CYCLOBUTANE: STRUCTURE, PROPRIÉTÉS, UTILISATIONS ET SYNTHÈSE - CHIMIE - 2024

Le cyclobutane est un hydrocarbure consistant en un cycloalcane quatre atomes de carbone, avec la formule moléculaire est C ₄ H ₈. Il peut également être appelé tétraméthylène, étant donné que ce sont quatre unités CH ₂ qui composent un anneau à géométrie carrée, bien que le nom cyclobutane soit plus accepté et connu.

À température ambiante, c'est un gaz incolore et inflammable qui brûle avec une flamme vive. Son utilisation la plus primitive est comme source de chaleur lors de la combustion; cependant, sa base structurelle (le carré) englobe des aspects biologiques et chimiques profonds et contribue d'une certaine manière aux propriétés de ces composés.

Molécule de cyclobutane dans une conformation contrainte. Source: Jynto.

L'image du haut montre une molécule de cyclobutane avec une structure carrée. Dans la section suivante, nous expliquerons pourquoi cette conformation est instable, puisque ses liens sont étroits.

Après le cyclopropane, c'est le cycloalcane le plus instable, car plus le cycle est petit, plus il sera réactif. En conséquence, le cyclobutane est plus instable que les cycles du pentane et de l'hexane. Cependant, il est curieux de voir dans ses dérivés un noyau ou cœur carré, qui, comme on le verra, est dynamique.

Structure du cyclobutane

Dans la première image, la structure du cyclobutane a été abordée comme un simple carré carbonisé et hydrogéné. Cependant, dans ce carré parfait, les orbitales subissent une torsion sévère par rapport à leurs angles d'origine: elles sont séparées d'un angle de 90 ° contre 109,5 ° pour un atome de carbone avec hybridation sp ³ (tension angulaire).

Les atomes de carbone Sp ³ sont tétraédriques, et pour certains tétraèdres, il serait difficile de fléchir autant leurs orbitales pour créer un angle de 90 °; mais il en serait encore plus pour les carbones avec des hybridations sp ² (120 °) et sp (180 °) de dévier leurs angles d'origine. Pour cette raison, le cyclobutane a essentiellement ³ atomes de carbone.

De plus, les atomes d'hydrogène sont très proches les uns des autres, éclipsés dans l'espace. Il en résulte une augmentation de l'encombrement stérique, ce qui affaiblit le carré supposé en raison de sa forte contrainte de torsion.

Par conséquent, les contraintes angulaires et de torsion (encapsulées dans le terme «contrainte annulaire») rendent cette conformation instable dans des conditions normales.

La molécule de cyclobutane cherchera à réduire les deux contraintes, et pour y parvenir, elle adopte ce que l'on appelle la conformation papillon ou plissé (en anglais, plissé).

Papillons ou conformations ridées

Conformations du cyclobutane. Source: Smokefoot.

Les vraies conformations du cyclobutane sont indiquées ci-dessus. En eux, les contraintes angulaires et de torsion diminuent; puisque, comme on peut le voir, maintenant tous les atomes d'hydrogène ne sont pas éclipsés. Cependant, il y a un coût énergétique: l'angle de ses liaisons est aiguisé, c'est-à-dire qu'il passe de 90 à 88 °.

Notez qu'il peut être comparé à un papillon, dont les ailes triangulaires sont constituées de trois atomes de carbone; et le quatrième, positionné à un angle de 25 ° par rapport à chaque aile. Les flèches bidirectionnelles indiquent qu'il existe un équilibre entre les deux conformères. C'est comme si le papillon descendait et remontait ses ailes.

Dans les dérivés de cyclobutane, par contre, on s'attend à ce que ce battement soit beaucoup plus lent et gêné dans l'espace.

Interactions intermoléculaires

Supposons que vous oubliez les carrés pendant un moment, et qu'ils soient remplacés par des papillons gazéifiés à la place. Ceux-ci dans leur aile ne peuvent être maintenus ensemble dans le liquide que par les forces de dispersion de Londres, qui sont proportionnelles à la surface de leurs ailes et à leur masse moléculaire.

Propriétés

Apparence physique

Gaz incolore.

Masse moléculaire

56,107 g / mol.

Point d'ébullition

12,6 ° C Par conséquent, dans des conditions froides, il pourrait être manipulé en principe comme n'importe quel liquide; avec le seul détail, qu'il serait très volatil, et ses vapeurs représenteraient encore un risque à prendre en compte.

Point de fusion

-91 ° C

point d'allumage

50ºC dans un verre fermé.

Solubilité

Insoluble dans l'eau, ce qui n'est pas surprenant compte tenu de son caractère non polaire; mais, il est légèrement soluble dans les alcools, l'éther et l'acétone, qui sont des solvants moins polaires. On s'attend à ce qu'il soit soluble (bien que non signalé) logiquement dans les solvants non polaires tels que le tétrachlorure de carbone, le benzène, le xylène, etc.

Densité

0,7125 à 5 ° C (par rapport à 1 de l'eau).

Densité de vapeur

1,93 (par rapport à 1 de l'air). Cela signifie qu'il est plus dense que l'air, et par conséquent, à moins qu'il n'y ait de courants, sa tendance ne sera pas de monter.

La pression de vapeur

1180 mmHg à 25 ° C

Indice de réfraction

1,3625 à 290 ° C

Enthalpie de combustion

-655,9 kJ / mol.

Chaleur de formation

6,6 Kcal / mol à 25 ° C

Synthèse

Le cyclobutane est synthétisé par hydrogénation du cyclobutadiène, dont la structure est presque la même, à la seule différence qu'il a une double liaison; et donc il est encore plus réactif. C'est peut-être la voie synthétique la plus simple pour l'obtenir, ou du moins seulement vers elle et non vers un dérivé.

L'obtenir dans du pétrole brut est peu probable car il finirait par réagir de manière à rompre l'anneau et à former la chaîne linéaire, c'est-à-dire le n-butane.

Une autre méthode pour obtenir le cyclobutane consiste à frapper un rayonnement ultraviolet sur les molécules d'éthylène, CH ₂ = CH ₂, qui se dimérisent. Cette réaction est favorisée photochimiquement, mais pas thermodynamiquement:

Synthèse du cyclobutane par rayonnement ultraviolet. Source: Gabriel Bolívar.

L'image ci-dessus résume très bien ce qui a été dit dans le paragraphe ci-dessus. Si, au lieu de l'éthylène, on avait, par exemple, deux alcènes quelconques, un cyclobutane substitué serait obtenu; ou ce qui est pareil, un dérivé du cyclobutane. En fait, de nombreux dérivés aux structures intéressantes ont été synthétisés par cette méthode.

D'autres dérivés, cependant, impliquent une série d'étapes de synthèse compliquées. Par conséquent, les cyclobutanes (comme leurs dérivés sont appelés) font l'objet d'études pour les synthèses organiques.

Applications

Le cyclobutane seul n'a d'autre utilité que de servir de source de chaleur; mais ses dérivés entrent dans des domaines complexes de la synthèse organique, avec des applications en pharmacologie, biotechnologie et médecine. Sans se plonger dans des structures trop complexes, les pénitrèmes et le grandisol sont des exemples de cyclobutanes.

Les cyclobutanes ont généralement des propriétés bénéfiques pour le métabolisme des bactéries, des plantes, des invertébrés marins et des champignons. Ils sont biologiquement actifs, c'est pourquoi leurs usages sont très variés et difficiles à préciser, car chacun a son effet particulier sur certains organismes.

Grandisol - un exemple d'un dérivé de cyclobutane. Source: Jynto.

Grandisol, par exemple, est une phéromone du charançon (un type de coléoptère). Ci-dessus, et enfin, sa structure est représentée, considérée comme un monoterpène à base carrée de cyclobutane.

Références

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