Cyclobutan

Struktur

Cyclobutan ist ein Cycloalkan mit vier C-Atomen und hat die Summenformel C₄H₈.

Cyclobutan als computergeneriertes Modell
Autor: Ulrich Helmich 01/2026, Lizenz: Public domain

Auf diesem Bild sehen wir die Struktur von Cyclobutan einmal in der Aufsicht (also von oben betrachtet) und einmal als Seitenansicht (Programm: Avogadro). Die Seitenansicht soll die sogenannte Segel-Konformation des Cyclobutan-Moleküls veranschaulichen.

Ringspannung

Die Ringspannung des Cyclobutans ist mit etwa 110 kJ/mol fast so hoch wie beim Cyclopropan (115 kJ/mol). Das überrascht zunächst, da die Winkel eigentlich entspannter sein sollten, bei einem regelmäßigen Viereck haben wir es immerhin mit 90-Grad-Winkeln zu tun, was schon gar nicht mehr so weit entfernt vom Tetraederwinkel 109,5 Grad des sp³-hybridisierten C-Atoms ist.

Wie bei allen Cycloalkanen setzt sich die Winkelspannung des Cyclobutans aus zwei Komponenten zusammen, der Baeyer-Spannung und der Pitzer-Spannung (Winkelspannung bzw. Torsionsspannung).

Konformation

Die Abbildung 1 zeigt die energieärmste Konformation des Cyclobutans, die sogenannte Segel-Konformation ^[5]. Im Englischen wird diese Konformation übrigens als puckered oder butterfly conformation bezeichnet.

"Umklappen" oder Ring-Inversion des Cyclobutan-Moleküls
Autor: Ulrich Helmich 01/2026, Lizenz: Public domain.

Auf diesem Bild sehen wir die planare Konformation des Cyclobutan-Moleküls mit acht axial positionieren H-Atomen. Die Abstoßungskräfte (Torsionskräfte) zwischen den Elektronenwolken der acht C-H-Bindungen sind mit roten Pfeilen dargestellt.

In der Segelboot-Konformation befinden sich nur noch vier H-Atome in axialer Position, und nur zwischen zwei Paaren dieser H-Atome bestehen Abstoßungskräfte. Das heißt, die Segel-Konformation ist energieärmer als die planare Konformation. Der genaue Wert der Energiebarriere liegt bei 6 kJ/mol ^[7].

Durch das Falten des planaren Ringes in die gewinkelte Segel-Konformation passieren zwei Dinge gleichzeitig:

1. Die H-Atome rücken aus der ekliptischen Position heraus und nehmen eine gestaffelte Position ein, wodurch die Torsionsspannung gesenkt wird (nur noch zwei statt acht Abstoßungs-Wirkungen).
2. Die Bindungswinkel im Ring verkleinern sich von 90º auf ca. 88º, was die Winkelspannung leicht erhöht.

Offensichtlich nimmt das Molekül die leicht verkleinerten Winkel in Kauf, weil die Torsionsspannung dadurch erheblich abnimmt.

Wegen der sehr geringen Energiebarriere zwischen diesen Konformationen kann man ein ständiges Hin- und Her zwischen den beiden Segel-Konformationen erkennen. Wegen dieses schnellen Umschlagens, das an das Schlagen eines Schmetterling-Flügels erinnert, wird die Segel-Konformation im Englischen auch als butterfly conformation bezeichnet.

Eigenschaften

Physikalische Eigenschaften

Siedepunkt: 12,5 ºC, Schmelzpunkt: -90,7 ºC, Dichte: 0,71 g/cm³. Wasserlöslichkeit: nur 0,156 g/l, Geruch: benzinartig (Daten aus der Wikipedia).

Chemische Eigenschaften

Allgemein zeigen Cycloalkane ein ähnliches chemisches Verhalten wie die offenkettigen Alkane. Ausnahmen bilden aber Cyclopropan und Cyclobutan, die wegen der hohen Ringspannung leicht Reaktionen eingehen, bei denen sich der Ring öffnet. Dabei ist Cyclopropan am reaktivsten, gefolgt von Cyclobutan.

Hydrierung

Bei höheren Temperaturen (ca. 180 ºC) und in Gegenwart von Nickel-Katalysatoren kann Cyclobutan hydriert werden. Das reaktivere Cyclopropan kann übrigens schon bei 80 ºC hydriert werden. Dabei kommt es in der Regel zur Ringöffnung, und es entsteht n-Butan.

Halogenierung

Cyclopropan und Cyclobutan können unter Einwirkung von Lichtenergie chloriert oder bei 300 ºC bromiert werden, ohne dass sich der Ring öffnet ^[4].

Ringöffnungen

Wegen der hohen Ringspannung kommt es bei manchen Reaktionen von Cyclopropan und Cyclobutan zur Ringöffnung, nicht nur bei der Hydrierung, sondern auch bei der Reaktion mit Chlor in Anwesenheit von FeCl₃ unter Bildung von 1,4-Dichlorbutan oder bei der Reaktion mit konz. Schwefelsäure zu Butan-1-ol ^[4]:

Ringöffnungsreaktionen des Cyclobutans
Autor: Ulrich Helmich 01/2026, Lizenz: Public domain

Formal handelt es sich bei diesen Ringöffnungs-Reaktionen um Additionen, aber nicht an eine C=C- oder C=O-Doppelbindung, sondern an ein durch die Ringspannung energetisch geladenes Cycloalkan.

Im Vergleich zu einer elektrophilen Addition an ein Alken verläuft die Addition an ein Cyclopropan oder Cyclobutan jedoch langsamer. Die Chlorierung beispielsweise läuft nur unter Anwesenheit eines Eisenchlorid-Katalysators ab. Diese Lewis-Säure polarisiert dann das Cl₂-Molekül, ähnlich wie bei der elektrophilen Substitution an Benzol oder Toluol ^[4].

Umgekehrt verläuft die Reaktion von Cyclopropan oder Cyclobutan mit konz. Schwefelsäure deutlich schneller als die Reaktion mit einem Alken ^[4].