Cubano

Disambiguazione – Se stai cercando altri significati, vedi Cubano (disambigua).

Cubano
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	277-10-1
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
Modifica dati su Wikidata · Manuale

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 O_h.^[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]

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]

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, ΔH_ƒ° = +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 monociclico 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]).

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:^[29]

L'ottafenilcubano (C₈Ph₈) è stato sintetizzato a partire dal complesso del tetrafenilciclobutadiene con il bromuro di nichel nel 1962, prima del cubano stesso. È un solido incolore molto poco solubile, che fonde a 425-427 °C.^[30][31][32]

Dell'ottametilcubano (C₈Me₈) è stata valutata computazionalmente la stabilità, trovando che la sua emivita a temperatura ambiente è dell'ordine di 10⁹ s (≈ 31,7 anni).^[33]

L'ottanitrocubano (C₈(NO₂)₈) è stato sintetizzato nel 1999^[34] dallo stesso Philip Eaton che aveva sintetizzato per primo il cubano nel 1964, ed è risultato essere uno degli esplosivi di ultima generazione,^[35] che ha una velocità di esplosione di circa 10.000 m/s.^[36] 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,^[37] per applicazioni ottiche^[38] e nelle nanotecnologie.^[39][40]

Più recentemente, nel 2022, è stato sintetizzato l'ottafluorocubano (C₈F₈), che è stato a lungo un composto di interesse teorico.^[41] A temperatura ambiente è un solido incolore sublimabile. È risultato interessante trovare che esso mostra una affinità elettronica relativamente elevata, che permette la formazione del suo anione radicalico C₈F₈^•−, per il quale i calcoli teorici predicono che l'elettrone sia intrappolato all'interno dello scheletro cubico.^[42]

È stato sintetizzato il dicubile o cubilcubano (C₈H₇)₂, come pure alcuni oligocubani; nel dicubile si trova, da un'analisi diffrattometrica X, che il legame esociclico tra i due scheletri cubici è estremamente corto (148,8 pm) per essere un legame singolo C−C e molto più corto dei legami C−C entro il cubano stesso (157,2 pm);^[41] questo risulta riconciliabile considerando che gli orbitali ibridi con cui i due C in questione si legano devono avere un carattere s aumentato, abbastanza superiore al 25% teorico per l'ibridazione sp³, dato che gli altri tre loro legami hanno angoli reciproci di ≈ 90°, quindi con carattere s minore del 25%, stante che il carattere s complessivo deve rimanere tale.^[43]

È stato sintetizzato anche un derivato insaturo, il cubene C₈H₆, in cui uno degli 8 legami C-C è doppio che, per la pesante piramidalizzazione dei due carboni interessati, è risultato essere parecchio instabile e estremamente reattivo.^[44]

• (EN) H. Hopf, Classics in Hydrocarbon Chemistry: Syntheses, Concepts, Perspectives, Wiley, 2000, ISBN 978-3-527-29606-4.
• (EN) J. Law, A Dictionary of Science, Oxford University Press, 2017, ISBN 978-0-19-106919-2.

• Idrocarburo platonico
• Ottafluorocubano
• Ottanitrocubano
• Tetraedrano
• Dodecaedrano
• Ciclobutano
• Ciclottatetraene

• Wikimedia Commons contiene immagini o altri file su cubano

Portale Chimica: il portale della scienza della composizione, delle proprietà e delle trasformazioni della materia