CYKLOBUTAN: BUDOWA, WŁAŚCIWOŚCI, ZASTOSOWANIA I SYNTEZA - CHEMIA - 2025

Cyklobutan stanowi węglowodorowy składający cykloalkanu cztery atomy węgla, o tym wzorze cząsteczkowym C ₄ H ₈ . Może być również nazywane tetrametylenową, biorąc pod uwagę, że są cztery CH ₂ jednostki , które tworzą pierścień z geometrii kwadratowy, chociaż nazwa cyklobutan jest bardziej akceptowane i znane.

W temperaturze pokojowej jest bezbarwnym, łatwopalnym gazem, który pali się jasnym płomieniem. Jego najbardziej prymitywne zastosowanie to źródło ciepła podczas spalania; jednak jego podstawa strukturalna (kwadrat) obejmuje głębokie aspekty biologiczne i chemiczne i przyczynia się w pewien sposób do właściwości tych związków.

Cząsteczka cyklobutanu w odkształconej konformacji. Źródło: Jynto.

Górny obraz przedstawia cząsteczkę cyklobutanu o kwadratowej strukturze. W następnej sekcji wyjaśnimy, dlaczego ta konformacja jest niestabilna, ponieważ jej powiązania są ciasne.

Po cyklopropanie jest to najbardziej niestabilny cykloalkan, ponieważ im mniejszy rozmiar pierścienia, tym bardziej będzie reaktywny. W związku z tym cyklobutan jest bardziej niestabilny niż cykle pentanu i heksanu. Ciekawie jest jednak zobaczyć w jego pochodnych jądro lub kwadratowe serce, które, jak zobaczymy, jest dynamiczne.

Struktura cyklobutanu

Na pierwszym obrazie strukturę cyklobutanu przedstawiono jako prosty zwęglony i uwodorniony kwadrat. Jednak w tym idealnym kwadracie orbitale ulegają silnemu skręceniu w stosunku do ich pierwotnych kątów: są oddzielone kątem 90º w porównaniu z 109,5º dla atomu węgla z hybrydyzacją sp ³ (napięcie kątowe).

Sp ³ atomy węgla są czworościenny iz jakiegoś czworościanów trudno byłoby wyginać swoje orbitale tyle tworzyć kąt 90 °; ale w przypadku węgli z hybrydyzacjami sp ² (120º) i sp (180º) byłoby to jeszcze bardziej odchylenie ich oryginalnych kątów. Z tego powodu cyklobutanu ma zasadniczo sp ³ atomów węgla .

Ponadto atomy wodoru są bardzo blisko siebie, w przestrzeni zaćmionej. Powoduje to wzrost zawady sterycznej, która osłabia domniemany kwadrat z powodu wysokiego naprężenia skrętnego.

Dlatego naprężenia kątowe i skrętne (zawarte w określeniu „naprężenie pierścieniowe”) powodują, że konformacja ta jest niestabilna w normalnych warunkach.

Cząsteczka cyklobutanu będzie dążyć do zmniejszenia obu naprężeń i aby to osiągnąć, przyjmuje tak zwaną konformację motyla lub puckered (w języku angielskim, puckered).

Motyle lub pomarszczone konformacje

Konformacje cyklobutanu. Źródło: Smokefoot.

Prawdziwe konformacje cyklobutanu pokazano powyżej. W nich zmniejszają się naprężenia kątowe i skrętne; ponieważ, jak widać, obecnie nie wszystkie atomy wodoru są zaćmione. Istnieje jednak koszt energii: kąt wiązań jest wyostrzony, to znaczy spada z 90 do 88º.

Zauważ, że można go porównać do motyla, którego trójkątne skrzydła składają się z trzech atomów węgla; a czwarty pod kątem 25 ° w stosunku do każdego skrzydła. Dwukierunkowe strzałki wskazują, że istnieje równowaga między obydwoma konformerami. To tak, jakby motyl opadał i wznosił skrzydła.

Z drugiej strony, w pochodnych cyklobutanu należałoby oczekiwać, że to trzepotanie będzie znacznie wolniejsze i ograniczone przestrzennie.

Oddziaływania międzycząsteczkowe

Przypuśćmy, że na chwilę zapomnisz o kwadratach i zamiast tego zastąpią je gazowane motyle. Te w ich skrzydłach mogą być utrzymywane razem w cieczy tylko przez siły dyspersyjne Londynu, które są proporcjonalne do powierzchni ich skrzydeł i masy cząsteczkowej.

Nieruchomości

Wygląd fizyczny

Bezbarwny gaz.

Masa cząsteczkowa

56,107 g / mol.

Temperatura wrzenia

12,6 ° C Dlatego też w niskich temperaturach można by się nim posługiwać w zasadzie jak z każdym płynem; z jednym tylko szczegółem, że byłby wysoce lotny, a jego opary nadal stanowiłyby ryzyko, które należy wziąć pod uwagę.

Temperatura topnienia

-91 ° C

punkt zapłonu

50ºC w zamkniętej szklance.

Rozpuszczalność

Nierozpuszczalny w wodzie, co nie jest zaskakujące, biorąc pod uwagę jego niepolarny charakter; ale jest słabo rozpuszczalny w alkoholach, eterze i acetonie, które są mniej polarnymi rozpuszczalnikami. Oczekuje się, że będzie rozpuszczalny (chociaż nie podano) logicznie w rozpuszczalnikach niepolarnych, takich jak czterochlorek węgla, benzen, ksylen itp.

Gęstość

0,7125 przy 5 ° C (w stosunku do 1 części wody).

Gęstość pary

1,93 (w stosunku do 1 powietrza). Oznacza to, że jest gęstszy od powietrza, a zatem, jeśli nie będzie prądów, jego tendencja nie będzie rosła.

Ciśnienie pary

1180 mmHg przy 25 ° C.

Współczynnik załamania światła

1,3625 w 290 ° C

Entalpia spalania

-655,9 kJ / mol.

Ciepło formowania

6,6 Kcal / mol w 25 ° C

Synteza

Cyklobutan jest syntetyzowany przez uwodornienie cyklobutadienu, którego struktura jest prawie taka sama, z tą różnicą, że ma podwójne wiązanie; i dlatego jest jeszcze bardziej reaktywny. Jest to chyba najprostsza droga syntezy do jej uzyskania, a przynajmniej tylko do niej, a nie do pochodnej.

Uzyskanie go w ropie jest mało prawdopodobne, gdyż w końcu zareagowałby w taki sposób, że zerwałby pierścień i utworzył łańcuch liniowy, czyli n-butan.

Inną metodą otrzymywania cyklobutanu jest uderzanie promieniowania ultrafioletowego w cząsteczki etylenu, CH ₂ = CH ₂ , które ulegają dimeryzacji. Ta reakcja jest faworyzowana fotochemicznie, ale nie termodynamicznie:

Synteza cyklobutanu za pomocą promieniowania ultrafioletowego. Źródło: Gabriel Bolívar.

Powyższy obrazek bardzo dobrze podsumowuje to, co zostało powiedziane w powyższym akapicie. Gdyby zamiast etylenu miałby się na przykład dowolne dwa alkeny, otrzymywałby się podstawiony cyklobutan; lub co jest tym samym, pochodną cyklobutanu. W rzeczywistości tą metodą zsyntetyzowano wiele pochodnych o interesujących strukturach.

Jednak inne pochodne obejmują szereg skomplikowanych etapów syntezy. Dlatego cyklobutany (jak nazywane są ich pochodne) są przedmiotem badań nad syntezami organicznymi.

Aplikacje

Sam cyklobutan nie ma innego zastosowania niż służenie jako źródło ciepła; ale jego pochodne wchodzą w skomplikowane dziedziny syntezy organicznej, mające zastosowanie w farmakologii, biotechnologii i medycynie. Bez zagłębiania się w zbyt złożone struktury, przykładami cyklobutanów są penitrems i grandisol.

Cyklobutany na ogół mają właściwości korzystne dla metabolizmu bakterii, roślin, bezkręgowców morskich i grzybów. Są aktywne biologicznie, dlatego ich zastosowania są bardzo zróżnicowane i trudne do określenia, ponieważ każde z nich ma swój szczególny wpływ na określone organizmy.

Grandisol - przykład pochodnej cyklobutanu. Źródło: Jynto.

Na przykład Grandisol jest feromonem pochodzącym od wołka (rodzaj chrząszcza). Powyżej, na koniec, pokazano jego strukturę, uważaną za monoterpen o kwadratowej podstawie cyklobutanu.

Bibliografia

1. Carey F. (2008). Chemia organiczna. (Wydanie szóste). Mc Graw Hill.
2. Graham Solomons, TW; Craig B. Fryhle. (2011). Chemia organiczna. (11 ^th Edition). Wiley.
3. Wikipedia. (2019). Cyklobutan. Odzyskane z: en.wikipedia.org
4. PubChem. (2019). Cyklobutan. Odzyskany z: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
5. Peiris Nicole. (29 listopada 2015). Właściwości fizyczne cykloalkanów. Chemistry LibreTexts. Odzyskane z: chem.libretexts.org
6. Wiberg B. Kenneth. (2005). Właściwości fizyczne cyklobutanu i badania teoretyczne. Wydział Chemii Uniwersytetu Yale.
7. Klement Foo. (sf). Cyklobutany w syntezie organicznej. Odzyskany z: scripps.edu
8. Myers. (sf). Synteza cyklobutanów. Chem 115. Odzyskane z: hwpi.harvard.edu