Le cyclohexane est un cycloalcane de formule moléculaire C6H12. Le cyclohexane est utilisé comme solvant non polaire pour l’industrie chimique, ainsi que comme matière première pour la production industrielle d’acide adipique et de caprolactame, qui sont tous deux des intermédiaires utilisés dans la production de nylon. À l’échelle industrielle, le cyclohexane est produit en faisant réagir du benzène avec de l’hydrogène. En raison de ses propriétés chimiques et conformationnelles uniques, le cyclohexane est également utilisé dans les laboratoires en analyse et en tant que norme.

Molécule de cyclohexane utilisant Jsmol voir – Pour les structures 3D

Structure du cyclohexane Molécule

L’anneau à 6 sommets ne se conforme pas à la forme d’un hexagone parfait. La conformation d’un hexagone plat 2D plat a une déformation angulaire considérable en raison du fait que ses liaisons ne sont pas de 109,5 degrés; la déformation de torsion serait également considérable en raison de toutes les liaisons éclipsées. Par conséquent, pour réduire la contrainte de torsion, le cyclohexane adopte une structure tridimensionnelle connue sous le nom de conformation de chaise. La nouvelle conformation place les carbones à un angle de 109,5 °. La moitié des hydrogènes sont dans le plan de l’anneau (équatorial) tandis que l’autre moitié est perpendiculaire au plan (axial). Cette conformation permet la structure la plus stable du cyclohexane. Une autre conformation du cyclohexane existe, connue sous le nom de conformation de bateau, mais elle s’interconvertit en une formation de chaise légèrement plus stable. Si le cyclohexane est mono-substitué par un gros substituant, alors le substituant sera très probablement trouvé attaché en position équatoriale, car il s’agit de la conformation légèrement plus stable.

Le cyclohexane a l’angle le plus bas et la déformation de torsion de tous les cycloalcanes, par conséquent le cyclohexane a été considéré comme un 0 en déformation annulaire totale, une combinaison d’angle et de déformation de torsion. Cela rend également le cyclohexane le plus stable des cycloalcanes et produira donc le moins de chaleur lorsqu’il est brûlé par rapport aux autres cycloalcanes.

Une molécule de cyclohexane en chairconformation. Les atomes d’hydrogène en positions axiales sont représentés en rouge, tandis que ceux en positions équatoriales sont en bleu.

Réactions avec le cyclohexane

Le cyclohexane pur en lui-même est plutôt non réactif, étant non polaire, hydrocarbure hydrophobe. Il peut réagir avec des acides très forts tels que le système superacide HF + SbF5 qui provoquera une protonation forcée et un « craquage d’hydrocarbures ». Les cyclohexanes substitués, cependant, peuvent être réactifs dans diverses conditions, dont beaucoup sont importantes pour la chimie organique. Le cyclohexane est hautement inflammable.

Dérivés du cyclohexane

La disposition spécifique des groupes fonctionnels dans les dérivés du cyclohexane, et en fait dans la plupart des molécules de cycloalcane, est extrêmement importante dans les réactions chimiques, en particulier les réactions impliquant des nucléophiles. Les substituants sur l’anneau doivent être en formation axiale pour réagir avec d’autres molécules. Par exemple, la réaction du bromocyclohexane et d’un nucléophile commun, un anion hydroxyde, aboutirait au cyclohexène.

Cette réaction, communément appelée réaction d’élimination ou de déshalogénation (spécifiquement E2), nécessite que le substituant brome soit dans la formation axiale, s’opposant à un autre atome H axial pour réagir. En supposant que le bromocyclohexane était dans la formation appropriée pour réagir, la réaction E2 commencerait comme telle:

1. La liaison de paire d’électrons entre le C-Br se déplace vers le Br, formant Br∠‘et le fixant sans cyclohexane
2. Le nucléophile (-OH) donne une paire d’électrons à l’axe H adjacent, libérant H et se liant à lui pour créer H2O
3. La liaison de paire d’électrons entre les axial H se déplace vers le lien entre les deux CC, ce qui en fait C = C

Remarque: les trois étapes se déroulent simultanément, caractéristique de toutes les réactions E2.

La réaction ci-dessus générera principalement des réactions E2 et, par conséquent, le produit sera principalement (~ 70%) de cyclohexène. Cependant, le pourcentage varie avec les conditions et, généralement, deux réactions différentes (E2 et Sn2) se font concurrence. Dans la réaction ci-dessus, une réaction Sn2 remplacerait le brome par un groupe hydroxyle (OH-) à la place, mais encore une fois, le Br doit être axial pour réagir. Une fois la substitution SN2 terminée, le groupe OH nouvellement substitué reviendrait rapidement à la position équatoriale la plus stable (~ 1 milliseconde). Utilisations

Dans le commerce, la plupart du cyclohexane produit est converti en mélange cyclohexanone-cyclohexanol par oxydation. L’huile KA est ensuite utilisée comme matière première pour l’acide adipique et le caprolactame. En pratique, si la teneur en cyclohexanol de l’huile KA est supérieure à celle de la cyclohexanone, il est plus probable (économique) d’être convertie en acide adipique, et dans le cas inverse, la production de caprolactame est plus probable. Un tel rapport dans l’huile KA peut être contrôlé en sélectionnant des catalyseurs d’oxydation appropriés. Une partie du cyclohexane est utilisée comme solvant organique.

Cyclohexane en recherche

Bien que l’on en sache déjà beaucoup sur cet hydrocarbure cyclique, des recherches sont toujours en cours sur les mélanges de cyclohexane et de benzène et le cyclohexane en phase solide pour déterminer les rendements en hydrogène du mélange une fois irradié à 195 ° C.

Histoire

Contrairement à des composés comme le benzène, le cyclohexane ne peut pas être facilement obtenu à partir de ressources naturelles comme le charbon. Vers la fin du XIXe siècle, les premiers chercheurs en chimie ont dû dépendre de la synthèse organique. Il leur a fallu 30 ans pour préciser les détails. En 1867, Marcellin Berthelot réduisit le benzène avec de l’acide iodhydrique à des températures élevées. Il a incorrectement identifié le produit de la réaction comme du n-hexane non seulement en raison de la correspondance pratique du point d’ébullition (69 ° C), mais aussi parce qu’il ne croyait pas que le benzène était une molécule cyclique (comme son August Kekule contemporain) mais plutôt une sorte d’association d’acétylène. En 1870, un de ses sceptiques Adolf von Baeyer a répété la réaction et a prononcé le même produit de réaction hexahydrobenzène et en 1890 Vladimir Markovnikov croyait qu’il était capable de distiller le même composé du pétrole du Caucase en appelant sa concoction hexanaphtène

En 1894 Baeyer le cyclohexane synthétisé en commençant par une condensation Dieckmann d’acide pimélique suivie de multiples réductions. et la même année, E. Haworth et W.H. Perkin Jr. (1860 – 1929) a fait de même dans une réaction de Wurtz du 1,6-dibromohexane. Zelinsky lorsqu’ils ont re-diagnostiqué l’hexahydrobenzène et l’hexanaphtène comme méthylcyclopentane, résultat d’une réaction de réarrangement inattendue.