ЦИКЛОГЕКСАН: СТРУКТУРА, ВИКОРИСТАННЯ, КОНФОРМАЦІЇ - ХІМІЯ

Циклогексан є відносно стабільним циклоалканов з молекулярною формулою С ₆ Н ₁₂ . Це безбарвна легкозаймиста рідина, яка має м'який запах розчинника, але може проникати за наявності домішок.

Він має щільність 0,779 г / см ³ ; кипить при 80,7 ° С; і заморожений при 6,4 ° С. Він вважається нерозчинним у воді, оскільки його розчинність може бути лише 50 ppm (приблизно) при кімнатній температурі. Однак він легко змішується з алкоголем, ефіром, хлороформом, бензолом та ацетоном.

3D модель молекули циклогексану. Jynto та Ben Mills / Загальнодоступне надбання

Кільцеві системи циклогексану в природі частіше зустрічаються серед органічних молекул, ніж інші циклоалкани. Це може бути пов'язано як з їх стабільністю, так і з вибірковістю, запропонованою їх усталеними формами.

Насправді вуглеводи, стероїди, рослинні продукти, пестициди та багато інших важливих сполук містять кільця, подібні до циклогексану, відповідність яких має велике значення для їх реакційної здатності.

Будова

Циклогексан - це шестичленний аліциклічний вуглеводень. Він існує, головним чином, в конформації, в якій всі СН-зв’язки в сусідніх атомах вуглецю розташовані в шахматному порядку, з двогранними кутами, рівними 60 °.

Оскільки він має найнижчий кут і крутіння напруги з усіх циклоалканів, вважається, що циклогексан має нуль по відношенню до загального напруги кільця. Це також робить циклогексан найбільш стійким із циклоалканів і тому виробляє найменшу кількість тепла при спалюванні порівняно з іншими циклоалканами.

Замісні посади

Існує два типи положень заступників на циклогексановому кільці: осьові положення та екваторіальні положення. Екваторіальні зв'язки СН лежать в смузі навколо екватора кільця.

У свою чергу, кожен атом вуглецю має осьовий водень, який перпендикулярний площині кільця і паралельний його осі. Осьові водень чергуються вгору і вниз; кожен атом вуглецю має осьове та екваторіальне положення; і кожна сторона кільця має три осьових і три екваторіальних положення в чергуванні розташування.

Моделі дослідження

Циклогексан найкраще вивчати шляхом побудови фізичної молекулярної моделі або за допомогою програми молекулярного моделювання. Використовуючи будь-яку з цих моделей, можна легко спостерігати круті зв'язки та орієнтацію екваторіальних та осьових атомів водню.

Однак розташування атомів водню в проекції Ньюмена також можна проаналізувати, переглянувши будь-яку пару паралельних зв'язків СС.

Проекція Ньюмена циклогексану. Durfo / CC0

Конформації

Циклогексан може зустрічатися у двох взаємоперетворюваних формах: човен і стілець. Однак остання є найбільш стійкою конформацією, оскільки в структурі циклогексану немає кутового або крутного напруження; більше 99% молекул знаходиться в конформації стільця в будь-який момент часу.

Конформація стільця циклогексану. Chem Sim 2001 / Загальнодоступне надбання

Конформація стільця

У конформації стільця всі кути зв'язку СС становлять 109,5 °, що позбавляє їх від кутового напруження. Оскільки ланцюги постійного струму ідеально розташовані, конформація сідла також не містить напруги кручення. Також атоми водню в протилежних кутах циклогексанового кільця розташовані на відстані один від одного.

Конформація човна

Форма стільця може приймати іншу форму, яку називають формою банки. Це відбувається в результаті часткових обертів на СК одиночних зв'язків кільця. Така конформація також не має кутових напружень, але вона має напругу при крученні.

Конформація човнового циклогексану. Keministi / Публічне надбання

Якщо ви подивитеся на модель конформації човна, на осі зв'язків СС уздовж кожної сторони, ви виявите, що зв'язки С - Н у цих атомах вуглецю затьмарені, викликаючи крутіння напруги.

Також два атоми водню досить близькі один до одного, щоб генерувати відштовхуючі сили Ван дер Ваальса.

Скручений човен конформації

Якщо конформація човна згинається, ви отримуєте кручену конформацію човна, яка може зняти частину напруги кручення, а також зменшити взаємодію між атомами водню.

Однак стійкість, отримана вигином, недостатня для того, щоб зробити кручену конструкцію човна стійкішою, ніж конденсацію сідла.

Конформація крученого човна циклогексану. Keministi / CC0

Програми

Виробництво нейлону

Майже весь циклогексан, що виробляється на комерційній основі (понад 98%), широко використовується як сировина при промисловому виробництві попередників нейлону: адипінова кислота (60%), капролактам і гексаметилендіамін. 75% виробленого в усьому світі капролактаму використовується для виготовлення нейлону 6.

Гітара з капроновими струнами. Джерело: pexels.com

Виробництво інших сполук

Однак циклогексан також використовується у виробництві бензолу, циклогексилхлориду, нітроциклогексану, циклогексанолу та циклогексанону; у виробництві твердого палива; у фунгіцидних складах; і в промисловій перекристалізації стероїдів.

Заяви щодо меншин

Дуже невелика частка виробленого циклогексану використовується як неполярний розчинник для хімічної промисловості та як розчинник в реакціях полімерів. Він також може бути використаний як засіб для зняття фарби та лаку; у видобутку ефірних масел; і замінники скла.

Завдяки своїм унікальним хімічним та конформаційним властивостям циклогексан також використовується в лабораторіях аналітичної хімії для визначення молекулярної маси та як стандарт.

Виробництво

Традиційний процес

Циклогексан присутній у сирої нафті в концентраціях, що варіюються між 0,1 та 1,0%. Тому його традиційно отримували фракційною перегонкою нафти, в якій концентратом 85% циклогексану був отриманий суперфракціонування.

Фракційна перегонка нафти. Crude_Oil_Distillation-fr.svg: оригінал зображення: Psarianos, Theresa knott; image vectorielle: Rogilbert-похідна робота: Utain () / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)

Цей концентрат продавався як такий, оскільки для подальшого очищення потрібен процес ізомеризації пентану, термічний крекінг для видалення вуглеводнів відкритого ланцюга та обробка сірчаною кислотою для видалення ароматичних сполук.

Значна частина труднощів в отриманні циклогексану з більш високою чистотою була пов'язана з великою кількістю нафтових компонентів з подібними температурами кипіння.

Процес високої ефективності

Сьогодні циклогексан виробляється в промислових масштабах шляхом взаємодії бензолу з воднем (каталітичне гідрування) через простоту процесу та його високу ефективність.

Цю реакцію можна проводити за допомогою рідких або парофазних методів у присутності високодисперсного каталізатора або в нерухомому шарі каталізатора. Розроблено кілька процесів, в яких нікель, платина або паладій використовують як каталізатор.

Більшість заводів циклогексану використовують бензольний реформаторний газ та велику кількість побічних водню як вихідної сировини для виробництва циклогексану.

Оскільки витрати на водень та бензол мають вирішальне значення для вигідного виробництва циклогексану, заводи часто розміщуються поблизу великих нафтопереробних заводів, де доступні недорогі сировини.

Список літератури

Кемпбелл, ML (2014). Циклогексан. Енциклопедія промислової хімії Уллмана (7- ^е видання). Нью-Йорк: John Wiley & Sons.
McMurry, J. (2011). Основи органічної хімії (7- ^е видання). Белмонт: Брукс / Коул.
Національний центр інформації про біотехнології. (2020) База даних PubChem. Циклогексан, CID = 8078. Bethesda: Національна бібліотека медицини. Відновлено з: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
Ouellette, RJ, & Rawn, JD (2014). Органічна хімія - структура, механізм та синтез. Сан-Дієго: Ельзев'є.
Petrucci, RH, оселедець, FG, Bissonnette, C., & Madura, JD (2017). Загальна хімія: принципи та сучасне застосування (11- ^е видання). Нью-Йорк: Пірсон.
Solomons, TW, Fryhle, CB, & Snyder, SA (2016). Органічна хімія (12- ^е видання). Hoboken: John Wiley & Sons.
Вейд, LG (2013). Органічна хімія (8-е видання). Нью-Йорк. Пірсон.

ЦИКЛОГЕКСАН: СТРУКТУРА, ВИКОРИСТАННЯ, КОНФОРМАЦІЇ - ХІМІЯ - 2025