Ciclohexano: estrutura, usos, conformações - Ciência - 2023

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o ciclohexano é um cicloalcano relativamente estável com a fórmula molecular C6H12. 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 / cm3; ferve a 80,7 ° C; e congelado a 6,4 ° C É considerado insolúvel em água, pois sua solubilidade pode ser tão baixa quanto 50 ppm (aproximadamente) em temperatura ambiente. No entanto, ele se mistura facilmente com álcool, éter, clorofórmio, benzeno e acetona.

Os sistemas de anéis do ciclohexano são mais comuns entre as moléculas orgânicas da natureza do que os de outros cicloalcanos. Isso pode ser devido tanto a sua estabilidade quanto 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 ciclohexano, cujas conformações são de grande importância para sua reatividade.


Estrutura

O ciclohexano é um hidrocarboneto alicíclico de seis membros. Ele existe principalmente em uma conformação na qual todas as ligações C-H em átomos de carbono vizinhos são escalonadas, com ângulos diedros iguais a 60 °.

Por ter o ângulo e a tensão de torção mais baixos de todos os cicloalcanos, o ciclohexano é considerado como tendo zero em relação à tensão total do anel. Isso também torna o ciclohexano 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 substituintes no anel de ciclohexano: posições axiais e posições equatoriais. As ligações C-H equatoriais formam 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 alternam para cima e para baixo; cada átomo de carbono tem uma posição axial e uma equatorial; e cada lado do anel tem três posições axiais e três equatoriais em um arranjo alternado.


Modelos de Estudo

O ciclohexano é mais bem estudado construindo um modelo físico molecular ou com um programa de modelagem molecular. Ao usar qualquer um desses modelos, é possível observar facilmente as relações de torção e a orientação dos átomos de hidrogênio equatorial e axial.

Entretanto, o arranjo dos átomos de hidrogênio em uma projeção de Newman também pode ser analisado observando-se qualquer par de ligações C-C paralelas.

Conformações

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


Conformação da cadeira

Em uma conformação de sela, todos os ângulos de ligação C-C são 109,5 °, o que os alivia da tensão angular. Como as ligações C-C são perfeitamente escalonadas, a conformação da sela também está livre de tensões de torção. Além disso, os átomos de hidrogênio em cantos opostos do anel de ciclohexano são espaçados o mais longe possível.

Conformação do barco

A forma da cadeira pode assumir outra forma chamada forma de lata. Isso ocorre como resultado de rotações parciais nas ligações simples C-C do anel. Essa conformação também não apresenta tensões angulares, mas sim tensões de torção.

 

Quando você olha para um modelo da conformação do barco, nos eixos de ligação C-C ao longo de cada lado, você descobre que as ligações C-H nesses átomos de carbono são eclipsadas, produzindo tensão de torção.

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

Conformação de barco torcida

Se a conformação do barco flexiona, você obtém a conformação do barco torcida que pode aliviar parte da tensão de torção e também reduzir as interações entre os átomos de hidrogênio.

No entanto, a estabilidade obtida por flexão é insuficiente para tornar a conformação torcida do barco mais estável do que a conformação da sela.

Formulários

Fabricação de nylon

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

Fabricação de outros compostos

No entanto, o ciclohexano também é usado na fabricação de benzeno, cloreto de ciclohexila, nitrociclohexano, ciclohexanol e ciclohexanona; na fabricação de combustível sólido; em formulações fungicidas; e na recristalização industrial de esteróides.

Aplicativos minoritários

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

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

Fabricar

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 da nafta, em que um concentrado de 85% de ciclohexano era obtido por super-fracionamento.

Este concentrado foi vendido como tal, pois a purificação adicional exigia a realização de um processo de isomerização do pentano, craqueamento térmico para remoção de hidrocarbonetos de cadeia aberta e tratamento com ácido sulfúrico para remoção de compostos aromáticos.

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

Processo de alta eficiência

Hoje, o ciclohexano é produzido em escala industrial pela reação do benzeno com o hidrogênio (hidrogenação catalítica) devido à simplicidade do processo e 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 são usados ​​como catalisadores.

A maioria das plantas de cicloexano usa gás reformador produtor de benzeno e grandes quantidades de subprodutos de hidrogênio como matéria-prima para a produção de ciclohexano.

Como os custos do hidrogênio e do benzeno são críticos para a fabricação lucrativa de ciclohexano, as fábricas costumam estar localizadas perto de grandes refinarias, onde matérias-primas baratas estão disponíveis.

Referências 

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