Циклогексан как органическое соединение¶

Циклогексан — насыщенный циклический углеводород (циклоалкан) с химической формулой C₆H₁₂. Представляет собой бесцветную легкоподвижную жидкость с характерным запахом, нерастворимую в воде и смешивающуюся с большинством органических растворителей. Молекула состоит из шести атомов углерода, замкнутых в кольцо, каждый из которых связан с двумя атомами водорода. Циклогексан занимает ключевое место в промышленной органической химии: он служит основным сырьём для получения капролактама и адипиновой кислоты, из которых производят нейлон и другие полиамиды.

¶Физические и химические свойства

При нормальных условиях циклогексан — прозрачная жидкость с температурой кипения около 80,7 °C и температурой плавления примерно 6,5 °C. Плотность составляет порядка 0,78 г/см³, что меньше плотности воды. Пары тяжелее воздуха и образуют с ним взрывоопасные смеси; температура вспышки — около −17 °C, что относит вещество к легковоспламеняющимся.

По химическому поведению циклогексан типичен для насыщенных углеводородов: он устойчив к действию кислот и оснований, вступает в реакции радикального замещения (например, галогенирования на свету) и практически не даёт реакций присоединения, характерных для ненасыщенных соединений. При каталитическом окислении образует смесь циклогексанола и циклогексанона — так называемое «масло КА», важный промежуточный продукт. При дегидрировании на платиновых или никелевых катализаторах превращается в бензол.

¶Конформации молекулы

Особенность циклогексана — способность кольца принимать различные пространственные формы без разрыва связей. Наиболее устойчива конформация «кресло», в которой все валентные углы близки к тетраэдрическим (109,5°), а атомы водорода расположены в двух положениях — аксиальном и экваториальном. Менее выгодны конформации «ванна» и «твист-ванна». Переходы между формами происходят быстро при обычной температуре. Именно конформационный анализ циклогексана, развитый в середине XX века, стал основой современной стереохимии; значительный вклад в него внёс американский химик Дерек Бартон, удостоенный за эти работы Нобелевской премии по химии 1969 года.

¶История открытия

Циклогексан был выделен в 1894 году немецким химиком Германом Марковниковым из кавказской нефти; независимо его описал Владимир Марковников, изучавший состав бакинских нефтей. Строение кольца окончательно подтвердили работы немецкого химика Германа Сакса, доказавшего в начале XX века, что молекула не плоская, а имеет пространственную форму. Промышленное значение соединение приобрело в 1940-х годах, когда из него начали получать капролактам для производства синтетических волокон.

¶Получение

Основной промышленный способ — гидрирование бензола: бензол реагирует с водородом при температуре 200–250 °C и давлении 2–4 МПа в присутствии никелевых, платиновых или палладиевых катализаторов. Второй источник — выделение циклогексана из нефтяных фракций, где он содержится в заметных количествах. Лабораторные методы включают каталитическое гидрирование и восстановление производных бензола.

¶Применение

Главные направления использования циклогексана:

• Производство капролактама — мономера для полиамидного волокна (нейлон-6, капрон).
• Производство адипиновой кислоты — сырья для нейлона-6,6 и пластификаторов.
• Растворитель — применяется в лакокрасочной промышленности, для экстракции масел и смол.
• Топливный компонент — входит в состав некоторых моторных топлив.

Значительная часть мирового производства циклогексана сосредоточена в странах с развитой нефтехимией; в России его выпускают на ряде нефтеперерабатывающих и химических предприятий.

¶Влияние на здоровье и безопасность

Циклогексан токсичен при вдыхании больших концентраций: пары вызывают раздражение слизистых, головокружение, головную боль, при длительном воздействии — поражение центральной нервной системы. Вещество раздражает кожу и глаза. Предельно допустимая концентрация в воздухе рабочей зоны в России составляет 80 мг/м³. При работе требуется вентиляция и средства индивидуальной защиты. Циклогексан горюч, его пары способны образовывать взрывоопасные смеси, поэтому обращение с ним регламентируется правилами пожарной безопасности.

¶Значение в науке и промышленности

Циклогексан — не только крупнотоннажный продукт нефтехимии, но и классический объект теоретической химии. На его примере были сформулированы представления о конформациях, энергии напряжения циклов и стереохимии насыщенных соединений. Модель «кресла» циклогексана вошла во все учебники органической химии как базовый пример пространственного строения молекул. В промышленности соединение остаётся связующим звеном между нефтепереработкой и производством синтетических материалов.

Источники: учебники органической химии, справочники по нефтехимии, данные о промышленной токсикологии и пожарной безопасности.