CYCLOBUTAAN: STRUCTUUR, EIGENSCHAPPEN, TOEPASSINGEN EN SYNTHESE - CHEMIE - 2024

De cyclobutaan een koolwaterstofgroep bestaande uit een cycloalkaan vier koolstofatomen, met de molecuulformule C ₄ H ₈ . Het kan ook tetramethyleen worden genoemd, aangezien ze vier CH ₂ eenheden waaruit een ring met vierkante geometrie, hoewel de naam cyclobutaan wordt meer aanvaard en bekend.

Bij kamertemperatuur is het een kleurloos, brandbaar gas dat brandt met een heldere vlam. Het meest primitieve gebruik ervan is als warmtebron bij verbranding; de structurele basis (het vierkant) omvat echter diepe biologische en chemische aspecten en draagt ​​op een of andere manier bij aan de eigenschappen van deze verbindingen.

Cyclobutaanmolecuul in een gespannen conformatie. Bron: Jynto.

De bovenste afbeelding toont een cyclobutaanmolecuul met een vierkante structuur. In de volgende sectie zullen we uitleggen waarom deze conformatie onstabiel is, aangezien de verbindingen nauw zijn.

Na cyclopropaan is het het meest onstabiele cycloalkaan, want hoe kleiner de ringmaat, hoe reactiever het zal zijn. Dienovereenkomstig is cyclobutaan instabieler dan de pentaan- en hexaancycli. Het is echter merkwaardig om in zijn afgeleiden getuige te zijn van een kern of vierkant hart, dat, zoals we zullen zien, dynamisch is.

Structuur van cyclobutaan

In de eerste afbeelding werd de structuur van cyclobutaan aangepakt als een eenvoudig verkoold en gehydrogeneerd vierkant. In dit perfecte vierkant ondergaan de orbitalen echter een ernstige draaiing ten opzichte van hun oorspronkelijke hoeken: ze zijn gescheiden door een hoek van 90º vergeleken met 109,5º voor een koolstofatoom met sp ^3- hybridisatie (hoekspanning).

Sp ³ koolstofatomen zijn tetraëdrisch, en voor sommige tetraëders zou het moeilijk zijn om hun orbitalen zo ver te buigen om een ​​hoek van 90 ° te creëren; maar het zou zelfs nog meer het geval zijn als koolstofatomen met sp ² (120º) en sp (180º) hybridisaties hun oorspronkelijke hoeken afwijken. Daarom heeft cyclobutaan hoofdzaak sp ³ koolstofatomen .

Ook staan ​​waterstofatomen heel dicht bij elkaar, verduisterd in de ruimte. Dit resulteert in een toename van sterische hinder, die het veronderstelde vierkant verzwakt vanwege de hoge torsiespanning.

Daarom maken hoek- en torsiespanningen (ingekapseld in de term 'ringspanning') deze conformatie onder normale omstandigheden onstabiel.

Het cyclobutaanmolecuul zal proberen beide spanningen te verminderen, en om dit te bereiken neemt het wat bekend staat als de vlinder of gebobbeld (in het Engels, gebobbeld) conformatie aan.

Vlinder- of gerimpelde conformaties

Conformaties van cyclobutaan. Bron: Smokefoot.

De echte conformaties van cyclobutaan worden hierboven getoond. Bij hen nemen de hoek- en torsiespanningen af; aangezien, zoals te zien is, nu niet alle waterstofatomen verduisterd zijn. Er zijn echter energiekosten: de hoek van de verbindingen wordt verscherpt, dat wil zeggen, hij daalt van 90 naar 88 °.

Merk op dat het kan worden vergeleken met een vlinder, waarvan de driehoekige vleugels zijn opgebouwd uit drie koolstofatomen; en de vierde, gepositioneerd onder een hoek van 25º ten opzichte van elke vleugel. Tweerichtingspijlen geven aan dat er een evenwicht is tussen beide conformeren. Het is alsof de vlinder naar beneden en omhoog gaat met zijn vleugels.

Bij cyclobutaanderivaten zou dit klappen daarentegen veel langzamer en ruimtelijk belemmerd moeten zijn.

Intermoleculaire interacties

Stel dat je de vierkanten even vergeet, en in plaats daarvan worden ze vervangen door koolzuurhoudende vlinders. Deze in hun vleugel kunnen alleen in de vloeistof bij elkaar worden gehouden door Londense dispersiekrachten, die evenredig zijn met het oppervlak van hun vleugels en hun moleculaire massa.

Eigendommen

Fysiek uiterlijk

Kleurloos gas.

Moleculaire massa

56,107 g / mol.

Kookpunt

12,6 ° C. Daarom kan het in koude omstandigheden in principe als elke vloeistof worden gehanteerd; met als enige detail dat het zeer vluchtig zou zijn en dat de dampen ervan nog steeds een risico zouden vormen waarmee rekening moet worden gehouden.

Smeltpunt

-91 ° C.

ontstekingspunt

50ºC in een gesloten glas.

Oplosbaarheid

Onoplosbaar in water, wat niet verwonderlijk is gezien de niet-polaire aard ervan; maar het is enigszins oplosbaar in alcoholen, ether en aceton, die minder polaire oplosmiddelen zijn. Het wordt verwacht oplosbaar te zijn (hoewel niet vermeld) logisch in niet-polaire oplosmiddelen zoals tetrachloorkoolstof, benzeen, xyleen, enz.

Dichtheid

0,7125 bij 5 ° C (ten opzichte van 1 van het water).

Dampdichtheid

1,93 (in verhouding tot 1 van de lucht). Dit betekent dat het dichter is dan lucht, en daarom zal het, tenzij er stroming is, niet stijgen.

Dampdruk

1.180 mmHg bij 25 ° C.

Brekingsindex

1.3625 bij 290 ° C.

Enthalpie van verbranding

-655,9 kJ / mol.

Warmte van vorming

6,6 Kcal / mol bij 25 ° C

Synthese

Cyclobutaan wordt gesynthetiseerd door hydrogenering van cyclobutadieen, waarvan de structuur bijna hetzelfde is, met het enige verschil dat het een dubbele binding heeft; en daarom is het zelfs nog reactiever. Dit is misschien de eenvoudigste synthetische route om het te verkrijgen, of in ieder geval alleen naar het en niet naar een afgeleide.

Het is onwaarschijnlijk dat het in ruwe olie wordt verkregen, omdat het uiteindelijk zo reageert dat de ring breekt en de lijnketting wordt gevormd, dat wil zeggen n-butaan.

Een andere methode om het cyclobutaan te verkrijgen bestaat uit opvallende ultraviolette straling op de ethyleenmoleculen, CH ₂ = CH ₂ , die dimeriseren. Deze reactie wordt fotochemisch begunstigd, maar niet thermodynamisch:

Synthese van cyclobutaan door ultraviolette straling. Bron: Gabriel Bolívar.

De afbeelding hierboven vat heel goed samen wat er in de bovenstaande paragraaf werd gezegd. Als men in plaats van ethyleen bijvoorbeeld twee alkenen had, zou een gesubstitueerd cyclobutaan worden verkregen; of wat hetzelfde is, een derivaat van cyclobutaan. In feite zijn met deze methode veel derivaten met interessante structuren gesynthetiseerd.

Andere derivaten omvatten echter een reeks gecompliceerde synthetische stappen. Daarom zijn cyclobutanen (zoals hun derivaten worden genoemd) het onderwerp van studie voor organische syntheses.

Toepassingen

Cyclobutaan alleen heeft geen ander nut dan dienen als warmtebron; maar, de derivaten ervan, betreden ingewikkelde velden in de organische synthese, met toepassingen in de farmacologie, biotechnologie en geneeskunde. Zonder in al te complexe structuren te duiken, zijn penitrems en grandisol voorbeelden van cyclobutanen.

Cyclobutanen hebben over het algemeen eigenschappen die gunstig zijn voor het metabolisme van bacteriën, planten, ongewervelde zeedieren en schimmels. Ze zijn biologisch actief, en daarom is hun gebruik zeer gevarieerd en moeilijk te specificeren, aangezien elk zijn specifieke effect heeft op bepaalde organismen.

Grandisol - een voorbeeld van een cyclobutaanderivaat. Bron: Jynto.

Grandisol is bijvoorbeeld een feromoon van de snuitkever (een soort kever). Hierboven, en ten slotte, wordt de structuur getoond, beschouwd als een monoterpeen met een vierkante basis van cyclobutaan.

Referenties

1. Carey F. (2008). Organische chemie. (Zesde editie). Mc Graw Hill.
2. Graham Solomons, TW; Craig B. Fryhle. (2011). Organische chemie. (11 ^th edition). Wiley.
3. Wikipedia. (2019). Cyclobutaan. Hersteld van: en.wikipedia.org
4. PubChem. (2019). Cyclobutaan. Hersteld van: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
5. Peiris Nicole. (2015, 29 november). Fysieke eigenschappen van cycloalkanen. Chemie LibreTexts. Hersteld van: chem.libretexts.org
6. Wiberg B. Kenneth. (2005). Cyclobutaan-fysische eigenschappen en theoretische studies. Afdeling Chemie, Yale University.
7. Klement Foo. (sf). Cyclobutanen in organische synthese. Hersteld van: scripps.edu
8. Myers. (sf). Cyclobutanen synthese. Chem 115. Opgehaald van: hwpi.harvard.edu