CYKLOHEKSAN: BUDOWA, ZASTOSOWANIA, KONFORMACJE - CHEMIA - 2025

Cykloheksan jest stosunkowo stabilny cykloalkan, o wzorze cząsteczkowym C ₆ H ₁₂ . Jest to bezbarwna, łatwopalna ciecz o łagodnym zapachu rozpuszczalnika, ale może przenikać w obecności zanieczyszczeń.

Ma gęstość od 0,779 g / cm ³ ; wrze w 80,7 ° C; i zamrożono w 6,4 ° C. Uważa się, że jest nierozpuszczalny w wodzie, ponieważ jego rozpuszczalność może wynosić zaledwie 50 ppm (w przybliżeniu) w temperaturze pokojowej. Jednak łatwo miesza się z alkoholem, eterem, chloroformem, benzenem i acetonem.

Model 3D cząsteczki cykloheksanu. Jynto i Ben Mills / domena publiczna

Układy pierścieni cykloheksanu są bardziej powszechne wśród cząsteczek organicznych w naturze niż w innych cykloalkanach. Może to wynikać zarówno z ich stabilności, jak i selektywności oferowanej przez ich dobrze ugruntowane konformacje.

W rzeczywistości węglowodany, steroidy, produkty roślinne, pestycydy i wiele innych ważnych związków zawierają pierścienie podobne do pierścieni cykloheksanu, których konformacje mają ogromne znaczenie dla ich reaktywności.

Struktura

Cykloheksan jest sześcioczłonowym alicyklicznym węglowodorem. Występuje głównie w konformacji, w której wszystkie wiązania CH w sąsiednich atomach węgla są przesunięte naprzemiennie, z kątami dwuściennymi równymi 60 °.

Ponieważ ma najniższy kąt i najmniejsze naprężenie skrętne ze wszystkich cykloalkanów, uważa się, że cykloheksan ma zero w stosunku do całkowitego naprężenia pierścienia. To również sprawia, że ​​cykloheksan jest najbardziej stabilnym z cykloalkanów, a zatem wytwarza najmniejszą ilość ciepła podczas spalania w porównaniu z innymi cykloalkanami.

Pozycje podstawników

Istnieją dwa rodzaje pozycji dla podstawników w pierścieniu cykloheksanu: pozycje osiowe i pozycje równikowe. Wiązania równikowe CH leżą w paśmie wokół równika pierścienia.

Z kolei każdy atom węgla ma osiowy wodór, który jest prostopadły do ​​płaszczyzny pierścienia i równolegle do jego osi. Wodory osiowe naprzemiennie w górę iw dół; każdy atom węgla ma położenie osiowe i równikowe; a każdy bok pierścienia ma trzy położenia osiowe i trzy równikowe w układzie naprzemiennym.

Studium modeli

Cykloheksan najlepiej jest badać, budując fizyczny model molekularny lub program do modelowania molekularnego. Korzystając z któregokolwiek z tych modeli, można łatwo obserwować zależności skrętne i orientację równikowych i osiowych atomów wodoru.

Jednak układ atomów wodoru w projekcji Newmana można również przeanalizować, patrząc na dowolną parę równoległych wiązań CC.

Projekcja Newmana cykloheksanu. Durfo / CC0

Konformacje

Cykloheksan może występować w dwóch konformacjach, które są wzajemnie przekształcalne: łódź i krzesło. Jednak ta ostatnia jest najbardziej stabilną konformacją, ponieważ w strukturze cykloheksanu nie ma naprężeń kątowych ani skrętnych; ponad 99% cząsteczek w dowolnym momencie znajduje się w konformacji krzesła.

Krzesło konformacji cykloheksanu. Chem Sim 2001 / domena publiczna

Budowa krzesła

W konformacji krzesła wszystkie kąty wiązania CC wynoszą 109,5 °, co uwalnia je od naprężeń kątowych. Ponieważ połączenia DC są doskonale rozłożone, konformacja siodełka jest również wolna od naprężeń skrętnych. Ponadto atomy wodoru w przeciwległych rogach pierścienia cykloheksanu są oddalone od siebie tak daleko.

Budowa łodzi

Kształt krzesła może przybrać inny kształt zwany kształtem puszki. Dzieje się tak w wyniku częściowych obrotów na wiązaniach pojedynczych CC pierścienia. Taka konformacja również nie powoduje naprężeń kątowych, ale ma naprężenia skrętne.

Budowa łodzi cykloheksanowej. Keministi / domena publiczna

Patrząc na model konformacji łodzi, na osiach wiązań CC po obu stronach, okazuje się, że wiązania C - H w tych atomach węgla są zaćmione, powodując naprężenia skrętne.

Ponadto dwa atomy wodoru są wystarczająco blisko siebie, aby wytworzyć siły odpychające Van Der Waalsa.

Skręcona konstrukcja łodzi

Jeśli konformacja łodzi wygina się, otrzymujesz konformację skręconej łodzi, która może zmniejszyć część naprężeń skrętnych, a także zmniejszyć interakcje między atomami wodoru.

Jednak stabilność uzyskana przez zginanie jest niewystarczająca, aby konformacja skręconej łodzi była bardziej stabilna niż konformacja siodła.

Cykloheksan o konformacji skręconej łodzi. Keministi / CC0

Aplikacje

Produkcja nylonu

Niemal cały cykloheksan (ponad 98%) produkowany na rynku jest szeroko stosowany jako surowiec do przemysłowej produkcji prekursorów nylonu: kwasu adypinowego (60%), kaprolaktamu i heksametylenodiaminy. 75% kaprolaktamu produkowanego na świecie jest wykorzystywane do produkcji nylonu 6.

Gitara z nylonowymi strunami. Źródło: pexels.com

Produkcja innych związków

Jednak cykloheksan jest również używany do produkcji benzenu, chlorku cykloheksylu, nitrocykloheksanu, cykloheksanolu i cykloheksanonu; w produkcji paliwa stałego; w preparatach grzybobójczych; oraz w przemysłowej rekrystalizacji steroidów.

Wnioski mniejszościowe

Bardzo niewielka część wytworzonego cykloheksanu jest stosowana jako niepolarny rozpuszczalnik w przemyśle chemicznym oraz jako rozcieńczalnik w reakcjach polimerów. Może być również stosowany jako zmywacz do farb i lakierów; w ekstrakcji olejków eterycznych; i substytuty szkła.

Ze względu na swoje wyjątkowe właściwości chemiczne i konformacyjne cykloheksan jest również stosowany w laboratoriach chemii analitycznej do oznaczania masy cząsteczkowej oraz jako standard.

Produkcja

Tradycyjny proces

Cykloheksan występuje w ropie naftowej w stężeniach wahających się od 0,1 do 1,0%. W związku z tym tradycyjnie wytwarzano go metodą frakcjonowanej destylacji benzyny ciężkiej, w której poprzez superfrakcjonowanie otrzymywano koncentrat 85% cykloheksanu.

Destylacja frakcyjna ropy naftowej. Crude_Oil_Distillation-fr.svg: Image originale: Psarianos, Theresa Knott; grafika vectorielle: Rogilbertderivative work: Utain () / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)

Koncentrat ten był sprzedawany jako taki, ponieważ dalsze oczyszczanie wymagało przeprowadzenia procesu izomeryzacji pentanu, krakingu termicznego w celu usunięcia węglowodorów o otwartym łańcuchu oraz traktowania kwasem siarkowym w celu usunięcia związków aromatycznych.

Duża trudność w uzyskaniu cykloheksanu o wyższej czystości wynikała z dużej liczby składników ropopochodnych o podobnych temperaturach wrzenia.

Proces o wysokiej wydajności

Obecnie cykloheksan jest produkowany na skalę przemysłową w wyniku reakcji benzenu z wodorem (uwodornienie katalityczne) ze względu na prostotę procesu i wysoką wydajność.

Reakcję tę można prowadzić metodami ciekłymi lub w fazie gazowej w obecności silnie zdyspergowanego katalizatora lub w nieruchomym złożu katalizatora. Opracowano kilka procesów, w których jako katalizator stosuje się nikiel, platynę lub pallad.

Większość zakładów cykloheksanu wykorzystuje gaz z reformingu wytwarzający benzen i duże ilości produktów ubocznych wodoru jako surowiec do produkcji cykloheksanu.

Ponieważ koszty wodoru i benzenu mają kluczowe znaczenie dla opłacalnego wytwarzania cykloheksanu, zakłady często znajdują się w pobliżu dużych rafinerii, w których dostępne są niedrogie surowce.

Bibliografia

1. Campbell, ML (2014). Cykloheksan. Ullmanns Encyclopedia of Industrial Chemistry (7 ^th ed.). Nowy Jork: John Wiley & Sons.
2. McMurry, J. (2011). Podstawy chemii organicznej (7 ^th ed.). Belmont: Brooks / Cole.
3. Narodowe Centrum Informacji Biotechnologicznej. (2020) Baza danych PubChem. Cykloheksan, CID = 8078. Bethesda: National Library of Medicine. Odzyskany z: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
4. Ouellette, RJ i Rawn, JD (2014). Chemia organiczna - struktura, mechanizm i synteza. San Diego: Elsevier.
5. Petrucci, RH, Herring, FG, Bissonnette, C. i Madura, JD (2017). General Chemistry: Principles and Współczesne zastosowania (11 ^th ed.). Nowy Jork: Pearson.
6. Solomons, TW, Fryhle, CB i Snyder, SA (2016). Organie Chemistry (12 ^th ed.). Hoboken: John Wiley & Sons.
7. Wade, LG (2013). Organie Chemistry (8th ed.). Nowy Jork. Osoba.