CYCLOHEXANE: STRUCTURE, UTILISATIONS, CONFORMATIONS - CHIMIE - 2025

Le cyclohexane est un cycloalcane relativement stable de formule moléculaire C ₆ H ₁₂. C'est un liquide incolore et inflammable qui dégage une légère odeur de solvant, mais qui peut pénétrer en présence d'impuretés.

Il a une densité de 0,779 g / cm ³; bout à 80,7 ° C; et congelé à 6,4 ° C Il est considéré comme insoluble dans l'eau, car sa solubilité ne peut être que de 50 ppm (environ) à température ambiante. Cependant, il se mélange facilement avec de l'alcool, de l'éther, du chloroforme, du benzène et de l'acétone.

Modèle 3D de la molécule de cyclohexane. Jynto et Ben Mills / Domaine public

Les systèmes cycliques du cyclohexane sont plus courants parmi les molécules organiques dans la nature que ceux des autres cycloalcanes. Cela peut être dû à la fois à leur stabilité et à la sélectivité offerte par leurs conformations bien établies.

En effet, les glucides, les stéroïdes, les produits végétaux, les pesticides et de nombreux autres composés importants contiennent des anneaux similaires à ceux du cyclohexane, dont les conformations sont d'une grande importance pour leur réactivité.

Structure

Le cyclohexane est un hydrocarbure alicyclique à six chaînons. Il existe principalement dans une conformation dans laquelle toutes les liaisons CH des atomes de carbone voisins sont décalées, avec des angles dièdres égaux à 60 °.

Parce qu'il a l'angle et la contrainte de torsion les plus faibles de tous les cycloalcanes, on considère que le cyclohexane a zéro par rapport à la contrainte annulaire totale. Cela rend également le cyclohexane le plus stable des cycloalcanes et produit par conséquent le moins de chaleur lorsqu'il est brûlé par rapport aux autres cycloalcanes.

Postes de remplaçant

Il existe deux types de positions pour les substituants sur le cycle cyclohexane: les positions axiales et les positions équatoriales. Les liaisons CH équatoriales se trouvent dans une bande autour de l'équateur de l'anneau.

À son tour, chaque atome de carbone a un hydrogène axial qui est perpendiculaire au plan de l'anneau et parallèle à son axe. Les hydrogènes axiaux alternent de haut en bas; chaque atome de carbone a une position axiale et une position équatoriale; et chaque côté de l'anneau a trois positions axiales et trois positions équatoriales dans un agencement alterné.

Modèles d'étude

Le cyclohexane est mieux étudié en construisant un modèle moléculaire physique ou avec un programme de modélisation moléculaire. En utilisant l'un de ces modèles, il est possible d'observer facilement les relations de torsion et l'orientation des atomes d'hydrogène équatoriaux et axiaux.

Cependant, la disposition des atomes d'hydrogène dans une projection de Newman peut également être analysée en regardant n'importe quelle paire de liaisons CC parallèles.

Projection de Newman du cyclohexane. Durfo / CC0

Les conformations

Le cyclohexane peut se présenter sous deux conformations qui sont interconvertibles: bateau et chaise. Cependant, cette dernière est la conformation la plus stable, car il n'y a pas d'angle ou de contrainte de torsion dans la structure cyclohexane; plus de 99% des molécules sont en conformation chaise à un moment donné.

Chaise conformation de cyclohexane. Chem Sim 2001 / Domaine public

Chaise conformation

Dans une conformation chaise, tous les angles de liaison CC sont de 109,5 °, ce qui les soulage de la contrainte angulaire. Comme les liaisons CC sont parfaitement décalées, la conformation de la selle est également exempte de contrainte de torsion. De plus, les atomes d'hydrogène aux coins opposés du cycle cyclohexane sont aussi espacés.

Conformation du bateau

La forme de la chaise peut prendre une autre forme appelée forme de boîte. Cela se produit à la suite de rotations partielles sur les liaisons simples CC de l'anneau. Une telle conformation ne présente pas non plus de contrainte angulaire, mais elle présente une contrainte de torsion.

Conformation du bateau cyclohexane. Keministi / Domaine public

En regardant un modèle de la conformation du bateau, au niveau des axes de liaison CC de chaque côté, on constate que les liaisons C - H dans ces atomes de carbone sont éclipsées, produisant une contrainte de torsion.

En outre, deux des atomes d'hydrogène sont suffisamment proches l'un de l'autre pour générer des forces répulsives de Van Der Waals.

Conformation de bateau tordu

Si la conformation du bateau fléchit, vous obtenez la conformation du bateau tordu qui peut soulager une partie de la contrainte de torsion et également réduire les interactions entre les atomes d'hydrogène.

Cependant, la stabilité obtenue par flexion est insuffisante pour rendre la conformation du bateau torsadé plus stable que la conformation de la selle.

Conformation de bateau tordu de cyclohexane. Keministi / CC0

Applications

Fabrication de nylon

La quasi-totalité du cyclohexane commercialisé (plus de 98%) est largement utilisée comme matière première dans la production industrielle de précurseurs de nylon: acide adipique (60%), caprolactame et hexaméthylènediamine. 75% du caprolactame produit dans le monde est utilisé pour fabriquer du nylon 6.

Guitare avec cordes en nylon. Source: pexels.com

Fabrication d'autres composés

Cependant, le cyclohexane est également utilisé dans la fabrication du benzène, du chlorure de cyclohexyle, du nitrocyclohexane, du cyclohexanol et de la cyclohexanone; dans la fabrication de combustibles solides; dans des formulations fongicides; et dans la recristallisation industrielle des stéroïdes.

Applications minoritaires

Une très petite fraction du cyclohexane produit est utilisée comme solvant non polaire pour l'industrie chimique et comme diluant dans les réactions des polymères. Il peut également être utilisé comme dissolvant de peinture et de vernis; dans l'extraction d'huiles essentielles; et succédanés du verre.

En raison de ses propriétés chimiques et conformationnelles uniques, le cyclohexane est également utilisé dans les laboratoires de chimie analytique pour les déterminations de poids moléculaire et comme étalon.

Fabrication

Processus traditionnel

Le cyclohexane est présent dans le pétrole brut à des concentrations variant entre 0,1 et 1,0%. Par conséquent, il était traditionnellement produit par distillation fractionnée de naphta dans laquelle un concentré de 85% de cyclohexane était obtenu par super-fractionnement.

Distillation fractionnée du pétrole. Crude_Oil_Distillation-fr.svg: Image originale: Psarianos, Theresa Knott; image vectorielle: Rogilbert œuvre dérivée: Utain () / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)

Ce concentré a été vendu tel quel, car une purification supplémentaire nécessitait la réalisation d'un procédé d'isomérisation du pentane, un craquage thermique pour éliminer les hydrocarbures à chaîne ouverte et un traitement avec de l'acide sulfurique pour éliminer les composés aromatiques.

Une grande partie de la difficulté à obtenir du cyclohexane avec une pureté plus élevée était due au grand nombre de composants pétroliers ayant des points d'ébullition similaires.

Processus à haute efficacité

Aujourd'hui, le cyclohexane est produit à l'échelle industrielle par réaction du benzène avec de l'hydrogène (hydrogénation catalytique) en raison de la simplicité du procédé et de son rendement élevé.

Cette réaction peut être effectuée en utilisant des procédés en phase liquide ou vapeur en présence d'un catalyseur hautement dispersé ou dans un lit de catalyseur fixe. Plusieurs procédés ont été développés dans lesquels le nickel, le platine ou le palladium est utilisé comme catalyseur.

La plupart des usines de cyclohexane utilisent du gaz de reformage produisant du benzène et de grandes quantités de sous-produits d'hydrogène comme matière première pour la production de cyclohexane.

Étant donné que les coûts de l'hydrogène et du benzène sont essentiels pour produire du cyclohexane de manière rentable, les usines sont souvent situées à proximité de grandes raffineries où des matières premières à faible coût sont disponibles.

Références

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