CYKLOHEXAN: STRUKTURA, POUŽITÍ, KONFORMACE - CHEMIE - 2025

Cyklohexan je relativně stabilní cykloalkan s molekulovým vzorcem C ₆ H ₁₂. Je to bezbarvá hořlavá kapalina, která má mírný zápach z rozpouštědla, ale může pronikat v přítomnosti nečistot.

To má hustotu 0,779 g / cm ³; teplota varu při 80,7 ° C; a zmrazené při 6,4 ° C. Je považován za nerozpustný ve vodě, protože jeho rozpustnost může být při pokojové teplotě pouze 50 ppm. Snadno se však mísí s alkoholem, etherem, chloroformem, benzenem a acetonem.

3D model molekuly cyklohexanu. Jynto a Ben Mills / public domain

Kruhové systémy cyklohexanu jsou mezi organickými molekulami v přírodě běžnější než systémy jiných cykloalkanů. To může být způsobeno jak jejich stabilitou, tak selektivitou nabízenou jejich dobře zavedenými konformacemi.

Ve skutečnosti, uhlohydráty, steroidy, rostlinné produkty, pesticidy a mnoho dalších důležitých sloučenin obsahují kruhy podobné cyklům cyklohexanu, jejichž konformace mají velký význam pro jejich reaktivitu.

Struktura

Cyklohexan je šestičlenný alicyklický uhlovodík. Existuje hlavně v konformaci, ve které jsou všechny vazby CH v sousedních atomech uhlíku rozloženy, s úhlopříčky rovnající se 60 °.

Protože má nejmenší úhel a torzní napětí všech cykloalkanů, má se za to, že cyklohexan má nulovou hodnotu vzhledem k celkovému napětí v kruhu. Díky tomu je cyklohexan nejstabilnější z cykloalkanů, a proto při spalování ve srovnání s ostatními cykloalkany produkuje nejmenší množství tepla.

Náhradní pozice

Na cyklohexanovém kruhu existují dva typy poloh: axiální polohy a rovníkové polohy. Rovníkové CH vazby leží v pásmu kolem rovníku kruhu.

Na druhé straně má každý atom uhlíku axiální vodík, který je kolmý k rovině prstence a rovnoběžný s jeho osou. Axiální vodíky se střídají nahoru a dolů; každý atom uhlíku má axiální a rovníkovou polohu; a každá strana prstence má tři axiální a tři rovníkové polohy ve střídavém uspořádání.

Studijní modely

Cyklohexan se nejlépe studuje vytvořením fyzikálního molekulárního modelu nebo programem molekulárního modelování. Při použití některého z těchto modelů je možné snadno pozorovat torzní vztahy a orientaci rovníkových a axiálních atomů vodíku.

Uspořádání atomů vodíku v Newmanově projekci však lze také analyzovat pohledem na jakoukoli dvojici paralelních vazeb CC.

Newmanova projekce cyklohexanu. Durfo / CC0

Konformace

Cyklohexan může nastat ve dvou konformacích, které jsou vzájemně zaměnitelné: loď a židle. Ta je však nejstabilnější konformací, protože v cyklohexanové struktuře není žádné úhlové ani torzní napětí; více než 99% molekul je v konformaci židle v daném okamžiku.

Křeslo konformace cyklohexanu. Chem Sim 2001 / Public domain

Konformace židle

V konformaci židle jsou všechny úhly CC vazby 109,5 °, což je zbavuje úhlového napětí. Protože jsou stejnosměrné články dokonale rozloženy, je sedlová konformace také bez torzního namáhání. Atomy vodíku v protilehlých rozích cyklohexanového kruhu jsou také od sebe vzdáleny.

Konformace lodi

Tvar židle může mít jiný tvar zvaný tvar plechovky. K tomu dochází v důsledku částečných otáček na CC jednoduchých vazbách kruhu. Taková konformace také nepředstavuje úhlové napětí, ale má torzní napětí.

Konformace cyklohexanového člunu. Keministi / Public Domain

Když se podíváme na model konformace lodi, na osách CC vazby podél každé strany, je zjištěno, že vazby C - H v těchto atomech uhlíku jsou zatměny, což způsobuje torzní napětí.

Také dva atomy vodíku jsou dostatečně blízko sebe, aby vytvořily odpudivé síly Van Der Waals.

Kroucená konformace lodi

Pokud se konformace lodi ohne, získáte konformaci zkroucené lodi, která může zmírnit torzní napětí a také snížit interakce mezi atomy vodíku.

Stabilita získaná ohnutím je však nedostačující k tomu, aby zkroucená konformace lodi byla stabilnější než sedlová konformace.

Kroucená konformace cyklohexanu. Keministi / CC0

Aplikace

Výroba nylonu

Téměř veškerý komerčně vyráběný cyklohexan (více než 98%) je široce používán jako surovina v průmyslové výrobě prekurzorů nylonu: kyselina adipová (60%), kaprolaktam a hexamethylendiamin. 75% kaprolaktamu vyrobeného po celém světě se používá k výrobě nylonu 6.

Kytara s nylonovými strunami. Zdroj: pexels.com

Výroba ostatních sloučenin

Cyklohexan se však také používá při výrobě benzenu, cyklohexylchloridu, nitrocyklohexanu, cyklohexanolu a cyklohexanonu; při výrobě pevného paliva; ve fungicidních formulacích; a v průmyslové rekrystalizaci steroidů.

Menšinové aplikace

Velmi malá frakce vyrobeného cyklohexanu se používá jako nepolární rozpouštědlo pro chemický průmysl a jako ředidlo při polymerních reakcích. Může být také použit jako odstraňovač barev a laků; při extrakci éterických olejů; a náhražky skla.

Díky svým jedinečným chemickým a konformačním vlastnostem se cyklohexan také používá v analytických chemických laboratořích pro stanovení molekulové hmotnosti a jako standard.

Výroba

Tradiční proces

Cyklohexan je přítomen v ropě v koncentracích, které se pohybují mezi 0,1 a 1,0%. Proto se tradičně vyráběla frakční destilací nafty, ve které byl superfrakcionací získán koncentrát 85% cyklohexanu.

Frakční destilace ropy. Crude_Oil_Distillation-fr.svg: Původ obrázku: Psarianos, Theresa knott; image vectorielle: Rogilbertderivative work: Utain () / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)

Tento koncentrát byl prodáván jako takový, protože další čištění vyžadovalo provedení pentanového izomeračního procesu, tepelné krakování pro odstranění uhlovodíků s otevřeným řetězcem a zpracování kyselinou sírovou pro odstranění aromatických sloučenin.

Většina obtíží při získávání cyklohexanu s vyšší čistotou byla způsobena velkým počtem ropných složek s podobnými body varu.

Proces s vysokou účinností

V současné době se cyklohexan vyrábí v průmyslovém měřítku reakcí benzenu s vodíkem (katalytická hydrogenace) kvůli jednoduchosti postupu a jeho vysoké účinnosti.

Tuto reakci lze provádět za použití kapalné nebo plynné fáze v přítomnosti vysoce dispergovaného katalyzátoru nebo v pevném loži katalyzátoru. Bylo vyvinuto několik procesů, ve kterých se jako katalyzátor používá nikl, platina nebo palladium.

Většina cyklohexanových zařízení používá jako výchozí surovinu pro výrobu cyklohexanu reformovací plyn produkující benzen a velká množství vedlejších produktů vodíku.

Protože náklady na vodík a benzen jsou rozhodující pro ziskovou výrobu cyklohexanu, zařízení se často nacházejí poblíž velkých rafinérií, kde jsou dostupné levné suroviny.

Reference

1. Campbell, ML (2014). Cyklohexan. Ullmann s Encyclopedia of Industrial Chemistry (7 ^th ed.). New York: John Wiley & Sons.
2. McMurry, J. (2011). Základy organické chemie (7 ^th Ed.). Belmont: Brooks / Cole.
3. Národní centrum pro biotechnologické informace. (2020) PubChem Database. Cyklohexan, CID = 8078. Bethesda: Národní lékařská knihovna. Obnoveno z: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
4. Ouellette, RJ, & Rawn, JD (2014). Organická chemie - struktura, mechanismus a syntéza. San Diego: Elsevier.
5. Petrucci, RH, Sleď, FG, Bissonnette, C., & Madura, JD (2017). Obecná chemie: Principles and Modern Applications (11 ^th ed.). New York: Pearson.
6. Solomons, TW, Fryhle, CB, a Snyder, SA (2016). Organická chemie (12 ^th ed.). Hoboken: John Wiley & Sons.
7. Wade, LG (2013). Organic Chemistry (8. ed.). New York. Pearson.