clipă, iar acestea sunt înlocuite cu fluturi carbonați. Acestea în aripa lor pot fi ținute împreună în lichid doar prin forțe de dispersie londoneze, care sunt proporționale cu aria aripilor lor și cu masa moleculară.

Proprietăți

Aspectul fizic

Gaz incolor.

Masa moleculara

56,107 g / mol.

Punct de fierbere

12,6 ° C. Prin urmare, în condiții reci poate fi manipulat în principiu ca orice lichid; cu singurul detaliu, că ar fi foarte volatil, iar vaporii săi ar reprezenta în continuare un risc de luat în considerare.

Punct de topire

-91 ° C.

punct de aprindere

50ºC într-un pahar închis.

Solubilitate

Insolubil în apă, ceea ce nu este surprinzător, având în vedere natura sa nepolară; dar, este ușor solubil în alcooli, eter și acetonă, care sunt solvenți mai puțin polari. Se așteaptă să fie solubil (deși nu este raportat) în mod logic în solvenți nepolari, cum ar fi tetraclorura de carbon, benzenul, xilena etc.

Densitate

0,7125 la 5 ° C (în raport cu 1 apă).

Densitatea vaporilor

1,93 (în raport cu 1 aer). Aceasta înseamnă că este mai dens decât aerul și, prin urmare, dacă nu există curenți, tendința sa nu va fi să crească.

Presiunea de vapori

1.180 mmHg la 25 ° C.

Indicele de refracție

1,3625 la 290 ° C.

Entalpia de ardere

-655,9 kJ / mol.

Căldura de formare

6,6 Kcal / mol la 25 ° C.

Sinteză

Ciclobutanul este sintetizat prin hidrogenarea ciclobutadienei, a cărei structură este aproape aceeași, cu singura diferență că are o dublă legătură; și, prin urmare, este și mai reactiv. Aceasta este poate cea mai simplă cale sintetică pentru obținerea acesteia, sau cel puțin numai către aceasta și nu către un derivat.

Obținerea acestuia în țiței este puțin probabilă, deoarece ar ajunge să reacționeze astfel încât să rupă inelul și să formeze lanțul liniar, adică n-butan.

O altă metodă pentru a obține ciclobutan constă în izbitoare radiațiile ultraviolete pe moleculele de etilenă, CH ₂ = CH ₂ , care dimerizează. Această reacție este favorizată fotochimic, dar nu termodinamic:

Sinteza ciclobutanului prin radiații ultraviolete. Sursa: Gabriel Bolívar.

Imaginea de mai sus rezumă foarte bine ceea ce s-a spus în paragraful de mai sus. Dacă în loc de etilenă s-ar avea, de exemplu, două două alchene, s-ar obține un ciclobutan substituit; sau ceea ce este același, un derivat al ciclobutanului. De fapt, multe metode derivate cu structuri interesante au fost sintetizate prin această metodă.

Totuși, alți derivați implică o serie de etape sintetice complicate. Prin urmare, ciclobutanii (cum sunt numiți derivații lor) sunt obiectul de studiu pentru sinteze organice.

Aplicații

Cyclobutanul nu are altă utilizare decât servirea ca sursă de căldură; dar, derivații săi, intră în câmpuri complexe în sinteza organică, cu aplicații în farmacologie, biotehnologie și medicină. Fără să ne adâncim în structuri prea complexe, penitremele și grandisolul sunt exemple de ciclobutani.

Ciclobutanii au, în general, proprietăți benefice pentru metabolizările bacteriilor, plantelor, nevertebratelor marine și ciupercilor. Sunt active din punct de vedere biologic și de aceea, utilizările lor sunt foarte variate și dificil de specificat, deoarece fiecare are efectul său particular asupra anumitor organisme.

Grandisol - un exemplu de derivat al ciclobutanului. Sursa: Jynto.

Grandisolul, de exemplu, este un feromon din ciuc (un tip de gândac). Deasupra, și în sfârșit, este arătată structura sa, considerată un monoterpene cu o bază pătrată de ciclobutan.

Referințe

1. Carey F. (2008). Chimie organica. (Ediția a șasea). Mc Graw Hill.
2. Graham Solomons, TW; Craig B. Fryhle. (2011). Chimie organica. ( Ediția ^a 11- ^a ). Wiley.
3. Wikipedia. (2019). Ciclobutan. Recuperat de la: en.wikipedia.org
4. Extract. (2019). Ciclobutan. Recuperat din: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
5. Peiris Nicole. (2015, 29 noiembrie). Proprietățile fizice ale cicloalcanilor. Chimie LibreTexturi. Recuperat din: chem.libretexts.org
6. Wiberg B. Kenneth. (2005). Proprietăți fizice și ciclice de ciclobutan. Departamentul de Chimie, Universitatea Yale.
7. Klement Foo. (Sf). Ciclobutanii în sinteza organică. Recuperat din: scripps.edu
8. Myers. (Sf). Sinteza ciclobutanilor. Chem 115. Recuperat din: hwpi.harvard.edu