CIKLOHEKSĀNS: STRUKTŪRA, LIETOJUMI, PĀRVEIDOJUMI - ĶĪMIJA - 2025

Cyclohexane ir relatīvi stabils cikloalkānus ar molekulārā formula C ₆ H ₁₂ . Tas ir bezkrāsains, viegli uzliesmojošs šķidrums, kam ir viegla šķīdinātāja smaka, bet piemaisījumu klātbūtnē tas var iekļūt.

Tā blīvums ir 0,779 g / cm ³ ; vārās 80,7 ° C temperatūrā; un sasaldē 6,4 ° C temperatūrā. To uzskata par nešķīstošu ūdenī, jo tā šķīdība istabas temperatūrā var būt tikai 50 ppm (aptuveni). Tomēr tas viegli sajaucas ar spirtu, ēteri, hloroformu, benzolu un acetonu.

Cikloheksāna molekulas 3D modelis. Jynto un Ben Mills / publiskais īpašums

Cikloheksāna gredzenu sistēmas dabiskajās organiskajās molekulās ir raksturīgākas nekā citu cikloalkānu molekulās. Tam par iemeslu var būt gan to stabilitāte, gan selektivitāte, ko piedāvā vispāratzītā uzbūve.

Faktiski ogļhidrāti, steroīdi, augu produkti, pesticīdi un daudzi citi svarīgi savienojumi satur gredzenus, kas līdzīgi cikloheksāna gredzeniem, kuru pārveidēm ir liela nozīme to reaktivitātē.

Uzbūve

Cikloheksāns ir sešu locekļu aliciklisks ogļūdeņradis. Tas galvenokārt pastāv konformācijā, kurā visas CH saites blakus esošajos oglekļa atomos ir sadalītas pa daļām ar divvirzienu leņķiem, kas ir vienādi ar 60 °.

Tā kā tam ir viszemākais leņķis un griezes spriegums no visiem cikloalkāniem, tiek uzskatīts, ka cikloheksānam ir nulle attiecībā pret kopējo gredzena spriegumu. Tas arī padara cikloheksānu par visstabilāko no cikloalkāniem un tāpēc sadedzināšanas laikā rada vismazāko siltuma daudzumu salīdzinājumā ar citiem cikloalkāniem.

Aizvietojošās pozīcijas

Cikloheksāna gredzenā ir divu veidu aizvietotāji: aksiālās un ekvatoriskās. Ekvatoriālās CH saites atrodas joslā ap gredzena ekvatoru.

Savukārt katram oglekļa atomam ir aksiāls ūdeņradis, kas ir perpendikulārs gredzena plaknei un ir paralēls tā asij. Aksiālie ūdeņraži mainās augšup un lejup; katram oglekļa atomam ir aksiāla un ekvatoriska pozīcija; un katrai gredzena pusei ir trīs aksiālas un trīs ekvatoriālas pozīcijas mainīgā stāvoklī.

Studiju modeļi

Cikloheksānu vislabāk var pētīt, veidojot fizikālu molekulāro modeli vai izmantojot molekulārās modelēšanas programmu. Izmantojot kādu no šiem modeļiem, ir viegli novērot ekvatoriālā un aksiālā ūdeņraža atomu vērpes attiecības un orientāciju.

Tomēr ūdeņraža atomu izvietojumu Ņūmena projekcijā var analizēt arī, aplūkojot jebkuru paralēlu CC saišu pāri.

Cikloheksāna Newman projekcija. Durfo / CC0

Pārveidojumi

Cikloheksāns var notikt divās savstarpēji savstarpēji savienojamās formās: laiva un krēsls. Tomēr pēdējais ir visstabilākā konformācija, jo cikloheksāna struktūrā nav leņķa vai vērpes sprieguma; vairāk nekā 99% molekulu jebkurā laikā atrodas krēsla formā.

Cikloheksāna krēsla uzbūve. Chem Sim 2001 / Publiskais īpašums

Krēsla uzbūve

Krēsla konfigurācijā visi CC saites leņķi ir 109,5 °, kas tos atbrīvo no leņķiskā sprieguma. Tā kā līdzstrāvas saites ir perfekti sadalītas, seglu konformācijā nav arī vērpes spriedzes. Arī ūdeņraža atomi cikloheksāna gredzena pretējos stūros ir izvietoti tālu viens no otra.

Laivas uzbūve

Krēsla forma var iegūt citu formu, ko sauc par kārbas formu. Tas notiek gredzena CC atsevišķo saišu daļējas rotācijas rezultātā. Šāda konfigurācija nerada leņķisko spriegumu, bet tai ir griezes spriegums.

Cikloheksāna laivu uzbūve. Keministi / Publiskais īpašums

Apskatot laivu konformācijas modeli, pie CC saišu asīm abās pusēs, tiek atklāts, ka C-H saites šajos oglekļa atomos ir aptumšotas, radot vērpes spriegumu.

Arī divi no ūdeņraža atomiem ir pietiekami tuvu viens otram, lai radītu Van Der Waals atgrūdošos spēkus.

Vītā laivu uzbūve

Ja laivas uzbūve izliekas, jūs iegūstat savītu laivu uzbūvi, kas var mazināt daļu no griezes sprieguma un arī samazināt ūdeņraža atomu mijiedarbību.

Tomēr, saliekot, iegūtā stabilitāte nav pietiekama, lai vītā laivu konformācija būtu stabilāka nekā seglu konformācija.

Cikloheksāna vītā laivu konformācija. Keministi / CC0

Lietojumprogrammas

Neilona ražošana

Gandrīz visu komerciāli ražoto cikloheksānu (vairāk nekā 98%) plaši izmanto kā izejvielu neilona prekursoru rūpnieciskajā ražošanā: adipīnskābi (60%), kaprolaktāmu un heksametilēndiamīnu. 75% no visā pasaulē saražotā kaprolaktāma tiek izmantoti neilona ražošanai 6.

Ģitāra ar neilona stīgām. Avots: pexels.com

Citu savienojumu ražošana

Tomēr cikloheksānu izmanto arī benzola, cikloheksilhlorīda, nitrocikloheksāna, cikloheksanola un cikloheksanona ražošanā; cietā kurināmā ražošanā; fungicīdos preparātos; un rūpnieciskajā steroīdu pārkristalizācijā.

Mazākumtautību pieteikumi

Ļoti nelielu saražotā cikloheksāna daļu izmanto kā nepolāru šķīdinātāju ķīmiskajā rūpniecībā un kā atšķaidītāju polimēru reakcijās. To var izmantot arī kā krāsu un laku noņēmēju; ēterisko eļļu ekstrakcijā; un stikla aizvietotāji.

Unikālo ķīmisko un konformācijas īpašību dēļ cikloheksāns tiek izmantots arī analītiskās ķīmijas laboratorijās molekulmasas noteikšanai un kā standarts.

Ražot

Tradicionāls process

Neapstrādātā eļļā cikloheksāna koncentrācija ir no 0,1 līdz 1,0%. Tāpēc to tradicionāli ražoja ar frakcionētu destilāciju ligroīnu, kurā ar superfrakcionēšanu tika iegūts 85% cikloheksāna koncentrāts.

Naftas frakcionētā destilācija. Neapstrādāta_Oļļa_Distilācija-fr.svg: Attēla oriģināls: Psarianos, Theresa knott; image vectorielle: Rogilberterivatīvs darbs: Utain () / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)

Šis koncentrāts tika pārdots kā tāds, jo nepieciešama turpmāka attīrīšana, lai veiktu pentāna izomerizācijas procesu, siltuma krekinga, lai noņemtu atvērtas ķēdes ogļūdeņražus, un apstrāde ar sērskābi, lai noņemtu aromātiskos savienojumus.

Lielākas grūtības iegūt cikloheksānu ar augstāku tīrību radīja lielais naftas komponentu skaits ar līdzīgu viršanas temperatūru.

Augstas efektivitātes process

Mūsdienās cikloheksānu ražo rūpnieciskā mērogā, reaģējot ar benzolu ar ūdeņradi (katalītiskā hidrogenēšana) procesa vienkāršības un tā augstās efektivitātes dēļ.

Šo reakciju var veikt, izmantojot šķidrās vai tvaika fāzes metodes, ļoti izkliedēta katalizatora klātbūtnē vai fiksētā katalizatora slānī. Ir izstrādāti vairāki procesi, kuros niķeli, platīnu vai pallādiju izmanto kā katalizatoru.

Lielākā daļa cikloheksāna rūpnīcu kā izejvielu cikloheksāna ražošanā izmanto benzolu ražojošu reformētāja gāzi un lielu daudzumu ūdeņraža blakusproduktu.

Tā kā ūdeņraža un benzola izmaksām ir izšķiroša nozīme, lai rentabli iegūtu cikloheksānu, augi bieži atrodas netālu no lielām pārstrādes rūpnīcām, kur ir pieejamas lētas izejvielas.

Atsauces

1. Kempbela, ML (2014). Cikloheksāns. Līva ir enciklopēdija Industriālās ķīmijā (7 ^th ed.). Ņujorka: Džons Vilijs un dēli.
2. McMurry, J. (2011). Pamati Organiskās ķīmijas (7 ^th ed.). Belmont: Brooks / Cole.
3. Nacionālais biotehnoloģijas informācijas centrs. (2020. gads) PubChem datu bāze. Cikloheksāns, CID = 8078. Bethesda: Nacionālā medicīnas bibliotēka. Atgūts no: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
4. Ouellette, RJ, & Rawn, JD (2014). Organiskā ķīmija - uzbūve, mehānisms un sintēze. Sandjego: Elsevier.
5. Petrucci, RH, Siļķe, FG, Bissonnette, C., & Madura, JD (2017). Vispārīgā ķīmija: principi un Modern Applications (11 ^th ed.). Ņujorka: Pīrsons.
6. Solomons, TW, Fryhle, CB un Snyder, SA (2016). Organiskā ķīmija (12 ^th ed.). Hobokens: Džons Vilijs un dēli.
7. Wade, LG (2013). Organiskā ķīmija (8. izdevums). Ņujorka. Pīrsons.