ЦИКЛОХЕКСАН: СТРУКТУРА, ПРИЛОЖЕНИЯ, КОНФОРМАЦИИ - ХИМИЯ - 2025

В циклохексан е относително стабилна циклоалкан с молекулна формула C ₆ H ₁₂. Това е безцветна, запалима течност, която има лек мирис на разтворител, но може да бъде проникваща в присъствието на примеси.

Има плътност 0,779 g / cm ³; кипи при 80,7 ° C; и замразени при 6.4 ° С. Счита се за неразтворим във вода, тъй като разтворимостта му може да бъде само 50 ppm (приблизително) при стайна температура. Въпреки това, той се смесва лесно с алкохол, етер, хлороформ, бензол и ацетон.

3D модел на молекулата циклохексан. Jynto и Ben Mills / Публично достояние

Пръстеновите системи на циклохексана са по-често срещани сред органичните молекули в природата, отколкото тези на други циклоалкани. Това може да се дължи както на тяхната стабилност, така и на селективността, предлагана от техните добре установени конформации.

Всъщност въглехидратите, стероидите, растителните продукти, пестицидите и много други важни съединения съдържат пръстени, подобни на тези на циклохексан, чиито конформи са от голямо значение за тяхната реактивност.

структура

Циклохексанът е шестчленен алицикличен въглеводород. Той съществува главно в конформация, в която всички СН връзки в съседните въглеродни атоми са подредени, с двустранни ъгли, равни на 60 °.

Тъй като има най-нисък ъгъл и торсионно напрежение от всички циклоалкани, счита се, че циклохексанът има нула спрямо общото напрежение в пръстена. Това също прави циклохексана най-стабилен от циклоалканите и следователно произвежда най-малкото количество топлина при изгаряне в сравнение с другите циклоалкани.

Заместителни позиции

Има два вида позиции за заместители на циклохексановия пръстен: аксиални положения и екваториални позиции. Екваториалните СН връзки лежат в лента около екватора на пръстена.

От своя страна всеки въглероден атом има аксиален водород, който е перпендикулярен на равнината на пръстена и успореден на оста му. Аксиалните водороди се редуват нагоре и надолу; всеки въглероден атом има аксиално и екваториално положение; и всяка страна на пръстена има три аксиални и три екваториални позиции в редуващо се разположение.

Модели на проучване

Циклохексанът се изследва най-добре чрез изграждане на физически молекулен модел или с програма за молекулно моделиране. При използване на някой от тези модели е възможно лесно да се наблюдават торсионните връзки и ориентацията на екваториалните и аксиални водородни атоми.

Въпреки това, подредбата на водородните атоми в проекция на Нюман също може да бъде анализирана, като се разгледа всяка двойка паралелни CC връзки.

Нюман проекция на циклохексан. Durfo / CC0

конформации

Циклохексанът може да се прояви в две конформации, които са взаимосвързани: лодка и стол. Последното обаче е най-стабилната конформация, тъй като в циклохексановата структура няма ъгъл или торсионно напрежение; повече от 99% от молекулите са във форма на стол във всеки даден момент.

Конформация на стола на циклохексан. Chem Sim 2001 / Public domain

Конформация на стола

При конформация на стола, всички ъгли на СС са 109,5 °, което ги освобождава от ъглово напрежение. Тъй като DC връзките са перфектно подредени, конформацията на седлото също е без торсионно напрежение. Също така водородните атоми в противоположните ъгли на циклохексановия пръстен са разположени на разстояние една от друга.

Конформация на лодката

Формата на стола може да приеме друга форма, наречена форма на консерва. Това се получава в резултат на частични завъртания на CC единичните връзки на пръстена. Такава конформация също не представлява ъглово напрежение, но има торсионно напрежение.

Циклохексанова конформация на лодката. Keministi / Публично достояние

При разглеждане на модел на конформацията на лодката, на осите на СС връзката по протежение на всяка страна, се установява, че С-Н връзките в тези въглеродни атоми са затъмнени, предизвиквайки торсионно напрежение.

Освен това два от водородните атоми са достатъчно близо един до друг, за да генерират отблъскващи сили на Van Der Waals.

Конформация с усукана лодка

Ако конформацията на лодката се огъва, получавате усуканата конформация на лодката, която може да облекчи част от торсионния стрес и също така да намали взаимодействията между водородните атоми.

Въпреки това, стабилността, получена чрез огъване, е недостатъчна, за да направи конструкцията на усуканата лодка по-стабилна от конформацията на седлото.

Конформация на усукана лодка от циклохексан. Keministi / CC0

Приложения

Найлоново производство

Почти всички произведени в търговската мрежа циклохексан (повече от 98%) са широко използвани като суровина при промишленото производство на найлонови прекурсори: адипинова киселина (60%), капролактам и хексаметилендиамин. 75% от произведения капролактам в световен мащаб се използва за производството на найлон 6.

Китара с найлонови струни. Източник: pexels.com

Производство на други съединения

Циклохексанът обаче се използва и при производството на бензен, циклохексил хлорид, нитроциклохексан, циклохексанол и циклохексанон; при производството на твърдо гориво; във фунгицидни състави; и в индустриалната рекристализация на стероиди.

Заявления за малцинства

Много малка част от произведения циклохексан се използва като неполярен разтворител за химическата промишленост и като разредител в полимерни реакции. Може да се използва и като средство за отстраняване на бои и лакове; при извличането на етерични масла; и заместители на стъклото

Поради своите уникални химични и конформационни свойства, циклохексанът се използва и в лаборатории за аналитична химия за определяне на молекулното тегло и като стандарт.

производство

Традиционен процес

Циклохексанът присъства в суровия нефт в концентрации, които варират между 0,1 и 1,0%. Поради това традиционно се получава чрез фракционна дестилация на нафта, при която чрез супер-фракциониране се получава концентрат от 85% циклохексан.

Фракционна дестилация на петрол. Crude_Oil_Distillation-fr.svg: оригинал на изображението: Psarianos, Theresa knott; image vectorielle: Rogilbertderivative work: Utain () / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)

Този концентрат се продава като такъв, тъй като е необходимо по-нататъшно пречистване да се проведе процес на изомеризация на пентан, термично крекиране за отстраняване на отворени вериги въглеводороди и обработка със сярна киселина за отстраняване на ароматни съединения.

Голяма част от трудността при получаването на циклохексан с по-висока чистота се дължи на големия брой петролни компоненти с подобни точки на кипене.

Процес с висока ефективност

Днес циклохексанът се произвежда в индустриален мащаб чрез взаимодействие на бензол с водород (каталитично хидрогениране) поради простотата на процеса и високата му ефективност.

Тази реакция може да се проведе с помощта на течни или парофазни методи в присъствието на силно диспергиран катализатор или във фиксиран слой на катализатор. Разработени са няколко процеса, при които никел, платина или паладий се използват като катализатор.

Повечето циклохексанови инсталации използват бензин, произвеждащ реформатор, и големи количества водородни странични продукти като суровина за производството на циклохексан.

Тъй като разходите за водород и бензен са от решаващо значение за изгодното производство на циклохексан, предприятията често се намират в близост до големи рафинерии, където се предлагат евтини суровини.

Препратки

1. Кембъл, ML (2014). Циклохексан. Енциклопедия на индустриалната химия на Ullmann (7 ^-мо издание). Ню Йорк: John Wiley & Sons.
2. McMurry, J. (2011). Основи на органичната химия (7 ^-мо издание). Белмонт: Брукс / Коул.
3. Национален център за информация за биотехнологиите. (2020) База данни на PubChem. Циклохексан, CID = 8078. Bethesda: Национална медицинска библиотека. Възстановени от: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
4. Ouellette, RJ, & Rawn, JD (2014). Органична химия - структура, механизъм и синтез. Сан Диего: Елзевиер.
5. Petrucci, RH, Херинга, FG, Bissonnette, C., & Madura, JD (2017). Обща химия: принципи и съвременни приложения (11 ^-то издание). Ню Йорк: Пиърсън.
6. Solomons, TW, Fryhle, CB, & Snyder, SA (2016). Органична химия (12 ^-то издание). Hoboken: John Wiley & Sons.
7. Уейд, LG (2013). Органична химия (8-мо изд.). Ню Йорк. Пиърсън.