Κυκλοεξάνιο

Το κυκλοεξάνιο είναι ένα κυκλοαλκάνιο με χημικό τύπο C6H12. Το κυκλοεξάνιο χρησιμοποιείται ως ένας μη πολικός διαλύτης για τη χημική βιομηχανία, αλλά και ως μια πρώτη ύλη για την παραγωγή άλλων χημικών προϊόντων, όπως το αδιπικό οξύ και την καπρολακτάμη, που και τα δυο χρησιμοποιούνται, με τη σειρά τους, ως ενδιάμεσες ύλες για την παραγωγή του νάυλον. Σε βιομηχανική κλίμακα, το κυκλοεξάνιο παράγεται με καταλυτική υδρογόνωση βενζολίου. Εξαιτίας των μοναδικών χημικών και διαμορφωτικών του ιδιοτήτων, το κυκλοεξάνιο χρησιμοποιείται από αναλυτικά εργαστήρια ως ένα πρότυπο. Στις συνηθισμένες συνθήκες, δηλαδή θερμοκρασία 25 °C και πίεση 1 Ατμόσφαιρα (μονάδα), το κυκλοπεντάνιο είναι ένα άχρωμο υγρό, με μια διακριτική οσμή που θυμίζει αυτή προϊόντων καθαρισμού, σε ορισμένα από τα οποία πράγματι χρησιμοποιείται.

 Ισομέρεια 

Με βάση το χημικό τύπο του, C6H12, το κυκλοεξάνιο έχει τα ακόλουθα ισομερή 23 θέσης:
 1-εξένιο.
 2-εξένιο.
 3-εξένιο.
 2-μεθυλο-1-πεντένιο.
 3-μεθυλο-1-πεντένιο.
 4-μεθυλο-1-πεντένιο.
 2-μεθυλο-2-πεντένιο.
 3-μεθυλο-2-πεντένιο.
 Αιθυλοβουτένιο.
 2,3-διμεθυλο-1-βουτένιο.
 3,3-διμεθυλοβουτένιο.
 2,3-διμεθυλο-2-βουτένιο.
 Μεθυλοκυκλοπεντάνιο.
 Αιθυλοκυκλοβουτάνιο.
 1,1-διμεθυλοκυκλοβουτάνιο.
 1,2-διμεθυλοκυκλοβουτάνιο.
 1,3-διμεθυλοκυκλοβουτάνιο.
 Προπυλοκυκλοπροπάνιο.
 Ισοπροπυλοκυκλοπροπάνιο.
 1-αιθυλο-1-μεθυλοκυκλοπροπάνιο.
 1-αιθυλο-2-μεθυλοκυκλοπροπάνιο.
 1,1,2-τριμεθυλοκυκλοπροπάνιο.
 1,2,3-τριμεθυλοκυκλοπροπάνιο.

 Δομή και φυσικές ιδιότητες 

 Διαμόρφωση 

Ο εξαμελής δακτύλιος, από τον οποίο αποτελείται δομικά ο ανθρακικός σκελετός του μορίου του κυκλοεξανίου, δεν διαμορφώνεται στο σχήμα ενός κανονικού εξαγώνου. Με τη διαμόρφωση ενός επίπεδου εξαγώνου, το μόριο του εξαγώνου θα είχε αξιόλογη «ενέργεια τάσης δεσμών» λόγω γωνιακής παραμόρφωσης, γιατί σ' αυτό το σχήμα οι γωνίες δεν είναι ίσες με 109,5°. Θα υπήρχε ακόμη και αξιόλογη τάση στρέψης, γιατί όλοι οι δεσμοί με τα άτομα υδρογόνου θα βρίσκονταν σε εκλειπτικές θέσεις, αυξάνοντας έτσι την ενέργεια του συστήματος, λόγω μεγιστοποίησης των απώσεων (τα άτομα υδρογόνου έχουν ένα στατιστικό δ+ ηλεκτρικό φορτίο). Για τους παραπάνω λόγους, και για την ελαχιστοποίηση της ενέργειας (που συνεπάγεται μεγιστοποίηση της σταθερότητας) του συστήματος, το μόριο του κυκλοεξάνιου «υιοθετεί» την αποκαλούμενη «διαμόρφωση ανακλίντρου». Η δομή αυτή προτάθηκε για πρώτη φορά το 1890 από το Χέρμαν Σαξ (Hermann Sachse), αλλά κέρδισε ευρύτερη αποδοχή πολύ αργότερα. Αυτή η διαμόρφωση εξισώνει τις (νοητές) γωνίες μεταξύ των ατόμων άνθρακα στις 109,5°. Τα μισά (δηλαδή τα έξι (6) από τα άτομα υδρογόνου βρίσκονται στο (νοητό) επίπεδο του δακτυλίου, και ονομάζονται «ισημερινά», και τα υπόλοιπα είναι κάθετα στο επίπεδο αυτό, και ονομάζονται «αξονικά». Αυτή η διαμόρφωση επιτρέπει την πιο σταθερή δομή του μορίου του κυκλοεξανίου. Ωστόσο, βρέθηκε ότι ακόμη μια διαμόρφωση υπάρχει για το κυκλοεξάνιο, που είναι γνωστή ως «διαμόρφωση λουτήρα», αλλά τείνει να επαναδιαμορφωθεί στην ελάχιστα σταθερότερη διαμόρφωση ανακλίντρου. Αν ένα από τα άτομα υδρογόνου του κυκλοεξανίου υποκατασταθούν από κάποια ομάδα, η τελευταία είναι πιο πιθανό να βρεθεί συνδεμένη με μια ισημερινή θέση, γιατί η διαμόρφωση αυτή για τα μονοπαράγωγα του κυκλοεξανίου είναι ελάχιστα πιο σταθερή από την αλλη.

Το κυκλοεξάνιο έχει τη χαμηλότερη παραμόρφωση, τόσο γωνιακή όσο και στρέψης, από όλα τα άλλα κυκλοαλκάνια, οπότε το κυκλοεξάνιο θεωρείται ότι έχει συνολική «ενέργεια τάσης δεσμών» μηδέν (0). Αυτή η κατάσταση κάνει το κυκλοεξάνιο το πιο σταθερό κυκλοαλκάνιο και γι' αυτό παράγει την ελάχιστη θερμότητα (ανά μεθυλενική ομάδα), όταν καίγεται, όταν συγκρίνεται με τα άλλα κυκλοαλκάνια.

 Το στεροποιημένο κυκλοεξάνιο 

Το κυκλοεξάνιο σχηματίζει δυο (2) κύριες κρυσταλλικές φάσεις, όταν βρίσκεται στη στερεή κατάσταση. Η «φάση I» είναι σταθερή μεταξύ 186 K και του σημείου τήξης του, δηλαδή τους 280 Κ. Είναι ένα «πλαστικό κρυσταλλικό», έκφραση που σημαίνει ότι τα μόριά του έχουν ένα βαθμό ελεύθερης περιστροφής. Σε θερμοκρασίες κάτω από τους 186 Κ, σχηματίζεται η «φάση II». Έχουν παρατηρηθεί άλλες δυο (2) μετασταθείς φάσεις (που χαρακτηρίζονται ως «φάση III» και «φάση IV», αντίστοιχα). Η «φάση III» παρατηρήθηκε ότι σχηματίζεται όταν το ψυχρό στερεό κυκλοεξάνιο υφίσταται πιέσεις πάνω από 30 MPa, ενώ η «φάση IV» παρατηρήθηκε αποκλειστικά μόνο αν το κυκλοεξάνιο περιέχει δευτέριο. Σημειώστε ότι η εφαρμογή πίεσης αυξάνει τις τιμές όλων των θερμοκρασιών μετάβασηςMayer, J.; Urban, S.; Habrylo, S.; Holderna, K.; Natkaniec, I.; Würflinger, A.; Zajac, W. (1991). "Neutron Scattering Studies of C6H12 and C6D12 Cyclohexane under High Pressure". Physica status solidi (b) 166 (2): 381. doi:10.1002/pssb.2221660207..

+Στερεές φάσεις κυκλοεξανίου#Συμμετρία Χωρική ομάδα  a (Å)  b (Å)  c (Å)  Z  T (K)  P (MPa) I  Κυβική  Fm3m  8,1    4  195  0,1 II  Μονοκλινής  C2/c  11,23  6,44  8,20  4  115  0,1 III  Ορθορομβική  Pmnn  6,54  7,95  5,29  2  235  30 IV  Μονοκλινής  P12(1)/n1  6,50  7,64  5,51  4  160  37

 Παραγωγή 

Βιομηχανικά παράγεται με με καταλυτική υδρογόνωση βενζολίουΑσκήσεις και προβλήματα Οργανικής Χημείας Ν. Α. Πετάση 1982, σελ. 360, §16.5.2.:
 30 px:

Εναλλακτικά, υπάρχουν και οι ακόλουθες μέθοδοι:

 Με θέρμανση αλάτων δικαρβονικών οξέων με Ca ή Ba 

Κατά τη θέρμανση επτανοδιικού ασβεστίου ή επτανοδιικού βαρίου παίρνουμε κυκλοεξανόνη. Στη συνέχεια αυτή ανάγεται προς το κυκλοεξάνιο. Π.χ. υδροξείδιο του ασβεστίου [Ca(OH)2]Ασκήσεις και προβλήματα Οργανικής Χημείας Ν. Α. Πετάση 1982:154, §6.5.Α1., ν = 4.:
χωρίς-πλαίσιο|50x50εσχωρίς-πλαίσιο|50x50εσ  30 px

 Με διαμοριακή συμπύκνωση διεστέρων δικαρβονικών οξέων 

Η διαμοριακή συμπύκνωση δύο διεστέρων δικαρβονικών οξέων, από τους οποίους ο ένας είναι του οξαλικού οξέως και ο άλλος του εξανοδιικού οξέος, γίνεται με επίδραση μεταλλικού νατρίου. Με τον τρόπο αυτό σχηματίζεται δικετοδικαρβονικός διεστέρας με εξαμελή δακτύλιο. Στη συνέχεια αυτός ανάγεται προς σαπωνοποείται προς το αντίστοιχο δικαρβονικό άλας. Το τελευταίο διαποκαρβοξυλιώνεται προς την αντίστοιχη κυκλοδικετόνη, που τελικά ανάγεται προς το αντίστοιχο κυκλοαλκάνιοΑσκήσεις και προβλήματα Οργανικής Χημείας Ν. Α. Πετάση 1982:154, §6.5.Α3., ν = 1.:
 1,4-δι(αλκυλοκαρβοξυλο)-2,3-κυκλοεξαδιόνη
1,4-δι(αλκυλοκαρβοξυλο)-2,3-κυκλοεξαδιόνη  1,4-δι(νατριοκαρβοξυλο)-2,3-κυκλοεξαδιόνη

1,4-δι(νατριοκαρβοξυλο)-2,3-κυκλοεξαδιόνη  1,2-κυκλοεξανοδιόνη

1,2-κυκλοεξανοδιόνη  30 px
 Τα αλκύλια R δεν είναι υποχρεωτικό να είναι ίδια. Χρησιμοποιήθηκε το ίδιο σύμβολο για λόγους απλότητας.

 Εξαμελής δακτύλιος με αντίδραση Diels–Adler 

Κατά την επίδραση «συζυγούς» αλκαδιενίου (διένιου) σε αιθένιο (διενόφιλο) έχουμε την ονομαζόμενη (αντίδραση Diels–Adler) που στην περίπτωση αυτή οδηγεί σε παραγωγή παραγώγων κυκλοεξενίου. Π.χ. με 1,3-βουταδιένιο παίρνουμε κυκλοεξένιο. Το τελευταίο μπορεί να υδρογονωθεί καταλυτικά, σχηματίζοντας κυκλοεξάνιοΑσκήσεις και προβλήματα Οργανικής Χημείας Ν. Α. Πετάση 1982, σελ. 160, §6.10.2.:
 40 px

40 px  30 px

 Χημική συμπεριφορά και παράγωγα 

Το καθαρό κυκλοεξάνιο είναι μάλλον (σχετικά) αδρανές, αφού είναι ένας μη πολικός, υδρόφοβος υδρογονάνθρακας. Μπορεί να αντιδράσει με σουπεροξέα, όπως το μίγμα υδροφθορίου και πενταφθοριούχου αντιμονίου, το οποίο «εξαναγκάζει» το κυκλοεξάνιο να πρωτονιωθεί και να υποστεί πυρόλυση. Τα υποκατεστημένα κυκλοεξάνια, ωστόσο, μπορεί να είναι δραστικά κάτω από μια ποικιλία συνθηκών, και έτσι πολλά από αυτά είναι σημαντικά για την Οργανική Χημεία. Ακόμη, το κυκλοεξάνιο είναι πολύ εύφλεκτο.

 Αναφορές και σημειώσεις 

 Πηγές 

 Ν. Αλεξάνδρου, Γενική Οργανική Χημεία, ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 1985: Σελ.126, 6.1.
 Α. Βάρβογλη, «Χημεία Οργανικών Ενώσεων», παρατηρητής, Θεσσαλονίκη 1991
 SCHAUM'S OUTLINE SERIES, ΟΡΓΑΝΙΚΗ ΧΗΜΕΙΑ, Μτφ. Α. Βάρβογλη, 1999
 Ασκήσεις και προβλήματα Οργανικής Χημείας Ν. Α. Πετάση 1982

Κατηγορία:Κυκλοαλκάνια
Κατηγορία:C6
Κατηγορία:Μητρικές ενώσεις
Κατηγορία:Μη πολικοί διαλύτες