Ciclobutano: analisi conformazionale, reazioni

Il ciclobutano è un cicloalcano che presenta quattro atomi di carbonio ed ha quindi formula C₄H₈.
L’anello del ciclobutano si trova in diversi prodotti naturali con interessanti proprietà biologiche e in composti farmaceutici. L’unità ciclobutano si trova come elemento strutturale di base in un’ampia gamma di composti presenti in natura in batteri, funghi, piante e invertebrati marini.
Prodotti naturali complessi contenenti unità di ciclobutano sono i terpenoidi, gli alcaloidi e gli steroidi

Proprietà

È un gas incolore, infiammabile ed esplosivo. È scarsamente solubile in acqua ma è solubile in etanolo, etere etilico e acetone. Quando è riscaldato fino alla decomposizione emette fumo e fumi acri.  Gli anelli del ciclobutano, sebbene relativamente rari, si trovano tuttavia nei prodotti naturali, la maggior parte dei quali si trovano nelle specie vegetali e marine.

Analisi conformazionale del ciclobutano

Nel ciclobutano gli atomi di carbonio sono ibridati sp³ che prevede un angolo di legame di 109.5°. Tuttavia,  da un punto di vista geometrico vi è una deviazione da questo valore in quanto la struttura planare comporta un angolo di 90°. Si verifica, pertanto, una tensione d’anello.

Come per tutti i cicloalcani, ad eccezione del ciclopropano che, essendo costituito da tre atomi di carbonio deve avere necessariamente una struttura planare, si ha una deviazione dalla planarità. In una conformazione planare si avrebbe una elevata tensione torsionale a causa degli otto atomi di idrogeno che si troverebbero eclissati.

Si ha quindi un piegamento dell’anello in cui un atomo di carbonio si allontana dal piano di circa 25°. Questa torsione non produce una disposizione completamente sfalsata degli atomi di idrogeno perché la diminuzione dell’energia di deformazione torsionale è bilanciata da un certo aumento della deformazione dell’angolo di legame. Il ciclobutano subisce un’inversione dell’anello che coinvolge un intermedio planare e assomiglia al movimento delle ali di una farfalla.

Si stima che la barriera di inversione dell’anello  sia di 1,45 kcal/mol. Le caratteristiche importanti dell’anello del ciclobutano includono la sua struttura unica a pieghe, lunghezze di legame C−C più lunghe, un carattere π C−C aumentato e relativa inerzia chimica per un cicloalcano altamente in tensione.

Sintesi

Il ciclobutano può essere ottenuto facendo reagire l’1,4-dibromobutano in presenza di magnesio e zinco.

Si può ottenere dalla reazione dell’estere sodio-malonico con l’1,2-dibromoetano. I derivati che presentano un’impalcatura di ciclobutano come nucleo o come parte del nucleo spirociclico o ciclico fuso sono presenti in natura e grazie alle loro proprietà in campo medico vengono sintetizzati utilizzando reazioni convenzionali, come la cicloaddizione [2+2], la ciclizzazione radicalica  e molte reazioni di riarrangiamento 1,2 tra cui il riarrangiamento di Wolff e il riarrangiamento di pinacolico.

La cicloaddizione [2+2] di recente sviluppo basata sulla fotocatalisi , l’organocatalisi e la catalisi acida  ha consentito la preparazione diretta di ciclobutani asimmetrici tramiteetero-accoppiamento di due diversi alcheni .

Reazioni

Reagisce con il bromo per dare il bromociclobutano:
(CH₂)₄ + Br₂ → C₄H₇Br + HBr

Ad una temperatura tra 430 e 480°C si decompone in etene:
(CH₂)₄ → 2 C₂H₄

Stante l’elevata tensione dell’anello che provoca una certa instabilità dà reazioni di apertura dell’anello come si verifica nell’idrogenazione catalitica.
(CH₂)₄ + H₂ → CH₃CH₂CH₂CH₃

La reazione che avviene in presenza di nichel quale catalizzatore porta alla formazione di n-butano

Usi

L’alto livello di reattività rende questo composto un intermedio ideale perché il rilascio della tensione dell’anello può fornire l’energia per le sintesi chimiche.

I suoi derivati sono presenti in molti farmaci come il carboplatino utilizzato per il trattamento di diversi tipi di cancro
I derivati ​​ hanno trovato inoltre importanti applicazioni per la produzione di polimeri e nella chimica supramolecolare.

Chimicamo la chimica online perché tutto è chimica