CYCLOHEXAN: STRUKTUR, ANVENDELSER, KONFORMATIONER - KEMI - 2025

Den cyclohexan er et relativt stabilt cycloalkan med molekylformel C ₆ H ₁₂. Det er en farveløs, brandfarlig væske, der har en mild opløsningsmiddel lugt, men kan trænge igennem i nærværelse af urenheder.

Den har en densitet på 0,779 g / cm ³; koges ved 80,7 ° C; og frosset ved 6,4 ° C. Det betragtes som uopløseligt i vand, da dets opløselighed kun kan være så lavt som 50 ppm (ca.) ved stuetemperatur. Det blandes imidlertid let med alkohol, ether, chloroform, benzen og acetone.

3D-model af cyclohexan-molekylet. Jynto og Ben Mills / Public domain

Ringsystemer af cyclohexan er mere almindelige blandt organiske molekyler i naturen end i andre cycloalkaner. Dette kan skyldes både deres stabilitet og selektiviteten, der tilbydes af deres veletablerede konformationer.

Faktisk indeholder kulhydrater, steroider, planteprodukter, pesticider og mange andre vigtige forbindelser ringe svarende til cyclohexan, hvis konformationer er meget vigtige for deres reaktivitet.

Struktur

Cyclohexan er et seks-leddet alicyklisk carbonhydrid. Det findes hovedsageligt i en konformation, hvor alle CH-bindinger i tilstødende carbonatomer er forskudt med dihedrale vinkler lig med 60 °.

Da det har den laveste vinkel og torsionsspænding for alle cycloalkaner, anses cyclohexan for at have nul i forhold til den totale ringspænding. Dette gør cyclohexan også til den mest stabile af cycloalkanerne og producerer derfor den mindste mængde varme, når den forbrændes sammenlignet med de andre cycloalkaner.

Substituentstillinger

Der er to typer positioner for substituenter på cyclohexanringen: aksiale positioner og ækvatorpositioner. De ækvatoriale CH-bindinger ligger i et bånd omkring ringens ækvator.

Til gengæld har hvert carbonatom et aksialt brint, der er vinkelret på ringets plan og parallelt med dets akse. Aksiale hydrogener veksler op og ned; hvert carbonatom har en aksial og en ækvatorial position; og hver side af ringen har tre aksiale og tre ækvatorpositioner i et skiftevis arrangement.

Undersøgelsesmodeller

Cyclohexan studeres bedst ved at opbygge en fysisk molekylær model eller med et molekylært modelleringsprogram. Ved anvendelse af en af ​​disse modeller er det muligt let at observere torsionsforhold og orientering af de ækvatoriale og aksiale brintatomer.

Arrangementet af hydrogenatomer i en Newman-projektion kan imidlertid også analyseres ved at se på ethvert par parallelle CC-bindinger.

Newman-projektion af cyclohexane. Durfo / CC0

konformationer

Cyclohexan kan forekomme i to konformationer, der er interkonvertible: båd og stol. Sidstnævnte er imidlertid den mest stabile konformation, da der ikke er nogen vinkel eller torsionsspænding i cyclohexanstrukturen; mere end 99% af molekylerne er i en stolkonformation på ethvert givet tidspunkt.

Stolkonformation af cyclohexan. Chem Sim 2001 / Public domain

Stolkonformation

I en stolkonformation er alle CC-bindingsvinkler 109,5 °, hvilket aflaster dem for vinkelbelastning. Da DC-forbindelserne er perfekt forskudt, er sadelkonformationen også fri for torsionsspænding. Hydrogenatomerne i de modsatte hjørner af cyclohexanringen er også placeret så langt fra hinanden.

Bådkonformation

Stolformen kan have en anden form kaldet dåseformen. Dette forekommer som et resultat af delvis rotation på ringens CC-enkeltbindinger. En sådan konformation præsenterer heller ikke vinkelbelastning, men den har torsionsspænding.

Konstruktion af cyclohexan-båd. Keministi / Public domain

Når man ser på en model af bådkonformationen ved CC-bindingsakser langs hver side, viser det sig, at C-H-bindingerne i disse kulstofatomer er formørkede, hvilket frembringer torsionsspænding.

To af hydrogenatomer er også tæt nok på hinanden til at generere Van Der Waals frastødende kræfter.

Snoet bådkonformation

Hvis bådkonformationen bøjes, får du den snoede bådkonformation, der kan afhjælpe noget af torsionsspændingen og også reducere samspillet mellem brintatomerne.

Den stabilitet, der opnås ved bøjning, er imidlertid utilstrækkelig til at gøre den snoede bådkonformation mere stabil end sadelkonformationen.

Snoet bådkonformation af cyclohexane. Keministi / CC0

Applikationer

Nylon Fremstilling

Næsten alle kommercielt producerede cyclohexan (mere end 98%) bruges i vid udstrækning som råmateriale til industriel produktion af nylonforstadier: adipinsyre (60%), caprolactam og hexamethylendiamin. 75% af caprolactam produceret over hele verden bruges til at fremstille nylon 6.

Guitar med nylonstrenge. Kilde: pexels.com

Fremstilling af andre forbindelser

Cyclohexan anvendes imidlertid også til fremstilling af benzen, cyclohexylchlorid, nitrocyclohexan, cyclohexanol og cyclohexanon; ved fremstilling af fast brændstof; i fungicid formuleringer; og ved den industrielle omkrystallisation af steroider.

Mindretal applikationer

En meget lille fraktion af den producerede cyclohexan anvendes som et ikke-polært opløsningsmiddel til den kemiske industri og som et fortyndingsmiddel i polymerreaktioner. Det kan også bruges som en maling og lakfjerner; ved ekstraktion af æteriske olier; og glaserstatninger.

På grund af dets unikke kemiske og konformationelle egenskaber bruges cyclohexan også i analysekemilaboratorier til bestemmelse af molekylvægt og som standard.

Fremstille

Traditionel proces

Cyclohexan er til stede i råolie i koncentrationer, der varierer mellem 0,1 og 1,0%. Derfor blev det traditionelt produceret ved fraktioneret destillation af naphtha, hvori et koncentrat på 85% cyclohexan blev opnået ved superfraktionering.

Fraktioneret destillation af olie. Crude_Oil_Distillation-fr.svg: Originalt billede: Psarianos, Theresa knott; image vectorielle: Rogilbertderivative arbejde: Utain () / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)

Dette koncentrat blev solgt som sådan, da yderligere oprensning krævede udførelse af en fremgangsmåde til isomerisering af pentaner, varmekrakning for at fjerne åbne kæde carbonhydrider og behandling med svovlsyre til fjernelse af aromatiske forbindelser.

Meget af vanskelighederne med at opnå cyclohexan med højere renhed skyldtes det store antal petroleumskomponenter med lignende kogepunkter.

Høj effektivitetsproces

I dag produceres cyclohexan i industriel skala ved at omsætte benzen med brint (katalytisk hydrogenering) på grund af processens enkelhed og dens høje effektivitet.

Denne reaktion kan udføres ved anvendelse af væske- eller dampfasemetoder i nærvær af en stærkt spredt katalysator eller i et fast katalysatorlag. Flere processer er blevet udviklet, hvor nikkel, platin eller palladium anvendes som katalysator.

De fleste cyclohexanplanter bruger benzenproducerende reformergas og store mængder brintbiprodukter som råstof til cyclohexanproduktion.

Da omkostninger til brint og benzen er kritiske for rentabelt at fremstille cyclohexan, er anlæggene ofte placeret i nærheden af ​​store raffinaderier, hvor billige råvarer er tilgængelige.

Referencer

1. Campbell, ML (2014). Cyclohexan. Ullmanns Encyclopedia of Industrial Chemistry (7 ^th ed.). New York: John Wiley & Sons.
2. McMurry, J. (2011). Fundamentals of Organic Chemistry (7 ^th ed.). Belmont: Brooks / Cole.
3. National Center for Biotechnology Information. (2020) PubChem-database. Cyclohexan, CID = 8078. Bethesda: National Library of Medicine. Gendannes fra: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
4. Ouellette, RJ, & Rawn, JD (2014). Organisk kemi - struktur, mekanisme og syntese. San Diego: Elsevier.
5. Petrucci, RH, Herring, FG, Bissonnette, C., & Madura, JD (2017). Almen kemi: Principper og moderne applikationer (11 ^th ed.). New York: Pearson.
6. Solomons, TW, Fryhle, CB, & Snyder, SA (2016). Organic Chemistry (12 ^th ed.). Hoboken: John Wiley & Sons.
7. Wade, LG (2013). Organisk kemi (8. udg.). New York. Pearson.