SYKLOHEKSAN: STRUKTUR, BRUK, KONFORMASJONER - KJEMI - 2026

Den cykloheksan er en forholdsvis stabil cykloalkan med molekylformel C ₆ H ₁₂ . Det er en fargeløs, brennbar væske som har en mild løsemiddellukt, men kan trenge gjennom i nærvær av urenheter.

Den har en densitet på 0,779 g / cm ³ ; koker ved 80,7 ° C; og frosset ved 6,4 ° C. Det anses som uoppløselig i vann, da dets løselighet bare kan være så lavt som 50 ppm (ca.) ved romtemperatur. Imidlertid kan den enkelt blandes med alkohol, eter, kloroform, benzen og aceton.

3D-modell av cykloheksanmolekylet. Jynto og Ben Mills / Public domain

Ringsystemer av cykloheksan er mer vanlig blant organiske molekyler i naturen enn for andre cykloalkaner. Dette kan skyldes både deres stabilitet og selektiviteten som tilbys av deres veletablerte konformasjoner.

Faktisk inneholder karbohydrater, steroider, planteprodukter, plantevernmidler og mange andre viktige forbindelser ringer som ligner på cykloheksan, hvis konformasjoner er av stor betydning for deres reaktivitet.

Struktur

Sykloheksan er et seks-leddet alisyklisk hydrokarbon. Det eksisterer hovedsakelig i en konstruksjon der alle CH-bindinger i nærliggende karbonatomer er forskjøvet, med dihedrale vinkler lik 60 °.

Fordi den har den laveste vinkel og torsjonsspenningen for alle cykloalkaner, anses cykloheksan å ha null i forhold til total ringespenning. Dette gjør også cyclohexane til den mest stabile av cycloalkanes og produserer derfor den minste mengden varme når den brennes sammenlignet med de andre cycloalkanesene.

Substituentstillinger

Det er to typer stillinger for substituenter på cykloheksanringen: aksiale posisjoner og ekvatoriale posisjoner. Ekvatoriale CH-bindinger ligger i et bånd rundt ekvator av ringen.

I sin tur har hvert karbonatom et aksialt hydrogen som er vinkelrett på ringets plan og parallelt med dens akse. Aksiale hydrogener veksler opp og ned; hvert karbonatom har en aksial og en ekvatorial stilling; og hver side av ringen har tre aksiale og tre ekvatoriale posisjoner i et vekslende arrangement.

Studiemodeller

Sykloheksan studeres best ved å bygge en fysisk molekylær modell eller med et molekylært modelleringsprogram. Når du bruker noen av disse modellene, er det mulig å observere torsjonsforhold og orientering av ekvatoriale og aksiale hydrogenatomer.

Imidlertid kan arrangementet av hydrogenatomer i en Newman-projeksjon også analyseres ved å se på et par par parallelle CC-bindinger.

Newman-projeksjon av cykloheksan. Durfo / CC0

conformations

Sykloheksan kan forekomme i to konformasjoner som er interkonvertible: båt og stol. Sistnevnte er imidlertid den mest stabile konstruksjonen, ettersom det ikke er noen vinkel eller torsjonsspenning i cykloheksanstrukturen; mer enn 99% av molekylene er i en stolkonformasjon til enhver tid.

Stolkonformasjon av cykloheksan. Chem Sim 2001 / Public domain

Stolkonformasjon

I en stolkonformasjon er alle CC-bindingsvinkler 109,5 °, noe som avlaster dem for vinkelspenning. Fordi DC-leddene er perfekt forskjøvet, er sadelkonformasjonen også fri for torsjonsspenning. Hydrogenatomene i de motsatte hjørnene av cykloheksanringen er også fordelt så langt fra hverandre.

Båtkonformasjon

Stolformen kan ta en annen form som kalles boksformen. Dette skjer som et resultat av delvise rotasjoner på CC-enkeltbindingene i ringen. En slik konstruksjon gir heller ikke vinkelspenning, men den har torsjonsspenning.

Konstruksjon av sykloheksanbåt. Keministi / Public domain

Når man ser på en modell av båtkonformasjonen, ved CC-bindingsaksene langs hver side, finner man at C-H-bindingene i disse karbonatomene er formørket, og gir torsjonsspenning.

To av hydrogenatomene er også nær nok til å generere Van Der Waals frastøtende krefter.

Konstruert vridd båt

Hvis båtkonformasjonen bøyer seg, får du den vridde båtkonformasjonen som kan avlaste noe av torsjonsspenningen og også redusere samspillet mellom hydrogenatomene.

Imidlertid er stabiliteten oppnådd ved bøying utilstrekkelig for å gjøre den tvinnede båtkonformasjonen mer stabil enn sadelkonformasjonen.

Twisted båtkonformasjon av cyclohexane. Keministi / CC0

applikasjoner

Nylonproduksjon

Nesten alt av det kommersielt produserte cykloheksan (mer enn 98%) er mye brukt som råstoff i industriell produksjon av nylonforløpere: adipinsyre (60%), kaprolaktam og heksametylendiamin. 75% av caprolactam produsert over hele verden brukes til å lage nylon 6.

Gitar med nylonstrenger. Kilde: pexels.com

Produksjon av andre forbindelser

Sykloheksan brukes imidlertid også ved fremstilling av benzen, cykloheksylklorid, nitrocykloheksan, cykloheksanol og cykloheksanon; i produksjon av fast brensel; i soppdrepende formuleringer; og ved industriell omkrystallisering av steroider.

Minoritetsapplikasjoner

En veldig liten fraksjon av det produserte cykloheksan brukes som et ikke-polart løsningsmiddel for den kjemiske industrien og som et fortynningsmiddel i polymerreaksjoner. Det kan også brukes som en maling og lakkfjerner; i ekstraksjon av essensielle oljer; og glasserstatninger.

På grunn av dets unike kjemiske og konformasjonsegenskaper, brukes cykloheksan også i analytiske kjemilaboratorier for molekylvektbestemmelser og som standard.

Produksjon

Tradisjonell prosess

Sykloheksan er til stede i råolje i konsentrasjoner som varierer mellom 0,1 og 1,0%. Derfor ble det tradisjonelt produsert ved fraksjonert destillasjon av nafta hvor et konsentrat på 85% cykloheksan ble oppnådd ved superfraksjonering.

Brøkdestillasjon av petroleum. Crude_Oil_Distillation-fr.svg: Image originale: Psarianos, Theresa knott; image vectorielle: Rogilbertderivative work: Utain () / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)

Dette konsentratet ble solgt som sådan, da ytterligere rensing krevde for å utføre en prosess med isomerisering av pentaner, varmesprengning for å fjerne åpenkjede hydrokarboner og behandling med svovelsyre for å fjerne aromatiske forbindelser.

Mye av vanskeligheten med å oppnå cykloheksan med høyere renhet skyldtes det store antall petroleumskomponenter med lignende kokepunkter.

Prosess med høy effektivitet

I dag produseres cykloheksan i industriell skala ved å reagere benzen med hydrogen (katalytisk hydrogenering) på grunn av enkelhet i prosessen og dens høye effektivitet.

Denne reaksjonen kan utføres ved bruk av væske- eller dampfasemetoder i nærvær av en sterkt dispergert katalysator eller i et fast katalysatorlag. Flere prosesser er utviklet der nikkel, platina eller palladium brukes som katalysator.

De fleste cykloheksananlegg bruker benzenproduserende reformergass og store mengder hydrogenbiprodukter som råstoff for cyclohexanproduksjon.

Fordi hydrogen- og benzenkostnader er kritiske for lønnsom produksjon av sykloheksan, er anlegg ofte lokalisert i nærheten av store raffinerier hvor rimelige råvarer er tilgjengelige.

referanser

1. Campbell, ML (2014). Sykloheksan. Ullmanns Encyclopedia of Industrial Chemistry (7 ^th ed.). New York: John Wiley & Sons.
2. McMurry, J. (2011). Fundamentals of Organic Chemistry (7 ^th ed.). Belmont: Brooks / Cole.
3. Nasjonalt senter for informasjon om bioteknologi. (2020) PubChem-databasen. Sykloheksan, CID = 8078. Bethesda: National Library of Medicine. Gjenopprettet fra: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
4. Ouellette, RJ, & Rawn, JD (2014). Organisk kjemi - struktur, mekanisme og syntese. San Diego: Elsevier.
5. Petrucci, RH, Herring, FG, Bissonnette, C., & Madura, JD (2017). Generell kjemi: Prinsipper og moderne applikasjoner (11 ^th ed.). New York: Pearson.
6. Solomons, TW, Fryhle, CB, & Snyder, SA (2016). Organisk kjemi (12 ^th ed.). Hoboken: John Wiley & Sons.
7. Wade, LG (2013). Organisk kjemi (8. utg.). New York. Pearson.