CYKLOHEXAN: STRUKTUR, ANVÄNDNING, KONFORMATIONER - KEMI - 2025

Den cyklohexan är en relativt stabil cykloalkan med molekylformeln C ₆ H ₁₂ . Det är en färglös, brandfarlig vätska som har en mild lösningsmedelslukt, men kan tränga igenom i närvaro av föroreningar.

Den har en densitet av 0,779 g / cm ^{^} ; kokar vid 80,7 ° C; och fryst vid 6,4 ° C. Det anses vara olösligt i vatten, eftersom dess löslighet endast kan vara så lågt som 50 ppm (ungefär) vid rumstemperatur. Det blandas emellertid enkelt med alkohol, eter, kloroform, bensen och aceton.

3D-modell av cyklohexanmolekylen. Jynto och Ben Mills / Public domain

Ringsystem av cyklohexan är vanligare bland organiska molekyler i naturen än hos andra cykloalkaner. Detta kan bero på både deras stabilitet och den selektivitet som erbjuds av deras väletablerade överensstämmelser.

I själva verket innehåller kolhydrater, steroider, växtprodukter, bekämpningsmedel och många andra viktiga föreningar ringar som liknar cyklohexan, vars konformationer är av stor betydelse för deras reaktivitet.

Strukturera

Cyklohexan är ett sex-ledat alicykliskt kolväte. Det existerar huvudsakligen i en konformation där alla CH-bindningar i angränsande kolatomer är förskjutna, med dihedrala vinklar lika med 60 °.

Eftersom den har den lägsta vinkeln och torsionsspänningen för alla cykloalkaner, anses cyklohexan ha noll relativt den totala ringspänningen. Detta gör cyklohexan också till den mest stabila av cykloalkanerna och producerar därför den minsta mängden värme när den bränns jämfört med de andra cykloalkanerna.

Substituent positioner

Det finns två typer av positioner för substituenter på cyklohexanringen: axiella positioner och ekvatoriella positioner. Ekvatoriala CH-bindningar ligger i ett band runt ringens ekvator.

I sin tur har varje kolatom ett axiellt väte som är vinkelrätt mot ringplanet och parallellt med dess axel. Axiella vätgas växlar upp och ner; varje kolatom har en axiell och en ekvatoriell position; och vardera sidan av ringen har tre axiella och tre ekvatoriella positioner i ett alternerande arrangemang.

Studiemodeller

Cyklohexan studeras bäst genom att bygga en fysisk molekylär modell eller med ett molekylärt modelleringsprogram. När du använder någon av dessa modeller är det möjligt att enkelt observera torsionsförhållandena och orienteringen av ekvatoriala och axiella väteatomer.

Emellertid kan arrangemanget av väteatomer i en Newman-projektion också analyseras genom att titta på valfritt par parallella CC-bindningar.

Newman-projektion av cyklohexan. Durfo / CC0

konforma

Cyklohexan kan uppstå i två konformationer som är konvertibla: båt och stol. Det senare är emellertid den mest stabila konstruktionen, eftersom det inte finns någon vinkel eller vridspänning i cyklohexanstrukturen; mer än 99% av molekylerna är i en stolkonformation vid en viss tidpunkt.

Stolkonformation av cyklohexan. Chem Sim 2001 / Public domain

Stolkonformation

I en stolkonformation är alla CC-bindningsvinklar 109,5 °, vilket avlöser dem från vinkelspänning. Eftersom DC-länkarna är perfekt förskjutna är sadelkonstruktionen också fri från torsionsspänning. Dessutom är väteatomerna i motsatta hörn av cyklohexanringen placerade så långt ifrån varandra.

Båtkonformation

Stolens form kan ta en annan form som kallas burkformen. Detta inträffar som ett resultat av partiella rotationer på ringens CC-bindningar. En sådan konformation uppvisar inte heller vinkelbelastning, men den har vridspänning.

Cyklohexan båtkonformation. Keministi / Public domain

När man tittar på en modell av båtkonformationen, vid CC-bindningsaxlarna längs varje sida, har man konstaterat att C-H-bindningarna i dessa kolatomer är förmörkade, vilket ger vridstress.

Två av väteatomerna är tillräckligt nära varandra för att generera Van Der Waals avvisande krafter.

Twisted båtkonformation

Om båtkonformationen böjs får du den tvinnade båtkonformationen som kan lindra en del av torsionsspänningen och också minska växelverkan mellan väteatomerna.

Den stabilitet som erhålls genom böjning är emellertid otillräcklig för att göra den tvinnade båtkonformationen mer stabil än sadelkonformationen.

Vridad båtkonformation av cyklohexan. Keministi / CC0

tillämpningar

Nylontillverkning

Nästan all kommersiellt producerad cyklohexan (mer än 98%) används ofta som råmaterial för industriell produktion av nylonprekursorer: adipinsyra (60%), caprolactam och hexametylendiamin. 75% av caprolactam som produceras över hela världen används för att tillverka nylon 6.

Gitarr med nylonsträngar. Källa: pexels.com

Tillverkning av andra föreningar

Cyklohexan används emellertid också vid tillverkning av bensen, cyklohexylklorid, nitrocyklohexan, cyklohexanol och cyklohexanon; vid tillverkning av fast bränsle; i fungicida formuleringar; och vid industriell omkristallisation av steroider.

Minoritetsapplikationer

En mycket liten fraktion av den producerade cyklohexanen används som ett icke-polärt lösningsmedel för den kemiska industrin och som ett utspädningsmedel vid polymerreaktioner. Det kan också användas som en färg- och lackborttagare; vid extraktion av eteriska oljor; och glasersättare.

På grund av dess unika kemiska och konformationella egenskaper används cyklohexan också i analyskemilaboratorier för molekylviktsbestämningar och som standard.

Tillverkning

Traditionell process

Cyklohexan förekommer i råolja i koncentrationer som varierar mellan 0,1 och 1,0%. Därför producerades det traditionellt genom fraktionerad destillation av nafta, i vilket ett koncentrat av 85% cyklohexan erhölls genom superfraktionering.

Fraktionerad destillation av petroleum. Crude_Oil_Distillation-fr.svg: Image originale: Psarianos, Theresa knott; bildvektorielle: Rogilbertderivativt arbete: Utain () / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)

Detta koncentrat såldes som sådant, eftersom ytterligare rening krävdes för att genomföra en pentanisomeriseringsprocess, värmebildning för att avlägsna kolväten med öppen kedja och behandling med svavelsyra för att avlägsna aromatiska föreningar.

Mycket av svårigheten att erhålla cyklohexan med högre renhet berodde på det stora antalet petroleumkomponenter med liknande kokpunkter.

Hög effektivitetsprocess

Idag produceras cyklohexan i industriell skala genom att reagera bensen med väte (katalytisk hydrering) på grund av processens enkelhet och dess höga effektivitet.

Denna reaktion kan genomföras med användning av vätske- eller ångfasmetoder i närvaro av en starkt dispergerad katalysator eller i en fast katalysatorbädd. Flera processer har utvecklats där nickel, platina eller palladium används som katalysator.

De flesta cyklohexananläggningar använder bensenproducerande reformgas och stora mängder vätebiprodukter som råmaterial för cyklohexanproduktion.

Eftersom väte- och bensenkostnader är avgörande för att lönsamma cyklohexan kan växter placeras ofta nära stora raffinaderier där billiga råvaror finns tillgängliga.

referenser

1. Campbell, ML (2014). Cyklohexan. Ullmanns Encyclopedia of Industrial Chemistry (7: ^e upplagan). New York: John Wiley & Sons.
2. McMurry, J. (2011). Fundamentals of Organic Chemistry (7: ^e upplagan). Belmont: Brooks / Cole.
3. National Center for Biotechnology Information. (2020) PubChem-databas. Cyklohexan, CID = 8078. Bethesda: National Library of Medicine. Återställd från: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
4. Ouellette, RJ, & Rawn, JD (2014). Organisk kemi - struktur, mekanism och syntes. San Diego: Elsevier.
5. Petrucci, RH, Herring, FG, Bissonnette, C., & Madura, JD (2017). Allmän kemi: principer och moderna tillämpningar (11: ^e upplagan). New York: Pearson.
6. Solomons, TW, Fryhle, CB, & Snyder, SA (2016). Organisk kemi (12: ^e upplagan). Hoboken: John Wiley & Sons.
7. Wade, LG (2013). Organisk kemi (8: e upplagan). New York. Pearson.