ציקלובוטן: מבנה, תכונות, שימושים וסינתזה - כִּימִיָה - 2025

Cyclobutane היא פחמימן המורכב cycloalkane ארבעה פחמנים, עם הנוסחה המולקולרית C ₄ H ₈ . אפשר לקרוא לזה גם טטרמתילן, בהתחשב בעובדה שמדובר בארבע יחידות CH ₂ המרכיבות טבעת עם גיאומטריה מרובעת, אם כי השם cyclobutane מקובל וידוע יותר.

בטמפרטורת החדר זהו גז נטול דליקים חסר צבע שנשרף עם להבה בוהקת. השימוש הפרימיטיבי ביותר שלו הוא כמקור חום בעת צריבה; עם זאת, הבסיס המבני שלו (הריבוע) מקיף היבטים ביולוגיים וכימיים עמוקים, ותורם בדרך כלשהי לתכונות של תרכובות אלה.

מולקולת ציקלובוטאן במבנה מתוח. מקור: ג'ינטו.

בתמונה העליונה מופיעה מולקולת ציקלו-בוטאן עם מבנה ריבועי. בחלק הבא נסביר מדוע קונפורמציה זו אינה יציבה, מכיוון שקישוריה קשורים.

אחרי ציקלופופרן, זה הסיקלוקלקן הכי לא יציב, מכיוון שככל שגודל הטבעת קטן יותר, כך הוא יהיה תגובתי יותר. בהתאם לכך, ציקלובוטאן אינו יציב יותר ממחזורי הפנטן וההקסאן. עם זאת, סקרן לראות בנגזרותיו גרעין או לב מרובע, שכפי שנראה הוא דינמי.

מבנה ציקלובוטן

בתמונה הראשונה התייחסו למבנה הציקלו-בוטן ככיכר פשוטה ומוגמרת. עם זאת, בכיכר מושלמת זו האורביטלים סובלים מתפתל קשה מזוויותיהם המקוריות: הם מופרדים בזווית של 90 מעלות לעומת 109.5 מעלות לאטום פחמן עם הכלאה sp ³ (מתח זוויתי).

אטומי פחמן Sp ³ הם טטרהדראליים, ולגבי טטרה -דרה מסוימים היה קשה לכופף את האורביטלים שלהם כל כך כדי ליצור זווית של 90 מעלות; אך יתרה מכך, פחמימות עם הכלאות sp ² (120 º) ו- sp (180 º) יסטו בזוויתן המקורית. מסיבה זו cyclobutane למעשה יש sp ³ אטומי פחמן .

כמו כן, אטומי מימן קרובים זה לזה מאוד, כשהם מוחלפים בחלל. התוצאה גורמת לעלייה במכשול הסטררי, שמחליש את הריבוע כביכול בגלל הלחץ הפיתולי הגבוה שלו.

לפיכך, מתחים זוויתיים וסיבוביים (מכוסים במונח 'לחץ טבעתי') הופכים קונפורמציה זו לבלתי יציבה בתנאים רגילים.

מולקולת cyclobutane תבקש להפחית את שני הלחצים, וכדי להשיג זאת היא מאמצת את מה שמכונה פרפר או קונפורמציה פרועה (באנגלית, דפוקה).

תצורות פרפר או מקומטות

תצורות של cyclobutane. מקור: Smokefoot.

ההתאמות האמיתיות של cyclobutane מוצגות לעיל. אצלם הלחץ הזוויתי והפיתולי פוחת; שכן, כפי שניתן לראות, כעת לא כל אטומי המימן הולכים ונמוגים. עם זאת, יש עלות אנרגיה: זווית קשריו מתחדדת, כלומר היא יורדת מ- 90 ל- 88 מעלות.

שימו לב שניתן להשוות אותו לפרפר, שכנפיו המשולשות מורכבות משלושה אטומי פחמן; והרביעי, ממוקם בזווית של 25 מעלות ביחס לכל כנף. חיצים דו כיווניים מצביעים על כך שיש שיווי משקל בין שני העומדים. זה כאילו הפרפר יורד ומעלה את כנפיו.

בנגזרות cyclobutane, לעומת זאת, צפוי כי דש זה יהיה איטי הרבה יותר ומוגבל במרחב.

אינטראקציות בין מולקולריות

נניח ששכחת לרגע את הכיכרות, והם במקומם מוחלפים בפרפרים מוגזים. אלה בכנףם יכולים להיות מוחזקים יחד בנוזל רק על ידי כוחות הפיזור של לונדון, שהם פרופורציונליים לאזור הכנפיים שלהם והמסה המולקולרית שלהם.

נכסים

מראה חיצוני

גז חסר צבע.

מסה מולקולרית

56.107 גרם / מול.

נקודת רתיחה

12.6 מעלות צלזיוס לכן בתנאים קרים ניתן היה לטפל בו באופן עקרוני כמו כל נוזל; בפרט היחיד, שהוא יהיה תנודתי מאוד, ואדיו עדיין היו מהווים סיכון שיש לקחת בחשבון.

נקודת המסה

-91 מעלות צלזיוס

נקודת הצתה

50 מעלות צלזיוס בכוס סגורה.

מְסִיסוּת

בלתי מסיסים במים, מה שלא מפתיע בהתחשב באופיו הלא קוטבי; אבל זה מעט מסיס באלכוהולים, אתר ואצטון, שהם פחות ממסים קוטביים. זה צפוי להיות מסיס (אם כי לא מדווח) באופן הגיוני בממסים לא קוטביים כמו טטרכלוריד פחמן, בנזן, קסילן וכו '.

צְפִיפוּת

0.7125 ב 5 מעלות צלזיוס (ביחס ל 1 מהמים).

צפיפות אדים

1.93 (ביחס ל -1 מהאוויר). פירוש הדבר שהוא צפוף יותר מאוויר, ולכן, אלא אם כן יש זרמים, הנטייה שלו לא תהיה לעלות.

לחץ אדים

1,180 מ"מ כספית בחום 25 מעלות צלזיוס

מדד שבירה

1.3625 בטמפרטורה של 290 מעלות צלזיוס.

אנטלפיה של בעירה

-655.9 ק"ג / מול.

חום היווצרות

6.6 קק"ל / מול מול 25 מעלות צלזיוס.

סִינתֶזָה

ציקלובוטאן מסונתז על ידי הידרוגנציה של ציקלובוטאדיאן, שמבנהו כמעט זהה, עם ההבדל היחיד שיש לו קשר כפול; ולכן הוא מגיב עוד יותר. זה אולי הדרך הסינתטית הפשוטה ביותר להשיג אותו, או לפחות רק אליו ולא לנגזרת.

אין זה סביר להשיג את זה בשמן גולמי מכיוון שהוא בסופו של דבר יגיב באופן שישבור את הטבעת ויוצר את שרשרת הקו, כלומר n-butane.

שיטה נוספת כדי להשיג את cyclobutane מורכב מרשימת קרינת אולטרה סגולה על מולקולות אתילן, CH ₂ = CH ₂ , אשר dimerize. עדיפה תגובה זו פוטוכימית, אך לא תרמודינמית:

סינתזה של cyclobutane על ידי קרינה אולטרה סגולה. מקור: גבריאל בוליבר.

התמונה למעלה מסכמת היטב את הנאמר בפסקה לעיל. אם במקום אתילן היה, למשל, שני אלקנים כלשהם, היה מתקבל ציקלובוטאן תחליף; או מה זהה, נגזרת של cyclobutane. למעשה, נגזרות רבות של נגזרים עם מבנים מעניינים על ידי שיטה זו.

נגזרות אחרות כרוך בסדרה של צעדים סינתטיים מורכבים. לכן cyclobutanes (כפי שנקרא הנגזרות שלהם) הם מושא המחקר עבור סינתזות אורגניות.

יישומים

לסיקלובוטאן בלבד אין כל שימוש אחר מלבד משמש כמקור חום; אך נגזרותיו נכנסים לתחומים מורכבים בסינתזה אורגנית, עם יישומים בתחום הפרמקולוגיה, הביוטכנולוגיה והרפואה. מבלי להתעמק במבנים מורכבים יתר על המידה, פניטרמים וגרנדיזול הם דוגמאות לסיקלו-בוטנים.

לציקלובוטנים יש בדרך כלל תכונות המועילות לחילוף החומרים של חיידקים, צמחים, חסרי חוליות ימיים ופטריות. הם פעילים ביולוגית, וזו הסיבה שהשימושים שלהם מגוונים מאוד וקשים לציון, שכן לכל אחד מהם יש השפעה מסוימת על אורגניזמים מסוימים.

Grandisol - דוגמא לנגזרת של cyclobutane. מקור: ג'ינטו.

Grandisol, למשל, הוא פרומון מהוויבר (סוג של חיפושית). מעל, ולבסוף, מוצג מבנהו, הנחשב למונוטרן עם בסיס מרובע של ציקלובוטאן.

הפניות

1. קארי פ '(2008). כימיה אורגנית. (המהדורה השישית). מק גריי היל.
2. גרהם סולומונס, TW; קרייג ב. פרלה. (2011). כימיה אורגנית. (11 ^th edition). וויילי.
3. ויקיפדיה. (2019). ציקלובוטאן. התאושש מ: en.wikipedia.org
4. PubChem. (2019). ציקלובוטאן. התאושש מ: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
5. פייריס ניקול. (2015, 29 בנובמבר). תכונות פיזיקליות של ציקלו-אלקנים. כימיה LibreTexts. התאושש מ: chem.libretexts.org
6. וויברג ב 'קנת. (2005). תכונות ציקלובוטניות-פיזיקליות ומחקרים תיאורטיים. החוג לכימיה, אוניברסיטת ייל.
7. קלמנט פו. (sf). ציקלובוטנים בסינתזה אורגנית. התאושש מ: scripps.edu
8. מאיירס. (sf). סינתזה של ציקלובוטנים. כימ 115. התאושש מ: hwpi.harvard.edu