CICLOHEXAN: STRUCTURĂ, UTILIZĂRI, CONFORMAȚII - CHIMIE - 2025

Ciclohexan este un cicloalcan relativ stabil , cu formula moleculară C ₆ H ₁₂ . Este un lichid incolor, inflamabil, care are un miros ușor de solvent, dar poate pătrunde în prezența impurităților.

Ea are o densitate de 0,779 g / cm ³ ; fierbe la 80,7 ° C; și congelat la 6,4 ° C. Este considerată insolubilă în apă, deoarece solubilitatea sa nu poate fi mai mică decât 50 ppm (aprox.) La temperatura camerei. Cu toate acestea, se amestecă ușor cu alcoolul, eterul, cloroformul, benzenul și acetona.

Model 3D al moleculei ciclohexanului. Jynto și Ben Mills / Domeniu public

Sistemele inelare de ciclohexan sunt mai frecvente printre moleculele organice din natură decât cele ale altor cicloalcani. Acest lucru se poate datora atât stabilității lor, cât și selectivității oferite de conformațiile lor bine stabilite.

De fapt, carbohidrații, steroizii, produsele vegetale, pesticidele și mulți alți compuși importanți conțin inele similare cu cele ale ciclohexanului, ale căror conformații sunt de o importanță deosebită pentru reactivitatea lor.

Structura

Ciclohexanul este un hidrocarbon aliciclic cu șase membri. Există mai ales într-o conformație în care toate legăturile CH din atomii de carbon vecini sunt eșalonate, cu unghiuri diedre egale cu 60 °.

Deoarece are cel mai scăzut unghi și tensiune torsională a tuturor cicloalcanilor, ciclohexanul este considerat a avea zero în raport cu tensiunea totală a inelului. Acest lucru face, de asemenea, ciclohexanul cel mai stabil dintre cicloalcani și, prin urmare, produce cea mai mică cantitate de căldură atunci când este ars comparativ cu celelalte cicloalcanii.

Pozițiile substanțiale

Există două tipuri de poziții pentru substituenți pe inelul ciclohexan: pozițiile axiale și pozițiile ecuatoriale. Legăturile ecuatoriale CH se află într-o bandă din jurul ecuatorului inelului.

La rândul său, fiecare atom de carbon are un hidrogen axial care este perpendicular pe planul inelului și paralel cu axa sa. Hidrogenii axiali alternează în sus și în jos; fiecare atom de carbon are o poziție axială și una ecuatorială; și fiecare parte a inelului are trei poziții axiale și trei ecuatoriale într-un aranjament alternativ.

Modele de studiu

Ciclohexanul este cel mai bine studiat prin construirea unui model molecular molecular sau cu un program de modelare moleculară. Când folosiți oricare dintre aceste modele, este posibil să observați cu ușurință relațiile de torsiune și orientarea atomilor de hidrogen ecuatoriali și axiali.

Cu toate acestea, aranjarea atomilor de hidrogen într-o proiecție Newman poate fi, de asemenea, analizată analizând orice pereche de legături CC paralele.

Proiecție Newman de ciclohexan. Durfo / CC0

conformații

Ciclohexanul poate apărea în două conformații care sunt interconvertibile: barca și scaunul. Totuși, ultima este conformația cea mai stabilă, deoarece nu există un unghi sau o tensiune torsională în structura ciclohexanului; mai mult de 99% din molecule sunt în conformitate cu un scaun la un moment dat.

Conformarea scaunului cu ciclohexanul. Chem Sim 2001 / Domeniu public

Conformitate scaun

În conformitate cu scaunul, toate unghiurile de legătură CC sunt de 109,5 °, ceea ce le scutește de stres unghiular. Deoarece legăturile DC sunt perfect eșalonate, conformația șa este, de asemenea, lipsită de tensiune torsională. De asemenea, atomii de hidrogen din colțurile opuse ale inelului ciclohexan sunt distanțați la distanță.

Conformarea barcii

Forma scaunului poate lua o altă formă numită formă de conserve. Acest lucru apare ca urmare a rotirilor parțiale pe legăturile CC ale inelului. O astfel de conformare nu prezintă, de asemenea, stres unghiular, dar are tensiune torsională.

Conformitate cu barca ciclohexan. Keministi / Domeniu public

Când privim un model al conformației barcii, la axele de legătură CC de-a lungul fiecărei părți, se constată că legăturile C-H din acei atomi de carbon sunt eclipsate, producând tensiune torsională.

De asemenea, doi dintre atomii de hidrogen sunt suficient de aproape unul de celălalt pentru a genera forțe repulsive Van Der Waals.

Conformitatea bărcii răsucite

Dacă conformația ambarcațiunii se flexează, obțineți conformația cu barca răsucită, care poate ameliora o parte din stresul de torsiune și reduce, de asemenea, interacțiunile dintre atomii de hidrogen.

Cu toate acestea, stabilitatea obținută prin îndoire nu este suficientă pentru a face conformația bărcii răsucite mai stabilă decât conformației șa.

Conformitate cu ciclohexanul bărcii răsucite. Keministi / CC0

Aplicații

Fabricarea nailonului

Aproape toată ciclohexanul produs comercial (mai mult de 98%) este utilizat pe scară largă ca materie primă în producția industrială a precursorilor de nylon: acid adipic (60%), caprolactam și hexametilendiamină. 75% din caprolactamul produs la nivel mondial este utilizat pentru fabricarea nailonului 6.

Chitară cu corzi de nailon. Sursa: pexels.com

Fabricarea altor compuși

Cu toate acestea, ciclohexanul este utilizat și la fabricarea benzenului, clorurii ciclohexilului, nitrociclohexanului, ciclohexanolului și ciclohexanonei; în fabricarea combustibilului solid; în formulări fungicide; iar în recristalizarea industrială a steroizilor.

Aplicații minoritare

O fracțiune foarte mică din ciclohexanul produs este utilizat ca solvent nepolar pentru industria chimică și ca diluant în reacțiile polimerice. Poate fi, de asemenea, utilizat ca detergent pentru vopsea și lac; în extragerea uleiurilor esențiale; și înlocuitori de sticlă.

Datorită proprietăților sale unice și chimice conformaționale, ciclohexanul este utilizat și în laboratoarele de chimie analitică pentru determinarea greutății moleculare și ca standard.

Fabricare

Proces tradițional

Ciclohexanul este prezent în țiței în concentrații care variază între 0,1 și 1,0%. Prin urmare, obișnuia să fie produsă în mod tradițional prin distilarea fracționată a naftei în care s-a obținut un concentrat de 85% ciclohexan prin super-fracționare.

Distilarea fracțională a petrolului. Crude_Oil_Distillation-fr.svg: Imagine originală: Psarianos, Theresa knott; Image vectorielle: Lucrare Rogilbertderivative: Utain () / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)

Acest concentrat a fost vândut ca atare, deoarece purificarea suplimentară a necesitat efectuarea unui proces de izomerizare pentană, fisurarea căldurii pentru a elimina hidrocarburile cu lanț deschis și tratarea cu acid sulfuric pentru a îndepărta compușii aromatici.

O mare parte din dificultatea obținerii ciclohexanului cu o puritate mai mare s-a datorat numărului mare de componente petroliere cu puncte de fierbere similare.

Proces de înaltă eficiență

Astăzi, ciclohexanul este produs la scară industrială prin reacția benzenului cu hidrogenul (hidrogenarea catalitică) datorită simplității procesului și a eficienței ridicate a acestuia.

Această reacție poate fi realizată folosind metode în fază lichidă sau în vapori în prezența unui catalizator foarte dispersat sau într-un pat catalizator fix. Au fost dezvoltate mai multe procese în care nichelul, platina sau paladiul este utilizat ca catalizator.

Majoritatea instalațiilor de ciclohexan folosesc gaz de reformare producătoare de benzen și cantități mari de subproduse de hidrogen ca materie primă pentru producția de ciclohexan.

Deoarece costurile cu hidrogenul și benzenul sunt esențiale pentru fabricarea profitabilă a ciclohexanului, plantele sunt adesea situate în apropierea rafinăriilor mari, unde sunt disponibile materii prime ieftine.

Referințe

1. Campbell, ML (2014). Ciclohexan. Enciclopedia de chimie industrială a lui Ullmann ( ediția a ^VII -a). New York: John Wiley & Sons.
2. McMurry, J. (2011). Bazele chimiei organice ( ediția a ^VII -a). Belmont: Brooks / Cole.
3. Centrul Național de Informații Biotehnologice. (2020) Baza de date PubChem. Ciclohexan, CID = 8078. Bethesda: Biblioteca Națională de Medicină. Recuperat din: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
4. Ouellette, RJ, & Rawn, JD (2014). Chimie organică - structură, mecanism și sinteză. San Diego: Elsevier.
5. Petrucci, RH, Herring, FG, Bissonnette, C., & Madura, JD (2017). Chimie generală: principii și aplicații moderne ( ediția ^a 11- ^a ). New York: Pearson.
6. Solomons, TW, Fryhle, CB, & Snyder, SA (2016). Chimie organică ( ediția ^a 12- ^a ). Hoboken: John Wiley & Sons.
7. Wade, LG (2013). Chimie organică (ediția a VIII-a). New York. Pearson.