CICLOBUTANO: STRUTTURA, PROPRIETÀ, USI E SINTESI - CHIMICA - 2025

Il cyclobutane è un idrocarburo composto da un cicloalcano quattro atomi di carbonio, con la formula molecolare C ₄ H ₈ . Può anche essere chiamato tetrametilene, considerando che sono quattro unità CH ₂ che compongono un anello con geometria quadrata, sebbene il nome ciclobutano sia più accettato e conosciuto.

A temperatura ambiente è un gas incolore e infiammabile che brucia con una fiamma brillante. Il suo uso più primitivo è come fonte di calore durante la combustione; tuttavia, la sua base strutturale (il quadrato) racchiude profondi aspetti biologici e chimici e contribuisce in qualche modo alle proprietà di questi composti.

Molecola di ciclobutano in una conformazione tesa. Fonte: Jynto.

L'immagine in alto mostra una molecola di ciclobutano con una struttura quadrata. Nella sezione successiva, spiegheremo perché questa conformazione è instabile, poiché i suoi collegamenti sono stretti.

Dopo il ciclopropano, è il cicloalcano più instabile, poiché minore è la dimensione dell'anello, più reattivo sarà. Di conseguenza, il ciclobutano è più instabile dei cicli pentano ed esano. Tuttavia, è curioso assistere nelle sue derivate a un nucleo o cuore quadrato, che, come si vedrà, è dinamico.

Struttura del ciclobutano

Nella prima immagine, la struttura del ciclobutano è stata affrontata come un semplice quadrato carbonizzato e idrogenato. Tuttavia, in questo quadrato perfetto gli orbitali subiscono una forte torsione rispetto ai loro angoli originali: sono separati da un angolo di 90º rispetto a 109,5º per un atomo di carbonio con ibridazione sp ³ (tensione angolare).

Gli atomi di carbonio Sp ³ sono tetraedrici e per alcuni tetraedri sarebbe difficile flettere i loro orbitali così tanto da creare un angolo di 90º; ma lo sarebbe ancora di più per i carboni con ibridazioni sp ² (120º) e sp (180º) deviare i loro angoli originali. Per questo motivo il ciclobutano ha essenzialmente sp ³ atomi di carbonio .

Inoltre, gli atomi di idrogeno sono molto vicini tra loro, eclissati nello spazio. Ciò si traduce in un aumento dell'ingombro sterico, che indebolisce il presunto quadrato a causa del suo elevato stress torsionale.

Pertanto, le sollecitazioni angolari e torsionali (incapsulate nel termine "tensione dell'anello") rendono questa conformazione instabile in condizioni normali.

La molecola del ciclobutano cercherà di ridurre entrambi gli stress e per ottenere ciò adotta la cosiddetta conformazione a farfalla o raggrinzita (in inglese, raggrinzita).

Conformazioni a farfalla o rugose

Conformazioni del ciclobutano. Fonte: Smokefoot.

Le vere conformazioni del ciclobutano sono mostrate sopra. In essi diminuiscono le sollecitazioni angolari e torsionali; poiché, come si può vedere, ora non tutti gli atomi di idrogeno sono eclissati. Tuttavia, c'è un costo energetico: l'angolo dei suoi legami è affilato, cioè scende da 90 a 88º.

Si noti che può essere paragonato a una farfalla, le cui ali triangolari sono composte da tre atomi di carbonio; e il quarto, posizionato ad un angolo di 25º rispetto a ciascuna ala. Le frecce a due vie indicano che c'è un equilibrio tra entrambi i conformeri. È come se la farfalla scendesse e alzasse le ali.

Nei derivati ​​del ciclobutano, d'altra parte, ci si aspetterebbe che questo sbattimento sia molto più lento e impedito spazialmente.

Interazioni intermolecolari

Supponi di dimenticare i quadrati per un momento e vengono sostituiti da farfalle gassate. Questi nelle loro ali possono essere tenuti insieme nel liquido solo dalle forze di dispersione di Londra, che sono proporzionali all'area delle loro ali e alla loro massa molecolare.

Proprietà

Aspetto fisico

Gas incolore.

Massa molecolare

56,107 g / mol.

Punto di ebollizione

12,6 ° C. Pertanto, a basse temperature potrebbe essere manipolato in linea di principio come qualsiasi liquido; con l'unico dettaglio, che sarebbe altamente volatile, e che i suoi vapori rappresenterebbero comunque un rischio da tenere in considerazione.

Punto di fusione

-91 ° C.

punto di accensione

50ºC in un bicchiere chiuso.

solubilità

Insolubile in acqua, il che non sorprende data la sua natura non polare; ma è leggermente solubile in alcoli, etere e acetone, che sono solventi meno polari. Si prevede che sia solubile (sebbene non riportato) logicamente in solventi non polari come tetracloruro di carbonio, benzene, xilene, ecc.

Densità

0,7125 a 5 ° C (relativo a 1 dell'acqua).

Densità del vapore

1,93 (rispetto a 1 dell'aria). Ciò significa che è più denso dell'aria e quindi, a meno che non ci siano correnti, la sua tendenza non sarà quella di salire.

Pressione del vapore

1.180 mmHg a 25 ° C.

Indice di rifrazione

1.3625 a 290 ° C.

Entalpia di combustione

-655,9 kJ / mol.

Calore di formazione

6,6 Kcal / mol a 25 ° C.

Sintesi

Il ciclobutano è sintetizzato per idrogenazione del ciclobutadiene, la cui struttura è pressoché la stessa, con l'unica differenza che ha un doppio legame; e quindi è ancora più reattivo. Questa è forse la via sintetica più semplice per ottenerla, o almeno solo ad essa e non a un derivato.

È improbabile ottenerlo nel petrolio greggio poiché finirebbe per reagire in modo tale da rompere l'anello e formare la catena della linea, cioè l'n-butano.

Un altro metodo per ottenere il ciclobutano consiste nel colpire la radiazione ultravioletta sulle molecole di etilene, CH ₂ = CH ₂ , che dimerizzano. Questa reazione è favorita fotochimicamente, ma non termodinamicamente:

Sintesi del ciclobutano mediante radiazione ultravioletta. Fonte: Gabriel Bolívar.

L'immagine sopra riassume molto bene quanto detto nel paragrafo precedente. Se invece dell'etilene si avesse, ad esempio, due alcheni qualsiasi, si otterrebbe un ciclobutano sostituito; o ciò che è lo stesso, un derivato del ciclobutano. In effetti, molti derivati ​​con strutture interessanti sono stati sintetizzati con questo metodo.

Altri derivati, tuttavia, comportano una serie di passaggi sintetici complicati. Pertanto, i ciclobutani (come vengono chiamati i loro derivati) sono oggetto di studio per le sintesi organiche.

applicazioni

Il ciclobutano da solo non ha altro uso che servire come fonte di calore; ma, i suoi derivati, entrano in campi intricati nella sintesi organica, con applicazioni in farmacologia, biotecnologia e medicina. Senza approfondire strutture eccessivamente complesse, i penitrem e il grandisol sono esempi di ciclobutani.

I ciclobutani hanno generalmente proprietà benefiche per il metabolismo di batteri, piante, invertebrati marini e funghi. Sono biologicamente attivi ed è per questo che i loro usi sono molto vari e difficili da specificare, poiché ognuno ha il suo particolare effetto su determinati organismi.

Grandisol - un esempio di un derivato del ciclobutano. Fonte: Jynto.

Grandisol, ad esempio, è un feromone del tonchio (un tipo di coleottero). Sopra, ed infine, è mostrata la sua struttura, considerata un monoterpene a base quadrata di ciclobutano.

Riferimenti

1. Carey F. (2008). Chimica organica. (Sesta edizione). Mc Graw Hill.
2. Graham Solomons, TW; Craig B. Fryhle. (2011). Chimica organica. ( ^11a edizione). Wiley.
3. Wikipedia. (2019). Cyclobutane. Estratto da: en.wikipedia.org
4. PubChem. (2019). Cyclobutane. Estratto da: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
5. Peiris Nicole. (2015, 29 novembre). Proprietà fisiche dei cicloalcani. Chemistry LibreTexts. Recupero da: chem.libretexts.org
6. Wiberg B. Kenneth. (2005). Proprietà ciclobutano-fisiche e studi teorici. Dipartimento di Chimica, Università di Yale.
7. Klement Foo. (Sf). Ciclobutani in sintesi organica. Recupero da: scripps.edu
8. Myers. (Sf). Sintesi dei ciclobutani. Chem 115. Estratto da: hwpi.harvard.edu