Ciclobutano: estrutura, propriedades, usos e síntese - Ciência - 2023

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o ciclobutano é um hidrocarboneto que consiste em um cicloalcano de quatro carbonos, cuja fórmula molecular é C4H8. Também pode ser chamado de tetrametileno, visto que são quatro unidades CH2 que compõem um anel com geometria quadrada, embora o nome ciclobutano seja mais aceito e conhecido.

À temperatura ambiente, é um gás incolor e inflamável que arde com uma chama forte. Seu uso mais primitivo é como fonte de calor durante a queima; entretanto, sua base estrutural (o quadrado) abrange aspectos biológicos e químicos profundos e colabora de certa forma com as propriedades desses compostos.

A imagem superior mostra uma molécula de ciclobutano com uma estrutura quadrada. Na próxima seção, explicaremos por que essa conformação é instável, uma vez que seus elos são firmes.


Depois do ciclopropano, é o cicloalcano mais instável, pois quanto menor o tamanho do anel, mais reativo ele será. Consequentemente, o ciclobutano é mais instável do que os ciclos de pentano e hexano. No entanto, é curioso testemunhar em seus derivados um núcleo ou coração quadrado, que, como se verá, é dinâmico.

Estrutura do ciclobutano

Na primeira imagem, a estrutura do ciclobutano foi abordada como um simples quadrado carbonizado e hidrogenado. Porém, neste quadrado perfeito, os orbitais sofrem uma forte torção de seus ângulos originais: eles são separados por um ângulo de 90º em comparação com 109,5º para um átomo de carbono com hibridização sp.3 (tensão angular).

Átomos de carbono sp3 eles são tetraédricos e, para alguns tetraedros, seria difícil flexionar tanto seus orbitais para criar um ângulo de 90º; mas seria ainda mais para carbonos com hibridizações sp2 (120º) e sp (180º) desviam seus ângulos originais. Por esta razão, o ciclobutano possui átomos de carbono esp.3 em essência.


Além disso, os átomos de hidrogênio estão muito próximos uns dos outros, eclipsados ​​no espaço. Isso resulta em um aumento do impedimento estérico, que enfraquece o suposto quadrado devido ao seu alto estresse torcional.

Portanto, as tensões angulares e de torção (encapsuladas no termo 'tensão do anel') tornam esta conformação instável em condições normais.

A molécula de ciclobutano buscará reduzir as duas tensões e, para isso, adota o que é conhecido como conformação borboleta ou enrugada (em inglês, enrugada).

Conformações em borboleta ou enrugadas

As verdadeiras conformações do ciclobutano são mostradas acima. Neles as tensões angulares e torcionais diminuem; uma vez que, como pode ser observado, agora nem todos os átomos de hidrogênio estão eclipsados. Porém, há um custo energético: o ângulo de suas ligações é aguçado, ou seja, ele desce de 90 para 88º.


Observe que ele pode ser comparado a uma borboleta, cujas asas triangulares são compostas por três átomos de carbono; e a quarta, posicionada em um ângulo de 25º em relação a cada asa. As setas bidirecionais indicam que há um equilíbrio entre os dois conformadores. É como se a borboleta descesse e levantasse as asas.

Em derivados do ciclobutano, por outro lado, seria esperado que esse flapping fosse muito mais lento e espacialmente impedido.

Interações intermoleculares

Suponha que você esqueça os quadrados por um momento e eles sejam substituídos por borboletas carbonatadas. Estas, em suas batidas, só podem ser mantidas juntas no líquido pelas forças de dispersão de Londres, que são proporcionais à área de suas asas e sua massa molecular.

Propriedades

Aparência física

Gás incolor.

Massa molecular

56,107 g / mol.

Ponto de ebulição

12,6 ° C Portanto, em condições frias, pode ser manuseado, em princípio, como qualquer líquido; com o único detalhe, que seria altamente volátil, e seus vapores ainda representariam um risco a ser levado em consideração.

Ponto de fusão

-91 ° C

ponto de ignição

50ºC em vidro fechado.

Solubilidade

Insolúvel em água, o que não é surpreendente, dada sua natureza apolar; mas é ligeiramente solúvel em álcoois, éter e acetona, que são solventes menos polares. Espera-se que seja solúvel (embora não relatado) logicamente em solventes não polares, como tetracloreto de carbono, benzeno, xileno, etc.

Densidade

0,7125 a 5 ° C (em relação a 1 da água).

Densidade do vapor

1,93 (em relação a 1 do ar). Isso significa que ele é mais denso que o ar e, portanto, a menos que haja correntes, ele não tenderá a subir.

Pressão de vapor

1.180 mmHg a 25 ° C

Índice de refração

1,3625 a 290 ° C

Entalpia de combustão

-655,9 kJ / mol.

Calor de formação

6,6 Kcal / mol a 25 ° C

Síntese

O ciclobutano é sintetizado pela hidrogenação do ciclobutadieno, cuja estrutura é quase a mesma, com a única diferença de ter uma ligação dupla; e, portanto, é ainda mais reativo. Esta talvez seja a rota sintética mais simples para obtê-lo, ou pelo menos apenas para ele e não para um derivado.

No petróleo bruto, dificilmente seria obtido, pois acabaria reagindo de forma a quebrar o anel e formar a cadeia da linha, ou seja, o n-butano.

Outro método para obter ciclobutano é impingir a radiação ultravioleta nas moléculas de etileno, CH2= CH2, que dimeriza. Esta reação é favorecida fotoquimicamente, mas não termodinamicamente:

A imagem acima resume muito bem o que foi dito no parágrafo acima. Se em vez de etileno se tivesse, por exemplo, quaisquer dois alcenos, seria obtido um ciclobutano substituído; ou o que é igual, um derivado do ciclobutano. Na verdade, muitos derivados com estruturas interessantes foram sintetizados por este método.

Outros derivados, no entanto, envolvem uma série de etapas sintéticas complicadas. Portanto, os ciclobutanos (como são chamados seus derivados) são objeto de estudo para sínteses orgânicas.

Formulários

O ciclobutano sozinho não tem outra utilidade senão servir como fonte de calor; mas, seus derivados, entram em campos intrincados na síntese orgânica, com aplicações em farmacologia, biotecnologia e medicina. Sem se aprofundar em estruturas excessivamente complexas, penitrens e grandisol são exemplos de ciclobutanos.

Os ciclobutanos geralmente têm propriedades benéficas para o metabolismo de bactérias, plantas, invertebrados marinhos e fungos. São biologicamente ativos, por isso seus usos são muito variados e difíceis de especificar, já que cada um tem seu efeito particular sobre determinados organismos.

Grandisol, por exemplo, é um feromônio do gorgulho (um tipo de besouro). Acima, e por fim, é mostrada sua estrutura, considerada um monoterpeno com base quadrada de ciclobutano.

Referências

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