Этилен ( название ИЮПАК : этен ) представляет собой углеводород , имеющий формулу C 2 H 4 или H 2 C=CH 2 . В чистом виде это бесцветный легковоспламеняющийся газ со слабым «сладким и мускусным » запахом. [7] Это простейший алкен (углеводород с двойными углерод-углеродными связями ).
Этилен широко используется в химической промышленности, а его мировое производство (более 150 млн тонн в 2016 году [8] ) превышает производство любого другого органического соединения . [9] [10] Большая часть этого производства идет на создание полиэтилена , который представляет собой широко используемый пластик , содержащий полимерные цепи из этиленовых звеньев различной длины. Производство выделяет парниковые газы , в том числе метан при производстве сырья и углекислый газ при использовании любых неустойчивых источников энергии .
Этилен также является важным природным гормоном растений и используется в сельском хозяйстве для ускорения созревания фруктов . [11] Гидратом этилена является этанол .
Этот углеводород имеет четыре атома водорода , связанных с парой атомов углерода , соединенных двойной связью . Все шесть атомов, входящих в состав этилена, копланарны . Угол HCH составляет 117,4°, что близко к 120° для идеального гибридизованного углерода sp². Молекула также относительно слаба: вращение вокруг связи CC — это процесс с очень низкой энергией, который требует разрыва π-связи путем подачи тепла при 50 ° C. [ нужна цитата ]
π -связь в молекуле этилена отвечает за его полезную реакционную способность. Двойная связь представляет собой область высокой электронной плотности , поэтому она подвержена атаке электрофилов . Многие реакции этилена катализируются переходными металлами, которые временно связываются с этиленом, используя как π-, так и π*-орбитали. [ нужна цитата ]
Будучи простой молекулой, этилен спектроскопически прост. Его УФ-Вид- спектр до сих пор используется в качестве проверки теоретических методов. [12]
Основные промышленные реакции этилена включают в порядке масштаба: 1) полимеризацию , 2) окисление , 3) галогенирование и гидрогалогенирование , 4) алкилирование , 5) гидратацию , 6) олигомеризацию и 7) гидроформилирование . В США и Европе примерно 90% этилена используется для производства оксида этилена , дихлорида этилена , этилбензола и полиэтилена . [13] Большинство реакций с этиленом являются электрофильным присоединением . [ нужна цитата ]
Производство полиэтилена использует более половины мировых поставок этилена. Полиэтилен, также называемый полиэтиленом и полиэтиленом , является наиболее широко используемым пластиком в мире. В основном он используется для изготовления пленок для упаковки , мешков и вкладышей для мусора . Линейные альфа-олефины , полученные путем олигомеризации (образования короткоцепочечных молекул), используются в качестве прекурсоров , моющих средств , пластификаторов , синтетических смазок , присадок, а также в качестве сомономеров при производстве полиэтиленов. [13]
Этилен окисляется с образованием оксида этилена , ключевого сырья в производстве поверхностно-активных веществ и моющих средств путем этоксилирования . Оксид этилена также гидролизуется с получением этиленгликоля , широко используемого в качестве автомобильного антифриза, а также гликолей с более высокой молекулярной массой, простых эфиров гликолей и полиэтилентерефталата . [14] [15]
Окисление этилена в присутствии палладиевого катализатора может привести к образованию ацетальдегида . Это преобразование остается крупным промышленным процессом (10 млн кг/год). [16] Процесс протекает через начальное комплексообразование этилена с центром Pd(II). [ нужна цитата ]
Основные промежуточные продукты галогенирования и гидрогалогенирования этилена включают этилендихлорид , этилхлорид и этилендибромид . Добавление хлора влечет за собой « оксихлорирование », т.е. сам хлор не используется. Некоторыми продуктами, производными из этой группы, являются поливинилхлорид , трихлорэтилен , перхлорэтилен , метилхлороформ , поливинилиденхлорид и их сополимеры , а также бромистый этил . [17]
Основным химическим промежуточным продуктом алкилирования этиленом является этилбензол , предшественник стирола . Стирол используется в основном в полистироле для упаковки и изоляции, а также в бутадиен-стироловом каучуке для шин и обуви. В меньшем масштабе — этилтолуол , этиланилины, 1,4-гексадиен и алкилы алюминия . Продукты этих промежуточных продуктов включают полистирол , ненасыщенные полиэфиры и терполимеры этилена и пропилена . [17]
Гидроформилирование (оксо-реакция) этилена приводит к образованию пропиональдегида , предшественника пропионовой кислоты и н-пропилового спирта . [17]
Этилен уже давно является основным неферментативным предшественником этанола . Оригинальный метод предусматривал его преобразование в диэтилсульфат с последующим гидролизом. Основным методом, практикуемым с середины 1990-х годов, является прямая гидратация этилена, катализируемая твердыми кислотными катализаторами : [18]
Этилен димеризуется гидровинилированием с образованием н -бутенов с использованием процессов , лицензированных Lummus или IFP . Процесс Ламмуса производит смешанные н -бутены (в основном 2-бутены ), а процесс IFP производит 1-бутен . 1-Бутен используется в качестве сомономера при производстве некоторых видов полиэтилена . [19]
Этилен – гормон, влияющий на созревание и цветение многих растений. Он широко используется для контроля свежести в садоводстве и фруктах . [20] Очистка от природного этилена задерживает созревание. [21] Также было показано , что адсорбция этилена сетками, покрытыми гелем диоксида титана, эффективна. [22]
Примером нишевого использования является применение в качестве анестетика (в соотношении 85% этилена и 15% кислорода). [23] Другое применение — в качестве сварочного газа. [13] [24] Он также используется в качестве газообразного хладагента 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 как минимум 117 компаний в 32 страны. Чтобы удовлетворить постоянно растущий спрос на этилен, резко увеличивается количество производственных мощностей по всему миру, особенно на Ближнем Востоке и в Китае . [28] Производство выделяет парниковый газ , а именно значительное количество углекислого газа. [29]
В нефтехимической промышленности этилен производят несколькими методами . Основным методом является паровой крекинг (SC), при котором углеводороды и пар нагреваются до 750–950 °C. Этот процесс превращает крупные углеводороды в более мелкие и приводит к ненасыщенности. Когда этан является сырьем, этилен является продуктом. Этилен отделяют от полученной смеси повторным сжатием и перегонкой . [17] В Европе и Азии этилен получают в основном путем крекинга нафты, газойля и конденсатов с попутным производством пропилена, олефинов С4 и ароматических углеводородов (пиролизный бензин). [30] Другие технологии, используемые для производства этилена, включают синтез Фишера-Тропша и превращение метанола в олефины (МТО). [31]
Хотя этилен имеет большую промышленную ценность, он редко синтезируется в лаборатории и обычно покупается. [32] Его можно получить путем дегидратации этанола серной кислотой или в газовой фазе с помощью оксида алюминия или активированного оксида алюминия . [33]
Этилен в природе производится из метионина . Непосредственным предшественником является 1-аминоциклопропан-1-карбоновая кислота . [34]
Этилен является основным лигандом в алкеновых комплексах 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 . Гидроформилирование этилена , катализируемое резусом, проводится в промышленных масштабах с получением пропиональдегида . [36]
Некоторые геологи и ученые полагают, что знаменитый греческий оракул в Дельфах ( Пифия ) впал в состояние, подобное трансу, в результате воздействия этилена, поднимающегося из-за замыканий на землю. [37]
Этилен, по-видимому, был открыт Иоганном Иоахимом Бехером , который получил его путем нагревания этанола с серной кислотой; [38] он упомянул о газе в своей «Физике подземной» (1669). [39] Джозеф Пристли также упоминает о газе в своих «Экспериментах и наблюдениях, относящихся к различным ветвям естественной философии: с продолжением наблюдений над воздухом» (1779), где он сообщает, что Ян Ингенхауз видел этилен, синтезированный таким же образом с помощью г-ном Эне в Амстердаме в 1777 году и что впоследствии Ингенхауз сам добыл газ. [40] Свойства этилена изучали в 1795 году четыре голландских химика: Иоганн Рудольф Дейманн, Адриен Паэтс ван Троствик, Антони Лауверенбург и Николас Бондт, которые обнаружили, что он отличается от газообразного водорода и содержит как углерод, так и водород. [41] Эта группа также обнаружила, что этилен можно объединить с хлором для производства голландской нефти , 1,2-дихлорэтана ; это открытие дало этилену название, использовавшееся для него в то время, олефиантный газ (нефтедобывающий газ). [42] Термин олефиантный газ, в свою очередь, является этимологическим происхождением современного слова «олефин», класса углеводородов, в котором этилен является первым участником. [ нужна цитата ]
В середине XIX века суффикс -ен (древнегреческий корень, добавляемый к концу женских имен, означающий «дочь») широко использовался для обозначения молекулы или ее части, которая содержала на один атом водорода меньше, чем молекула, в которой находится молекула. модифицированный. Таким образом, этилен ( C
2ЧАС
4) была «дочерью этила » ( С.
2ЧАС
5). Название этилен было использовано 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 номерами 0, 2, 4, 6, и на 8 атомов водорода меньше, чем у их исходного алкана . [44] В этой системе этилен стал этиленом . Система Хофмана в конечном итоге стала основой Женевской номенклатуры, одобренной Международным конгрессом химиков в 1892 году, которая остается в основе номенклатуры ИЮПАК . Однако к тому времени название этилен глубоко укоренилось и широко используется и сегодня, особенно в химической промышленности.
После экспериментов Лакхардта, Крокера и Картера в Чикагском университете [45] в качестве анестетика использовали этилен. [46] [7] Он продолжал использоваться до 1940-х годов, даже когда хлороформ постепенно прекращался. Его резкий запах и взрывоопасный характер ограничивают его использование сегодня. [47]
Правила номенклатуры ИЮПАК 1979 г. сделали исключение для сохранения несистематического названия этилен ; [48] однако это решение было отменено в правилах 1993 года, [49] и осталось неизменным в новейших рекомендациях 2013 года, [50] поэтому теперь название IUPAC — ethene . В системе ИЮПАК название этилен зарезервировано за двухвалентной группой -СН 2 СН 2 -. Следовательно, разрешены такие названия, как оксид этилена и дибромид этилена , но использование названия этилен для двухуглеродного алкена запрещено. Тем не менее, использование названия этилен для H 2 C=CH 2 (и пропилен для H 2 C=CHCH 3 ) все еще распространено среди химиков Северной Америки. [51]
«Ключевым фактором, влияющим на выбросы в течение жизненного цикла нефтехимической продукции, является метаноемкость сырья, особенно в производственном сегменте». [52] Выбросы от крекинга нафты и природного газа (распространенные в США, поскольку газ там дешевый) во многом зависят от источника энергии (например, сжигание газа для обеспечения высоких температур [53] ), но выбросы от нафты, безусловно, больше за кг сырья. [54] Как паровой крекинг, так и производство природного газа с использованием этана, по оценкам, выделяют от 1,8 до 2 кг CO2 на кг произведенного этилена, [55] в общей сложности более 260 миллионов тонн в год. [56] Это больше, чем все другие промышленные химикаты, за исключением цемента и аммиака. [57] Согласно отчету за 2022 год, использование возобновляемых источников или ядерной энергии может сократить выбросы почти вдвое. [54]
Как и все углеводороды, этилен является горючим удушающим веществом . Он внесен в список агентов группы 3 IARC , поскольку в настоящее время нет доказательств того, что он вызывает рак у людей. [58]
{{cite book}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )