CYCLOBUTAN: STRUKTUR, EGENSKABER, ANVENDELSER OG SYNTESE - KEMI - 2025

Den cyclobutan er et carbonhydrid, der består af en cycloalkan fire carbonatomer, med den molekylære formel C ₄ H ₈. Det kan også kaldes tetramethylen, i betragtning af at de er fire CH ₂ enheder, der udgør en ring med firkantet geometri, selv om navnet cyklobutan er mere accepteret og kendt.

Ved stuetemperatur er det en farveløs, brandfarlig gas, der brænder med en lys flamme. Dens mest primitive anvendelse er som en varmekilde, når man brænder; dens strukturelle base (firkanten) omfatter imidlertid dybe biologiske og kemiske aspekter og bidrager på en eller anden måde til disse forbindelsers egenskaber.

Cyclobutanmolekyle i en anstrengt konformation. Kilde: Jynto.

Det øverste billede viser et cyclobutanmolekyle med en firkantet struktur. I det næste afsnit vil vi forklare, hvorfor denne konformation er ustabil, da dens forbindelser er stramme.

Efter cyclopropan er det den mest ustabile cycloalkan, da jo mindre ringestørrelsen er, desto mere reaktiv vil den være. Følgelig er cyclobutan mere ustabil end pentan- og hexan-cyklusserne. Det er dog mærkeligt at se i dens derivater en kerne eller et kvadratisk hjerte, som, som det vil ses, er dynamisk.

Struktur af cyclobutan

I det første billede blev strukturen af ​​cyclobutan behandlet som en simpel carboniseret og hydrogeneret firkant. På dette perfekte firkant har orbitalerne imidlertid en alvorlig drejning fra deres oprindelige vinkler: De adskilles med en vinkel på 90 ° sammenlignet med 109,5º for et carbonatom med sp ^3- hybridisering (vinkelspænding).

Sp ³ carbonatomer er tetraedriske, og for nogle tetraedre ville det være vanskeligt at bøje deres orbitaler så meget for at skabe en 90 ° vinkel; men det ville være endnu mere tilfældet for kulhydrater med sp ² (120º) og sp (180º) hybridiseringer at afvige fra deres oprindelige vinkler. Af denne grund har cyclobutan i det væsentlige sp ³ carbonatomer.

Hydrogenatomer er også meget tæt på hinanden, formørket i rummet. Dette resulterer i en stigning i sterisk hindring, hvilket svækker den formodede firkant på grund af dens høje torsionsspænding.

Derfor gør vinkel- og torsionsspændinger (indkapslet i udtrykket 'ringspænding') denne konformation ustabil under normale forhold.

Cyclobutanmolekylet vil søge at reducere begge spændinger, og for at opnå dette vedtager det, hvad der er kendt som sommerfuglen eller puckeret (på engelsk, pucket) konformation.

Sommerfugl eller rynket form

Konformationer af cyclobutan. Kilde: Smokefoot.

De rigtige konformationer af cyclobutan er vist ovenfor. I dem falder de vinkel- og torsionsspændinger; da, som det kan ses, ikke er alle brintatomer formørkes. Der er dog en energiomkostninger: vinklen på dens bindinger skærpes, det vil sige, den går ned fra 90 til 88º.

Bemærk, at den kan sammenlignes med en sommerfugl, hvis trekantede vinger består af tre carbonatomer; og den fjerde, placeret i en vinkel på 25º i forhold til hver vinge. To-vejs pile viser, at der er en ligevægt mellem begge konformere. Det er som om sommerfuglen går ned og op på vingerne.

I cyclobutanderivater på den anden side forventes denne flapping at være meget langsommere og rumligt hindret.

Intermolekylære interaktioner

Antag, at du glemmer firkanterne et øjeblik, og de erstattes i stedet af kulsyre sommerfugle. Disse i deres vinge kan kun holdes sammen i væsken af ​​Londons spredningskræfter, der er proportionale med arealet af deres vinger og deres molekylmasse.

Ejendomme

Fysisk fremtoning

Farveløs gas.

Molekylmasse

56,107 g / mol.

Kogepunkt

12,6 ° C Derfor kan det i kolde forhold håndteres i princippet som enhver væske; med den eneste detalje, at det ville være meget ustabilt, og dets dampe fortsat udgør en risiko, der skal tages i betragtning.

Smeltepunkt

-91 ° C

tændingspunkt

50 ºC i et lukket glas.

Opløselighed

Uopløselig i vand, hvilket ikke er overraskende i betragtning af dets ikke-polare karakter; men det er let opløseligt i alkoholer, ether og acetone, som er mindre polære opløsningsmidler. Det forventes at være opløselig (skønt ikke rapporteret) logisk i ikke-polære opløsningsmidler, såsom carbontetrachlorid, benzen, xylen osv.

Massefylde

0,7125 ved 5 ° C (i forhold til 1 af vandet).

Dampdensitet

1,93 (i forhold til 1 i luften). Dette betyder, at den er tættere end luft, og medmindre der er strømme, vil dens tendens ikke være at stige.

Damptryk

1.180 mmHg ved 25 ° C

Brydningsindeks

1,3625 ved 290 ° C

Enthalpy af forbrænding

-655,9 kJ / mol.

Formationsvarme

6,6 kcal / mol ved 25 ° C

syntese

Cyclobutan syntetiseres ved hydrogenering af cyclobutadien, hvis struktur er næsten den samme, med den eneste forskel, at det har en dobbeltbinding; og derfor er det endnu mere reaktivt. Dette er måske den enkleste syntetiske rute at få den, eller i det mindste kun til den og ikke til et derivat.

At få det i råolie er usandsynligt, da det ville ende med at reagere på en sådan måde, at det bryder ringen og danner liniekæden, det vil sige n-butan.

En anden metode til at opnå den cyclobutan består i slående ultraviolet stråling på ethylenmolekyler, CH ₂ = CH ₂, som dimeriserer. Denne reaktion foretrækkes fotokemisk, men ikke termodynamisk:

Syntese af cyclobutan ved ultraviolet stråling. Kilde: Gabriel Bolívar.

Billedet ovenfor opsummerer meget, hvad der blev sagt i ovenstående afsnit. Hvis man i stedet for ethylen for eksempel havde to andre alkener, ville man opnå en substitueret cyclobutan; eller hvad er det samme, et derivat af cyclobutan. Faktisk er mange derivater med interessante strukturer syntetiseret ved denne metode.

Andre derivater involverer imidlertid en række komplicerede syntetiske trin. Derfor er cyclobutaner (som deres derivater kaldes) genstand for undersøgelse af organiske synteser.

Applikationer

Cyclobutan alene har ingen anden anvendelse end at tjene som varmekilde; men dens derivater indtaster intrikate felter inden for organisk syntese, med anvendelser inden for farmakologi, bioteknologi og medicin. Uden at gå ned i alt for komplekse strukturer er penitrems og grandisol eksempler på cyclobutaner.

Cyclobutaner har generelt egenskaber, der er gavnlige for metabolismen af ​​bakterier, planter, marine hvirvelløse dyr og svampe. De er biologisk aktive, og det er grunden til, at deres anvendelser er meget varierede og vanskelige at specificere, da hver enkelt har sin særlige virkning på bestemte organismer.

Grandisol - et eksempel på et cyclobutanderivat. Kilde: Jynto.

Grandisol er for eksempel en feromon fra småhulen (en type bille). Ovenfor og endelig er dens struktur vist, betragtet som en monoterpen med en firkantet base af cyclobutan.

Referencer

1. Carey F. (2008). Organisk kemi. (Sjette udgave). Mc Graw Hill.
2. Graham Solomons, TW; Craig B. Fryhle. (2011). Organisk kemi. (11 ^th udgave). Wiley.
3. Wikipedia. (2019). Cyclobutan. Gendannet fra: en.wikipedia.org
4. Pubchem. (2019). Cyclobutan. Gendannes fra: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
5. Peiris Nicole. (2015, 29. november). Fysiske egenskaber ved cycloalkaner. Kemi LibreTexts. Gendannes fra: chem.libretexts.org
6. Wiberg B. Kenneth. (2005). Cyklobutan-fysiske egenskaber og teoretiske studier. Institut for Kemi, Yale University.
7. Klement Foo. (Sf). Cyclobutaner i organisk syntese. Gendannes fra: scripps.edu
8. Myers. (Sf). Cyclobutanes syntese. Chem 115. Gendannes fra: hwpi.harvard.edu