CICLOBUTANO: ESTRUCTURA, PROPIETATS, USOS I SÍNTESI - QUIMICA - 2026

El ciclobutano és un hidrocarbur que consisteix d'un cicloalcano de quatre carbonis, la fórmula molecular és C ₄ H ₈. També se li pot cridar tetrametileno, considerant que són quatre unitats CH ₂ que conformen un anell amb geometria quadrada, encara que el nom ciclobutano és més acceptat i conegut.

A temperatura ambient és un gas incolor, inflamable i que crema amb una flama brillant. El seu ús més primitiu és com a font de calor a l'cremar; però, la seva base estructural (el quadrat) abasta aspectes biològics i químics profunds, i col·labora de certa manera amb les propietats d'aquests compostos.

Molècula d'ciclobutano en una conformació tensa. Font: Jynto.

A la imatge superior es mostra una molècula d'ciclobutano amb estructura quadrada. En el següent apartat s'explicarà per què aquesta conformació és inestable, ja que els seus enllaços es troben tibants.

Després de l'ciclopropano, és el cicloalcano més inestable, ja que com més petit sigui la mida de l'anell, més reactiu serà. D'acord a això, el ciclobutano és més inestable que els cicles pentà i hexà. Tanmateix, és curiós presenciar en els seus derivats un nucli o cor quadrat, el qual, com es veurà, és dinàmic.

Estructura de l'ciclobutano

A la primera imatge es va abordar l'estructura de l'ciclobutano com un simple quadrat carbonat i hidrogenat. No obstant això, en aquest quadrat perfecte els orbitals pateixen una severa torçada de les seves angles originals: estan separats per un angle de 90º en comparació als 109,5º per a un àtom de carboni amb hibridació sp ³ (tensió angular).

Els àtoms de carboni sp ³ són tetraèdrics, i per a uns tetraedres els resultaria difícil flexionar tant els seus orbitals per crear un angle de 90º; però ho seria encara més per als carbonis amb hibridacions sp ² (120º) i sp (180º) desviar els angles originals. Per aquesta raó el ciclobutano té àtoms de carboni sp ³ en essència.

Així mateix, els àtoms d'hidrogen es troben molt propers els uns dels altres, eclipsats en l'espai. Això porta com a conseqüència un increment de l'impediment estèric, la qual cosa debilita el supòsit quadrat per la seva alta tensió torsional.

Per tant, les tensions angulars i torsionals (encapsulades en el terme 'tensió anul·lar') fan que aquesta conformació resulti inestable en condicions normals.

La molècula d'ciclobutano buscarà com reduir les dues tensions, i per aconseguir-ho adopta el que es coneix com conformació papallona o arrugada (en anglès, puckered).

Conformacions papallones o arrugades

Conformacions de l'ciclobutano. Font: Smokefoot.

A dalt es mostren les conformacions veritables de l'ciclobutano. En elles les tensions angulars i torsionals disminueixen; ja que, com es pot observar, ara no tots els àtoms d'hidrogen estan eclipsats. No obstant això, hi ha un cost energètic: l'angle dels seus enllaços s'aguditza, és a dir, baixa de 90 a 88º.

Cal notar que es pot comparar amb una papallona, ​​les ales triangulars estan formades per tres àtoms de carboni; i el quart, posicionat en un angle de 25º respecte a cada ala. Les fletxes amb doble sentit assenyalen que hi ha un equilibri entre els dos confórmeros. És com si la papallona baixés i pugés les seves ales.

En els derivats de l'ciclobutano, d'altra banda, s'esperaria que aquest aletejar fos molt més lent i impedit espacialment.

interaccions intermoleculars

Suposem que s'oblida per uns moments dels quadrats, i es reemplacen en el seu lloc per papallones carbonades. Aquestes en el seu aletejar només poden mantenir-se unides en el líquid mitjançant forces de dispersió de London, les quals són proporcionals a l'àrea de les seves ales i al seu massa molecular.

propietats

aparença física

Gas incolor.

massa molecular

56,107 g / mol.

Punt d'ebullició

12,6ºC. Per tant, en condicions fredes es podria manipular en principi com qualsevol líquid; amb l'únic detall, que seria altament volàtil, i encara els seus vapors representarien un risc a tenir en compte.

Punt de fusió

-91ºC.

Punt d'ignició

50ºC a copa tancada.

solubilitat

Insoluble en aigua, el que no s'estranya donada la seva naturalesa apolar; però, és lleugerament soluble en alcohols, èter i acetona, els quals són solvents menys polars. S'espera que sigui soluble (encara que no estigui reportat) lògicament en solvents apolars com el tetraclorur de carboni, benzè, xilè, etc.

densitat

0,7125 a 5ºC (en relació a 1 de l'aigua).

Densitat de vapor

1,93 (en relació a 1 de l'aire). Això significa que és més dens que l'aire, i per tant, a menys que hi hagi corrents, la seva tendència no serà la d'ascendir.

Pressió de vapor

1.180 mmHg a 25ºC.

Índex de refracció

1,3625 a 290ºC.

Entalpia de combustió

-655,9 kJ / mol.

Calor de formació

6,6 Kcal / mol a 25ºC.

síntesi

El ciclobutano es sintetitza mitjançant la hidrogenació de l'ciclobutadieno, l'estructura és gairebé la mateixa, amb l'única diferència que posseeix un doble enllaç; i per tant, és encara més reactiu. Aquesta és potser la ruta sintètica més simple per obtenir-lo, o al menys únicament a ell i no a un derivat.

En el cru resulta improbable la seva obtenció ja que acabaria reaccionant de manera que trenqués l'anell i es formés la cadena línia, és a dir, n-butà.

Un altre mètode per obtenir el ciclobutano consisteix en fer incidir radiació ultraviolada sobre les molècules d'etilè, CH ₂ = CH ₂, les quals es dimerizan. Aquesta reacció està afavorida fotoquímicament, però no termodinàmicament:

Síntesi de l'ciclobutano per radiació ultraviolada. Font: Gabriel Bolívar.

La imatge superior resumeix molt bé el que s'ha dit en el paràgraf de dalt. Si en lloc de l'etilè es tingués, per exemple, dos alquens qualssevol, s'obtindria un ciclobutano substituït; o el que és igual, un derivat de l'ciclobutano. De fet, molts derivats amb estructures interessants han estat sintetitzats mitjançant aquest mètode.

Altres derivats, però, impliquen una sèrie de passos sintètics complicats. Per tant, els ciclobutanos (com se'ls anomena als seus derivats), són objecte d'estudi per a les síntesis orgàniques.

usos

El ciclobutano per si sol no té més ús de servir com a font de calor; però, els seus derivats, entren en terrenys intricats en síntesi orgàniques, amb aplicacions en farmacologia, biotecnologia i medicina. Sense aprofundir en estructures massa complexes, les penitrems i el grandisol són exemples de ciclobutanos.

Els ciclobutanos tenen en general propietats que resulten benèfiques per als metabolismes dels bacteris, plantes, invertebrats marins i fongs. Són biològicament actius, i és per això que els seus usos són molt variats i difícils d'especificar, ja que cada un té el seu efecte particular en determinats organismes.

Grandisol: un exemple d'un derivat de ciclobutano. Font: Jynto.

El grandisol, per exemple, és una feromona de l'corc (un tipus d'escarabat). A dalt, i per finalitzar, es mostra la seva estructura, considerada un monoterpeno amb una base quadrada de ciclobutano.

referències

1. Carey F. (2008). Química Orgànica. (Sisena edició). Mc Graw Hill.
2. Graham Solomons, TW; Craig B. Fryhle. (2011). Organic Chemistry. (11 ^th edition). Wiley.
3. Wikipedia. (2019). Cyclobutane. Recuperat de: en.wikipedia.org
4. PubChem. (2019). Cyclobutane. Recuperat de: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
5. Peiris Nicole. (29 de novembre de 2015). Physical Properties of Cycloalkanes. Chemistry LibreTexts. Recuperat de: chem.libretexts.org
6. Wiberg B. Kenneth. (2005). Cyclobutane-physical properties and Theoretical studies. Department of Chemistry, Yale University.
7. Klement Foo. (Sf). Cyclobutanes in Organic Synthesis. Recuperat de: scripps.edu
8. Myers. (Sf). Cyclobutanes Synthesis. Chem 115. Recuperat de: hwpi.harvard.edu