Cubano
Disambiguazione – Se stai cercando altri significati, vedi Cubano (disambigua).| Cubano | |
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| Nome IUPAC | |
| Pentaciclo[4.2.0.02,5.03,8.04,7]ottano | |
| Nomi alternativi | |
| [4]Prismano | |
| Caratteristiche generali | |
| Formula bruta o molecolare | C8H8 |
| Massa molecolare (u) | 104,15 |
| Aspetto | solido cristallino incolore |
| Numero CAS | |
| PubChem | 136090 |
| SMILES | C12C3C4C1C5C2C3C45 |
| Proprietà chimico-fisiche | |
| Densità (g/cm3, in c.s.) | 1,29 |
| Temperatura di fusione | 133,5 °C (406,7 K) |
| Temperatura di ebollizione | 161,5 °C (a 200 °C si decompone) |
| Proprietà termochimiche | |
| ΔfH0 (kJ·mol−1) | 144 kcal/mol (602 kJ/mol) |
| Indicazioni di sicurezza | |
Il cubano è un idrocarburo pentaciclico alifatico avente formula C8H8 o (CH)8.[1] Deve il suo nome al fatto che gli 8 atomi dello scheletro di carbonio sono disposti ai vertici di un cubo. In quanto tale, fa parte degli idrocarburi platonici,[2][3] insieme al tetraedrano (finora non noto, ma se ne conoscono alcuni derivati) e al dodecaedrano. È il più semplice idrocarburo con simmetria ottaedrica, gruppo puntuale Oh.[4]
Prima della sua sintesi, realizzata ad opera di P. Eaton e T. Cole nel 1964,[5] Eaton credette che il cubano non avrebbe potuto essere ottenuto a causa della necessaria presenza di angoli di legame di 90° che avrebbero comportato grande tensione angolare nella molecola.[6]
Il cubano rappresenta anche un caso particolare degli [n]prismani, il [4]prismano, omologo superiore del [3]prismano (ossia, il benzene di Ladenburg).[7][8]
Struttura
[modifica | modifica wikitesto]Nello scheletro della molecola del cubano (come pure in quelli dei suoi derivati) 3 dei 4 angoli di legame di ogni atomo di carbonio sono necessariamente di 90°, valore molto distante da quello dell'angolo tetraedrico (109,5°), che è quello naturale per l'ibridazione sp3. Inoltre, ognuno degli 8 idrogeni, situati sui prolungamenti delle diagonali del cubo, è eclissato. La tensione d'anello che ne risulta, somma delle tensioni angolare e torsionale (o di eclissamento), è di entità veramente notevole: è stata valutata in 154,7 kcal/mol (19,3 kcal/mol per ogni unità CH); quella del ciclobutano, per confronto, ammonta a 26,5 kcal/mol (6,62 kcal/mol per ogni unità CH2, cioè solo un terzo, circa), mentre quella del tetraedrano è stimata in 140 kcal/mol (35 kcal/mol per ogni unità CH).[9]
Tramite indagini di diffrazione elettronica[10] in fase gassosa si è visto che i legami C−C sono lunghi 157,27 ± 0,19 pm, più del valore normale di 154 pm,[11] ma maggiore anche di quelli nel ciclobutano (155,1 pm); anche i legami C−H (111,8 ± 0,8 pm) sono più lunghi rispetto a quelli del ciclobutano (109 pm).[12][13][14]
Proprietà
[modifica | modifica wikitesto]A temperatura e pressione ambiente il cubano è un solido cristallino polimorfico,[15] incolore, ed eccezionalmente denso, per essere un idrocarburo (1,29 g/cm³);[16] è solubile in esano ed altri solventi idrocarburici.[17] Il solido fonde a 133,5 °C e bolle a 161,6 °C.[18] L'alta densità implica anche alta densità di energia sviluppata nella sua combustione rispetto ad altri idrocarburi.[19]
Con la sua tensione d'anello, non sorprende che il cubano sia un idrocarburo fortemente endotermico, ΔHƒ° = +542 ± 3 kJ/mol,[20] quindi termodinamicamente molto instabile, anche se mostra una notevole stabilità cinetica. Infatti, nonostante la molecola sia così fortemente in tensione, il cubano appare insolitamente stabile termicamente: si decompone solo a partire da circa 200 °C, ben oltre la temperatura di ebollizione, dando principalmente l'isomero cicloottatetraene.
Questo è dovuto al fatto che anche l'energia di attivazione per l'isomerizzazione è relativamente alta, 180,5 kJ/mol.[21][22] Il cubano risulta relativamente stabile anche alla luce, all'aria e all'acqua,[23] per cui è maneggiabile in laboratorio chimico sotto cappa aspirante senza ulteriori particolari limitazioni, tranne ovviamente quelle relative alla sicurezza.
Trattato con catalizzatori a base di Ag(I) o Pd(II) si isomerizza a cuneano.[24][25] Con catalizzatore a base di Rh(I) si trasforma inizialmente in sin-tricicloottadiene[26][27] il quale, se scaldato a 50 - 60 °C, si converte poi a ciclottatetraene.[28]
A causa del surplus di energia nella molecola, il cubano e suoi derivati trovano occasionalmente applicazioni come additivi per carburanti o esplosivi ad elevata densità[19] (per il cubano il calore di combustione ammonta a ben 4.833,27 kJ/mol[20]). Uno degli esplosivi di ultima generazione è l'ottanitrocubano[29] ed ha una velocità di esplosione di circa 10.000 m/s.[30]
In connessione alla stabilità della sua struttura a temperatura ambiente e della relativa bassa tossicità, alcuni suoi derivati sono anche oggetto di ricerca in medicina,[31] per applicazioni ottiche[32] e nelle nanotecnologie.[33][34]
Sintesi
[modifica | modifica wikitesto]Il cubano è un idrocarburo sintetico, la sua molecola è stata sintetizzata nel 1964 da Philip E. Eaton e Thomas W. Cole dell'Università di Chicago.[5] La sintesi include l'utilizzo di due riarrangiamenti di Favorskii. Fino ad allora si era pensato che l'esistenza di molecole del genere potesse essere solo teorica e che la loro sintesi fosse impossibile per via dell'instabilità indotta dal forzare atomi di carbonio sp3 (vedi: cicloalcani) a formare legami ad angolo retto. Una possibile sintesi del cubano è illustrata nello schema seguente:[35]
Note
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- ^ CCCBDB listing of experimental geometry data page 2, su cccbdb.nist.gov. URL consultato il 24 gennaio 2023.
- ^ a b (EN) Philip E. Eaton e Thomas W. Cole, Cubane, in Journal of the American Chemical Society, vol. 86, n. 15, 1964-08, pp. 3157–3158, DOI:10.1021/ja01069a041. URL consultato il 24 gennaio 2023.
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Bibliografia
[modifica | modifica wikitesto]- (EN) H. Hopf, Classics in Hydrocarbon Chemistry: Syntheses, Concepts, Perspectives, Wiley, 2000, ISBN 978-3-527-29606-4.
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Voci correlate
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