Ciclobutano: estrutura, propriedades, usos e síntese

O ciclobutano é um hidrocarboneto consistindo de um cicloalcano quatro átomos de carbono, com a fórmula molecular C 4 H 8 . Também pode ser chamado de tetrametileno, considerando que existem quatro unidades de CH 2 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 queima com uma chama brilhante. Seu uso mais primitivo é como fonte de calor quando queimado; no entanto, sua base estrutural (o quadrado) cobre aspectos biológicos e químicos profundos e colabora de alguma maneira com as propriedades dos referidos compostos.

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Molécula de ciclobutano em uma conformação tensa. Fonte: Jynto [CC0].

A imagem acima mostra uma molécula de ciclobutano com uma estrutura quadrada. A seção a seguir explicará por que essa conformação é instável, pois seus links são tensos.

Após o ciclopropano, é o cicloalcano mais instável, pois quanto menor o tamanho do anel, mais reativo será. De acordo com isso, o ciclobutano é mais instável que os ciclos de pentano e hexano. No entanto, é curioso testemunhar em seus derivados um núcleo ou coração quadrado, que, como será visto, é dinâmico.

Estrutura de ciclobutano

Na primeira imagem, a estrutura do ciclobutano foi abordada como um simples quadrado carbonizado e hidrogenado. No entanto, neste quadrado perfeito, os orbitais sofrem uma torção severa em 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, eles teriam dificuldade em flexionar tanto seus orbitais para criar um ângulo de 90º; mas seria ainda mais importante se os carbonos com hibridizações sp 2 (120º) e sp (180º) desviarem seus ângulos originais. Por esse motivo, o ciclobutano possui sp 3 átomos de carbono em essência.

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Além disso, os átomos de hidrogênio estão muito próximos um do outro, eclipsados ​​no espaço. Isso resulta em um aumento no impedimento estérico, que enfraquece o suposto quadrado por sua alta tensão de torção.

Portanto, as tensões angulares e torcionais (encapsuladas no termo ‘tensão do anel’) tornam essa conformação instável em condições normais.

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

Conformações borboletas ou enrugadas

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Conformações de ciclobutano. Fonte: Smokefoot

As verdadeiras conformações do ciclobutano são mostradas acima. Neles, as tensões angulares e torcionais diminuem; já que, como você pode ver, agora nem todos os átomos de hidrogênio são eclipsados. No entanto, há um custo de energia: o ângulo de seus elos afia, ou seja, cai de 90 para 88º.

Note que pode ser comparado com uma borboleta, cujas asas triangulares são formadas por três átomos de carbono; e a quarta, posicionada em um ângulo de 25º em relação a cada asa. As setas direcionais duplas indicam que há um equilíbrio entre os dois conformes. É como se a borboleta caísse e erguesse as asas.

Nos derivados de ciclobutano, por outro lado, seria de esperar que essa vibração fosse muito mais lenta e espacialmente impedida.

Interações intermoleculares

Suponha que você esqueça por alguns instantes os quadrados e, em vez disso, seja substituído por borboletas carbonatadas. Essas vibrações 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, poderia ser manipulado em princípio como qualquer líquido; com o único detalhe, que seria altamente volátil e, ainda assim, seus vapores representariam um risco a ser levado em consideração.

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Ponto de fusão

-91 ° C.

Ponto de inflamação

Copo fechado a 50ºC.

Solubilidade

Insolúvel em água, o que não é surpreendente, dada a 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 apolares, como tetracloreto de carbono, benzeno, xileno, etc.

Densidade

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

Densidade de 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 ascender.

Pressão de vapor

1.180 mmHg a 25 ° C.

Índice de refração

1,3625 a 290 ° C.

Entalpia de combustão

-655,9 kJ / mol.

Treino de calor

6,6 Kcal / mol a 25 ° C.

Síntese

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

No petróleo bruto, é improvável que o obtenha, pois acabaria reagindo de tal maneira que rompeu o anel e formou a cadeia de linha, ou seja, n-butano.

Um outro método para a obtenção do ciclobutano é a radiação ultravioleta que incide sobre as moléculas de etileno, CH 2 = CH 2 , as quais dimerizam. Essa reação é favorecida fotoquimicamente, mas não termodinamicamente:

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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, houvesse, por exemplo, dois alcenos, um ciclobutano substituído seria obtido; ou o que é o mesmo, um derivado do ciclobutano. De fato, muitos derivados com estruturas interessantes foram sintetizados por esse método.

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

Usos

O ciclobutano sozinho não tem mais utilidade do que servir como fonte de calor; mas, seus derivados, entram em intrincados campos na síntese orgânica, com aplicações em farmacologia, biotecnologia e medicina. Sem investigar estruturas muito complexas, os penitrems e o grandisol são exemplos de ciclobutanos.

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

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Grandisol: um exemplo de derivado de ciclobutano. Fonte: Jynto [CC0].

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

Referências

  1. Carey F. (2008). Quimica Organica. (Sexta edição). Mc Graw Hill
  2. Graham Solomons, TW; Craig B. Fryhle. (2011). Química Orgânica (11 ª edição). Wiley
  3. Wikipedia (2019). Cyclobutane Recuperado de: en.wikipedia.org
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  5. Peiris Nicole. (29 de novembro de 2015). Propriedades físicas dos cicloalcanos. Química LibreTexts. Recuperado de: chem.libretexts.org
  6. Wiberg B. Kenneth. (2005). Cyclobutane – propriedades físicas e estudos teóricos. Departamento de Química, Universidade de Yale.
  7. Klement Foo. (sf). Ciclobutanos em Síntese Orgânica. Recuperado de: scripps.edu
  8. Myers (sf). Síntese de ciclobutanos. Chem 115. Recuperado de: hwpi.harvard.edu

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