Ciclo-hexano: estrutura, usos, conformações

Ciclo-hexano: estrutura, usos, conformações

O ciclohexano é um cicloalcano relativamente estável com fórmula molecular C 6 H 12 . É um líquido incolor e inflamável que possui um odor suave a solvente, mas pode penetrar na presença de impurezas.

Tem uma densidade de 0,779 g / cm 3 ; ferver a 80,7 ° C; e congela a 6,4 ° C. É considerado insolúvel em água, pois sua solubilidade só pode ser tão baixa quanto 50 ppm (aprox.) Em temperatura ambiente. No entanto, é facilmente misturado com álcool, éter, clorofórmio, benzeno e acetona.

Os sistemas de anel de ciclo-hexano são mais comuns entre as moléculas orgânicas na natureza do que os de outros cicloalcanos. Isso pode ser devido à sua estabilidade e à seletividade oferecida por suas conformações bem estabelecidas.

De fato, carboidratos, esteróides, produtos vegetais, pesticidas e muitos outros compostos importantes contêm anéis semelhantes aos do ciclo-hexano, cujas conformações são de grande importância para sua reatividade.

Estrutura

O ciclohexano é um hidrocarboneto alicíclico de seis membros. Existe principalmente em uma conformação na qual todas as ligações CH nos átomos de carbono vizinhos são escalonadas, com ângulos diédricos iguais a 60 °.

Por apresentar o menor ângulo e tensão de torção de todos os cicloalcanos, o ciclo-hexano é considerado zero em relação à tensão total do anel. Isso também torna o ciclo-hexano o mais estável dos cicloalcanos e, portanto, produz a menor quantidade de calor quando queimado em comparação com os outros cicloalcanos.

Posições substituintes

Existem dois tipos de posições para os substituintes no anel ciclohexano: posições axiais e posições equatoriais. As ligações equatoriais CH estão em uma banda ao redor do equador do anel.

Por sua vez, cada átomo de carbono possui um hidrogênio axial que é perpendicular ao plano do anel e paralelo ao seu eixo. Os hidrogênios axiais se alternam para cima e para baixo; cada átomo de carbono tem uma posição axial e uma equatorial; e cada lado do anel possui três posições axial e três equatorial em um arranjo alternativo.

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Modelos de estudo

O ciclohexano é melhor estudado através da construção de um modelo molecular físico ou de um programa de modelagem molecular. Quando qualquer um desses modelos é usado, é possível observar facilmente as razões de torção e a orientação dos átomos de hidrogênio equatorial e axial.

No entanto, também é possível analisar o arranjo de átomos de hidrogênio em uma projeção de Newman observando qualquer par de ligações DC paralelas.

Conformações

O ciclohexano pode aparecer em duas conformações interconversíveis: barco e cadeira. No entanto, a última é a conformação mais estável, uma vez que não há ângulo de torção ou tensão na estrutura do ciclohexano; mais de 99% das moléculas estão em conformação de cadeira a qualquer momento.

Conformação da cadeira

Em forma de sela, todos os ângulos de ligação CC são 109,5 °, aliviando-os de tensão angular. Como os elos CC são perfeitamente escalonados, a conformação da cadeira também é livre de tensão de torção. Além disso, os átomos de hidrogênio nos cantos opostos do anel ciclohexano são separados o máximo possível.

Conformação do barco

A forma da cadeira pode assumir outra forma chamada forma do barco. Isso ocorre como resultado de rotações parciais nas ligações simples DC no anel. Essa conformação também não apresenta tensão angular, mas possui tensão de torção.

 

Ao olhar para um modelo de conformação do pote, nos eixos de ligação CC ao longo de cada lado, verifica-se que as ligações C-H nesses átomos de carbono são eclipsadas, produzindo tensão de torção.

Além disso, dois átomos de hidrogênio estão próximos o suficiente um do outro para gerar forças de repulsão de Van Der Waals.

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Conformação de barco torcido

Se a forma da lata for flexionada, você obtém a forma de torção que pode aliviar parte do estresse de torção e também reduzir as interações entre os átomos de hidrogênio.

No entanto, a estabilidade obtida pela flexão é insuficiente para tornar o formato do barco giratório mais estável do que o formato da cadeira.

Formulários

Construção em nylon

Quase todo o ciclohexano produzido comercialmente (acima de 98%) é amplamente utilizado como matéria- prima na produção industrial de precursores de nylon: ácido adípico (60%), caprolactama e hexametilenodiamina. 75% da caprolactama produzida em todo o mundo é utilizada na fabricação de nylon 6.

Fabricação de outros compostos

No entanto, o ciclo-hexano também é usado na fabricação de benzeno, cloreto de ciclo-hexil, nitrociclo-hexano, ciclo-hexanol e ciclo-hexanona; na fabricação de combustível sólido; em formulações fungicidas; e na recristalização industrial de esteróides.

Aplicações minoritárias

Uma fração muito pequena do ciclohexano produzido é usada como solvente não polar para a indústria química e diluente em reações poliméricas. Também pode ser usado como removedor de tinta e verniz; na extração de óleos essenciais; e substitutos de vidro.

Devido às suas propriedades químicas e conformacionais únicas, o ciclo-hexano também é usado em laboratórios de química analítica para determinações de peso molecular e como padrão.

Fabricação

Processo tradicional

O ciclohexano está presente no petróleo bruto em concentrações que variam entre 0,1 e 1,0%. Portanto, era tradicionalmente produzido por destilação fracionada de nafta, na qual um concentrado de ciclo-hexano a 85% era obtido por superfracionamento.

Este concentrado foi vendido como tal, uma vez que foi necessária purificação adicional para a realização de um processo de isomerização de pentano, craqueamento térmico para remover hidrocarbonetos de cadeia aberta e tratamento com ácido sulfúrico para remover compostos aromáticos.

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Grande parte da dificuldade em obter o ciclohexano com maior pureza se deve ao grande número de componentes de óleo com pontos de ebulição semelhantes.

Processo de alta eficiência

Atualmente, o ciclohexano é produzido em escala industrial por reação do benzeno com hidrogênio (hidrogenação catalítica) devido à simplicidade do processo e à sua alta eficiência.

Esta reação pode ser realizada usando métodos de fase líquida ou de vapor na presença de um catalisador altamente disperso ou em um leito fixo catalítico. Vários processos foram desenvolvidos nos quais níquel, platina ou paládio é usado como catalisador.

A maioria das usinas de ciclohexano usa gás reformador que produz benzeno e grandes quantidades de subprodutos de hidrogênio como matéria-prima para a produção de ciclohexano.

Como os custos de hidrogênio e benzeno são críticos para gerar rentabilidade com o ciclohexano, as plantas costumam estar localizadas perto de grandes refinarias, onde estão disponíveis matérias-primas de baixo custo.

Referências 

  1. Campbell, ML (2014). Ciclo-hexano. Enciclopédia de Química Industrial de Ullmann ( ed.). Nova York: John Wiley & Sons.
  2. McMurry, J. (2011). Fundamentos de Química Orgânica ( ed.). Belmont: Brooks / Cole.
  3. Centro Nacional de Informação Biotecnológica. (2020) PubChem Database. Ciclo-hexano, CID = 8078. Bethesda: Biblioteca Nacional de Medicina. Recuperado de: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
  4. Ouellette, RJ, e Rawn, JD (2014). Química Orgânica – Estrutura, Mecanismo e Síntese. San Diego: Elsevier.
  5. Petrucci, RH, Herring, FG, Bissonnette, C., & Madura, JD (2017). Química Geral: Princípios e Aplicações Modernas (11 ª ed.). Nova York: Pearson.
  6. Solomons, TW, Fryhle, CB e Snyder, SA (2016). Organic Chemistry (12 th ed.). Hoboken: John Wiley & Sons.
  7. Wade, LG (2013). Organic Chemistry (8th ed.). Nova york. Pearson.

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