Cyclohexan er en cycloalkan med molekylformlen C6H12. Cyclohexan anvendes som et ikke-polært opløsningsmiddel til den kemiske industri og også som råmateriale til industriel produktion af adipinsyre og caprolactam, som begge er mellemprodukter, der anvendes til produktion af nylon. I industriel skala produceres cyclohexan ved at reagere benzen med hydrogen. På grund af dets unikke kemiske og konformationsegenskaber bruges cyclohexan også i laboratorier til analyse og som standard.

Cyclohexanmolekyle ved hjælp af Jsmol se – For 3D-strukturer

Cyclohexanens struktur Molekyle

Den 6 spidsede ring svarer ikke til formen på en perfekt sekskant. Konformationen af en flad 2D plan sekskant har en betydelig vinkelbelastning på grund af det faktum, at dens bindinger ikke er 109,5 grader; torsionsbelastningen ville også være betydelig på grund af alle formørkede obligationer. Derfor, for at reducere torsionsbelastning, vedtager cyclohexan en tredimensionel struktur kendt som stolkonformationen. Den nye konformation sætter kulstofferne i en vinkel på 109,5 °. Halvdelen af hydrogenerne er i planet af ringen (ækvatorial), mens den anden halvdel er vinkelret på planet (aksial). Denne konformation muliggør den mest stabile struktur af cyclohexan. En anden konformation af cyclohexan findes, kendt som bådkonformation, men den konverterer til den lidt mere stabile stoldannelse. Hvis cyclohexan er monosubstitueret med en stor substituent, vil substituenten sandsynligvis blive fastgjort i en ækvatorial position, da dette er den lidt mere stabile konformation.

Cyclohexan har den laveste vinkel og torsionsstamme af alle cycloalkaner, som et resultat heraf, er cyclohexan blevet betragtet som en 0 i total ringstamme, en kombination af vinkel- og torsionsstamme. Dette gør cyclohexan også til den mest stabile af cycloalkanerne og vil derfor producere den mindste mængde varme, når de forbrændes sammenlignet med de andre cycloalkaner.

Et cyclohexanmolekyle i stolkonstruktion. Brintatomer i aksiale positioner er vist med rødt, mens de i ækvatoriale positioner er i blå.

Reaktioner med cyclohexan

Ren cyclohexan i sig selv er ret ureaktiv, idet den er en ikke-polær, hydrofobt carbonhydrid. Det kan reagere med meget stærke syrer, såsom supersyresystemet HF + SbF5, som vil forårsage tvungen protonering og “carbonhydrid-krakning”. Substituerede cyclohexaner kan imidlertid være reaktive under en række betingelser, hvoraf mange er vigtige for organisk kemi. Cyclohexan er meget brandfarligt.

Cyclohexanderivater

Det specifikke arrangement af funktionelle grupper i cyclohexanderivater og faktisk i de fleste cycloalkanmolekyler er ekstremt vigtigt i kemiske reaktioner, især reaktioner, der involverer nukleofiler. Substituenter på ringen skal være i aksial formation for at reagere med andre molekyler. For eksempel vil reaktionen af bromocyclohexan og en fælles nukleofil, en hydroxidanion, resultere i cyclohexen.

Denne reaktion, almindeligvis kendt som en eliminationsreaktion eller dehalogenering (specifikt E2), kræver, at bromsubstituenten er i den aksiale formation, der modsætter sig et andet aksielt H-atom for at reagere. Antages det, at bromocyclohexanen var i den passende formation til at reagere, ville E2-reaktionen begynde som sådan:

1. Elektronparbinding mellem C-Br bevæger sig til Br, danner Br∠‘og sætter den fri for cyclohexan
2. Nukleofilen (-OH) giver et elektronpar til den tilstødende aksiale H, sætter H fri og binder til den for at skabe H2O
3. Elektronparbinding mellem den tilstødende aksial H bevæger sig til bindingen mellem de to CC, hvilket gør den C = C

Bemærk: Alle tre trin sker samtidigt, karakteristisk for alle E2-reaktioner.

Reaktionen ovenfor genererer hovedsagelig E2-reaktioner, og som et resultat vil produktet hovedsagelig være (~ 70%) cyclohexen. Procentdelen varierer dog med forholdene, og generelt konkurrerer to forskellige reaktioner (E2 og Sn2). I ovenstående reaktion ville en Sn2-reaktion erstatte brom med en hydroxyl (OH-) gruppe i stedet for, men igen skal Br være i aksial for at reagere. Når SN2-substitutionen er afsluttet, vil den nyligt substituerede OH-gruppe hurtigt vende tilbage til den mere stabile ækvatoriale position (~ 1 millisekund). Brug

Kommercielt omdannes det meste af cyclohexan produceret til cyclohexanon-cyclohexanol-blanding ved katalytisk oxidation. KA-olie anvendes derefter som råmateriale til adipinsyre og caprolactam. Praktisk talt, hvis cyclohexanolindholdet i KA-olie er højere end cyclohexanon, er det mere sandsynligt (økonomisk) at omdannes til adipinsyre, og omvendt er caprolactamproduktion mere sandsynligt. Et sådant forhold i KA-olie kan styres ved at vælge egnede oxidationskatalysatorer. Noget af cyclohexan anvendes som et organisk opløsningsmiddel.

Cyclohexan i forskning

Selvom meget allerede er kendt om dette cykliske carbonhydrid, forskes der stadig på cyclohexan- og benzenblandinger og fastfase-cyclohexan for at bestemme hydrogenudbyttet af blandingen, når den bestråles ved 195 ° C.

Historie

I modsætning til forbindelser som benzen kan cyclohexan ikke let opnås fra naturlige ressourcer såsom kul. Mod slutningen af det 19. århundrede måtte tidlige kemiske efterforskere afhænge af organisk syntese. Det tog dem 30 år at uddybe detaljerne. I 1867 reducerede Marcellin Berthelot benzen med jodsyre ved forhøjede temperaturer. Han identificerede forkert reaktionsproduktet som n-hexan ikke kun på grund af den bekvemme match i kogepunktet (69 ° C), men også fordi han ikke troede, at benzen var et cyklisk molekyle (som hans nutidige August Kekule), men snarere en slags forening af acetylen. I 1870 gentog en af hans skeptikere Adolf von Baeyer reaktionen og udtalt det samme reaktionsprodukt hexahydrobenzen, og i 1890 mente Vladimir Markovnikov, at han var i stand til at destillere den samme forbindelse fra Kaukasus råolie og kaldte sin sammensætning hexanaphten

I 1894 Baeyer syntetiseret cyclohexan startende med en Dieckmann-kondensation af pimelsyre efterfulgt af multiple reduktioner. og samme år E. Haworth og W.H. Perkin Jr. (1860 – 1929) gjorde det samme i en Wurtz-reaktion af 1,6-dibromhexan. Overraskende kogte deres cyclohexaner højere ved 10 ° C end enten hexahydrobenzen eller hexanaphten, men denne gåde blev løst i 1895 af Markovnikov, NM Kishner og Nikolay Zelinsky, da de re-diagnosticerede hexahydrobenzen og hexanaphten som methylcyclopentan, resultatet af en uventet omlejringsreaktion.