Имена | |||
---|---|---|---|
Предпочтительное имя IUPAC Бута-1,3-диен [1] | |||
Другие имена
| |||
Идентификаторы | |||
| |||
3D модель ( JSmol ) | |||
605258 | |||
ЧЭБИ | |||
ЧЭМБЛ | |||
ХимПаук | |||
Информационная карта ECHA | 100.003.138 | ||
Номер ЕС |
| ||
25198 | |||
КЕГГ | |||
PubChem CID | |||
номер РТЭКС |
| ||
УНИИ | |||
Номер ООН | 1010 | ||
Панель управления CompTox ( EPA ) | |||
| |||
| |||
Недвижимость [3] | |||
С 4 Н 6 СН 2 =СН-СН=СН 2 | |||
Молярная масса | 54,0916 г/моль | ||
Появление | Бесцветный газ или охлажденная жидкость | ||
Запах | Слабо ароматный или бензиноподобный | ||
Плотность |
| ||
Температура плавления | -108,91 ° С (-164,04 ° F, 164,24 К) | ||
Точка кипения | −4,41 ° С (24,06 ° F, 268,74 К) | ||
1,3 г/л при 5 ℃, 735 мг/л при 20 ℃ | |||
Растворимость | |||
Давление газа | 2,4 атм (20 °С) [2] | ||
Показатель преломления ( nD ) | 1,4292 | ||
Вязкость | 0,25 с P при 0 ° C | ||
Опасности | |||
Охрана труда и гигиена труда (OHS/OSH): | |||
Основные опасности | Легковоспламеняющийся, раздражающий, канцерогенный | ||
Маркировка СГС : [6] | |||
Пиктограммы | |||
Сигнальное слово | Опасность | ||
Заявления об опасности | Х220 , Х280 , Х340 , Х350 | ||
Заявления о мерах предосторожности | П202 , П210 , П280 , П308+П313 , П377 , П381 , П403 | ||
NFPA 704 (огненный алмаз) | 3 4 2 | ||
точка возгорания | -85 ° C (-121 ° F, 188 K) температура воспламенения жидкости [2] | ||
Температура самовоспламенения | 414 ° С (777 ° F, 687 К) [5] | ||
Взрывоопасные пределы | 2–12% | ||
Смертельная доза или концентрация (LD, LC): | |||
ЛД 50 ( средняя доза ) | 548 мг/кг (крыса, перорально) | ||
LC 50 ( средняя концентрация ) |
| ||
LC Lo ( самый низкий опубликованный ) | 250 000 частей на миллион (кролик, 30 мин) [4] | ||
NIOSH (пределы воздействия на здоровье в США): | |||
PEL (допустимый) | TWA 1 ч/млн ST 5 ч/млн [2] | ||
REL (рекомендуется) | Потенциальный профессиональный канцероген [2] | ||
IDLH (Непосредственная опасность) | 2000 частей на миллион [2] | ||
Паспорт безопасности (SDS) | ЕССК 0017 | ||
Родственные соединения | |||
Родственные алкены и диены | Изопрен Хлоропрен | ||
Родственные соединения | Бутан | ||
Если не указано иное, данные приведены для материалов в их стандартном состоянии (при 25 °C [77 °F], 100 кПа). | |||
проверить ( что ?) | |||
Ссылки на информационные ящики | |||
1,3-бутадиен ( / ˌ b juː t ə ˈ d aɪ iː n / ) [7] представляет собой органическое соединение с формулой (CH 2 =CH) 2 . Это бесцветный газ, который легко конденсируется в жидкость. Это важно в промышленности как предшественник синтетического каучука . Молекулу можно рассматривать как объединение двух винильных групп . Это простейший сопряженный диен .
Хотя бутадиен быстро разлагается в атмосфере, тем не менее , он обнаруживается в атмосферном воздухе в городских и пригородных районах вследствие его постоянного выброса автомобилями . [8]
Название бутадиен также может относиться к изомеру 1,2-бутадиена , который представляет собой кумулятивный диен со структурой H 2 C=C=CH-CH 3 . Этот аллен не имеет промышленного значения.
В 1863 французский химик Э. Каванту выделил бутадиен пиролизом амилового спирта . [9] Этот углеводород был идентифицирован как бутадиен в 1886 году после того, как Генри Эдвард Армстронг выделил его из продуктов пиролиза нефти. [10] В 1910 году русский химик Сергей Лебедев полимеризовал бутадиен и получил материал с резиноподобными свойствами. Однако этот полимер оказался слишком мягким, чтобы заменить натуральный каучук во многих областях применения, особенно в автомобильных шинах.
Производство бутадиена зародилось в годы, предшествовавшие Второй мировой войне. Многие из воюющих наций понимали, что в случае войны они могут быть отрезаны от каучуковых плантаций, контролируемых Британской империей , и стремились уменьшить свою зависимость от натурального каучука. [11] В 1929 году Эдуард Чункер и Вальтер Бок , работавшие на IG Farben в Германии, изготовили сополимер стирола и бутадиена, который можно было использовать в автомобильных шинах. Вскоре последовало мировое производство: бутадиен производился из зернового спирта в Советском Союзе и Соединенных Штатах, а из ацетилена , полученного из угля, - в Германии.
В Соединенных Штатах, Западной Европе и Японии бутадиен производится как побочный продукт процесса парового крекинга, используемого для производства этилена и других алкенов . При смешивании с паром и кратковременном нагревании до очень высоких температур (часто выше 900 °C) алифатические углеводороды отдают водород с образованием сложной смеси ненасыщенных углеводородов, включая бутадиен. Количество произведенного бутадиена зависит от углеводородов, используемых в качестве сырья. Легкое сырье, такое как этан , дает в основном этилен при крекинге, но более тяжелое сырье способствует образованию более тяжелых олефинов, бутадиена и ароматических углеводородов .
Бутадиен обычно выделяют из других четырехуглеродных углеводородов , получаемых при крекинге с водяным паром, путем экстрактивной дистилляции с использованием полярного апротонного растворителя , такого как ацетонитрил , N -метил-2-пирролидон , фурфурол или диметилформамид , из которого затем его удаляют дистилляцией . [12]
Бутадиен также можно получить каталитическим дегидрированием нормального бутана ( н -бутана ). Первый такой послевоенный коммерческий завод, производивший 65 000 тонн бутадиена в год, начал работу в 1957 году в Хьюстоне , штат Техас. [13] До этого, в 1940-х годах, Rubber Reserve Company , часть правительства Соединенных Штатов, построила несколько заводов в Боргере, штат Техас , Толедо, штат Огайо , и Эль-Сегундо, штат Калифорния , для производства синтетического каучука для военных нужд. часть программы синтетического каучука США. [14] Общая мощность составила 68 тыс. тонн в год (километрических тонн в год).
Сегодня бутадиен из н -бутана производится в промышленных масштабах с использованием процесса Houdry Catadiene , который был разработан во время Второй мировой войны. Это влечет за собой обработку бутана над глиноземом и хромом при высоких температурах. [15]
В других частях мира, включая Южную Америку, Восточную Европу, Китай и Индию, бутадиен также производится из этанола . Несмотря на то, что он не может конкурировать с паровым крекингом при производстве больших объемов бутадиена, более низкие капитальные затраты делают производство из этанола жизнеспособным вариантом для заводов меньшей мощности. Использовались два процесса.
В одностадийном процессе, разработанном Сергеем Лебедевым , этанол превращается в бутадиен, водород и воду при температуре 400–450 ° C на любом из множества катализаторов на основе оксидов металлов: [16]
Этот процесс был основой для производства синтетического каучука в Советском Союзе во время и после Второй мировой войны, и до конца 1970-х годов он оставался в ограниченном количестве в России и других частях Восточной Европы. В то же время этот вид производства был отменен в Бразилии. По состоянию на 2017 год бутадиен не производился промышленным способом из этанола.
В другом, двухстадийном процессе, разработанном русским химиком-эмигрантом Иваном Остромисленским , этанол окисляется до ацетальдегида , который реагирует с дополнительным этанолом на промотированном танталом катализаторе из пористого кремнезема при 325–350 ° C с образованием бутадиена: [16]
Этот процесс был одним из трех, которые использовались в Соединенных Штатах для производства «государственного каучука» во время Второй мировой войны, хотя он менее экономичен, чем бутановый или бутеновый способы для больших объемов. Тем не менее, в США были построены три завода общей мощностью 200 000 тонн в год ( Институт, Западная Вирджиния , Луисвилл, Кентукки , и Кобута, Пенсильвания ), пуски которых были завершены в 1943 году. на связанном заводе по производству карбида кальция. Этот процесс по-прежнему используется сегодня в Китае и Индии.
1,3-бутадиен также может быть получен каталитическим дегидрированием нормальных бутенов . Этот метод также использовался Программой синтетического каучука США (USSRP) во время Второй мировой войны . Этот процесс был намного более экономичным, чем спиртовой или н-бутановый, но конкурировал с авиационным бензином за доступные молекулы бутена (бутены были в изобилии благодаря каталитическому крекингу ). СССРП построил несколько заводов в Батон-Руж и Лейк-Чарльз, штат Луизиана ; Хьюстон , Бэйтаун и Порт-Нечес, штат Техас ; и Торранс, Калифорния .[14] Общий годовой объем производства составил 275 тыс. тонн в год.
В 1960-х годах хьюстонская компания, известная как «Petro-Tex», запатентовала процесс производства бутадиена из нормальных бутенов путем окислительного дегидрирования с использованием запатентованного катализатора. Неясно, используется ли эта технология в коммерческих целях. [17]
После Второй мировой войны производство бутенов стало основным видом производства в СССР.
1,3-бутадиен неудобен для лабораторного использования, так как является газом. Лабораторные процедуры были оптимизированы для его получения из негазообразных прекурсоров. Он может быть получен ретро -реакцией Дильса - Альдера циклогексена . [18] Сульфолен является удобным твердым источником 1,3-бутадиена для хранения в лаборатории. Он выделяет диен и диоксид серы при нагревании.
Большая часть бутадиена используется для изготовления синтетических каучуков для изготовления шин, люверсов и эластичных лент.
Превращение бутадиена в синтетические каучуки называется полимеризацией — процессом, при котором маленькие молекулы (мономеры) соединяются в большие (полимеры). Простая полимеризация бутадиена дает полибутадиен , который является очень мягким, почти жидким материалом. Полимеризация бутадиена и других мономеров дает более ценные сополимеры . Полимеризация бутадиена и стирола и/или акрилонитрила , такого как акрилонитрил-бутадиен-стирол (АБС), нитрил-бутадиен (БНК) и стирол-бутадиен(СБР). Эти сополимеры являются прочными и/или эластичными в зависимости от соотношения мономеров, используемых при их получении. SBR — это материал, наиболее часто используемый для производства автомобильных шин. Прекурсоры еще других синтетических каучуков получают из бутадиена. Одним из них является хлоропрен . [15]
Меньшие количества бутадиена используются для производства адипонитрила , предшественника некоторых нейлонов. Превращение бутадиена в адипонитрил влечет за собой добавление цианистого водорода к каждой из двойных связей в бутадиене. Процесс называется гидроцианированием .
Бутадиен используется для получения растворителя сульфолана .
Бутадиен также полезен в синтезе циклоалканов и циклоалкенов , поскольку он реагирует с двойными и тройными углерод-углеродными связями посредством реакций Дильса-Альдера . Наиболее широко используемые такие реакции включают реакции бутадиена с одной или двумя другими молекулами бутадиена, т.е. соответственно димеризацию и тримеризацию. Путем димеризации бутадиен превращается в 4-винилциклогексен и циклооктадиен . На самом деле винилциклогексен является обычной примесью, которая накапливается при хранении бутадиена. Путем тримеризации бутадиен превращается в циклододекатриен . В некоторых из этих процессов используются никель- или титансодержащие катализаторы. [19]
Наиболее стабильным конформером 1,3-бутадиена является s - транс - конформация, в которой молекула плоская, с двумя парами двойных связей, обращенными в противоположные стороны. Эта конформация наиболее стабильна, потому что орбитальное перекрытие между двойными связями максимально, что обеспечивает максимальное сопряжение, в то время как стерические эффекты сведены к минимуму. Обычно считается, что s-транс- конформация имеет двугранный угол C 2 -C 3 , равный 180°. Напротив, с - цисконформация, в которой двугранный угол равен 0 °, с парой двойных связей, обращенных в одном направлении, примерно на 16,5 кДж / моль (3,9 ккал / моль) выше по энергии из-за стерических затруднений. Эта геометрия представляет собой локальный максимум энергии, поэтому, в отличие от s-транс- геометрии, она не является конформером. Гош - геометрия, в которой двойные связи s-цис- геометрии скручены, образуя двугранный угол около 38°, представляет собой второй конформер, энергия которого примерно на 12,0 кДж/моль (2,9 ккал/моль) выше, чем у s -цис-геометрии. -транс конформер. В целом барьер изомеризации между двумя конформерами составляет 24,8 кДж/моль (5,9 ккал/моль). [20] Этот повышенный вращательный барьер и сильное общее предпочтение почти плоской геометрии свидетельствует о делокализованной π-системе и небольшой степени частичного характера двойной связи в одинарной связи C – C в соответствии с теорией резонанса.
Несмотря на высокую энергию s-цис- конформации, 1,3-бутадиен должен принять эту конформацию (или очень похожую), прежде чем он сможет участвовать в качестве четырехэлектронного компонента в согласованных реакциях циклоприсоединения, таких как реакция Дильса-Альдера .
Точно так же комбинированное экспериментальное и расчетное исследование показало, что двойная связь s-трансбутадиена имеет длину 133,8 пм, а длина двойной связи этилена — 133,0 пм. Это было воспринято как свидетельство ослабления и удлинения π-связи в результате делокализации, как показано резонансными структурами, показанными ниже. [21]
Качественное представление о молекулярных орбиталях 1,3-бутадиена легко получить, применяя теорию Хюккеля. (Статья о теории Хюккеля дает вывод для бутадиеновых орбиталей.)
1,3-бутадиен также термодинамически стабилизирован. В то время как монозамещенная двойная связь выделяет около 30,3 ккал/моль тепла при гидрировании, 1,3-бутадиен выделяет немного меньше (57,1 ккал/моль), чем удвоенное количество энергии (60,6 ккал/моль), ожидаемое для двух изолированных двойных связей. Это подразумевает энергию стабилизации 3,5 ккал/моль. [22] Точно так же при гидрировании концевой двойной связи 1,4-пентадиена выделяется 30,1 ккал/моль тепла, тогда как при гидрировании концевой двойной связи сопряженного ( E )-1,3-пентадиена выделяется только 26,5 ккал/моль . , что подразумевает очень похожее значение 3,6 ккал / моль для энергии стабилизации. [23] Разница в этих теплотах гидрирования ~3,5 ккал/моль может быть принята за резонансную энергию сопряженного диена.
Промышленное использование иллюстрирует склонность бутадиена к полимеризации. Его восприимчивость к реакциям 1,4-присоединения иллюстрируется его гидроцианированием. Как и многие диены, он вступает в катализируемые палладием реакции, протекающие через аллильные комплексы. [24] Он является партнером в реакциях Дильса-Альдера , например, с малеиновым ангидридом с образованием тетрагидрофталевого ангидрида . [25]
Подобно другим диенам, бутадиен является лигандом для комплексов низковалентных металлов, например производных Fe(бутадиен)(CO) 3 и Мо(бутадиен) 3 .
Бутадиен малотоксичен. LC50 составляет 12,5–11,5 об.% при вдыхании крысами и мышами. [15]
Длительное воздействие связано с сердечно-сосудистыми заболеваниями. Существует постоянная связь с лейкемией, а также значительная связь с другими видами рака. [27]
IARC определило 1,3-бутадиен как канцероген группы 1 («канцерогенный для человека») [28] , а Агентство по регистрации заболеваний токсичными веществами и Агентство по охране окружающей среды США также включили это химическое вещество в список канцерогенов. [29] [30] Американская конференция правительственных специалистов по промышленной гигиене (ACGIH) перечисляет химическое вещество как подозреваемый канцероген. [30] Совет по защите природных ресурсов (NRDC) перечисляет некоторые кластеры заболеваний, которые, как предполагается, связаны с этим химическим веществом. [31] Некоторые исследователи пришли к выводу, что это самый сильный канцероген в сигаретном дыме , в два раза более мощный, чем акрилонитрил , занявший второе место [32] .
1,3-бутадиен также считается тератогенным веществом для человека . [33] [34] [35] Длительное и чрезмерное воздействие может повлиять на многие области человеческого тела; Было показано, что кровь, мозг, глаза, сердце, почки, легкие, нос и горло реагируют на присутствие чрезмерного количества 1,3-бутадиена. [36]Данные на животных показывают, что женщины имеют более высокую чувствительность к возможным канцерогенным эффектам бутадиена по сравнению с мужчинами при воздействии этого химического вещества. Это может быть связано с воздействием на рецепторы эстрогена. Хотя эти данные свидетельствуют о важных последствиях воздействия бутадиена на человека, необходимы дополнительные данные для окончательной оценки рисков. Также отсутствуют данные о воздействии бутадиена на репродуктивную функцию и развитие у мышей, но исследования на животных показали, что вдыхание бутадиена во время беременности может увеличить количество врожденных дефектов, а у людей те же гормональные системы, что и у животных. [37]
1,3-бутадиен признан высокореактивным летучим органическим соединением (HRVOC) из-за его способности легко образовывать озон , и поэтому выбросы этого химического вещества строго регулируются TCEQ в некоторых частях озоновой зоны Хьюстон -Бразориа-Галвестон . Зона достижений . [2]
Характеристики | |
---|---|
Фазовое поведение | |
Тройная точка | 164,2 К (-109,0 ° С) ? бар |
Критическая точка | 425 К (152 ° С) 43,2 бар |
Структура | |
Группа симметрии | С 2ч |
Свойства газа | |
Δ f Н 0 | 110,2 кДж/моль |
С р | 79,5 Дж/моль·К |
Свойства жидкости | |
Δ f Н 0 | 90,5 кДж/моль |
С 0 | 199,0 Дж/моль·К |
С р | 123,6 Дж/моль·К |
Плотность жидкости | 0,64×10 3 кг/м 3 |