Cyklohexán

Cyklohexán je cykloalkán, ktorý má šesť atómov uhlíka. Je to nepolárna berzfarebná horľavá tekutina, ktorá má charakteristickú vôňu detergentu, ktorá pripomína čistiace prípravky (v ktorých sa niekedy používa). Z cyklohexánu sa vyrába kyselina adipová a kaprolaktám, ktoré sa používajú ako prekurzory pri výrobe nylonu.
Cyklohexyl (C6H11–) je alkylová skupina, ktorá je odvodená od cyklohexánu, a niekedy sa skracuje ako Cy.
Výroba.
Aktuálny proces.
Priemyselne sa cyklohexán vyrába hydrogenáciou benzénu v pritomnosti Raneyho niklu ako katalyzátoru. Výroba cyklohexánu predstavuje asi 11,4 % svetovej spotreby benzénu. Táto reakcia je silne exotermická, jej entalpia je ΔH(500 K) = -216,37 kJ/mol. Dehydrogenácia prebieha rýchlo nad 300 °C, čo poukazuje na výhodnú entropiu tejto reakcie.
V minulosti.
Na rozdiel od benzénu sa cyklohexán nenachádza v prírodných materiáloch ako je uhlie. Z tohto dôvodu si výskumníci syntetizovali cyklohexán lokálne.
Nepodarené pokusy.
Cyklohexán však vrie pti teplote o 10 °C vyššej než hexahydrobenzén alebo hexanaftén, ktoré izolovali Baeyer a Markovnikov, napriek tomu, že použili ten istý postup. Túto záhadu rozlúštili v roku 1895 Markovnikov, N. M. Kishner a Nikolay Zelinsky, kedy zistili, že „hexahydrobenzén“ a „hexanaftén“ sú v skutočnosti metylcyklopentán, ktorý vzniká neočakávaným prešmykom.
Úspešné pokusy.
V roku 1894 Baeyer syntetizoval cyklohexán pomocou ketonizácie kyseliny pimelovej, ktorú následne niekoľkokrát redukoval:
V tom istom roku pripravili E. Haworth a W. H. Perkin Jr. (1860–1929) cyklohexán pomocou Wurtzovej reakcie z 1,6-dibrómhexánu:
Reakcie a použitie.
Aj keď cyklohexán je relatívne nereaktívny, podstupuje katalytickú oxidáciu za vzniku cyklohexanónu a cyklohexanolu. Zmes týchto dvoch látok je vstupným materiálov používaným na syntézu kyseliny adipovej a kaprolaktámu, ktoré sa používajú pri výrobe nylonu. Ročne sa vyrobí niekoľko miliónov kilogramov cyklohexanónu a cyklohexanónu.
Cyklohexán sa používa ako rozpúšťadlo. Niekedy sa používa ako nepolárny organický solvent, aj keď "n"-hexán sa používa častejšie. Často sa používa ako rozpúšťadlo pri rekryštalizácii, keďže sa mnohé organické látky dobre rozpúšťajú v teplom cyklohexáne, ale sú málo rozpustné pri nízkych replotách.
Cyklohexán sa použva pri kalibrácii prístrojov na diferenčnú skenovaciu kalorimetriu (DSC), pretože má vhodný prechod medzi kryštálovými usporiadaniami pri −87,1 °C (186 K).
Konformácia.
Šesťuhlíkový cyklus cyklohexánu netvorí tvar pravidelného šesťuholníka. Konformácia plochého 2D planárneho šesťuholníka má výrazné uhlové pnutie, pretože jeho väzby nemajú 109,5°. Torzné pnutie, dané odpudzovaním nevhodne usporiadaných skupín, by takisto nebolo malé, pretože všetky väzby by boli v zákrytovej konformácii. Aby sa toto torzné pnutie znížilo, cyklohexán sa vyskytuje v usporiadaní nazývanom stoličková konformácia (alebo len stolička), ktorá sa pri izbovej teploty rýchlo mení, teda dochádza k preklápaniu kruhu.
Počas preklopenia existujú tri ďalšie konformácie:
Stolička a skrížená vanička predstavujú energetické lokálne minimá preklápania kruhu, takže sú to konforméry. Polostolička a vanička predstavujú energetické lokálne maximá.
Hermann Sachse bol prvý, kto predpovedal stoličkovú konformáciu ako najstabilnejšiu štruktúru cyklohexánu, a to v roku 1890. Táto predstava bola prijatá až neskôr, väčšie uznanie sa jej dostalo až po 30 rokoch a všeobcene bola uznaná až v roku 1950. Táto konformácia umožňuje väzbový uhol 109,5° pre všetky uhlíkové atómy. Polovica atómov vodíka sa nachádza v rovine kruhu (táto orientácia sa nazýva "ekvatoriálna") a polovica je kolmá na rovinu kruhu ("axiálna" poloha). Vaničková konformácia je takisto stabilná, ale pri izbovej teplote sa rýchlo mení na stoličkovú konformáciu a zase naspäť. Ak má cyklohexán naviazaný jeden objemný substituent, tento substituent bude pravdepodobne preferovať ekvatoriálne usporiadanie, pretože toto geometrické usporiadanie je o niečo stabilnejšie.
Cyklohexán má najmenšie pnutie (čo sa týka väzbového uhla i torzného pnutia) spomedzi cykloalkánov, jeho hodnota je takmer nulová, a preto sa jeho pnutie často označuje ako 0 pri porovnaní pnutia s inými cykloalkánmi.
Pevné fázy.
Cyklohexán má dve kryštálové fázy. Fáza I, stabilná pri vyšších teplotách 186-280 K, je plastický kryštál, čo znamená, že jeho molekuly majú istú rotačnú voľnosť. Fáza II, stabilná pri nízkych teplotách (pod 186 K) je usporiadaná. Existujú ešte dve metastabilné fázy, III a IV, ktoré boli získané pri tlakoch nad 30 MPa, pričom fáza IV sa vyskytuje len u deuterovaného cyklohexánu (použitie tlaku zvyšuje hodnoty všetkých teplôt fázových prechodov).
"Z" ukazuje počet molekúl v základnej bunke. Vektory základnej bunky, "a", "b", a "c", boli merané pri teplote "T" a tlaku "P".