ЦИКЛОГЕКСАН: СТРУКТУРА, ПРИМЕНЕНИЕ, КОНФОРМАЦИИ - ХИМИЯ - 2026

Циклогексан является относительно стабильным циклоалканов с молекулярной формулой С ₆ Н ₁₂ . Это бесцветная легковоспламеняющаяся жидкость со слабым запахом растворителя, но может проникать сквозь нее в присутствии примесей.

Имеет плотность 0,779 г / см ³ ; кипит при 80,7 ° С; и замораживали при 6,4 ° C. Он считается нерастворимым в воде, так как его растворимость может составлять всего 50 ppm (приблизительно) при комнатной температуре. Однако он легко смешивается со спиртом, эфиром, хлороформом, бензолом и ацетоном.

3D-модель молекулы циклогексана. Джинто и Бен Миллс / Общественное достояние

Кольцевые системы циклогексана более распространены среди органических молекул в природе, чем у других циклоалканов. Это может быть связано как с их стабильностью, так и с селективностью, обеспечиваемой их хорошо установленными конформациями.

Фактически, углеводы, стероиды, растительные продукты, пестициды и многие другие важные соединения содержат кольца, аналогичные кольцам циклогексана, конформации которых имеют большое значение для их реакционной способности.

Структура

Циклогексан - шестичленный алициклический углеводород. Он существует в основном в конформации, в которой все связи CH в соседних атомах углерода расположены в шахматном порядке с двугранными углами, равными 60 °.

Поскольку циклогексан имеет самый низкий угол и скручивающее напряжение среди всех циклоалканов, считается, что он имеет нулевое значение по отношению к общему кольцевому напряжению. Это также делает циклогексан наиболее стабильным из циклоалканов и, следовательно, выделяет наименьшее количество тепла при сжигании по сравнению с другими циклоалканами.

Заместительные позиции

Есть два типа положений заместителей в циклогексановом кольце: аксиальные положения и экваториальные положения. Экваториальные связи CH лежат в полосе вокруг экватора кольца.

В свою очередь, каждый атом углерода имеет аксиальный водород, перпендикулярный плоскости кольца и параллельный его оси. Осевые водороды чередуются вверх и вниз; каждый атом углерода имеет аксиальное и экваториальное положение; и каждая сторона кольца имеет три осевых и три экваториальных положения в чередующемся расположении.

Учебные модели

Циклогексан лучше всего изучать путем построения физической молекулярной модели или с помощью программы молекулярного моделирования. Используя любую из этих моделей, можно легко наблюдать крутильные отношения и ориентацию экваториальных и аксиальных атомов водорода.

Однако расположение атомов водорода в проекции Ньюмана также можно проанализировать, рассматривая любую пару параллельных CC-связей.

Проекция Ньюмана циклогексана. Durfo / CC0

конформации

Циклогексан может существовать в двух взаимопревращаемых формах: лодка и стул. Однако последняя является наиболее стабильной конформацией, поскольку в структуре циклогексана отсутствуют угловые или скручивающие напряжения; более 99% молекул находятся в конформации кресла в любой момент времени.

Стул конформация циклогексана. Chem Sim 2001 / общественное достояние

Соответствие стула

В конформации кресла все валентные углы CC равны 109,5 °, что избавляет их от углового напряжения. Поскольку звенья постоянного тока идеально расположены в шахматном порядке, конструкция седла также свободна от скручивающих напряжений. Кроме того, атомы водорода в противоположных углах циклогексанового кольца расположены на максимальном расстоянии друг от друга.

Внешний вид лодки

Форма стула может принимать другую форму, называемую формой банки. Это происходит в результате частичного поворота одинарных связей CC кольца. Такая конструкция также не представляет углового напряжения, но имеет скручивающее напряжение.

Конформация циклогексановой лодочки. Кеминисти / Общественное достояние

При рассмотрении модели конформации лодочки на осях связей CC вдоль каждой стороны обнаруживается, что связи C - H в этих атомах углерода затмеваются, создавая напряжение кручения.

Кроме того, два атома водорода расположены достаточно близко друг к другу, чтобы генерировать силы отталкивания Ван-дер-Ваальса.

Форма витой лодки

Если конформация лодочки изгибается, вы получаете скрученную форму лодочки, которая может частично снять напряжение скручивания, а также уменьшить взаимодействие между атомами водорода.

Однако стабильность, полученная при изгибе, недостаточна, чтобы сделать конформацию скрученной лодочки более устойчивой, чем конформация седла.

Витая лодочка циклогексана. Кеминисти / CC0

Приложения

Производство нейлона

Практически весь производимый в промышленных масштабах циклогексан (более 98%) широко используется в качестве сырья при промышленном производстве прекурсоров нейлона: адипиновой кислоты (60%), капролактама и гексаметилендиамина. 75% капролактама, производимого во всем мире, используется для производства нейлона 6.

Гитара с нейлоновыми струнами. Источник: pexels.com

Производство прочих соединений

Однако циклогексан также используется при производстве бензола, циклогексилхлорида, нитроциклогексана, циклогексанола и циклогексанона; при производстве твердого топлива; в фунгицидных составах; и в промышленной перекристаллизации стероидов.

Приложения меньшинств

Очень небольшая часть произведенного циклогексана используется в качестве неполярного растворителя в химической промышленности и в качестве разбавителя в реакциях полимеров. Также может использоваться как средство для снятия краски и лака; при добыче эфирных масел; и заменители стекла.

Благодаря своим уникальным химическим и конформационным свойствам циклогексан также используется в лабораториях аналитической химии для определения молекулярной массы и в качестве стандарта.

Производство

Традиционный процесс

Циклогексан присутствует в сырой нефти в концентрациях от 0,1 до 1,0%. Поэтому его традиционно производили фракционной перегонкой нафты, при которой 85% -ный концентрат циклогексана получали суперфракционированием.

Фракционная перегонка нефти. Crude_Oil_Distillation-fr.svg: Оригинальное изображение: Psarianos, Theresa knott; векторное изображение: Rogilbert, производная работа: Utain () / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)

Этот концентрат продавался как таковой, так как дальнейшая очистка требовала проведения процесса изомеризации пентанов, термического крекинга для удаления углеводородов с открытой цепью и обработки серной кислотой для удаления ароматических соединений.

Большая часть трудностей с получением циклогексана с более высокой чистотой была связана с большим количеством компонентов нефти с аналогичными температурами кипения.

Процесс высокой эффективности

Сегодня циклогексан производится в промышленных масштабах путем реакции бензола с водородом (каталитическое гидрирование) из-за простоты процесса и его высокой эффективности.

Эта реакция может быть проведена с использованием жидкофазных или парофазных способов в присутствии высокодисперсного катализатора или в неподвижном каталитическом слое. Было разработано несколько процессов, в которых никель, платина или палладий используются в качестве катализатора.

На большинстве заводов по производству циклогексана в качестве сырья для производства циклогексана используется газ риформинга, производящий бензол, и большие количества побочных продуктов водорода.

Поскольку стоимость водорода и бензола имеет решающее значение для рентабельного производства циклогексана, заводы часто располагаются рядом с крупными нефтеперерабатывающими заводами, где доступно дешевое сырье.

Ссылки

1. Кэмпбелл, ML (2014). Циклогексана. Энциклопедия промышленной химии Ульмана (7- ^е изд.). Нью-Йорк: Джон Вили и сыновья.
2. Макмерри, Дж. (2011). Основы органической химии (7- ^е изд.). Бельмонт: Брукс / Коул.
3. Национальный центр биотехнологической информации. (2020) База данных PubChem. Циклогексан, CID = 8078. Bethesda: Национальная медицинская библиотека. Получено с: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
4. Ouellette, RJ, и Rawn, JD (2014). Органическая химия - структура, механизм и синтез. Сан-Диего: Эльзевьер.
5. Петруччи, Р. Х., Херринг, Ф. Г., Биссоннет, К., и Мадура, Д. Д. (2017). Общая химия: принципы и современные приложения (11- ^е изд.). Нью-Йорк: Пирсон.
6. Соломонс, Т.В., Фрайл, CB, и Снайдер, С.А. (2016). Органическая химия (12- ^е изд.). Хобокен: Джон Уайли и сыновья.
7. Уэйд, LG (2013). Органическая химия (8-е изд.). Нью-Йорк. Пирсон.