CYCLOHEXAAN: STRUCTUUR, GEBRUIK, CONFORMATIES - CHEMIE - 2024

Het cyclohexaan is een relatief stabiel cycloalkaan met molecuulformule C ₆ H ₁₂ . Het is een kleurloze, brandbare vloeistof met een milde geur van oplosmiddelen, maar kan doordringen in aanwezigheid van onzuiverheden.

Het heeft een dichtheid van 0,779 g / cm ³ ; kookt bij 80,7 ° C; en ingevroren bij 6,4 ° C. Het wordt als onoplosbaar in water beschouwd, aangezien de oplosbaarheid bij kamertemperatuur slechts 50 ppm (ongeveer) bedraagt. Het mengt echter gemakkelijk met alcohol, ether, chloroform, benzeen en aceton.

3D-model van het cyclohexaanmolecuul. Jynto en Ben Mills / Openbaar domein

Ringsystemen van cyclohexaan komen vaker voor bij organische moleculen in de natuur dan die van andere cycloalkanen. Dit kan te wijten zijn aan zowel hun stabiliteit als de selectiviteit die wordt geboden door hun gevestigde conformaties.

In feite bevatten koolhydraten, steroïden, plantaardige producten, pesticiden en vele andere belangrijke verbindingen ringen die lijken op die van cyclohexaan, waarvan de conformaties van groot belang zijn voor hun reactiviteit.

Structuur

Cyclohexaan is een zesledige alicyclische koolwaterstof. Het bestaat voornamelijk in een conformatie waarin alle CH-bindingen in naburige koolstofatomen versprongen zijn, met tweevlakshoeken gelijk aan 60 °.

Omdat het de laagste hoek- en torsiespanning heeft van alle cycloalkanen, wordt cyclohexaan geacht nul te hebben ten opzichte van de totale ringspanning. Dit maakt cyclohexaan ook de meest stabiele van de cycloalkanen en produceert daarom de minste hoeveelheid warmte bij verbranding in vergelijking met de andere cycloalkanen.

Plaatsvervangende posities

Er zijn twee soorten posities voor substituenten op de cyclohexaanring: axiale posities en equatoriale posities. De equatoriale CH-bindingen liggen in een band rond de evenaar van de ring.

Elk koolstofatoom heeft op zijn beurt een axiale waterstof die loodrecht staat op het vlak van de ring en evenwijdig aan zijn as. Axiale waterstofatomen wisselen elkaar op en neer; elk koolstofatoom heeft een axiale en een equatoriale positie; en elke zijde van de ring heeft drie axiale en drie equatoriale posities in een afwisselende opstelling.

Studiemodellen

Cyclohexaan kan het best worden bestudeerd door een fysisch moleculair model te bouwen of met een moleculair modelleerprogramma. Bij gebruik van een van deze modellen is het mogelijk om de torsieverhoudingen en oriëntatie van de equatoriale en axiale waterstofatomen gemakkelijk te observeren.

De rangschikking van waterstofatomen in een Newman-projectie kan echter ook worden geanalyseerd door naar een paar parallelle CC-bindingen te kijken.

Newman-projectie van cyclohexaan. Durfo / CC0

Conformaties

Cyclohexaan kan voorkomen in twee conformaties die onderling inwisselbaar zijn: boot en stoel. De laatste is echter de meest stabiele conformatie, aangezien er geen hoek- of torsiespanning in de cyclohexaanstructuur is; meer dan 99% van de moleculen bevindt zich op elk moment in een stoelconformatie.

Stoelconformatie van cyclohexaan. Chem Sim 2001 / Openbaar domein

Stoel conformatie

In een stoelconformatie zijn alle CC-bindingshoeken 109,5 °, waardoor ze worden ontlast van hoekspanning. Omdat de DC-schakels perfect verspringend zijn, is de zadelconformatie ook vrij van torsiespanning. Ook zijn de waterstofatomen aan de tegenoverliggende hoeken van de cyclohexaanring zo ver uit elkaar geplaatst.

Boot conformatie

De vorm van de stoel kan een andere vorm aannemen, de busvorm. Dit gebeurt als gevolg van gedeeltelijke rotaties op de enkele CC-bindingen van de ring. Zo'n conformatie heeft ook geen hoekspanning, maar wel torsiespanning.

Cyclohexaan boot conformatie. Keministi / Openbaar domein

Als we naar een model van de bootconformatie kijken, bij de CC-bindingsassen langs elke kant, blijkt dat de C-H-bindingen in die koolstofatomen verduisterd zijn, waardoor torsiespanning ontstaat.

Ook zijn twee van de waterstofatomen dicht genoeg bij elkaar om Van der Waals afstotende krachten te genereren.

Gedraaide bootconformatie

Als de bootconformatie buigt, krijg je de gedraaide bootconformatie die een deel van de torsiespanning kan verlichten en ook de interacties tussen de waterstofatomen kan verminderen.

De door buiging verkregen stabiliteit is echter onvoldoende om de gedraaide bootconformatie stabieler te maken dan de zadelconformatie.

Gedraaide bootconformatie van cyclohexaan. Keministi / CC0

Toepassingen

Nylon fabricage

Vrijwel al het commercieel geproduceerde cyclohexaan (meer dan 98%) wordt veel gebruikt als grondstof bij de industriële productie van nylonprecursoren: adipinezuur (60%), caprolactam en hexamethyleendiamine. 75% van de caprolactam die wereldwijd wordt geproduceerd, wordt gebruikt om nylon 6 te maken.

Gitaar met nylon snaren. Bron: pexels.com

Vervaardiging van andere verbindingen

Cyclohexaan wordt echter ook gebruikt bij de vervaardiging van benzeen, cyclohexylchloride, nitrocyclohexaan, cyclohexanol en cyclohexanon; bij de vervaardiging van vaste brandstof; in fungicide formuleringen; en bij de industriële herkristallisatie van steroïden.

Minderheidsaanvragen

Een zeer kleine fractie van het geproduceerde cyclohexaan wordt gebruikt als niet-polair oplosmiddel voor de chemische industrie en als verdunningsmiddel bij polymeerreacties. Het kan ook worden gebruikt als verf- en lakverwijderaar; bij de extractie van etherische oliën; en glasvervangers.

Vanwege zijn unieke chemische en conformationele eigenschappen wordt cyclohexaan ook gebruikt in analytische chemielaboratoria voor bepaling van het molecuulgewicht en als standaard.

Vervaardiging

Traditioneel proces

Cyclohexaan is aanwezig in ruwe olie in concentraties die variëren tussen 0,1 en 1,0%. Daarom werd het traditioneel geproduceerd door gefractioneerde destillatie van nafta, waarbij een concentraat van 85% cyclohexaan werd verkregen door superfractionering.

Gefractioneerde destillatie van aardolie. Crude_Oil_Distillation-fr.svg: Oorspronkelijke afbeelding: Psarianos, Theresa knott; afbeelding vectorielle: Rogilbertderivative work: Utain () / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)

Dit concentraat werd als zodanig verkocht, omdat verdere zuivering vereist was door een pentaanisomerisatieproces uit te voeren, warmtekraken om koolwaterstoffen met open keten te verwijderen en behandeling met zwavelzuur om aromatische verbindingen te verwijderen.

Veel van de moeilijkheid bij het verkrijgen van cyclohexaan met een hogere zuiverheid was te wijten aan het grote aantal petroleumcomponenten met vergelijkbare kookpunten.

Hoog rendement proces

Tegenwoordig wordt cyclohexaan op industriële schaal geproduceerd door benzeen te laten reageren met waterstof (katalytische hydrogenering) vanwege de eenvoud van het proces en het hoge rendement.

Deze reactie kan worden uitgevoerd met behulp van vloeibare of dampfasemethoden in aanwezigheid van een sterk gedispergeerde katalysator of in een vast katalysatorbed. Er zijn verschillende processen ontwikkeld waarbij nikkel, platina of palladium als katalysator wordt gebruikt.

De meeste cyclohexaanfabrieken gebruiken benzeenproducerend reformergas en grote hoeveelheden waterstofbijproducten als grondstof voor de productie van cyclohexaan.

Omdat de kosten van waterstof en benzeen cruciaal zijn voor het rendabel maken van cyclohexaan, staan ​​fabrieken vaak in de buurt van grote raffinaderijen waar goedkope grondstoffen beschikbaar zijn.

Referenties

1. Campbell, ML (2014). Cyclohexaan. Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry ( ^7e ed.). New York: John Wiley & Sons.
2. McMurry, J. (2011). Fundamentals of Organic Chemistry ( ^7e ed.). Belmont: Brooks / Cole.
3. Nationaal centrum voor informatie over biotechnologie. (2020) PubChem-database. Cyclohexaan, CID = 8078. Bethesda: National Library of Medicine. Hersteld van: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
4. Ouellette, RJ en Rawn, JD (2014). Organische chemie - structuur, mechanisme en synthese. San Diego: Elsevier.
5. Petrucci, RH, Herring, FG, Bissonnette, C., & Madura, JD (2017). Algemene Chemie: Principles and Modern Applications (11 ^th ed.). New York: Pearson.
6. Solomons, TW, Fryhle, CB en Snyder, SA (2016). Organische Chemie (12 ^th ed.). Hoboken: John Wiley & Sons.
7. Wade, LG (2013). Organische chemie (8e ed.). New York. Pearson.