Estrutura, propriedades, usos e síntese do ciclobutano

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Robert Johnston
Estrutura, propriedades, usos e síntese do ciclobutano

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 CHdois 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; Porém, sua base estrutural (o quadrado) engloba aspectos biológicos e químicos profundos e colabora de certa forma com as propriedades desses compostos..

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

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 tensos..

Depois do ciclopropano, é o cicloalcano mais instável, pois quanto menor o tamanho do anel, mais reativo ele será. De acordo com isso, o ciclobutano é mais instável do que os ciclos de pentano e hexano. Porém, é curioso testemunhar em seus derivados um núcleo ou coração quadrado, que, como se verá, é dinâmico..

Índice do artigo

  • 1 Estrutura do ciclobutano
    • 1.1 Conformações em forma de borboleta ou enrugadas
    • 1.2 Interações intermoleculares
  • 2 propriedades
    • 2.1 Aparência física
    • 2.2 Massa molecular
    • 2.3 Ponto de ebulição
    • 2.4 Ponto de fusão
    • 2,5 ponto de fulgor
    • 2.6 Solubilidade
    • 2.7 Densidade
    • 2.8 Densidade de vapor
    • 2.9 Pressão de vapor
    • 2.10 Índice de refração
    • 2.11 Entalpia de combustão
    • 2.12 Calor de formação
  • 3 Síntese
  • 4 usos
  • 5 referências

Estrutura do 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 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 spdois (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, o 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..

Conformações em borboleta ou enrugadas

Conformações de ciclobutano. Fonte: Smokefoot.

As verdadeiras conformações do ciclobutano são mostradas acima. Neles as tensões angulares e de torção diminuem; uma vez que, como pode ser visto, agora nem todos os átomos de hidrogênio estão eclipsados. Porém, há um custo de energia: o ângulo de seus elos é aguçado, ou seja, cai 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 suas 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 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

-91ºC.

ponto de ignição

Vidro fechado a 50ºC.

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 apolares, como tetracloreto de carbono, benzeno, xileno, etc..

Densidade

0,7125 a 5ºC (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 25ºC.

Índice de refração

1,3625 a 290ºC.

Entalpia de combustão

-655,9 kJ / mol.

Calor de formação

6,6 Kcal / mol a 25ºC.

Síntese

O ciclobutano é sintetizado pela 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-lo, ou pelo menos apenas para ele e não para um derivado.

No petróleo bruto dificilmente se obteria, 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 atingir a radiação ultravioleta nas moléculas de etileno, CHdois= CHdois, que 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 alquenos, 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 terreno complexo 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 - um exemplo de um derivado do ciclobutano. Fonte: Jynto [CC0].

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

Referências

  1. Carey F. (2008). Quimica Organica. (Sexta edição). Mc Graw Hill.
  2. Graham Solomons, T.W .; Craig B. Fryhle. (2011). Química orgânica. (onzeº edição). Wiley.
  3. Wikipedia. (2019). Ciclobutano. Recuperado de: en.wikipedia.org
  4. PubChem. (2019). Ciclobutano. Recuperado de: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
  5. Peiris Nicole. (2015, 29 de novembro). Propriedades físicas dos cicloalcanos. Chemistry LibreTexts. Recuperado de: chem.libretexts.org
  6. Wiberg B. Kenneth. (2005). Propriedades físicas do ciclobutano e estudos teóricos. Departamento de Química, Universidade de Yale.
  7. Klement Foo. (s.f.). Cyclobutanes in Organic Synthesis. Recuperado de: scripps.edu
  8. Myers. (s.f.). Síntese de Ciclobutanos. Chem 115. Recuperado de: hwpi.harvard.edu

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