CYKLOHEXÁN: ŠTRUKTÚRA, POUŽITIE, KONFORMÁCIE - CHÉMIA - 2026

Cyklohexán je relatívne stabilný cykloalkánov s molekulárnym vzorcom C ₆ H ₁₂ . Je to bezfarebná horľavá kvapalina, ktorá má slabý zápach rozpúšťadla, ale môže prenikať v prítomnosti nečistôt.

To má hustotu 0,779 g / cm ³ ; varí sa pri 80,7 ° C; a zmrazené pri 6,4 ° C. Považuje sa za nerozpustný vo vode, pretože jeho rozpustnosť môže byť pri izbovej teplote iba 50 ppm. Ľahko sa však mieša s alkoholom, éterom, chloroformom, benzénom a acetónom.

3D model molekuly cyklohexánu. Jynto a Ben Mills / verejné vlastníctvo

Kruhové systémy cyklohexánu sú medzi organickými molekulami v prírode častejšie ako iné cykloalkány. Môže to byť spôsobené ich stabilitou a selektivitou, ktorú ponúkajú ich dobre zavedené konformácie.

V skutočnosti uhľohydráty, steroidy, rastlinné produkty, pesticídy a mnoho ďalších dôležitých zlúčenín obsahujú kruhy podobné kruhom cyklohexánu, ktorého konformácie majú veľký význam pre ich reaktivitu.

štruktúra

Cyklohexán je šesťčlenný alicyklický uhľovodík. Existuje hlavne v konformácii, v ktorej sú všetky väzby CH v susedných atómoch uhlíka rozložené, s uhlovými uhlami rovnajúcimi sa 60 °.

Pretože má cyklohexán najmenší uhol a torzné napätie zo všetkých cykloalkánov, považuje sa za nulový vzhľadom na celkové napätie v kruhu. Vďaka tomu je cyklohexán najstabilnejší z cykloalkánov, a preto pri spaľovaní v porovnaní s ostatnými cykloalkánmi produkuje najmenšie množstvo tepla.

Náhradné pozície

Na cyklohexánovom kruhu sú substituenty na dvoch typoch: axiálne a ekvatoriálne polohy. Rovníkové väzby CH ležia v pásme okolo rovníka kruhu.

Na druhej strane má každý atóm uhlíka axiálny vodík, ktorý je kolmý na rovinu kruhu a je rovnobežný s jeho osou. Axiálne vodíky sa striedajú hore a dole; každý atóm uhlíka má axiálnu a rovníkovú polohu; a každá strana krúžku má tri axiálne a tri rovníkové polohy v striedavom usporiadaní.

Študijné modely

Cyklohexán sa najlepšie študuje vytvorením fyzikálneho molekulárneho modelu alebo pomocou programu molekulárneho modelovania. Pri použití ktoréhokoľvek z týchto modelov je možné ľahko pozorovať torzné vzťahy a orientáciu rovníkových a axiálnych atómov vodíka.

Usporiadanie atómov vodíka v Newmanovej projekcii však možno analyzovať aj pri pohľade na akýkoľvek pár paralelných väzieb CC.

Newmanova projekcia cyklohexánu. Durfo / CC0

konformácie

Cyklohexán sa môže vyskytovať v dvoch vzájomne zameniteľných konfiguráciách: loď a stolička. Posledne menovaná je však najstabilnejšou konformáciou, pretože v cyklohexánovej štruktúre nie je žiadne uhol alebo torzné napätie; viac ako 99% molekúl je v akomkoľvek čase v kresle.

Konformácia cyklohexánu na stoličke. Chem Sim 2001 / Public Domain

Konformácia stoličky

V konformácii stoličky sú všetky uhly CC väzby 109,5 °, čo ich zbavuje uhlového napätia. Pretože sú jednosmerné spoje dokonale rozložené, sedlová konformácia je tiež bez torzného namáhania. Taktiež atómy vodíka v opačných rohoch cyklohexánového kruhu sú od seba vzdialené.

Konformácia lode

Tvar stoličky môže mať iný tvar, ktorý sa nazýva tvar plechovky. K tomu dochádza v dôsledku čiastočnej rotácie CC jednoduchých väzieb kruhu. Takáto konformácia tiež nepredstavuje uhlové napätie, ale má torzné napätie.

Konformácia cyklohexánu. Keministi / verejné vlastníctvo

Pri pohľade na model konformácie lode sa na spojovacích osách CC pozdĺž každej strany zistí, že väzby C - H v týchto atómoch uhlíka sú zatienené, čo spôsobuje torzné napätie.

Dva atómy vodíka sú tiež dostatočne blízko seba, aby vytvorili odpudivé sily Van Der Waalsa.

Krútená konformácia lode

Ak sa konformácia lode ohne, získate spletenú konformáciu lode, ktorá môže zmierniť torzné napätie a tiež znížiť interakcie medzi atómami vodíka.

Stabilita získaná ohnutím je však nedostatočná na to, aby sa stočená konformácia lode stala stabilnejšou ako sedlová konformácia.

Krútená konformácia cyklohexánu. Keministi / CC0

aplikácia

Výroba nylonu

Takmer všetok komerčne vyrábaný cyklohexán (viac ako 98%) sa široko používa ako surovina pri priemyselnej výrobe prekurzorov nylonu: kyselina adipová (60%), kaprolaktám a hexametyléndiamín. 75% kaprolaktámu vyrobeného na celom svete sa používa na výrobu nylonu 6.

Gitara s nylonovými strunami. Zdroj: pexels.com

Výroba ostatných zlúčenín

Cyklohexán sa však tiež používa na výrobu benzénu, cyklohexylchloridu, nitrocyklohexánu, cyklohexanolu a cyklohexanónu; pri výrobe pevného paliva; vo fungicídnych formuláciách; a pri priemyselnej rekryštalizácii steroidov.

Menšinové aplikácie

Veľmi malá frakcia vyrobeného cyklohexánu sa používa ako nepolárne rozpúšťadlo pre chemický priemysel a ako riedidlo pri polymerizačných reakciách. Môže sa používať aj ako odstraňovač farieb a lakov; pri extrakcii éterických olejov; a náhrady skla.

Cyklohexán sa vďaka svojim jedinečným chemickým a konformačným vlastnostiam používa aj v laboratóriách analytickej chémie na stanovenie molekulovej hmotnosti a ako štandard.

Výroba

Tradičný proces

Cyklohexán je prítomný v rope v koncentráciách, ktoré sa pohybujú medzi 0,1 a 1,0%. Preto sa tradične vyrábala frakčnou destiláciou benzínu, pri ktorej sa pomocou frakcionácie získal koncentrát 85% cyklohexánu.

Frakčná destilácia ropy. Crude_Oil_Distillation-fr.svg: Originál obrázka: Psarianos, Theresa knott; image vectorielle: Rogilbertderivative work: Utain () / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)

Tento koncentrát sa predával ako taký, pretože si vyžadovalo ďalšie čistenie, pri ktorom sa uskutočnil proces izomerizácie pentánu, krakovanie za tepla na odstránenie uhľovodíkov s otvoreným reťazcom a pôsobenie kyseliny sírovej na odstránenie aromatických zlúčenín.

Väčšina problémov pri získavaní cyklohexánu s vyššou čistotou bola spôsobená veľkým počtom ropných zložiek s podobnými bodmi varu.

Vysoko efektívny proces

V súčasnosti sa cyklohexán vyrába v priemyselnom meradle reakciou benzénu s vodíkom (katalytická hydrogenácia) kvôli jednoduchosti postupu a jeho vysokej účinnosti.

Táto reakcia sa môže uskutočňovať pomocou metód v kvapalnej alebo plynnej fáze v prítomnosti vysoko dispergovaného katalyzátora alebo v pevnom lôžku katalyzátora. Bolo vyvinutých niekoľko spôsobov, pri ktorých sa ako katalyzátor používa nikel, platina alebo paládium.

Väčšina cyklohexánových závodov používa ako východiskovú surovinu na výrobu cyklohexánu reformovací plyn produkujúci benzén a veľké množstvá vedľajších produktov vodíka.

Pretože náklady na vodík a benzén sú rozhodujúce pre ziskovú výrobu cyklohexánu, zariadenia sa často nachádzajú v blízkosti veľkých rafinérií, kde sú dostupné lacné suroviny.

Referencie

1. Campbell, ML (2014). Cyklohexán. Ullmann s Encyclopedia of Industrial Chemistry (7 ^th ed.). New York: John Wiley & Sons.
2. McMurry, J. (2011). Základy organickej chémie (7 ^th Ed.). Belmont: Brooks / Cole.
3. Národné centrum pre biotechnologické informácie. (2020) PubChem Database. Cyklohexán, CID = 8078. Bethesda: Národná lekárska knižnica. Získané z: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
4. Ouellette, RJ, a Rawn, JD (2014). Organická chémia - štruktúra, mechanizmus a syntéza. San Diego: Elsevier.
5. Petrucci, RH, sleď, FG, Bissonnette, C. a Madura, JD (2017). Všeobecná chémia: Principles and Modern Applications (11 ^th ed.). New York: Pearson.
6. Solomons, TW, Fryhle, CB, a Snyder, SA (2016). Organická chémia (12 ^th ed.). Hoboken: John Wiley & Sons.
7. Wade, LG (2013). Organic Chemistry (8. vydanie). New York. Pearson.