TL;DR Planas de la estructura es, sin duda posible, y más en estado sólido como una diferencia estadísticamente promedio de la geometría en el espacio y el tiempo (en estado gaseoso anillo es doblado por $35^\circ$). Ciclobutano puede ser aproximadamente atribuido con $\mathrm{sp^4}$/$\mathrm{sp^5}$ la hibridación y la tensión causada por el incumplimiento de la servidumbre $\ce{H...H}$ repulsión ("eclipsando") puede reducirse al mínimo mediante la introducción de sustituyentes del anillo:
- substituing $\ce{H}$ $\ce{OH}$ (octahydroxycyclobutane, planar);
- substituing $\ce{C}$ $\ce{O}$ (oxetane, ángulo diedro $10^\circ$).
De un solo cristal estudios de difracción de octahydroxycyclobutane, una $\ce{OH}$-sustituido derivados, a finales de la década de 1960 mostró que la celda unidad de la simetría implica un plano del anillo; además de que ha sido apoyado por la posible H-bonos de formación [1]. Una hipótesis que estadísticamente desordenada no plana anillo puede existir ha sido rechazada como él poseía el peor acuerdo con los datos experimentales.
![enter image description here]()
20 años más tarde de la estructura cristalina de ciclobutano a baja temperatura ($\pu{117 K}$) también ha sido dilucidado [2]. A partir de [2] y las referencias allí contenidas:
La fase gaseosa en equilibrio de conformación, como se deriva de la difracción de electrones y de experimentos espectroscópicos, es no plana con un ángulo diedro de unos $35^\circ$ y una inversión de la barrera de sólo $\pu{6 kJ mol^-1}$. El fruncimiento de la molécula se observa en Raman-espectros, y la correspondiente banda de absorción
todavía está presente en el sólido en $\pu{113 K}$. Cálculos teóricos utilizando ab initio métodos también resultar en una conformación doblada como el energético mínimo.
Como sería de esperar de la poca profundidad del potencial del anillo de la inversión, hay varios plana y doblada derivados, y no parece posible predecir la conformación del anillo de la sustitución de patrón.
En contraste con octahydroxycyclobutane, estadísticamente desordenada modelo fue considerado más fiable. Aunque ninguna en particular cerca de $\ce{H-H}$ contactos se observó un promedio de anillo se considera plana:
![enter image description here]()
Lo que es más importante, el mapa de densidad de electrones sugiere más bien el aumento de $\mathrm{p}$-personaje en la hibridación (como $\mathrm{sp^5}$ en el caso de ciclopropano) con mayor $\pi$-carácter de $\ce{C-C}$ bonos en comparación con la que se espera que se espera para los alcanos:
El residual de la densidad de electrones muestra significativa de los máximos en las posiciones entre los átomos de carbono. Estos máximos son desplazadas tangencialmente por $\pu{0.10(3) A}$ a la parte exterior de la $\ce{C-C}$ bonos de vectores en el tiempo y en el espacio de un promedio de molécula, lo que indica un "plátano de bonos" tipo de electrónica de acuerdo que con frecuencia se encuentra en muy tensa pequeños sistemas de anillos. En ciclopropano la unión covalente máximos son desplazados por $\pu{0.2 A}$ de la $\ce{C-C}$
vectores de carbono triángulo. Ya en ciclobutano se reduce el anillo de tensión de nuestra observación está en buen acuerdo con el ciclopropano resultados.
Esto puede ser considerado como una confirmación experimental de las predicciones anteriores de hibridación de ciclobutano ($\psi(\ce{C-C}) = \mathrm{sp^{4.28}}$, $\psi(\ce{C-H}) = \mathrm{sp^{2.19}}$) [3]:
La diferencia entre los bonos de la superposición de los planos y no planos de los modelos es muy pequeña. [...] Esto indica claramente que otras interacciones (incluso si es pequeño), debe ser dominante en la causa de la no-planaridad de la molécula. No de la servidumbre de la repulsión hacer una contribución dominante en la determinación de conformaciones en acíclicos y grandes sistemas cíclicos (e. g. etano, ciclohexano), y están a favor de la escalonada de los arreglos de $\ce{CH}$-bonos. En un plano modelo de ciclobutano todos los átomos de hidrógeno están en eclipsado posiciones, esto es una causa de tensión adicional y es energéticamente menos favorable. Un alivio, se obtiene doblando el esqueleto de la molécula, ya que el $\ce{CH}$ bonos son luego acercarse a una conformación escalonada.
Ciclobutano, así como ciclopropano, es una tensa ciclo con la inclinación a la "banana" bonos con carácter intermedio entre el$\sigma$$\pi$, lo que permite imitar el comportamiento de doble enlace de los compuestos, tales como decoloración de agua de bromo [4, p. 195], aunque los protones en el ciclobutano son menos ácidas que en ciclopropano:
Cuatro miembros de los anillos también presentan ángulo de la cepa, pero mucho menos que tres miembros de los anillos, y por esa razón son más difíciles de abrir. Ciclobutano es más resistente que el ciclopropano a bromación, y aunque puede ser hidrogenados para butano, más extenuantes condiciones.
Bibliografía
- Bock, C. M. J. Am. Chem. Soc. 1968, 90 (11), 2748-2751. DOI 10.1021/ja01013a002.
- Stein, A.; Lehmann, C. W.; Luger, P. J. Am. Chem. Soc. 1992, 114 (20), 7684-7687. DOI 10.1021/ja00046a012.
- Maksić, Z.; Klasinc, L.; Randić, M. Química Teórica Cuentas: Teoría, Cálculo y Modelado (Theoretica Chimica Acta) de 1966, 4 (3), 273-286.
- Smith, M. de Marzo de avanzada química orgánica: reacciones, mecanismos y estructura, 7ª ed.; Wiley: Hoboken, Nueva Jersey, 2013.
