Cyclohexan ist ein Cycloalkan mit der Summenformel C6H12. Cyclohexan wird als unpolares Lösungsmittel für die chemische Industrie und als Rohstoff für die industrielle Herstellung von Adipinsäure und Caprolactam verwendet, wobei beide Zwischenprodukte zur Herstellung von Nylon verwendet werden. Im industriellen Maßstab wird Cyclohexan durch Umsetzung von Benzol mit Wasserstoff hergestellt. Aufgrund seiner einzigartigen chemischen und Konformationseigenschaften wird Cyclohexan auch in Labors in der Analyse und als Standard verwendet.

Cyclohexanmolekül mit Jsmol siehe – Für 3D-Strukturen

Struktur des Cyclohexans Molekül

Der Ring mit 6 Scheitelpunkten entspricht nicht der Form eines perfekten Sechsecks. Die Konformation eines flachen 2D-Sechsecks weist aufgrund der Tatsache, dass seine Bindungen nicht 109,5 Grad betragen, eine beträchtliche Winkelbelastung auf; Die Torsionsspannung wäre aufgrund aller verdeckten Bindungen ebenfalls beträchtlich. Um die Torsionsspannung zu verringern, nimmt Cyclohexan daher eine dreidimensionale Struktur an, die als Stuhlkonformation bekannt ist. Die neue Konformation bringt die Kohlenstoffe in einen Winkel von 109,5 °. Die Hälfte der Wasserstoffatome befindet sich in der Ringebene (äquatorial), während die andere Hälfte senkrecht zur Ebene (axial) verläuft. Diese Konformation ermöglicht die stabilste Struktur von Cyclohexan. Es gibt eine andere Konformation von Cyclohexan, die als Bootskonformation bekannt ist, die sich jedoch in die etwas stabilere Stuhlbildung umwandelt. Wenn Cyclohexan mit einem großen Substituenten monosubstituiert ist, wird der Substituent höchstwahrscheinlich an einer äquatorialen Position gebunden gefunden, da dies die etwas stabilere Konformation ist. Cyclohexan hat den niedrigsten Winkel und die niedrigste Torsionsdehnung von Alle Cycloalkane, als Ergebnis wurde Cyclohexan als 0 in der Gesamtringspannung, einer Kombination aus Winkel und Torsionsspannung, angesehen. Dies macht Cyclohexan auch zum stabilsten der Cycloalkane und erzeugt daher beim Verbrennen im Vergleich zu den anderen Cycloalkanen die geringste Wärmemenge.

Ein Cyclohexanmolekül in Stuhlkonformation. Wasserstoffatome in axialen Positionen sind rot dargestellt, während solche in äquatorialen Positionen blau dargestellt sind.

Reaktionen mit Cyclohexan

Reines Cyclohexan an sich ist eher unreaktiv und unpolar. hydrophober Kohlenwasserstoff. Es kann mit sehr starken Säuren wie dem Supersäuresystem HF + SbF5 reagieren, was zu erzwungener Protonierung und „Kohlenwasserstoff-Cracking“ führt. Substituierte Cyclohexane können jedoch unter einer Vielzahl von Bedingungen reaktiv sein, von denen viele für die organische Chemie wichtig sind. Cyclohexan ist leicht entflammbar.

Cyclohexanderivate

Die spezifische Anordnung funktioneller Gruppen in Cyclohexanderivaten und in der Tat in den meisten Cycloalkanmolekülen ist bei chemischen Reaktionen, insbesondere bei Reaktionen mit Nucleophilen, äußerst wichtig. Substituenten am Ring müssen sich in axialer Formation befinden, um mit anderen Molekülen reagieren zu können. Beispielsweise würde die Reaktion von Bromcyclohexan und einem gemeinsamen Nucleophil, einem Hydroxidanion, zu Cyclohexen führen. Diese Reaktion, die allgemein als Eliminierungsreaktion oder Dehalogenierung (speziell E2) bekannt ist, erfordert, dass der Bromsubstituent ist in der axialen Formation gegenüber einem anderen axialen H-Atom zu reagieren. Unter der Annahme, dass sich das Bromcyclohexan in der geeigneten Formation befindet, um zu reagieren, würde die E2-Reaktion als solche beginnen:

1. Die Elektronenpaarbindung zwischen dem C-Br bewegt sich zum Br, bildet Br∠‚und setzt es ein frei von Cyclohexan
2. Das Nucleophil (-OH) gibt dem benachbarten axialen H ein Elektronenpaar, setzt H frei und bindet daran, um H2O
3. zu bilden.
4. Das Elektronenpaar bindet zwischen dem benachbarten Das axiale H bewegt sich zu der Bindung zwischen den beiden CC, wodurch C = C

wird. Hinweis: Alle drei Schritte finden gleichzeitig statt, was für alle E2-Reaktionen charakteristisch ist.

Die obige Reaktion erzeugt hauptsächlich E2-Reaktionen und als Ergebnis wird das Produkt hauptsächlich (~ 70%) Cyclohexen sein. Der Prozentsatz variiert jedoch mit den Bedingungen, und im Allgemeinen konkurrieren zwei verschiedene Reaktionen (E2 und Sn2). Bei der obigen Reaktion würde eine Sn2 -Reaktion stattdessen eine Hydroxylgruppe (OH-) durch Brom ersetzen, aber auch hier muss das Br axial sein, um reagieren zu können. Sobald die SN2-Substitution abgeschlossen ist, würde die neu substituierte OH-Gruppe schnell (~ 1 Millisekunde) in die stabilere äquatoriale Position zurückkehren. Verwendet

Kommerziell wird der größte Teil des produzierten Cyclohexans durch Katalyse in ein Cyclohexanon-Cyclohexanol-Gemisch umgewandelt Oxidation. KA-Öl wird dann als Rohstoff für Adipinsäure und Caprolactam verwendet. Wenn der Cyclohexanolgehalt von KA-Öl höher als der von Cyclohexanon ist, ist es praktisch wahrscheinlicher (wirtschaftlich), in Adipinsäure umgewandelt zu werden, und im umgekehrten Fall ist die Produktion von Caprolactam wahrscheinlicher. Ein solches Verhältnis in KA-Öl kann durch Auswahl geeigneter Oxidationskatalysatoren gesteuert werden. Ein Teil von Cyclohexan wird als organisches Lösungsmittel verwendet.

Cyclohexan in der Forschung

Obwohl bereits viel über diesen cyclischen Kohlenwasserstoff bekannt ist, werden noch Untersuchungen an Cyclohexan- und Benzolmischungen und Festphasencyclohexan durchgeführt, um die Wasserstoffausbeuten der Mischung bei Bestrahlung zu bestimmen bei 195 ° C.

Geschichte

Im Gegensatz zu Verbindungen wie Benzol kann Cyclohexan nicht einfach aus natürlichen Ressourcen wie Kohle gewonnen werden. Gegen Ende des 19. Jahrhunderts mussten sich frühe chemische Forscher auf die organische Synthese verlassen. Sie brauchten 30 Jahre, um die Details zu präzisieren. 1867 reduzierte Marcellin Berthelot Benzol mit Iodwasserstoffsäure bei erhöhten Temperaturen. Er identifizierte das Reaktionsprodukt fälschlicherweise als n-Hexan, nicht nur wegen der günstigen Übereinstimmung des Siedepunkts (69 ° C), sondern auch, weil er nicht glaubte, dass Benzol ein cyclisches Molekül ist (wie sein heutiger August Kekule), sondern eine Art Assoziation von Acetylen. 1870 wiederholte einer seiner Skeptiker, Adolf von Baeyer, die Reaktion und sprach das gleiche Reaktionsprodukt Hexahydrobenzol aus. 1890 glaubte Vladimir Markovnikov, dass er dieselbe Verbindung aus Kaukasus-Erdöl destillieren konnte, indem er 1894 Baeyer seine Zubereitung Hexanaphten nannte synthetisiertes Cyclohexan ausgehend von einer Dieckmann-Kondensation von Pimelsäure, gefolgt von mehrfachen Reduktionen. Im gleichen Jahr wurden E. Haworth und W.H. Perkin Jr. (1860 – 1929) tat dasselbe in einer Wurtz-Reaktion von 1,6-Dibromhexan. Überraschenderweise siedeten ihre Cyclohexane um 10 ° C höher als Hexahydrobenzol oder Hexanaphten, aber dieses Rätsel wurde 1895 von Markovnikov, NM Kishner und Nikolay gelöst Zelinsky, als sie Hexahydrobenzol und Hexanaphten als Methylcyclopentan erneut diagnostizierten, das Ergebnis einer unerwarteten Umlagerungsreaktion.