Нафталин — органическое соединение с формулой C
10ЧАС
8. Это простейший полициклический ароматический углеводород , представляющий собой белое кристаллическое вещество с характерным запахом, который можно обнаружить при концентрациях всего 0,08 ppm по массе . [15] Как ароматический углеводород, нафталин состоит из конденсированной пары бензольных колец. Он является основным ингредиентом традиционных нафталиновых шариков .
В начале 1820-х годов два отдельных отчета описали белое твердое вещество с резким запахом, полученное в результате перегонки каменноугольной смолы . В 1821 году Джон Кидд процитировал эти два раскрытия, а затем описал многие свойства этого вещества и способы его получения. Он предложил название нафталин , поскольку оно было получено от вида нафты (широкий термин, охватывающий любую летучую, легковоспламеняющуюся жидкую углеводородную смесь, включая каменноугольную смолу). [16] Химическая формула нафталина была определена Майклом Фарадеем в 1826 году. Структура двух конденсированных бензольных колец была предложена Эмилем Эрленмейером в 1866 году, [17] и подтверждена Карлом Гребе три года спустя. [18]
Молекулу нафталина можно рассматривать как слияние пары бензольных колец. (В органической химии кольца считаются слитыми, если они разделяют два или более атомов.) Таким образом, нафталин классифицируется как бензоидный полициклический ароматический углеводород (ПАУ). [19]
Восемь атомов углерода, которые не являются общими для двух колец, несут по одному атому водорода каждый. Для целей стандартной номенклатуры производных соединений ИЮПАК эти восемь атомов пронумерованы от 1 до 8 последовательно по периметру молекулы, начиная с атома углерода, соседнего с общим. Общие атомы углерода обозначены 4a (между 4 и 5) и 8a (между 8 и 1). [20]
Молекула плоская, как и бензол. В отличие от бензола, связи углерод-углерод в нафталине имеют разную длину. Связи C1-C2, C3-C4, C5-C6 и C7-C8 имеют длину около 1,37 Å (137 пм), тогда как другие связи углерод-углерод имеют длину около 1,42 Å (142 пм). Это различие, установленное с помощью рентгеновской дифракции [ 21], согласуется с моделью валентных связей в нафталине и, в частности, с теоремой о перекрестном сопряжении . Эта теорема описывает нафталин как ароматическую бензольную единицу, связанную с диеном , но не сильно сопряженную с ним (по крайней мере, в основном состоянии ), что согласуется с двумя из трех его резонансных структур.
Из-за этого резонанса молекула имеет двустороннюю симметрию поперек плоскости общей углеродной пары, а также поперек плоскости, которая делит пополам связи C2-C3 и C6-C7, и поперек плоскости атомов углерода. Таким образом, существует два набора эквивалентных атомов водорода: альфа- позиции, пронумерованные 1, 4, 5 и 8, и бета- позиции, 2, 3, 6 и 7. Тогда для монозамещенных нафталинов возможны два изомера , соответствующие замещению в альфа- или бета-позиции.
Структурные изомеры нафталина, которые имеют два конденсированных ароматических кольца, включают азулен , который имеет конденсированную кольцевую систему из 5–7 атомов, и бицикло[6.2.0]декапентаен , который имеет конденсированную кольцевую систему из 4–8 атомов. [22]
Точечная группа симметрии нафталина — D 2h .
Чистый кристаллический нафталин является умеренным изолятором при комнатной температуре с удельным сопротивлением около 10 12 Ом м . Удельное сопротивление падает более чем в тысячу раз при плавлении, до примерно 4 × 10 8 Ом м. Как в жидкости, так и в твердом теле удельное сопротивление зависит от температуры как ρ = ρ 0 exp( E /( kT )), где ρ 0 (Ом м) и E (эВ) являются постоянными параметрами, k - постоянная Больцмана (8,617 × 10 −5 эВ/ К ), а T - абсолютная температура (К). Параметр E равен 0,73 в твердом теле. Однако твердое тело проявляет полупроводниковый характер ниже 100 К. [23] [24]
В реакциях электрофильного ароматического замещения нафталин реагирует легче, чем бензол. Например, хлорирование и бромирование нафталина протекают без катализатора с образованием 1-хлорнафталина и 1-бромнафталина соответственно. Аналогично, в то время как и бензол, и нафталин могут быть алкилированы с использованием условий реакции Фриделя-Крафтса , нафталин также может быть легко алкилирован реакцией с алкенами или спиртами с использованием серной или фосфорной кислоты в качестве катализатора. [25]
С точки зрения региохимии электрофилы атакуют в альфа-положении. Селективность альфа-замещения по сравнению с бета-замещением можно объяснить с точки зрения резонансных структур промежуточного продукта: для альфа-замещения можно нарисовать семь резонансных структур, из которых четыре сохраняют ароматическое кольцо. Для бета-замещения промежуточный продукт имеет только шесть резонансных структур, и только две из них являются ароматическими. Сульфирование дает «альфа»-продукт нафталин-1-сульфоновую кислоту в качестве кинетического продукта, но нафталин-2-сульфоновую кислоту в качестве термодинамического продукта. 1-изомер образуется преимущественно при 25 °C, а 2-изомер — при 160 °C. Сульфирование с образованием 1- и 2-сульфоновой кислоты происходит легко:
Дальнейшее сульфирование дает ди-, три- и тетрасульфоновые кислоты.
Аналогом синтеза фениллития является превращение 1-бромнафталина в 1-литионафталин путем обмена лития на галоген :
Полученный литионафталин подвергается вторичному литированию, в отличие от поведения фениллития. Эти 1,8-дилитиопроизводные являются предшественниками множества производных перинафталина . [26]
Со щелочными металлами нафталин образует темно-сине-зеленые соли радикальных анионов, такие как нафталин натрия , Na + C 10 H−
8. Анионы нафталина являются сильными восстановителями.
Нафталин можно гидрировать под высоким давлением в присутствии металлических катализаторов с образованием 1,2,3,4-тетрагидронафталина ( C
10ЧАС
12), также известный как тетралин . Дальнейшее гидрирование дает декагидронафталин или декалин ( С
10ЧАС
18).
Окисление с помощью O
2в присутствии пятиокиси ванадия в качестве катализатора дает фталевый ангидрид :
Эта реакция лежит в основе основного применения нафталина. Окисление можно также осуществлять с помощью обычных стехиометрических хроматных или перманганатных реагентов.
Большая часть нафталина производится из каменноугольной смолы . С 1960-х по 1990-е годы значительные объемы нафталина также производились из тяжелых нефтяных фракций во время переработки нефти , но в настоящее время производство в основном осуществляется из каменноугольной смолы. Ежегодно производится около 1,3 млн тонн.
Нафталин является наиболее распространенным отдельным компонентом каменноугольной смолы. Состав каменноугольной смолы меняется в зависимости от типа угля и обработки, но типичная каменноугольная смола содержит около 10% нафталина по весу. В промышленной практике перегонка каменноугольной смолы дает масло, содержащее около 50% нафталина, а также двенадцать других ароматических соединений . Это масло после промывки водным гидроксидом натрия для удаления кислотных компонентов (главным образом различных фенолов ) и серной кислотой для удаления основных компонентов подвергается фракционной перегонке для выделения нафталина. Сырой нафталин, полученный в результате этого процесса, содержит около 95% нафталина по весу. Основными примесями являются серосодержащее ароматическое соединение бензотиофен (<2%), индан (0,2%), инден (<2%) и метилнафталин (<2%). Нафталин, полученный из нефти, обычно чище, чем полученный из каменноугольной смолы. При необходимости сырой нафталин может быть дополнительно очищен путем перекристаллизации из любого из множества растворителей, в результате чего получается 99% нафталина по весу, что называется 80 °C (температура плавления). [25]
В Северной Америке производителями каменноугольной смолы являются Koppers Inc., Ruetgers Canada Inc. и Recochem Inc., а основным производителем нефти является Monument Chemical Inc. В Западной Европе известными производителями являются Koppers, Ruetgers и Deza. В Восточной Европе нафталин производится различными интегрированными металлургическими комплексами (Северсталь, Евраз, Мечел, ММК) в России , специализированными производителями нафталина и фенола ИНКОР, Енакиевский металлургический завод на Украине и ArcelorMittal Temirtau в Казахстане .
Нафталин и его алкилгомологи являются основными составляющими креозота .
Следовые количества нафталина вырабатываются магнолиями и некоторыми видами оленей , а также формозскими подземными термитами , возможно, вырабатываемыми термитами в качестве репеллента против «муравьев, ядовитых грибов и червей -нематод ». [27] Некоторые штаммы эндофитного гриба Muscodor albus вырабатывают нафталин среди ряда летучих органических соединений, в то время как Muscodor vitigenus вырабатывает нафталин почти исключительно. [28]
Нафталин используется в основном как прекурсор для производных химикатов. Крупнейшим применением нафталина является промышленное производство фталевого ангидрида , хотя больше фталевого ангидрида производится из о -ксилола .
Нафталин использовался в качестве фумиганта . Когда-то он был основным ингредиентом в нафталиновых шариках , хотя его использование в значительной степени было заменено альтернативами, такими как 1,4-дихлорбензол . В герметичном контейнере, содержащем гранулы нафталина, пары нафталина накапливаются до уровней, токсичных как для взрослых, так и для личиночных форм многих молей , которые поражают текстильные изделия. Другие виды фумигации нафталина включают использование в почве в качестве фумиганта- пестицида , на чердаках для отпугивания насекомых и животных, таких как опоссумы , [29] и в музейных ящиках и шкафах для хранения, чтобы защитить содержимое от нападения насекомых-вредителей.
Расплавленный нафталин обеспечивает превосходную растворяющую среду для плохо растворимых ароматических соединений. Во многих случаях он более эффективен, чем другие высококипящие растворители, такие как дихлорбензол , бензонитрил , нитробензол и дурол . Реакцию C 60 с антраценом удобно проводить в кипящем нафталине с обратным холодильником, получая аддукт Дильса-Альдера 1:1 . [30] Ароматизация гидропорфиринов была достигнута с использованием раствора DDQ в нафталине. [31]
Самым крупным применением нафталина является производство фталевого ангидрида , который является промежуточным продуктом, используемым для изготовления пластификаторов для поливинилхлорида , а также для производства алкидных смол, используемых в красках и лаках.
Многие нафталинсульфоновые кислоты и сульфонаты полезны. Нафталинсульфоновые кислоты используются в синтезе 1-нафтола и 2-нафтола , прекурсоров для различных красителей, пигментов, химикатов для обработки резины и других химикатов и фармацевтических препаратов. [25] Они также используются в качестве диспергаторов в синтетических и натуральных каучуках, в сельскохозяйственных пестицидах , в красителях и в свинцово-кислотных аккумуляторных пластинах. Нафталиндисульфоновые кислоты, такие как кислота Армстронга, используются в качестве прекурсоров и для образования фармацевтических солей, таких как CFT .
Аминонафталинсульфокислоты являются предшественниками для синтеза многих синтетических красителей .
Алкилнафталинсульфонаты (АНС) используются во многих промышленных приложениях в качестве недетергентных поверхностно-активных веществ ( смачивающих агентов), которые эффективно диспергируют коллоидные системы в водных средах. Основные коммерческие приложения находятся в сельскохозяйственной химической промышленности, где АНС используются для смачиваемых порошков и смачиваемых гранулированных (сухих текучих) составов, а также в текстильной и текстильной промышленности, где смачивающие и пеногасящие свойства АНС используются для отбеливания и окрашивания.
Некоторые полимеры нафталинсульфоната являются суперпластификаторами, используемыми для производства высокопрочного бетона . Их получают обработкой нафталинсульфокислоты формальдегидом с последующей нейтрализацией гидроксидом натрия или гидроксидом кальция .
Многие азокрасители производятся из нафталина. Полезные агрохимикаты включают нафтоксиуксусные кислоты. [25]
Гидрирование нафталина дает тетрагидронафталин ( тетралин ) и декагидронафталин ( декалин ), которые используются как малолетучие растворители . Тетралин используется как растворитель-донор водорода. [25]
Алкилирование нафталина пропиленом дает смесь диизопропилнафталинов , которые полезны в качестве нелетучих жидкостей для чернил. [25]
Замещенные нафталины используются в качестве фармацевтических препаратов, таких как пропранолол ( бета-блокатор ) и набуметон ( нестероидный противовоспалительный препарат ).
Несколько применений нафталина обусловлены его высокой летучестью: он используется для создания искусственных пор при производстве высокопористых шлифовальных кругов ; он используется в инженерных исследованиях теплопередачи с использованием сублимации массы ; и он был исследован в качестве сублимируемого топлива для спутниковых двигателей на холодном газе. [32] [33]
Воздействие больших количеств нафталина может повредить или разрушить эритроциты , чаще всего у людей с наследственным заболеванием, известным как дефицит глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы (G6PD) , [34] от которого страдают более 400 миллионов человек. [ необходима цитата ] У людей, в частности детей, развилось состояние, известное как гемолитическая анемия , после проглатывания нафталиновых шариков или дезодорирующих блоков, содержащих нафталин. Симптомы включают усталость , отсутствие аппетита, беспокойство и бледность кожи. Воздействие больших количеств нафталина может вызвать спутанность сознания , тошноту , рвоту , диарею , кровь в моче и желтуху (желтое окрашивание кожи из-за нарушения функции печени ). [35]
Национальная токсикологическая программа США (NTP) провела эксперимент, в котором самцы и самки крыс и мышей подвергались воздействию паров нафталина по будням в течение двух лет. [36] Как самцы, так и самки крыс продемонстрировали признаки канцерогенеза с увеличением случаев аденомы и нейробластомы носа. Самки мышей продемонстрировали некоторые признаки канцерогенеза, основанные на увеличении случаев альвеолярных и бронхиолярных аденом легких , в то время как самцы мышей не продемонстрировали никаких признаков канцерогенеза.
Международное агентство по изучению рака (МАИР) [37] классифицирует нафталин как возможно канцерогенный для людей и животных ( группа 2B ). МАИР также указывает, что острое воздействие вызывает катаракту у людей, крыс , кроликов и мышей ; и что гемолитическая анемия (описанная выше) может возникнуть у детей и младенцев после перорального или ингаляционного воздействия или после воздействия на мать во время беременности. В соответствии с Положением 65 Калифорнии нафталин указан как «известный штату как вызывающий рак». [38] Был выявлен вероятный механизм канцерогенного воздействия нафталиновых шариков и некоторых типов освежителей воздуха, содержащих нафталин. [39] [40]
Правительственные агентства США установили профессиональные пределы воздействия нафталина. Управление по охране труда и промышленной гигиене установило допустимый предел воздействия в 10 ppm (50 мг/м 3 ) в течение восьмичасового средневзвешенного по времени значения. Национальный институт охраны труда и промышленной гигиене установил рекомендуемый предел воздействия в 10 ppm (50 мг/м 3 ) в течение восьмичасового средневзвешенного по времени значения, а также краткосрочный предел воздействия в 15 ppm (75 мг/м 3 ). [41] Минимальный порог запаха нафталина составляет 0,084 ppm для людей. [42]
Нафталиновые шарики и другие продукты, содержащие нафталин, запрещены в ЕС с 2008 года. [43] [44]
В Китае запрещено использование нафталина в нафталиновых шариках. [45] В качестве причин запрета приводятся опасность для здоровья человека и распространенное использование натуральной камфары .
Частичный список производных нафталина включает следующие соединения:
{{cite book}}
: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на июнь 2024 г. ( ссылка )Нафталин — это ПАУ, который производится в коммерческих целях в США.
{{cite book}}
: |work=
проигнорировано ( помощь )