CICLOESANO: STRUTTURA, USI, CONFORMAZIONI - CHIMICA - 2024

Il cicloesano è un cicloalcano relativamente stabile con formula molecolare C ₆ H ₁₂ . È un liquido incolore e infiammabile che ha un leggero odore di solvente, ma può essere penetrante in presenza di impurità.

Ha una densità di 0,779 g / cm ³ ; bolle a 80,7 ° C; e congelato a 6,4 ° C. È considerato insolubile in acqua, poiché la sua solubilità può essere solo di 50 ppm (circa) a temperatura ambiente. Tuttavia, si miscela facilmente con alcool, etere, cloroformio, benzene e acetone.

Modello 3D della molecola di cicloesano. Jynto e Ben Mills / Pubblico dominio

I sistemi ad anello del cicloesano sono più comuni tra le molecole organiche in natura rispetto a quelle di altri cicloalcani. Ciò può essere dovuto sia alla loro stabilità che alla selettività offerta dalle loro conformazioni consolidate.

Infatti carboidrati, steroidi, prodotti vegetali, pesticidi e molti altri importanti composti contengono anelli simili a quelli del cicloesano, le cui conformazioni sono di grande importanza per la loro reattività.

Struttura

Il cicloesano è un idrocarburo aliciclico a sei membri. Esiste principalmente in una conformazione in cui tutti i legami CH negli atomi di carbonio vicini sono sfalsati, con angoli diedri pari a 60 °.

Poiché ha l'angolo e la sollecitazione torsionale più bassi di tutti i cicloalcani, si considera che il cicloesano abbia uno zero rispetto alla sollecitazione totale dell'anello. Questo rende anche il cicloesano il più stabile dei cicloalcani e quindi produce la minor quantità di calore quando viene bruciato rispetto agli altri cicloalcani.

Posizioni dei sostituenti

Esistono due tipi di posizioni per i sostituenti sull'anello del cicloesano: posizioni assiali e posizioni equatoriali. I legami CH equatoriali si trovano in una fascia attorno all'equatore dell'anello.

A sua volta, ogni atomo di carbonio ha un idrogeno assiale perpendicolare al piano dell'anello e parallelo al suo asse. Gli idrogeni assiali si alternano su e giù; ogni atomo di carbonio ha una posizione assiale ed una equatoriale; e ogni lato dell'anello ha tre posizioni assiali e tre equatoriali in una disposizione alternata.

Modelli di studio

Il cicloesano viene studiato al meglio costruendo un modello molecolare fisico o con un programma di modellazione molecolare. Utilizzando uno qualsiasi di questi modelli, è possibile osservare facilmente le relazioni torsionali e l'orientamento degli atomi di idrogeno equatoriale e assiale.

Tuttavia, la disposizione degli atomi di idrogeno in una proiezione di Newman può anche essere analizzata osservando qualsiasi coppia di legami CC paralleli.

Proiezione di Newman del cicloesano. Durfo / CC0

conformazioni

Il cicloesano può presentarsi in due conformazioni interconvertibili: barca e sedia. Tuttavia, quest'ultima è la conformazione più stabile, non essendoci sollecitazioni angolari o torsionali nella struttura del cicloesano; più del 99% delle molecole si trova in una conformazione a sedia in un dato momento.

Conformazione a sedia di cicloesano. Chem Sim 2001 / Pubblico dominio

Conformazione sedia

In una conformazione a sedia, tutti gli angoli di legame CC sono 109,5 °, il che li allevia dallo stress angolare. Poiché i collegamenti CC sono perfettamente sfalsati, anche la conformazione della sella è esente da sollecitazioni torsionali. Inoltre, gli atomi di idrogeno agli angoli opposti dell'anello di cicloesano sono distanziati l'uno dall'altro.

Conformazione della barca

La forma della sedia può assumere un'altra forma chiamata forma della lattina. Ciò si verifica a seguito di rotazioni parziali sui singoli legami CC dell'anello. Tale conformazione inoltre non presenta sollecitazioni angolari, ma ha sollecitazioni torsionali.

Conformazione barca cicloesano. Keministi / Pubblico dominio

Quando si guarda un modello della conformazione della barca, sugli assi del legame CC lungo ciascun lato, si scopre che i legami C - H in quegli atomi di carbonio sono eclissati, producendo uno stress torsionale.

Inoltre, due degli atomi di idrogeno sono abbastanza vicini l'uno all'altro da generare forze repulsive di Van Der Waals.

Conformazione a barca contorta

Se la conformazione della barca si flette, si ottiene la conformazione della barca attorcigliata che può alleviare parte dello stress torsionale e anche ridurre le interazioni tra gli atomi di idrogeno.

Tuttavia, la stabilità ottenuta in flessione è insufficiente per rendere più stabile la conformazione della barca attorcigliata rispetto alla conformazione della sella.

Formazione di barche contorte di cicloesano. Keministi / CC0

applicazioni

Produzione di nylon

Quasi tutto il cicloesano prodotto in commercio (oltre il 98%) è ampiamente utilizzato come materia prima nella produzione industriale dei precursori del nylon: acido adipico (60%), caprolattame ed esametilendiammina. Il 75% del caprolattame prodotto nel mondo viene utilizzato per produrre il nylon 6.

Chitarra con corde in nylon. Fonte: pexels.com

Fabbricazione di altri composti

Tuttavia, il cicloesano viene anche utilizzato nella produzione di benzene, cicloesil cloruro, nitrocicloesano, cicloesanolo e cicloesanone; nella produzione di combustibili solidi; in formulazioni fungicide; e nella ricristallizzazione industriale di steroidi.

Applicazioni di minoranza

Una piccolissima frazione del cicloesano prodotto viene utilizzata come solvente non polare per l'industria chimica e come diluente nelle reazioni dei polimeri. Può anche essere usato come sverniciatore e sverniciatore; nell'estrazione di oli essenziali; e sostituti del vetro.

Grazie alle sue proprietà chimiche e conformazionali uniche, il cicloesano è utilizzato anche nei laboratori di chimica analitica per la determinazione del peso molecolare e come standard.

Produzione

Processo tradizionale

Il cicloesano è presente nel petrolio greggio in concentrazioni che variano tra lo 0,1 e l'1,0%. Pertanto, era tradizionalmente prodotto dalla distillazione frazionata della nafta in cui si ottiene un concentrato dell'85% di cicloesano per superfrazionamento.

Distillazione frazionata del petrolio. Crude_Oil_Distillation-fr.svg: Image originale: Psarianos, Theresa knott; immagine vectorielle: Rogilbertderivative work: Utain () / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)

Questo concentrato è stato venduto come tale, poiché un'ulteriore purificazione richiedeva l'esecuzione di un processo di isomerizzazione dei pentani, cracking termico per rimuovere gli idrocarburi a catena aperta e trattamento con acido solforico per rimuovere i composti aromatici.

Gran parte della difficoltà nell'ottenere cicloesano con una maggiore purezza era dovuta al gran numero di componenti del petrolio con punti di ebollizione simili.

Processo ad alta efficienza

Oggi il cicloesano viene prodotto su scala industriale facendo reagire il benzene con l'idrogeno (idrogenazione catalitica) grazie alla semplicità del processo e alla sua elevata efficienza.

Questa reazione può essere condotta utilizzando metodi in fase liquida o vapore in presenza di un catalizzatore altamente disperso o in un letto di catalizzatore fisso. Sono stati sviluppati diversi processi in cui il nichel, il platino o il palladio vengono utilizzati come catalizzatori.

La maggior parte degli impianti di cicloesano utilizza gas riformatore che produce benzene e grandi quantità di sottoprodotti di idrogeno come materia prima per la produzione di cicloesano.

Poiché i costi dell'idrogeno e del benzene sono fondamentali per la produzione redditizia del cicloesano, gli impianti sono spesso situati vicino a grandi raffinerie dove sono disponibili materie prime a basso costo.

Riferimenti

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