- Estrutura do ciclobutano
- Conformações em borboleta ou enrugadas
- Interações intermoleculares
- Propriedades
- Aparência física
- Massa molecular
- Ponto de ebulição
- Ponto de fusão
- ponto de ignição
- Solubilidade
- Densidade
- Densidade do vapor
- Pressão de vapor
- Índice de refração
- Entalpia de combustão
- Calor de formação
- Síntese
- Formulários
- Referências
O ciclobutano é um hidrocarboneto consistindo de um cicloalcano quatro átomos de carbono, com a fórmula molecular C 4 H 8. Também pode ser denominado tetrametileno, visto que são quatro unidades CH 2 que compõem um anel de 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) engloba profundos aspectos biológicos e químicos e contribui de alguma forma para as propriedades desses compostos.
Molécula de ciclobutano em uma conformação esticada. Fonte: Jynto.
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 era tratada como um quadrado simples 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).
Os átomos de carbono Sp 3 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 sp 2 (120º) e sp (180º) para desviar seus ângulos originais. Por esta razão ciclobutano tem essencialmente sp 3 átomos de carbono.
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 do ciclobutano buscará reduzir os dois estresses e, para isso, adota o que é conhecido como conformação borboleta ou enrugada (em inglês, enrugada).
Conformações em borboleta ou enrugadas
Conformações de ciclobutano. Fonte: Smokefoot.
As verdadeiras conformações do ciclobutano são mostradas acima. Neles as tensões angulares e torcionais diminuem; já que, como pode ser visto, agora nem todos os átomos de hidrogênio foram eclipsados. Porém, há um custo de energia: 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 subisse 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. Estes em suas asas só podem ser mantidos juntos 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 de frio, 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; porém, 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 é mais denso que o ar e, portanto, a menos que haja correntes, sua tendência não será 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.
Sua obtenção no óleo cru é improvável, pois acabaria reagindo de forma a quebrar o anel e formar a cadeia da linha, ou seja, o n-butano.
Outro método para obter o ciclobutano consiste em incidir a radiação ultravioleta nas moléculas de etileno, CH 2 = CH 2, que se dimerizam. Esta reação é favorecida fotoquimicamente, mas não termodinamicamente:
Síntese de ciclobutano por radiação ultravioleta. Fonte: Gabriel Bolívar.
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 outro uso além de 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, penitrems 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 - um exemplo de um derivado do ciclobutano. Fonte: Jynto.
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
- Carey F. (2008). Quimica Organica. (Sexta edição). Mc Graw Hill.
- Graham Solomons, TW; Craig B. Fryhle. (2011). Química orgânica. (11 ª edição). Wiley.
- Wikipedia. (2019). Ciclobutano. Recuperado de: en.wikipedia.org
- PubChem. (2019). Ciclobutano. Recuperado de: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
- Peiris Nicole. (2015, 29 de novembro). Propriedades físicas dos cicloalcanos. Chemistry LibreTexts. Recuperado de: chem.libretexts.org
- Wiberg B. Kenneth. (2005). Propriedades físicas do ciclobutano e estudos teóricos. Departamento de Química, Universidade de Yale.
- Klement Foo. (sf). Cyclobutanes in Organic Synthesis. Recuperado de: scripps.edu
- Myers. (sf). Síntese de Ciclobutanos. Chem 115. Recuperado de: hwpi.harvard.edu