Cyklohexan är en cykloalkan med molekylformeln C6H12. Cyklohexan används som ett icke-polärt lösningsmedel för den kemiska industrin och också som råvara för industriell produktion av adipinsyra och kaprolaktam, vilka båda är mellanprodukter som används vid framställning av nylon. I industriell skala produceras cyklohexan genom att reagera bensen med väte. På grund av dess unika kemiska och konformationsegenskaper används cyklohexan också i laboratorier vid analys och som standard.

Cyklohexanmolekyl med Jsmol se – För 3D-strukturer

Cyklohexanens struktur Molekyl

Den sexkantiga ringen överensstämmer inte med formen på en perfekt sexkant. Konformationen av en platt 2D-plan sexkant har en avsevärd vinkeltöjning på grund av att dess bindningar inte är 109,5 grader; Torsionsspänningen skulle också vara betydande på grund av alla förmörkade bindningar. För att minska torsionsspänningen antar cyklohexan därför en tredimensionell struktur som kallas stolkonformationen. Den nya konformationen sätter kolen i en vinkel på 109,5 °. Hälften av vätena ligger i ringen (ekvatorial) medan den andra halvan är vinkelrät mot planet (axiell). Denna konformation möjliggör den mest stabila strukturen av cyklohexan. En annan konformation av cyklohexan finns, känd som båtkonformation, men den omvandlas till den något mer stabila stolformationen. Om cyklohexan är monosubstituerad med en stor substituent, kommer substituenten troligen att finnas fäst i en ekvatorial position, eftersom detta är den något mer stabila konformationen.

Cyklohexan har den lägsta vinkeln och torsionsstammen av som ett resultat har cyklohexan ansetts vara 0 i total ringstam, en kombination av vinkel och torsionsstam. Detta gör också cyklohexan till det mest stabila av cykloalkanerna och kommer därför att producera minst värme vid förbränning jämfört med andra cykloalkaner.

En cyklohexanmolekyl i stolkonstruktion. Väteatomer i axiella positioner visas i rött, medan de i ekvatoriella positioner är i blått.

Reaktioner med cyklohexan

Ren cyklohexan i sig är ganska opåverkande, eftersom den är en icke-polär, hydrofobt kolväte. Det kan reagera med mycket starka syror såsom supersyrsystemet HF + SbF5 vilket kommer att orsaka tvingad protonering och ”kolväte-krackning”. Substituerade cyklohexaner kan emellertid vara reaktiva under olika betingelser, varav många är viktiga för organisk kemi. Cyklohexan är mycket brandfarligt.

Cyklohexanderivat

Det specifika arrangemanget av funktionella grupper i cyklohexanderivat, och faktiskt i de flesta cykloalkanmolekyler, är extremt viktigt i kemiska reaktioner, särskilt reaktioner som involverar nukleofiler. Substituenter på ringen måste vara i axiell formation för att reagera med andra molekyler. Till exempel skulle reaktionen av bromcyklohexan och en vanlig nukleofil, en hydroxidanjon, resultera i cyklohexen.

Denna reaktion, allmänt känd som en eliminationsreaktion eller dehalogenering (specifikt E2), kräver att bromsubstituenten är i axiell formation, motsätter sig en annan axiell H-atom för att reagera. Förutsatt att bromcyklohexan var i lämplig formation för att reagera, skulle E2-reaktionen påbörjas som sådan: fri från cyklohexan

Obs: Alla tre stegen inträffar samtidigt, karakteristiska för alla E2-reaktioner. genererar mest E2-reaktioner och som ett resultat kommer produkten att vara mestadels (~ 70%) cyklohexen. Procentandelen varierar dock med förhållandena och i allmänhet tävlar två olika reaktioner (E2 och Sn2). I ovanstående reaktion skulle en Sn2-reaktion istället ersätta brom med en hydroxyl (OH-) grupp, men återigen måste Br vara i axiell för att reagera. När SN2-substitutionen är klar skulle den nyligen substituerade OH-gruppen snabbt vända tillbaka till den mer stabila ekvatorialpositionen (~ 1 millisekund). Användningar

Kommersiellt omvandlas det mesta av cyklohexan som produceras till cyklohexanon-cyklohexanolblandning genom katalytisk oxidation. KA-olja används sedan som råvara för adipinsyra och kaprolaktam. Praktiskt taget, om cyklohexanolhalten i KA-olja är högre än cyklohexanon, är det mer sannolikt (ekonomiskt) att omvandlas till adipinsyra, och omvänd fallet är kaprolaktamproduktion mer sannolikt. Ett sådant förhållande i KA-olja kan regleras genom att välja lämpliga oxidationskatalysatorer. En del av cyklohexan används som ett organiskt lösningsmedel.

Cyklohexan i forskning

Även om mycket redan är känt om detta cykliska kolväte, forskas fortfarande på cyklohexan- och bensenblandningar och fast fas cyklohexan för att bestämma väteutbyten av blandningen vid bestrålning vid 195 ° C.

Historia

Till skillnad från föreningar som bensen kan cyklohexan inte lätt erhållas från naturresurser som kol. Mot slutet av 1800-talet var tidiga kemiska utredare beroende av organisk syntes. Det tog dem 30 år att ta fram detaljerna. År 1867 reducerade Marcellin Berthelot bensen med jodsyra vid förhöjda temperaturer. Han identifierade felaktigt reaktionsprodukten som n-hexan inte bara på grund av den lämpliga matchningen i kokpunkten (69 ° C) utan också för att han inte trodde att bensen var en cyklisk molekyl (som hans samtida August Kekule) utan snarare någon form av association av acetylen. 1870 upprepade en av hans skeptiker Adolf von Baeyer reaktionen och uttalade samma reaktionsprodukt hexahydrobenzen och 1890 trodde Vladimir Markovnikov att han kunde destillera samma förening från Kaukasus petroleum och kallade hans sammansättning hexanaphten

1894 Baeyer syntetiserad cyklohexan med början med en Dieckmann-kondensation av pimelsyra följt av multipla reduktioner. och samma år E. Haworth och W.H. Perkin Jr. (1860 – 1929) gjorde samma sak i en Wurtz-reaktion av 1,6-dibromohexan. Överraskande kokades deras cyklohexaner högre med 10 ° C än antingen hexahydrobensen eller hexanaften men denna gåta löstes 1895 av Markovnikov, NM Kishner och Nikolay Zelinsky när de på nytt diagnostiserade hexahydrobensen och hexanaften som metylcyklopentan, resultatet av en oväntad omläggningsreaktion.