ЦИКЛОБУТАН: СТРУКТУРА, СВОЙСТВА, ПРИМЕНЕНИЕ И СИНТЕЗ - ХИМИЯ

Циклобутан представляет собой углеводород , состоящий из циклоалкана четыре атома углерода, с по молекулярной формулой С ₄ Н ₈ . Его также можно назвать тетраметиленом, учитывая, что это четыре звена CH _2, которые образуют кольцо с квадратной геометрией, хотя название циклобутан более принято и известно.

При комнатной температуре это бесцветный легковоспламеняющийся газ, который горит ярким пламенем. Наиболее примитивно его используют в качестве источника тепла при горении; однако его структурная основа (квадрат) охватывает глубокие биологические и химические аспекты и в некоторой степени способствует свойствам этих соединений.

Молекула циклобутана в напряженной конформации. Источник: Jynto.

На верхнем изображении показана молекула циклобутана с квадратной структурой. В следующем разделе мы объясним, почему эта конформация нестабильна, поскольку ее связи жесткие.

После циклопропана он является наиболее нестабильным циклоалканом, поскольку чем меньше размер кольца, тем он более реакционноспособен. Соответственно, циклобутан более нестабилен, чем циклы пентана и гексана. Однако любопытно увидеть в его производных ядро или квадратное сердце, которые, как мы увидим, динамичны.

Структура циклобутана

На первом изображении структура циклобутана представлена как простой карбонизированный и гидрированный квадрат. Однако в этом идеальном квадрате орбитали сильно отклоняются от своих первоначальных углов: они разделены на угол 90º по сравнению с 109,5º для атома углерода с sp ^3- гибридизацией (угловое натяжение).

Атомы углерода Sp ³ являются тетраэдрическими, и для некоторых тетраэдров было бы трудно так сильно изогнуть их орбитали, чтобы создать угол 90 °; но тем более для атомов углерода с sp ² (120º) и sp (180º) гибридизацией они отклоняются от своих исходных углов. По этой причине циклобутан имеет по существу sp ³ атома углерода .

Также атомы водорода очень близки друг к другу, затмеваясь в космосе. Это приводит к увеличению стерического затруднения, которое ослабляет предполагаемый квадрат из-за высокого напряжения скручивания.

Следовательно, угловые и крутильные напряжения (заключенные в термин «кольцевое напряжение») делают эту конформацию нестабильной при нормальных условиях.

Молекула циклобутана будет стремиться уменьшить оба напряжения, и для этого она принимает так называемую форму бабочки или морщинистую (на английском языке, морщинистую) конформацию.

Форма бабочки или морщинистая форма

Конформации циклобутана. Источник: Smokefoot.

Истинные конформации циклобутана показаны выше. В них уменьшаются угловые и крутильные напряжения; поскольку, как видно, теперь не все атомы водорода затмеваются. Однако есть затраты энергии: угол его скреплений заострен, то есть он уменьшается с 90 до 88º.

Обратите внимание, что это можно сравнить с бабочкой, треугольные крылья которой состоят из трех атомов углерода; и четвертый, расположенный под углом 25º по отношению к каждому крылу. Двусторонние стрелки указывают на наличие равновесия между обоими конформерами. Как будто бабочка опускается и поднимается крыльями.

В производных циклобутана, с другой стороны, можно ожидать, что это колебание будет намного медленнее и пространственно затруднено.

Межмолекулярные взаимодействия

Предположим, вы на мгновение забываете о квадратах, и вместо них их заменяют газированные бабочки. Они в своем крыле могут удерживаться вместе в жидкости только силами лондонской дисперсии, которые пропорциональны площади их крыльев и их молекулярной массе.

свойства

Внешность

Бесцветный газ.

Молекулярная масса

56,107 г / моль.

Точка кипения

12,6 ° С. Следовательно, в холодных условиях с ней можно обращаться как с любой жидкостью; с той лишь деталью, что он будет очень летучим, а его пары все равно представляют опасность, которую следует принимать во внимание.

Температура плавления

-91 ° С.

точка воспламенения

50ºC в закрытом стакане.

Растворимость

Нерастворим в воде, что неудивительно, учитывая его неполярную природу; но он слабо растворим в спиртах, эфире и ацетоне, которые являются менее полярными растворителями. Ожидается, что он будет растворим (хотя не сообщается) логически в неполярных растворителях, таких как четыреххлористый углерод, бензол, ксилол и т. Д.

плотность

0,7125 при 5 ° C (на 1 часть воды).

Плотность паров

1,93 (по отношению к 1 воздуху). Это означает, что он более плотный, чем воздух, и поэтому, если не будет токов, он не будет повышаться.

Давление газа

1180 мм рт. Ст. При 25 ° C.

Показатель преломления

1,3625 при 290 ° С.

Энтальпия горения

-655,9 кДж / моль.

Тепло образования

6,6 Ккал / моль при 25 ° C.

Синтез

Циклобутан синтезируется путем гидрирования циклобутадиена, структура которого практически такая же, с той лишь разницей, что он имеет двойную связь; и поэтому он даже более реактивен. Это, пожалуй, самый простой синтетический путь его получения, или, по крайней мере, только к нему, а не к производному.

Получение его в сырой нефти маловероятно, поскольку в конечном итоге он отреагирует таким образом, что разорвет кольцо и образует линейную цепь, то есть н-бутан.

Другой метод получения циклобутана состоит в воздействии ультрафиолетового излучения на молекулы этилена, СН ₂ = СН ₂ , которые димеризуются. Эта реакция предпочтительна фотохимически, но не термодинамически:

Синтез циклобутана ультрафиолетовым излучением. Источник: Габриэль Боливар.

Изображение выше очень хорошо резюмирует сказанное в предыдущем абзаце. Если бы вместо этилена в одном были, например, любые два алкена, был бы получен замещенный циклобутан; или, что то же, производное циклобутана. Фактически, этим методом было синтезировано много производных с интересными структурами.

Однако другие производные включают ряд сложных синтетических стадий. Поэтому циклобутаны (так называют их производные) являются объектом исследования для органических синтезов.

Приложения

Сам по себе циклобутан не имеет другого применения, кроме как служить источником тепла; но его производные входят в сложные области органического синтеза с применением в фармакологии, биотехнологии и медицине. Не вдаваясь в излишне сложные структуры, пенитремы и грандизол являются примерами циклобутанов.

Циклобутаны обычно обладают свойствами, которые полезны для метаболизма бактерий, растений, морских беспозвоночных и грибов. Они биологически активны, поэтому их использование очень разнообразно, и их трудно определить, поскольку каждый из них оказывает особое воздействие на определенные организмы.

Грандизол - пример производного циклобутана. Источник: Jynto.

Грандисол, например, представляет собой феромон долгоносика (разновидность жука). Выше и, наконец, показана его структура, рассматриваемая как монотерпен с квадратным основанием из циклобутана.

Ссылки

Кэри Ф. (2008). Органическая химия. (Издание шестое). Мак Гроу Хилл.
Грэм Соломонс, TW; Крейг Б. Фрайл. (2011). Органическая химия. (11- ^е издание). Wiley.
Wikipedia. (2019). Циклобутановы. Получено с: en.wikipedia.org
PubChem. (2019). Циклобутановы. Получено с: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
Пейрис Николь. (2015, 29 ноября). Физические свойства циклоалканов. Химия LibreTexts. Получено с: chem.libretexts.org
Виберг Б. Кеннет. (2005). Циклобутан-физические свойства и теоретические исследования. Химический факультет Йельского университета.
Клемент Фу. (SF). Циклобутаны в органическом синтезе. Получено с: scripps.edu
Майерс. (SF). Синтез циклобутанов. Chem 115. Получено с: hwpi.harvard.edu

ЦИКЛОБУТАН: СТРУКТУРА, СВОЙСТВА, ПРИМЕНЕНИЕ И СИНТЕЗ - ХИМИЯ - 2024