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. [6] Это простейший алкен (углеводород с двойными углерод-углеродными связями ).
Этилен широко используется в химической промышленности, а его мировое производство (более 150 миллионов тонн в 2016 году [7] ) превышает производство любого другого органического соединения . [8] [9] Большая часть этого производства идет на создание полиэтилена , который представляет собой широко используемый пластик , содержащий полимерные цепи этиленовых звеньев различной длины. Этилен также является важным природным гормоном растений и используется в сельском хозяйстве для ускорения созревания фруктов . [10] 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-видимый спектр до сих пор используется в качестве проверки теоретических методов. [11]
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 . [12] 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 , получаемые путем олигомеризации (образования коротких полимеров), используются в качестве прекурсоров , моющих средств , пластификаторов , синтетических смазок , присадок, а также в качестве сомономеров при производстве полиэтиленов. [12]
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 . [13] [14]
Окисление этилена в присутствии палладиевого катализатора может привести к образованию ацетальдегида . Это преобразование остается крупным промышленным процессом (10 млн кг/год). [15] 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 . [16]
Основным химическим промежуточным продуктом алкилирования этиленом является этилбензол , предшественник стирола . Стирол используется главным образом 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 . [16]
Гидроформилирование (оксо-реакция) этилена приводит к образованию пропиональдегида , предшественника пропионовой кислоты и н - пропилового спирта . [16]
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 : [17]
Этилен димеризуют путем гидровинилирования 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 . [18]
Этилен – гормон, влияющий на созревание и цветение многих растений. Он широко используется для контроля свежести в садоводстве и фруктах . [19] Очистка от природного этилена задерживает созревание. [20]
Примером нишевого использования является применение в качестве анестетика (в соотношении 85% этилена и 15% кислорода). [21] Другое применение — в качестве сварочного газа. [12] [22] Он также используется в качестве газообразного хладагента для низкотемпературного применения под названием R-1150. [23]
Мировое производство этилена составило 107 миллионов тонн в 2005 году, [8] 109 миллионов тонн в 2006 году, [24] 138 миллионов тонн в 2010 году и 141 миллион тонн в 2011 году . [25] К 2013 году этилен производили как минимум 117 компаний в мире. 32 страны. Чтобы удовлетворить постоянно растущий спрос на этилен, резко увеличивается количество производственных мощностей по всему миру, особенно на Ближнем Востоке и в Китае . [26] По состоянию на 2022 год [обновлять]производство выделяет значительные выбросы парниковых газов . [27]
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 . [16] 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). [28] Другие технологии, используемые для производства этилена, включают синтез Фишера-Тропша и превращение метанола в олефины (МТО). [29]
Хотя этилен имеет большую промышленную ценность, он редко синтезируется в лаборатории и обычно покупается. [30] Его можно получить путем дегидратации этанола серной кислотой или в газовой фазе с помощью оксида алюминия или активированного оксида алюминия . [31]
Этилен в природе производится из метионина . Непосредственным предшественником является 1-аминоциклопропан-1-карбоновая кислота . [32]
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 . [34]
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. [35]
Этилен, по-видимому, был открыт Иоганном Иоахимом Бехером , который получил его путем нагревания этанола с серной кислотой; [36] он упомянул о газе в своей «Физике подземной» (1669). [37] Джозеф Пристли также упоминает о газе в своих «Опытах 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 г-ном Эне в Амстердаме в 1777 году и что Ингенхауз впоследствии сам добыл газ. [38] 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. [39] Эта группа также обнаружила, что этилен можно объединить с хлором для получения масла голландских химиков , 1,2-дихлорэтана ; это открытие дало этилену название, которое использовалось для него в то время, олефиантный газ (нефтедобывающий газ). [40] Термин олефиантный газ, в свою очередь, является этимологическим происхождением современного слова «олефин», класса углеводородов, в котором этилен является первым участником. [ нужна цитата ]
В середине 19 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, входящая в состав молекулы. модифицированный. Таким образом, этилен ( C
2ЧАС
4) была «дочерью этила » ( С.
2ЧАС
5). Название этилен было использовано в этом смысле еще в 1852 году. [41]
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 . [42] 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 [43] в качестве анестетика использовали этилен. [44] [6] Он продолжал использоваться до 1940-х годов, даже когда хлороформ постепенно прекращался. Его резкий запах и взрывоопасный характер ограничивают его использование сегодня. [45]
Правила номенклатуры ИЮПАК 1979 года сделали исключение для сохранения несистематического названия этилен ; [46] однако это решение было отменено в правилах 1993 года, [47] и осталось неизменным в новейших рекомендациях 2013 года, [48] 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. [49]
Как и все углеводороды, этилен является горючим удушающим веществом . Он внесен в список канцерогенов 3-го класса IARC , поскольку в настоящее время нет доказательств того, что он вызывает рак у людей. [50]
{{cite journal}}
: Требуется цитировать журнал |journal=
( помощь ){{cite book}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )