环丁基甲酸
[CAS 3721-95-7]

基本信息

• 产品分类: 有机原料 >> 羧酸类化合物及衍生物
• 产品名称: 环丁基甲酸
• 英文名: Cyclobutanecarboxylic acid
• 分子式: C₅H₈O₂
• 分子量: 100.12
• CAS 登录号: 3721-95-7
• EC 号码: 223-072-7
• 分子行输入简码SMILES: C1CC(C1)C(=O)O

物理化学性质

• 密度: 1.2±0.1 g/cm³ 计算值^*, 1.047 g/mL (实验值)
• 熔点: -7.5 °C (实验值)
• 沸点: 195.3±8.0 °C 760 mmHg (计算值)^*, 195 °C (实验值)
• 闪点: 83.9 °C (计算值)^*, 83 °C (实验值)
• 折射率: 1.502 (计算值)^*, 1.444 (实验值)

^* 使用计算机软件 Advanced Chemistry Development (ACD/Labs) Software.

安全数据

• 危险品标志: GHS05;GHS07 危险
• 危害标签: H302-H312-H314-H318-H332
• 防护标签: P260-P261-P264-P264+P265-P270-P271-P280-P301+P317-P301+P330+P331-P302+P352-P302+P361+P354-P304+P340-P305+P354+P338-P316-P317-P321-P330-P362+P364-P363-P405-P501

危害分类

危害	分类	类别码	危害标签
皮肤腐蚀	Skin Corr.	1B	H314
急性毒性	Acute Tox.	4	H332
急性毒性	Acute Tox.	4	H312
急性毒性	Acute Tox.	4	H302
严重眼损伤	Eye Dam.	1	H318
特定目标器官毒性—单次接触	STOT SE	3	H335
对金属有腐蚀作用的物质或混合物	Met. Corr.	1	H290
皮肤腐蚀	Skin Corr.	1C	H314
眼刺激	Eye Irrit.	2	H319
皮肤刺激	Skin Irrit.	2	H315
对水生环境长期有害	Aquatic Chronic	4	H413

chemBlink 化学品故事

环丁烷甲酸（CAS 3721-95-7）是一种小分子环状羧酸，主要作为有机合成和药物化学中的结构单元使用。其分子式为 C₅H₈O₂，分子量为 100.12。从结构上看，它由一个四元环丁烷连接一个羧基组成。这个简单的组合把两种很有价值的性质集中在同一个分子中：环丁烷提供紧凑而受到构象限制的碳骨架，羧基则提供一个可以进行多种化学转化的反应位置。

环丁烷在小环化学中占有很有意思的位置。环丙烷把三个碳原子限制在接近 60° 的三角形中，因此具有很大的角张力。如果仅仅增加一个碳原子形成环丁烷，环张力并不会消失。假如四个碳原子排列成完全平面的正方形，碳-碳-碳键角大约只有 90°，仍然明显小于四面体碳原子通常偏好的约 109.5°。

环丁烷采用了一种巧妙的方式缓解这个问题：四个碳原子通常并不保持在同一个平面上，而是形成轻微折叠的构象。这样的折叠可以减少相邻碳氢键之间不利的重叠作用。虽然它不能消除四元环固有的角张力，却能够降低分子的总能量。

因此，环丁烷处在一种很有价值的平衡状态。它比普通的大环烷烃具有明显更高的环张力，但又足够稳定，可以被分离、储存和进行各种化学反应，并能够完整地进入更加复杂的分子。这种“有张力但仍稳定”的特点，使四元环既成为研究分子结构的重要对象，也成为实用的合成工具。

在环丁烷甲酸中，羧基是最主要的合成反应位置。和其他羧酸一样，它可以转化成酯、酰胺、酰氯以及多种其他衍生物，也可以通过还原改变氧化状态。现代脱羧和偶联反应还可以利用羧基进一步形成新的碳碳键或者碳杂原子键。

因此，化学家可以把环丁烷甲酸看成一个已经预先做好四元环的合成原料。与其在复杂合成的后期再设法建立一个具有张力的四元碳环，不如从已经含有环丁烷的分子开始，再通过羧基把这个小环连接到目标分子的其他部分。

这种思路在现代药物化学中尤其重要。过去的药物分子中经常含有大量平面的芳香环，因为芳香化合物容易合成，也很容易进一步改变取代基。近年来，药物设计越来越重视饱和的三维结构，希望通过增加分子的空间特征，减少对大量平面芳香环的依赖。

小环在这方面具有特殊优势。一个环丁烷可以把几个碳原子紧凑地限制在很小的空间中，同时减少碳链自由旋转。把一个取代基连接在环丁烷上，所得到的空间排列与一条可以自由转动的直链丁基明显不同。

这种差别并不仅仅体现在结构式的外观上。分子的构象会影响各种官能团怎样面对生物靶点。限制分子柔性有可能改变结合能力、选择性、脂溶性、溶解性以及代谢稳定性。具体效果取决于完整分子的结构，但这些可能性正是现代药物研究经常考察小环结构的原因。

环丁烷甲酸还有一个非常实际的优势：羧基很容易形成酰胺键。酰胺形成是药物化学中最常使用的反应之一。把环丁烷甲酸与不同的胺进行缩合，可以方便地制备一系列环丁烷甲酰胺衍生物。四元环保持不变，而与酰胺氮连接的分子部分则可以系统改变。

环丁烷本身还可以进一步带有其他取代基。当不同基团连接在四元环的不同位置时，可以形成顺式和反式等不同空间关系。这样，一个很小的四元环就不仅仅是疏水性的连接片段，还可以成为安排多个取代基空间方向的小型三维平台。

另一方面，环张力也赋予四元环不同于普通开链化合物的反应性。在适当条件下，化学家可以利用储存在环中的能量促进开环、扩环或者骨架重排。因此，在一种合成路线中，环丁烷可能被完整保存；而在另一种路线中，它的环张力又可能被有意利用来推动结构变化。

这种双重性质正是小环化学的重要价值之一。当目标分子需要四元环时，它可以作为相当稳定的结构单元存在；当合成需要改变碳骨架时，环中储存的张力又可以成为反应的推动因素。

环丁烷甲酸在普通实验室条件下是一种液体。参考资料报道其沸点约为 195 °C，熔点约为 -7.5 °C，商业产品通常描述为无色至淡黄色透明液体。这些相当普通的物理性质，与分子内部那个几何结构特殊、具有明显张力的四元碳环形成了有趣的对比。

环丁烷甲酸因此说明了一个重要的分子结构原则：从三元环增加一个碳原子变成四元环，并不仅仅意味着“环变大了一点”。分子的几何结构、构象、环张力以及取代基在三维空间中的排列都会随之发生明显变化。

对于有机合成和药物化学来说，这个分子把特殊的四元环几何结构与羧酸这一最常用的官能团之一结合在一起。环丁烷负责提供形状，羧基负责提供连接其他分子的能力。只有五个碳原子的简单分子，因此可以成为构建许多更加复杂结构的实用起点。

References

1. NIST Chemistry WebBook. Cyclobutylcarboxylic acid, CAS 3721-95-7.
https://webbook.nist.gov/cgi/cbook.cgi?ID=C3721957

2. PubChem. Cyclobutanecarboxylic acid, CID 19494.
https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/Cyclobutanecarboxylic-acid

3. Wiberg, K. B. Studies of strain energies, structures, and bonding in small-ring cycloalkanes.

4. Liebman, J. F.; Greenberg, A. (eds.). Molecular Structure and Strain.

5. Lovering, F.; Bikker, J.; Humblet, C. (2009). "Escape from Flatland: Increasing Saturation as an Approach to Improving Clinical Success." Journal of Medicinal Chemistry, 52, 6752-6756.