CIKLOHEKSAN: STRUKTURA, UPOTREBA, KONFORMACIJE - KEMIJA - 2026

Cikloheksan je relativno stabilan cikloalkan molekulske formule C ₆ H ₁₂. To je bezbojna, zapaljiva tekućina koja ima blagi miris otapala, ali može biti prodora u prisustvu nečistoća.

Ima gustoću od 0,779 g / cm ³; kuha na 80,7 ° C; a smrznuto na 6,4 ° C. Smatra se netopljivim u vodi jer njegova topljivost može biti samo 50 ppm (pribl.) Pri sobnoj temperaturi. Međutim, lako se miješa s alkoholom, eterom, kloroformom, benzenom i acetonom.

3D model molekule cikloheksana. Jynto i Ben Mills / Public domain

Sustavi prstena cikloheksana češći su među organskim molekulama u prirodi nego kod ostalih cikloalkana. Razlog za to može biti i njihova stabilnost i selektivnost koju nude njihove dobro utvrđene konformacije.

U stvari, ugljikohidrati, steroidi, biljni proizvodi, pesticidi i mnogi drugi važni spojevi sadrže prstenove slične onima iz cikloheksana, čiji su spojevi od velike važnosti za njihovu reaktivnost.

Struktura

Cikloheksan je šesteročlani aliciklički ugljikovodik. Uglavnom postoji u konformaciji u kojoj su sve CH veze u susjednim ugljikovim atomima stupnjevane, s dvostranim kutovima jednakim 60 °.

Budući da ima najniži kut i torzijski napon od svih cikloalkana, smatra se da cikloheksan ima nulu u odnosu na ukupni napon prstena. To također čini cikloheksan najstabilnijim od cikloalkana i stoga proizvodi najmanje količine topline kada se sagorijeva u usporedbi s ostalim cikloalkanima.

Zamjenski položaji

Postoje dvije vrste položaja za supstituente na cikloheksanskom prstenu: aksijalni položaji i ekvatorijalni položaji. Ekvatorijalne CH veze leže u pojasu oko ekvatora prstena.

Zauzvrat, svaki ugljikov atom ima aksijalni vodik koji je okomit na ravninu prstena i paralelno s njegovom osi. Aksijalni vodikovi se izmjenjuju gore i dolje; svaki ugljikov atom ima aksijalni i ekvatorijalni položaj; a svaka strana prstena ima tri osna i tri ekvatorijalna položaja u naizmjeničnom rasporedu.

Modeli proučavanja

Cikloheksan je najbolje proučiti izgradnjom fizikalnog molekularnog modela ili programom molekularnog modeliranja. Kada se koristi bilo koji od ovih modela, moguće je lako promatrati torzijske odnose i orijentaciju ekvatorijalnih i aksijalnih atoma vodika.

Međutim, raspored vodikovih atoma u Newmanovoj projekciji također se može analizirati gledanjem bilo kojeg para paralelnih CC veza.

Newmanova projekcija cikloheksana. Durfo / CC0

konformacije

Cikloheksan se može pojaviti u dvije međusobno konvertirajuće forme: čamac i stolica. Međutim, potonja je najstabilnija konformacija, jer u cikloheksanskoj strukturi nema kuta ili torzijskog naprezanja; više od 99% molekula u bilo kojem trenutku je u konformaciji stolice.

Konformacija stolice cikloheksana. Chem Sim 2001 / Public domain

Konformacija stolice

U konformaciji stolice, svi kutni spojevi CC su 109,5 °, što ih oslobađa kutnog naprezanja. Budući da su jednosmerne veze savršeno stupnjevane, konformacija sedla je također oslobođena od torzijskog naprezanja. Također, atomi vodika u suprotnim uglovima cikloheksanskog prstena su međusobno udaljeni.

Konformacija broda

Oblik stolice može poprimiti drugi oblik koji se zove oblik limenke. To se događa kao rezultat djelomičnih rotacija na jednostrukim CC vezama prstena. Takva konformacija također ne predstavlja kutni napon, ali ima torzijski napon.

Konformacija broda cikloheksana. Keministi / Javna domena

Kada se gleda model konformacije plovila, na CC osi veze duž svake strane, utvrdi se da su C - H veze u tim ugljikovim atomima pomračene, što stvara torzijsko naprezanje.

Također, dva atoma vodika su dovoljno blizu jedan drugome da stvaraju Van Der Waalsove odbojne sile.

Upletena konformacija broda

Ako se konformacija plovila savija, dobit ćete uvijenu konformaciju čamca koja može osloboditi neki torzijski stres, a također i smanjiti interakciju između vodikovih atoma.

Me theutim, stabilnost dobivena savijanjem nije dovoljna da uvijena konformacija plovila postane stabilnija od konformacije sedla.

Konformacija upletene brodice cikloheksana. Keministi / CC0

Prijave

Proizvodnja najlona

Gotovo svi komercijalno proizvedeni cikloheksan (više od 98%) naširoko se koriste kao sirovina u industrijskoj proizvodnji prekursora najlona: adipinska kiselina (60%), kaprolaktam i heksametilendiamin. 75% kaprolaktama proizvedenog u svijetu koristi se za izradu najlona 6.

Gitara s najlonskim žicama. Izvor: pexels.com

Proizvodnja ostalih spojeva

Međutim, cikloheksan se također koristi u proizvodnji benzena, cikloheksilklorida, nitrocikloheksana, cikloheksanola i cikloheksanona; u proizvodnji krutog goriva; u fungicidnim formulacijama; te u industrijskoj rekristalizaciji steroida.

Molbe za manjine

Vrlo mali udio proizvedenog cikloheksana koristi se kao nepolarno otapalo za kemijsku industriju i kao otapalo u polimernim reakcijama. Može se koristiti i kao sredstvo za uklanjanje boja i lakova; u ekstrakciji esencijalnih ulja; i zamjena za staklo.

Zbog svojih jedinstvenih kemijskih i konformacijskih svojstava, cikloheksan se također koristi u laboratorijama za analitičku kemiju za određivanje molekularne težine i kao standard.

Proizvodnja

Tradicionalni postupak

Cikloheksan je prisutan u sirovoj nafti u koncentracijama koje variraju između 0,1 i 1,0%. Stoga se tradicionalno proizvodi frakcijskom destilacijom nafte u kojoj je superfrakcioniranjem dobiven koncentrat od 85% cikloheksana.

Frakcijska destilacija nafte. Crude_Oil_Distillation-fr.svg: Slika originala: Psarianos, Theresa knott; image vectorielle: RogilbertDerivativni rad: Utain () / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)

Ovaj koncentrat se prodaje kao takav, jer je potrebno daljnje pročišćavanje provođenjem procesa pomeranske izomerizacije, toplinsko pucanje radi uklanjanja ugljikovodika otvorenog lanca i tretiranje sumpornom kiselinom za uklanjanje aromatskih spojeva.

Veliki dio poteškoća u dobivanju cikloheksana veće čistoće bio je zbog velikog broja naftnih sastojaka sa sličnim vrelištima.

Proces visoke učinkovitosti

Danas se cikloheksan proizvodi u industrijskim razmjerima reakcijom benzena s vodikom (katalitička hidrogenacija) zbog jednostavnosti postupka i njegove velike učinkovitosti.

Ta se reakcija može izvesti pomoću tekućih ili parnih faza u prisutnosti visoko dispergiranog katalizatora ili u fiksnom sloju katalizatora. Razvijeno je nekoliko postupaka u kojima se kao katalizator koriste nikl, platina ili paladij.

Većina postrojenja za cikloheksan koriste reformerski plin za proizvodnju benzena i velike količine vodikovih nusproizvoda kao sirovine za proizvodnju cikloheksana.

Budući da su troškovi vodika i benzena presudni za profitabilnu proizvodnju cikloheksana, postrojenja se često nalaze u blizini velikih rafinerija u kojima su dostupne sirovine sa niskim cijenama.

Reference

1. Campbell, ML (2014). Cikloheksan. Ullmann je enciklopedija industrijske kemije (7 ^th ed.). New York: John Wiley & Sons.
2. McMurry, J. (2011). Osnove Organic Chemistry (7 ^th ed.). Belmont: Brooks / Cole.
3. Nacionalni centar za biotehnološke informacije. (2020) PubChem baza podataka. Cikloheksan, CID = 8078. Bethesda: Nacionalna medicinska biblioteka. Oporavak od: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
4. Ouellette, RJ, & Rawn, JD (2014). Organska kemija - struktura, mehanizam i sinteza. San Diego: Elsevier.
5. Petrucci, RH, Herring, FG, Bissonnette, C., & Madura, JD (2017). Opća kemija: Načela i modernih aplikacija (11 ^-og ur.). 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.