CIKLOHEKSAN: STRUKTURA, UPORABE, SKLADNOSTI - KEMIJA - 2026

Cikloheksan je relativno stabilna cikloalkan z molekulsko formulo C ₆ H ₁₂ . Je brezbarvna, vnetljiva tekočina, ki ima blag vonj po topilu, vendar lahko v prisotnosti nečistoč prodre.

Ima gostoto 0,779 g / cm ³ ; vre pri 80,7 ° C; in zamrznjeno pri 6,4 ° C. Šteje se, da v vodi ni topen, saj lahko njegova topnost pri sobni temperaturi znaša le 50 ppm (približno). Vendar se zlahka meša z alkoholom, etrom, kloroformom, benzenom in acetonom.

3D model molekule cikloheksana. Jynto in Ben Mills / Javna last

Obročni sistemi cikloheksana so med organskimi molekulami v naravi pogostejši od tistih drugih cikloalkanov. To je lahko posledica njihove stabilnosti in selektivnosti, ki jo ponujajo njihove uveljavljene skladnosti.

V resnici ogljikovi hidrati, steroidi, rastlinski proizvodi, pesticidi in številne druge pomembne spojine vsebujejo obroče, podobne tistim iz cikloheksana, katerih skladnosti so zelo pomembne za njihovo reaktivnost.

Struktura

Cikloheksan je šestčlanski aliciklični ogljikovodik. Obstaja predvsem v konformaciji, v kateri so vse CH-vezi v sosednjih atomih ogljika razporejene, s kotiranimi kotniki, ki so enaki 60 °.

Ker ima najnižji kot in torzijsko napetost od vseh cikloalkanov, se šteje, da ima cikloheksan nič glede na skupni obročni stres. Zaradi tega je cikloheksan najbolj stabilen med cikloalkani in zato proizvede najmanj toplote, ko se zgore v primerjavi z drugimi cikloalkani.

Nadomestna mesta

Obstajata dve vrsti položajev za substituente na cikloheksanskem obroču: aksialni položaji in ekvatorialni položaji. Ekvatorialne vezi CH ležijo v pasu okoli ekvatorja obroča.

Vsak ogljikov atom ima osni vodik, ki je pravokoten na ravnino obroča in vzporedno z njegovo osjo. Aksialni vodiki se izmenjujejo navzgor in navzdol; vsak ogljikov atom ima aksialni in ekvatorialni položaj; in vsaka stran obroča ima v izmenični postavitvi tri osne in tri ekvatorialne položaje.

Modeli študija

Cikloheksan najbolje preučujemo z gradnjo fizikalnega molekularnega modela ali s programom molekularnega modeliranja. Pri uporabi katerega koli od teh modelov je mogoče enostavno opazovati torzijske odnose in orientacijo ekvatorialnih in aksialnih vodikovih atomov.

Toda razporeditev vodikovih atomov v Newmanovi projekciji je mogoče analizirati tudi s pregledom katerega koli para vzporednih CC vezi.

Newmanova projekcija cikloheksana. Durfo / CC0

Konformacije

Cikloheksan se lahko pojavi v dveh medsebojno pretvorljivih oblikah: čoln in stol. Vendar je slednja najbolj stabilna konformacija, saj v strukturi cikloheksana ni kota ali torzijska napetost; več kot 99% molekul je kadar koli v obliki stola.

Konformacija stola cikloheksana. Chem Sim 2001 / Javna domena

Konformacija stola

V obliki stola so vsi kotni vezji CC 109,5 °, kar jih razbremeni kotnih napetosti. Ker so enosmerne povezave popolnoma razporejene, je tudi konformacija sedla brez torzijskih napetosti. Tudi vodikovi atomi v nasprotnih kotih cikloheksanskega obroča so razmaknjeni kolikor drug na drugega.

Konformacija čolna

Oblika stola lahko dobi drugo obliko, imenovano pločevinka pločevinke. To se zgodi kot posledica delnih rotacij na CC enojnih vezah obroča. Takšna konformacija tudi ne predstavlja kotne napetosti, ima pa torzijsko napetost.

Cikloheksanska konformacija čolna. Keministi / Javna domena

Ko pogledamo model konformacije čolna, na osi vezja CC vzdolž obeh strani, ugotovimo, da so C - H vezi v teh ogljikovih atomih zamaknjene, kar povzroča torzijsko napetost.

Prav tako sta dva vodikova atoma dovolj blizu drug drugemu, da ustvarjata odbojne sile Van Der Waalsa.

Konformacija zvit čoln

Če se konformacija čolna upogne, dobite zvit čoln konformacije, ki lahko razbremeni del torzijskega napetosti in tudi zmanjša interakcije med vodikovimi atomi.

Vendar je stabilnost, dobljena z upogibanjem, nezadostna, da postane zvita čolnska konformacija stabilnejša od konformacije sedla.

Konformacija zvitega čolna cikloheksana. Keministi / CC0

Prijave

Proizvodnja najlona

Skoraj vsi tržno proizvedeni cikloheksan (več kot 98%) se široko uporablja kot surovina pri industrijski proizvodnji najlonskih prekurzorjev najlona: adipinska kislina (60%), kaprolaktam in heksametilendiamin. 75% kaprolaktama, proizvedenega po vsem svetu, se uporablja za izdelavo najlona 6.

Kitara z najlonskimi strunami. Vir: pexels.com

Proizvodnja drugih spojin

Vendar pa se cikloheksan uporablja tudi pri proizvodnji benzena, cikloheksilklorida, nitrocikloheksana, cikloheksanola in cikloheksanona; pri proizvodnji trdnega goriva; v fungicidnih formulacijah; in pri industrijski rekristalizaciji steroidov.

Prošnje za manjšine

Zelo majhen del proizvedenega cikloheksana se uporablja kot nepolarno topilo za kemično industrijo in kot topilo v polimernih reakcijah. Uporablja se lahko tudi kot sredstvo za odstranjevanje laka in lakov; pri ekstrakciji eteričnih olj; in stekleni nadomestki.

Zaradi svojih edinstvenih kemijskih in konformacijskih lastnosti se cikloheksan uporablja tudi v laboratorijih za analitično kemijo za določanje molekulske mase in kot standard.

Izdelava

Tradicionalni postopek

Cikloheksan je prisoten v surovi nafti v koncentracijah, ki se gibljejo med 0,1 in 1,0%. Zato so ga tradicionalno proizvajali s frakcijsko destilacijo nafte, pri kateri smo s superfrakcioniranjem dobili 85-odstotni koncentrat cikloheksana.

Frakcijska destilacija nafte. Crude_Oil_Distillation-fr.svg: Izvirna slika: Psarianos, Theresa knott; image vectorielle: Rogilbertderivativno delo: Utain () / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)

Ta koncentrat se je prodajal kot tak, saj je bilo potrebno nadaljnje čiščenje izvajanja postopka izomerizacije pentanov, toplotnega krekinga za odstranitev ogljikovodikov z odprtimi verigami in obdelave z žveplovo kislino za odstranitev aromatičnih spojin.

Veliko težav pri pridobivanju cikloheksana z višjo čistostjo je nastalo zaradi velikega števila naftnih komponent s podobnimi vrelišči.

Postopek z visoko učinkovitostjo

Danes se cikloheksan proizvaja v industrijskem obsegu z reakcijo benzena z vodikom (katalitično hidrogeniranje) zaradi preprostosti postopka in njegove visoke učinkovitosti.

To reakcijo lahko izvedemo z uporabo tekočih ali parnih faz v prisotnosti visoko dispergiranega katalizatorja ali v fiksnem sloju katalizatorja. Razvitih je bilo več postopkov, pri katerih se kot katalizator uporabljajo nikelj, platina ali paladij.

Večina rastlin cikloheksana uporablja reformorski plin, ki proizvaja benzen, in velike količine vodikovih stranskih proizvodov kot surovino za proizvodnjo cikloheksana.

Ker so stroški vodika in benzena ključnega pomena za dobičkonosno proizvodnjo cikloheksana, so naprave pogosto nameščene v bližini velikih rafinerij, kjer so na voljo poceni surovine.

Reference

1. Campbell, ML (2014). Cikloheksan. Ullmann je Encyclopedia of Industrial Chemistry (7 ^th ed.). New York: John Wiley & Sons.
2. McMurry, J. (2011). Osnove organske kemije (7 ^th Ed.). Belmont: Brooks / Cole.
3. Nacionalni center za informacije o biotehnologiji. (2020) Baza podatkov PubChem. Cikloheksan, CID = 8078. Bethesda: Nacionalna medicinska knjižnica. Pridobljeno: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
4. Ouellette, RJ, & Rawn, JD (2014). Organska kemija - struktura, mehanizem in sinteza. San Diego: Elsevier.
5. Petrucci, RH, sled, FG, Bissonnette, C., & Madura, JD (2017). Splošna Kemija: načela in sodobne aplikacije (11 ^th ed.). New York: Pearson.
6. Solomons, TW, Fryhle, CB, & Snyder, SA (2016). Organska kemija (12 ^th ed.). Hoboken: John Wiley & Sons.
7. Wade, LG (2013). Organska kemija (8. izd.). New York. Pearson.