Рисунок 1.
Циклобутан представляет собой циклоалкан с формулой $(CH_2)_4$. Циклобутан является бесцветным газом, коммерчески доступный сжиженном виде. Производные циклобутана называются цыклобутаны. Сам циклобутаноне имеет коммерческого или биологического значения, но более сложные его тпроизводные играют важную роль в биологии и биотехнологии.
Рисунок 2.
Конформация циклобутана
Углы связей между атомами углерода значительно напряженны и как таковые имеют более низкие энергии связи, чем линейные или ненапряженные углеводороы, например, бутана или циклогексана. Таким образом, циклобутан неустойчива выше примерно 500$^\circ$C.
Четыре атома углерода в циклобутане находятся не в одной плоскости, т.е. не образуют типичную циклическую систему, а как правило принимает складчатую или "сморщенную" конформацию. Один из атомов углерода составляет угол 25$^\circ$ с плоскостью, образованной тремя другими атомами углерода. Таким образом, некоторые из затемненных взаимодействий снижаются. Такая конформация также известна как "бабочка". Эквивалентные сморщенные конформации переходят одна в другую:
Рисунок 3.
Объяснение строения циклобутана
Общая энергия напряжения циклобутана близка к энергии напряжения циклопропана, хотя угловое напряжение имеет в циклобутане меньший вклад, поскольку даже в плоской конформации циклобутана валентный угол был бы 90$^\circ$. Но в гипотетической плоской структуре циклобутана должно находится восемь пар заслоненных $C-H$ связей, что соответственно дает 8 ккал/моль (1 ккал/моль за каждую такую связь) энергии торсионного напряжения. Поэтому циклобутан и многие его производные существуют в не плоской, а в складчатых конформациях, в которых одна метиленовая группа отклонена на 25$^\circ$ от плоскости, в которой находятся три другие атомы углерода:
Рисунок 4.
При этом атомы водорода оказываются уже не в заслоненном, а в несколько скошенном положении, что отчетливо видно на проекции Ньюмена:
Рисунок 5.
Складчатая форма циклобутана является гибкой и легко превращается в другую складчатую форму через плоскую квадратную форму:
Рисунок 6.
Замена одной метиленовой группы циклобутана на атом кислорода приводит к оксетану.
Рисунок 7.
В оксетане исчезают четыре заслоненных $C-H$ взаимодействия и молекула становится плоской.
Циклобутан в биологии и биотехнологии
Пентациклоанаммоксиевая кислота и ладдераны.
Несмотря на присущие деформации циклобутановой структуры она все же встречается в природе. Одним из примеров является необычная пентациклоанаммоксиевая кислота, который представляет собой ладдеран состоящий из 5 объединенных циклобутановых единиц.
Рисунок 8.Это соединение обнаружено в бактериях в процессе выполнения процесса анаэробного окисления аммония, где оно образуется в клеточных оболочках, и как полагают, имеет защищитную функцию от токсического действия гидроксиламина и гидразина, участвующих в производстве азота и воды из нитрит ионов и аммиака. Некоторые родственные этой кислоте фенестраны также встречаются в природе.
Рисунок 9.Циклобутановые фотодимеры образуются в результате фотохимических реакций, которые приводят к связью двойных $C = C$ связей пиримидинов. Димеры тимина (Т-Т димеры), которые образуются между двумя тиминами являются наиболее распространенными из фотодимерами. Такие фотодимеры легко вступают в процес нуклеотидной эксцизионной репарации ферментов. У большинства организмов они также могут быть восстановлены с помощью фотолиазиса.
Рисунок 10.Карбоплатин (платины (II) циклобутан-1,1-дикарбоксилато)диамин) - производное от циклобутан-1,1-дикарбоновой кислоты, является популярным противоопухолевым лекарством.
Рисунок 11.
