Этилен ( название ИЮПАК : этен ) — углеводород с формулой C2H4 или H2C =CH2 . Это бесцветный, горючий газ со слабым «сладким и мускусным » запахом в чистом виде. [7] Это простейший алкен (углеводород с двойными связями углерод - углерод ).
Этилен широко используется в химической промышленности, и его мировое производство (более 150 миллионов тонн в 2016 году [8] ) превышает производство любого другого органического соединения . [9] [10] Большая часть этого производства идет на создание полиэтилена , который является широко используемым пластиком, содержащим полимерные цепи этиленовых единиц с различной длиной цепи. Производство выбрасывает парниковые газы , включая метан из сырья и углекислый газ из любого неустойчивого использования энергии .
Этилен также является важным природным гормоном растений и используется в сельском хозяйстве для стимуляции созревания фруктов . [11 ] Гидрат этилена — этанол .
Этот углеводород имеет четыре атома водорода , связанных с парой атомов углерода , которые соединены двойной связью . Все шесть атомов, которые составляют этилен, копланарны . Угол HCH составляет 117,4°, что близко к 120° для идеального sp²- гибридизированного углерода. Молекула также относительно слаба: вращение вокруг связи CC является очень низкоэнергетическим процессом, который требует разрыва π-связи путем подачи тепла при 50 °C. [ требуется цитата ]
π -связь в молекуле этилена отвечает за ее полезную реакционную способность. Двойная связь представляет собой область высокой электронной плотности , поэтому она подвержена атакам электрофилов . Многие реакции этилена катализируются переходными металлами, которые временно связываются с этиленом, используя как π, так и π*-орбитали. [ требуется цитата ]
Будучи простой молекулой, этилен спектроскопически прост. Его УФ-видимый спектр до сих пор используется для проверки теоретических методов. [12]
Основные промышленные реакции этилена включают в себя в порядке масштаба: 1) полимеризация , 2) окисление , 3) галогенирование и гидрогалогенирование , 4) алкилирование , 5) гидратация , 6) олигомеризация и 7) гидроформилирование . В Соединенных Штатах и Европе примерно 90% этилена используется для производства окиси этилена , этилендихлорида , этилбензола и полиэтилена . [13] Большинство реакций с этиленом являются электрофильным присоединением . [ требуется ссылка ]
Производство полиэтилена использует более половины мировых поставок этилена. Полиэтилен, также называемый полиэтиленом и полиэтиленом , является наиболее широко используемым пластиком в мире. Он в основном используется для изготовления пленок в упаковке , пакетов и мусорных мешков . Линейные альфа-олефины , полученные путем олигомеризации (образования короткоцепочечных молекул), используются в качестве прекурсоров , моющих средств , пластификаторов , синтетических смазочных материалов , добавок, а также в качестве сомономеров в производстве полиэтиленов. [13]
Этилен окисляется для получения этиленоксида , ключевого сырья в производстве поверхностно-активных веществ и моющих средств путем этоксилирования . Этиленоксид также гидролизуется для получения этиленгликоля , широко используемого в качестве автомобильного антифриза, а также более высокомолекулярных гликолей, гликолевых эфиров и полиэтилентерефталата . [14] [15]
Окисление этилена в присутствии палладиевого катализатора может образовывать ацетальдегид . Это преобразование остается основным промышленным процессом (10 млн кг/год). [16] Процесс протекает через первоначальное комплексообразование этилена с центром Pd(II). [ необходима цитата ]
Основные промежуточные продукты галогенирования и гидрогалогенирования этилена включают дихлорид этилена , хлорид этила и дибромид этилена . Добавление хлора влечет за собой « оксихлорирование », т. е. сам хлор не используется. Некоторые продукты, полученные из этой группы, — поливинилхлорид , трихлорэтилен , перхлорэтилен , метилхлороформ , поливинилиденхлорид и сополимеры , а также бромистый этил . [17]
Основными химическими промежуточными продуктами алкилирования этиленом являются этилбензол , предшественник стирола . Стирол используется в основном в полистироле для упаковки и изоляции, а также в стирол-бутадиеновом каучуке для шин и обуви. В меньших масштабах — этилтолуол , этиланилины, 1,4-гексадиен и алкилы алюминия . Продукты этих промежуточных продуктов включают полистирол , ненасыщенные полиэфиры и терполимеры этилена и пропилена . [17]
Гидроформилирование (оксосреакции) этилена приводит к образованию пропионового альдегида , предшественника пропионовой кислоты и н-пропилового спирта . [17]
Этилен долгое время представлял собой основной неферментативный предшественник этанола . Первоначальный метод включал его преобразование в диэтилсульфат с последующим гидролизом. Основной метод, практикуемый с середины 1990-х годов, — это прямая гидратация этилена, катализируемая твердыми кислотными катализаторами : [18]
Этилен димеризуется путем гидровинилирования , чтобы получить н -бутены, используя процессы, лицензированные Lummus или IFP . Процесс Lummus производит смешанные н -бутены (в основном 2-бутены ), в то время как процесс IFP производит 1-бутен . 1-Бутен используется в качестве сомономера в производстве определенных видов полиэтилена . [19]
Этилен — гормон, который влияет на созревание и цветение многих растений. Он широко используется для контроля свежести в садоводстве и фруктах . [20] Очистка от этилена естественного происхождения задерживает созревание. [21] Также было показано, что адсорбция этилена сетками, покрытыми гелем диоксида титана , эффективна. [22]
Примером узкоспециализированного использования является использование в качестве анестезирующего средства (в соотношении 85% этилена/15% кислорода). [23] Другое применение — в качестве сварочного газа. [13] [24] Он также используется в качестве охлаждающего газа для низкотемпературных применений под названием R-1150. [25]
Мировое производство этилена составило 107 миллионов тонн в 2005 году, [9] 109 миллионов тонн в 2006 году, [26] 138 миллионов тонн в 2010 году и 141 миллион тонн в 2011 году. [27] К 2013 году этилен производили по крайней мере 117 компаний в 32 странах. Чтобы удовлетворить постоянно растущий спрос на этилен, во всем мире резко увеличиваются производственные мощности, особенно на Ближнем Востоке и в Китае . [28] Производство выбрасывает парниковый газ , а именно значительные объемы углекислого газа. [29]
Этилен производится несколькими способами в нефтехимической промышленности . Основным методом является паровой крекинг (SC), при котором углеводороды и пар нагреваются до 750–950 °C. Этот процесс преобразует крупные углеводороды в более мелкие и вводит ненасыщенность. Когда этан является сырьем, продуктом является этилен. Этилен отделяется от полученной смеси путем повторного сжатия и перегонки . [17] В Европе и Азии этилен получают в основном путем крекинга нафты, газойля и конденсатов с совместным производством пропилена, олефинов C4 и ароматических соединений (пиролизный бензин). [30] Другие технологии, используемые для производства этилена, включают синтез Фишера-Тропша и метанол-в-олефины (МТО). [31]
Хотя этилен имеет большую промышленную ценность, его редко синтезируют в лабораторных условиях, и обычно его покупают. [32] Его можно получить путем дегидратации этанола серной кислотой или в газовой фазе с оксидом алюминия или активированным оксидом алюминия . [33]
Этилен в природе производится из метионина . Непосредственным предшественником является 1-аминоциклопропан-1-карбоновая кислота . [34]
Этилен является основным лигандом в комплексах алкенов переходных металлов . Одно из первых металлоорганических соединений, соль Цейзе, представляет собой комплекс этилена. Полезные реагенты, содержащие этилен, включают Pt(PPh 3 ) 2 (C 2 H 4 ) и Rh 2 Cl 2 (C 2 H 4 ) 4 . Катализируемое Rh гидроформилирование этилена проводится в промышленных масштабах для получения пропионового альдегида . [36]
Некоторые геологи и ученые полагают, что знаменитый греческий оракул в Дельфах ( Пифия ) вошел в состояние транса под воздействием этилена, поднимающегося из-за разломов земли. [37]
Этилен, по-видимому, был открыт Иоганном Иоахимом Бехером , который получил его путем нагревания этанола с серной кислотой; [38] он упоминает этот газ в своей Physica Subterranea (1669). [39] Джозеф Пристли также упоминает этот газ в своих «Экспериментах и наблюдениях, относящихся к различным разделам естественной философии: с продолжением наблюдений над воздухом» (1779), где он сообщает, что Ян Ингенхауз видел, как этилен был синтезирован таким же образом неким господином Эне в Амстердаме в 1777 году, и что Ингенхауз впоследствии сам получил этот газ. [40] Свойства этилена изучались в 1795 году четырьмя голландскими химиками, Иоганном Рудольфом Дайманном, Адриеном Паетсом ван Трооствиком, Антони Лауверенбургом и Николасом Бондтом, которые обнаружили, что он отличается от водорода и что он содержит как углерод, так и водород. [41] Эта группа также обнаружила, что этилен можно объединить с хлором для получения голландской нефти , 1,2-дихлорэтана ; это открытие дало этилену название, которое использовалось для него в то время, олефиантный газ (газ для производства нефти). [42] Термин олефиантный газ, в свою очередь, является этимологическим источником современного слова «олефин», класса углеводородов, в котором этилен является первым членом. [ необходима ссылка ]
В середине XIX века суффикс -ен (древнегреческий корень, добавляемый к концу женских имен и означающий «дочь») широко использовался для обозначения молекулы или ее части, содержащей на один атом водорода меньше, чем модифицируемая молекула. Таким образом, этилен ( С
2ЧАС
4) была «дочерью этила » ( С
2ЧАС
5). Название этилен использовалось в этом смысле еще в 1852 году. [43]
В 1866 году немецкий химик Август Вильгельм фон Хофманн предложил систему номенклатуры углеводородов, в которой суффиксы -ан, -ен, -ин, -он и -ун использовались для обозначения углеводородов с 0, 2, 4, 6 и 8 атомами водорода меньше, чем у их родительского алкана . [44] В этой системе этилен стал этеном . Система Хофмана в конечном итоге стала основой для Женевской номенклатуры, одобренной Международным конгрессом химиков в 1892 году, которая остается ядром номенклатуры ИЮПАК . Однако к тому времени название этилен глубоко укоренилось, и оно остается широко используемым и сегодня, особенно в химической промышленности.
После экспериментов Лакхардта, Крокера и Картера в Чикагском университете [45] этилен использовался в качестве анестетика. [46] [7] Он оставался в употреблении до 1940-х годов, даже когда хлороформ постепенно выводился из употребления. Его резкий запах и взрывоопасность ограничивают его использование сегодня. [47]
Правила номенклатуры ИЮПАК 1979 года сделали исключение для сохранения несистематического названия этилен ; [48] однако, это решение было отменено в правилах 1993 года, [49] и оно остается неизменным в новейших рекомендациях 2013 года, [50] поэтому название ИЮПАК теперь этэн . В системе ИЮПАК название этилен зарезервировано для двухвалентной группы -CH 2 CH 2 -. Следовательно, такие названия, как этиленоксид и этилендибромид разрешены, но использование названия этилен для двухуглеродного алкена не разрешено. Тем не менее, использование названия этилен для H 2 C=CH 2 (и пропилен для H 2 C=CHCH 3 ) по-прежнему распространено среди химиков в Северной Америке. [51]
«Ключевым фактором, влияющим на выбросы в течение жизненного цикла нефтехимической продукции, является интенсивность выделения метана сырьем, особенно в производственном сегменте». [52] Выбросы от крекинга нафты и природного газа (распространенного в США, поскольку газ там дешев) во многом зависят от источника энергии (например, сжигания газа для обеспечения высоких температур [53] ), но выбросы нафты, безусловно, больше на кг сырья. [54] Как паровой крекинг, так и производство из природного газа через этан, по оценкам, выбрасывают от 1,8 до 2 кг CO2 на кг произведенного этилена [55] , что в общей сложности составляет более 260 миллионов тонн в год. [56] Это больше, чем при производстве всех других химических веществ, за исключением цемента и аммиака. [57] Согласно отчету за 2022 год, использование возобновляемой или ядерной энергии может сократить выбросы почти вдвое. [54]
Как и все углеводороды, этилен является горючим удушающим веществом . Он включен в список IARC как агент группы 3 , поскольку на данный момент нет доказательств того, что он вызывает рак у людей. [58]
