CYCLOHEXAN: STRUKTUR, VERWENDUNG, KONFORMATIONEN - CHEMIE - 2025

Das Cyclohexan ist ein relativ stabiles Cycloalkan mit der Summenformel C ₆ H ₁₂ . Es ist eine farblose, brennbare Flüssigkeit, die einen milden Lösungsmittelgeruch aufweist, aber in Gegenwart von Verunreinigungen eindringen kann.

Es hat eine Dichte von 0,779 g / cm ³ ; siedet bei 80,7 ° C; und bei 6,4 ° C eingefroren. Es gilt als wasserunlöslich, da seine Löslichkeit bei Raumtemperatur nur ca. 50 ppm (ca.) betragen kann. Es mischt sich jedoch leicht mit Alkohol, Ether, Chloroform, Benzol und Aceton.

3D-Modell des Cyclohexanmoleküls. Jynto und Ben Mills / Public Domain

Ringsysteme von Cyclohexan sind bei organischen Molekülen in der Natur häufiger als bei anderen Cycloalkanen. Dies kann sowohl auf ihre Stabilität als auch auf die Selektivität zurückzuführen sein, die ihre gut etablierten Konformationen bieten.

Tatsächlich enthalten Kohlenhydrate, Steroide, pflanzliche Produkte, Pestizide und viele andere wichtige Verbindungen Ringe, die denen von Cyclohexan ähnlich sind und deren Konformationen für ihre Reaktivität von großer Bedeutung sind.

Struktur

Cyclohexan ist ein sechsgliedriger alicyclischer Kohlenwasserstoff. Es existiert hauptsächlich in einer Konformation, in der alle CH-Bindungen in benachbarten Kohlenstoffatomen versetzt sind, mit Diederwinkeln von 60 °.

Da Cyclohexan den niedrigsten Winkel und die niedrigste Torsionsspannung aller Cycloalkane aufweist, wird davon ausgegangen, dass es in Bezug auf die Gesamtringspannung eine Null aufweist. Dies macht Cyclohexan auch zum stabilsten der Cycloalkane und erzeugt daher beim Verbrennen im Vergleich zu den anderen Cycloalkanen die geringste Wärmemenge.

Substituierende Positionen

Es gibt zwei Arten von Positionen für Substituenten am Cyclohexanring: axiale Positionen und äquatoriale Positionen. Die äquatorialen CH-Bindungen liegen in einem Band um den Äquator des Rings.

Jedes Kohlenstoffatom hat wiederum einen axialen Wasserstoff, der senkrecht zur Ringebene und parallel zu seiner Achse verläuft. Axiale Wasserstoffatome wechseln sich auf und ab ab; Jedes Kohlenstoffatom hat eine axiale und eine äquatoriale Position. und jede Seite des Rings hat drei axiale und drei äquatoriale Positionen in einer abwechselnden Anordnung.

Studienmodelle

Cyclohexan lässt sich am besten durch Erstellen eines physikalischen Molekülmodells oder mit einem molekularen Modellierungsprogramm untersuchen. Bei Verwendung eines dieser Modelle ist es möglich, die Torsionsbeziehungen und die Orientierung der äquatorialen und axialen Wasserstoffatome leicht zu beobachten.

Die Anordnung von Wasserstoffatomen in einer Newman-Projektion kann jedoch auch analysiert werden, indem ein beliebiges Paar paralleler CC-Bindungen betrachtet wird.

Newman-Projektion von Cyclohexan. Durfo / CC0

Konformationen

Cyclohexan kann in zwei Konformationen auftreten, die untereinander konvertierbar sind: Boot und Stuhl. Letzteres ist jedoch die stabilste Konformation, da die Cyclohexanstruktur keinen Winkel oder keine Torsionsspannung aufweist; Mehr als 99% der Moleküle befinden sich zu einem bestimmten Zeitpunkt in einer Stuhlkonformation.

Stuhlkonformation von Cyclohexan. Chem Sim 2001 / Public Domain

Stuhlkonformation

In einer Stuhlkonformation betragen alle CC-Bindungswinkel 109,5 °, wodurch sie von Winkelspannungen befreit werden. Da die Zwischenkreise perfekt versetzt sind, ist auch die Sattelkonformation frei von Torsionsspannungen. Auch die Wasserstoffatome an den gegenüberliegenden Ecken des Cyclohexanrings sind so weit voneinander entfernt.

Bootskonformation

Die Stuhlform kann eine andere Form annehmen, die als Dosenform bezeichnet wird. Dies geschieht durch Teilrotationen an den CC-Einfachbindungen des Rings. Eine solche Konformation weist auch keine Winkelspannung auf, weist jedoch eine Torsionsspannung auf.

Cyclohexan-Bootskonformation. Keministi / gemeinfrei

Wenn Sie sich ein Modell der Bootskonformation an den CC-Bindungsachsen entlang jeder Seite ansehen, stellen Sie fest, dass die CH-Bindungen in diesen Kohlenstoffatomen verdeckt sind und Torsionsspannung erzeugen.

Außerdem sind zwei der Wasserstoffatome nahe genug beieinander, um Van-der-Waals-Abstoßungskräfte zu erzeugen.

Verdrehte Bootskonformation

Wenn sich die Bootskonformation biegt, erhalten Sie die verdrehte Bootskonformation, die einen Teil der Torsionsspannung abbauen und auch die Wechselwirkungen zwischen den Wasserstoffatomen verringern kann.

Die durch Biegen erhaltene Stabilität reicht jedoch nicht aus, um die verdrehte Bootskonformation stabiler als die Sattelkonformation zu machen.

Verdrehte Bootskonformation von Cyclohexan. Keministi / CC0

Anwendungen

Nylonherstellung

Fast das gesamte kommerziell hergestellte Cyclohexan (mehr als 98%) wird häufig als Rohstoff für die industrielle Herstellung von Nylonvorläufern verwendet: Adipinsäure (60%), Caprolactam und Hexamethylendiamin. 75% des weltweit produzierten Caprolactams wird zur Herstellung von Nylon 6 verwendet.

Gitarre mit Nylonsaiten. Quelle: pexels.com

Herstellung anderer Verbindungen

Cyclohexan wird jedoch auch zur Herstellung von Benzol, Cyclohexylchlorid, Nitrocyclohexan, Cyclohexanol und Cyclohexanon verwendet; bei der Herstellung von festen Brennstoffen; in fungiziden Formulierungen; und bei der industriellen Rekristallisation von Steroiden.

Minderheitenanwendungen

Ein sehr kleiner Teil des hergestellten Cyclohexans wird als unpolares Lösungsmittel für die chemische Industrie und als Verdünnungsmittel bei Polymerreaktionen verwendet. Es kann auch als Farb- und Lackentferner verwendet werden. bei der Extraktion von ätherischen Ölen; und Glasersatz.

Aufgrund seiner einzigartigen chemischen und Konformationseigenschaften wird Cyclohexan auch in Laboratorien für analytische Chemie zur Bestimmung des Molekulargewichts und als Standard verwendet.

Herstellung

Traditioneller Prozess

Cyclohexan ist in Rohöl in Konzentrationen zwischen 0,1 und 1,0% enthalten. Daher wurde es traditionell durch fraktionierte Destillation von Naphtha hergestellt, wobei ein Konzentrat von 85% Cyclohexan durch Superfraktionierung erhalten wurde.

Fraktionierte Destillation von Erdöl. Crude_Oil_Destillation-fr.svg: Bildursprung: Psarianos, Theresa knott; image vectorielle: Rogilbertderivative Arbeit: Utain () / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)

Dieses Konzentrat wurde als solches verkauft, da eine weitere Reinigung erforderlich war, um einen Pentanisomerisierungsprozess durchzuführen, durch Heißcracken offenkettige Kohlenwasserstoffe zu entfernen und mit Schwefelsäure zu behandeln, um aromatische Verbindungen zu entfernen.

Ein großer Teil der Schwierigkeit, Cyclohexan mit höherer Reinheit zu erhalten, war auf die große Anzahl von Erdölkomponenten mit ähnlichen Siedepunkten zurückzuführen.

Hocheffizienter Prozess

Heute wird Cyclohexan aufgrund der Einfachheit des Verfahrens und seiner hohen Effizienz im industriellen Maßstab durch Umsetzung von Benzol mit Wasserstoff (katalytische Hydrierung) hergestellt.

Diese Reaktion kann unter Verwendung von Flüssig- oder Dampfphasenverfahren in Gegenwart eines hochdispersen Katalysators oder in einem festen Katalysatorbett durchgeführt werden. Es wurden verschiedene Verfahren entwickelt, bei denen Nickel, Platin oder Palladium als Katalysator verwendet werden.

Die meisten Cyclohexananlagen verwenden benzolproduzierendes Reformergas und große Mengen an Wasserstoffnebenprodukten als Ausgangsmaterial für die Cyclohexanproduktion.

Da die Kosten für Wasserstoff und Benzol für die rentable Herstellung von Cyclohexan von entscheidender Bedeutung sind, befinden sich die Anlagen häufig in der Nähe großer Raffinerien, in denen kostengünstige Rohstoffe verfügbar sind.

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