1,3,5-环己三烯
Cyclohexa-1,3,5-triene / 1,3,5-Cyclohexatriene
(简称 环己三烯
Cyclohexatriene)
--附该物质更多信息,来自Wikipedia--
苯
发现
苯最早是在18世纪初研究将煤气作为照明用气时合成出来的。一般认为苯是在1825年由麦可·法拉第发现的。他从鱼油等类似物质的热裂解产品中分离出了较高纯度的苯,称之为“氢的重碳化物”(Bicarburet of hydrogen)。[6]并且测定了苯的一些物理性质和它的化学组成,阐述了苯分子的碳氢比。[7]
结构
苯具有的苯环结构导致它有特殊的芳香性。苯环是最简单的芳环,由六个碳原子构成一个六元环,每个碳原子接一个基团,苯的6个基团都是氢原子。
物理性质
苯的沸点为80.1℃,熔点为5.5℃,在常温下是一种无色、有芳香气味的透明液体,易挥发。苯比水密度低,密度为0.88g/ml,但其分子质量比水重。苯难溶于水,1升水中最多溶解1.8g苯;但苯是一种良好的有机溶剂,溶解有机分子和一些非极性的无机分子的能力很强。
其中:P单位为mmHg,t单位为℃,A = 6.91210,B = 1214.645,C = 221.205。
化学性质
取代反应
苯环的电子云密度较大,所以发生在苯环上的取代反应大都是亲电取代反应。亲电取代反应是芳环有代表性的反应。苯的取代物在进行亲电取代时,第二个取代基的位置与原先取代基的种类有关。
卤代反应
苯的卤代反应的通式可以写成:
反应机理为:
硝化反应
磺化反应
磺化是可逆反应,苯磺酸在加热下与稀硫酸或盐酸反应,可失去磺基,生成苯。所以在合成时可以通过磺化反应保护芳核上的某一位置。
傅-克反应
在反应过程中,R基可能会发生重排:如1-氯丙烷与苯反应生成异丙苯,这是由于自由基总是趋向稳定的构型。
加成反应
氧化反应
但是在一般条件下,苯不能被强氧化剂所氧化。但是在氧化钼、五氧化二钒等催化剂存在下,与空气中的氧在500℃时反应,苯可以选择性的氧化成顺丁烯二酸酐。这是屈指可数的几种能破坏苯的六元碳环系的反应之一。(马来酸酐是五元杂环。)
这是一个强烈的放热反应。
其他反应
苯环的亲电取代定位效应
第一类邻、对位定位基
第二类间位定位基
制备
直至二战,苯还是一种钢铁工业焦化过程中的副产物。这种方法只能从1吨煤中提取出1千克苯。1950年代后,随着工业上,尤其是日益发展的塑料工业对苯的需求增多,由石油生产苯的过程应运而生。现在全球大部分的苯来源于石油化工。工业上生产苯最重要的三种过程是催化重整、甲苯加氢脱烷基化和蒸汽裂化。
从煤焦油中提取
在煤炼焦过程中生成的轻焦油含有大量的苯。这是最初生产苯的方法。将生成的煤焦油和煤气一起通过洗涤和吸收设备,用高沸点的煤焦油作为洗涤和吸收剂回收煤气中的煤焦油,蒸馏后得到粗苯和其他高沸点馏分。粗苯经过精制可得到工业级苯。这种方法得到的苯纯度比较低,而且环境污染严重,工艺比较落后。
从石油中提取
在原油中含有少量的苯,从石油产品中提取苯是最广泛使用的制备方法。
催化重整
在500-525 ℃、8-50个大气压下,各种沸点在60-200 ℃之间的脂肪烃,经铂-铼催化剂,通过脱氢、环化转化为苯和其他芳香烃。从混合物中萃取出芳香烃产物后,再经蒸馏即分出苯。也可以将这些馏分用作高辛烷值汽油。
蒸汽裂解
裂解汽油中苯大约有40-60%,同时还含有二烯烃以及苯乙烯等其他不饱和组份,这些杂质在贮存过程中易进一步反应生成高分子胶质。所以要先经过加氢处理过程来除去裂解汽油中的这些杂质和硫化物,然后再进行适当的分离得到苯产品。
芳烃分离
从不同方法得到的含苯馏分,其组分非常复杂,用普通的分离方法很难见效,一般采用溶剂进行液-液萃取或者萃取蒸馏的方法进行芳烃分离,然后再采用一般的分离方法分离苯、甲苯、二甲苯。根据采用的溶剂和技术的不同又有多种分离方法。
- Udex法:由美国道化学公司和UOP公司在1950年联合开发,最初用二乙二醇醚作溶剂,后来改进为三乙二醇醚和四乙二醇醚作溶剂,过程采用多段升液通道(multouocomer)萃取器。苯的收率为100%。
- Suifolane法:荷兰壳牌公司开发,专利为UOP公司所有。溶剂采用环丁砜,使用转盘萃取塔进行萃取,产品需经白土处理。苯的收率为99.9%。
- Arosolvan法:由联邦德国的鲁奇公司在1962年开发。溶剂为N-甲基吡咯烷酮(NMP),为了提高收率,有时还加入10-20%的乙二醇醚。采用特殊设计的Mechnes萃取器,苯的收率为99.9%。
- IFP法:由法国石油化学研究院在1967年开发。采用不含水的二甲亚砜作溶剂,并用丁烷进行反萃取,过程采用转盘塔。苯的收率为99.9%。
- Formex法:为意大利SNAM公司和LRSR石油加工部在1971年开发。吗啉或N-甲酰吗啉作溶剂,采用转盘塔。芳烃总收率98.8%,其中苯的收率为100%。
甲苯脱烷基化
甲苯脱烷基制备苯,可以采用催化加氢脱烷基化,或是不用催化剂的热脱烷基。原料可以用甲苯、及其和二甲苯的混合物,或者含有苯及其他烷基芳烃和非芳烃的馏分。
甲苯催化加氢脱烷基化
根据所用催化剂和工艺条件的不同又有多种工艺方法:
- Hydeal法:由Ashiand & refing和UOP公司在1961年开发。原料可以是重整油、加氢裂解汽油、甲苯、碳6-碳8混合芳烃、脱烷基煤焦油等。催化剂为氧化铝-氧化铬,反应温度600-650℃,压力3.43-3.92MPa。苯的理论收率为98%,纯度可达99.98%以上,质量优于Udex法生产的苯。
- Detol法:Houdry公司开发。用氧化铝和氧化镁做催化剂,反应温度540-650℃,反应压力0.69-5.4MPa,原料主要是碳7-碳9芳烃。苯的理论收率为97%,纯度可达99.97%。
- Pyrotol法:Air products and chemicals公司和Houdry公司开发。适用于从乙烯副产裂解汽油中制苯。催化剂为氧化铝-氧化铬,反应温度600-650℃,压力0.49-5.4MPa。
- Bextol法:壳牌公司开发。
- BASF法:BASF公司开发。
- Unidak法:UOP公司开发。
甲苯热脱烷基化
甲苯在高温氢气流下可以不用催化剂进行脱烷基制取苯。反应为放热反应,针对遇到的不同问题,开发出了多种工艺过程。
- MHC加氢脱烷基过程:由日本三菱石油化学公司和千代田建设公司在1967年开发。原料可以用甲苯等纯烷基苯,含非芳烃30%以内的芳烃馏分。操作温度500-800℃,操作压力0.98MPa,氢/烃比为1-10。过程选择性97-99%(mol),产品纯度99.99%。
- HDA加氢脱烷基过程:由美国Hydrocarbon Research和Atlantic Richfield公司在1962年开发。原料采用甲苯,二甲苯,加氢裂解汽油,重整油。从反应器不同部位同如氢气控制反应温度,反应温度600-760℃,压力3.43-6.85MPa,氢/烃比为1-5,停留时间5-30秒。选择性95%,收率96-100%。
- Sun过程:由Sun Oil公司开发
- THD过程:Gulf Research and Development公司开发
- Monsanto过程:孟山都公司开发
甲苯歧化和烷基转移
随着二甲苯用量的上升,在1960年代末相继开发出了可以同时增产二甲苯的甲苯歧化和烷基转移技术,主要反应为:
这个反应为可逆反应,根据使用催化剂、工艺条件、原料的不同而有不同的工艺过程。
- LTD液相甲苯歧化过程:美国美孚化学公司在1971年开发,使用非金属沸石或分子筛催化剂,反应温度260-315℃,反应器采用液相绝热固定床,原料为甲苯,转化率99%以上
- Tatoray过程:日本东丽公司和UOP公司1969年开发,以甲苯和混合碳9芳烃为原料,催化剂为丝光沸石,[13]反应温度350-530℃,压力2.94MPa,氢/烃比5-12,采用绝热固定床反应器,单程转化率40%以上,收率95%以上,选择性90%,产品为苯和二甲苯混合物。
- Xylene plas过程:由美国Atlantic Richfield公司和Engelhard公司开发。使用稀土Y型分子筛做催化剂,反应器为气相移动床,反应温度471-491℃,常压。
- TOLD过程:日本三菱瓦斯化学公司1968年开发,氢氟酸-氟化硼催化剂,反应温度60-120℃,低压液相。有一定腐蚀性。
其他方法
此外,苯还可以通过乙炔三聚得到,但产率很低。具体的做法是,将乙炔通过高温石英管(500℃)。反应方程式如下:
此反应实则为狄尔斯-阿尔德反应。
分析测试方法
安全
毒性
苯对中枢神经系统产生麻痹作用,引起急性中毒。重者会出现头痛、恶心、呕吐、神志模糊、知觉丧失、昏迷、抽搐等,严重者会因为中枢系统麻痹而死亡。少量苯也能使人产生睡意、头昏、心率加快、头痛、颤抖、意识混乱、神志不清等现象。摄入含苯过多的食物会导致呕吐、胃痛、头昏、失眠、抽搐、心率加快等症状,甚至死亡。吸入20000ppm的苯蒸气5-10分钟便会有致命危险。
长期接触苯会对血液造成极大伤害,引起慢性中毒,引起神经衰弱综合症。苯可以损害骨髓,使红血球、白细胞、血小板数量减少,并使染色体畸变,从而导致白血病,甚至出现再生障碍性贫血。苯可以导致大量出血,从而抑制免疫系统的功用,使疾病有机可乘。有研究报告指出,苯在体内的潜伏期可长达12-15年。
接触限值:
毒性:
- LD50: 930 mg/kg(大鼠经口);48 mg/kg(小鼠经皮)
- LC50: 10000ppm 7小时(大鼠吸入)
代谢
苯主要通过呼吸道吸入(47-80%)、胃肠及皮肤吸收的方式进入人体。一部分苯可通过尿液排出,未排出的苯则首先在肝中细胞色素P450单加氧酶作用下被氧分子氧化为环氧苯(7-氧杂双环[4.1.0]庚-2,4-二烯)。环氧苯与它的重排产物氧杂环庚三烯存在平衡,是苯代谢过程中产生的有毒中间体。接下来有三种代谢途径:与谷胱甘肽结合生成苯巯基尿酸;继续代谢为苯酚、邻苯二酚、对苯二酚、偏苯三酚、邻苯醌、对苯醌等,以葡萄糖苷酸或硫酸盐结合物形式排出;以及被氧化为已二烯二酸。
可燃性
由于苯可以在空气中燃烧,因此它一般都被定为危险品。例如在中华人民共和国国家标准《危险货物品名表》(GB 12268-90)中,苯属第三类危险货物易燃液体中的中闪点液体。[16]而且由于它的挥发性,可能造成蒸气局部聚集,因此在贮存、运输时一般都要求远离火源和热源,防止静电。
由于苯的冰点比较高(5.5℃),在寒冷天气中运输会有困难,但是加热熔化会带来危险性。
工业用途
苯有减轻爆震的作用而能作为汽油添加剂。在1950年代四乙基铅开始使用以前,所有的抗爆剂都是苯。然而现在随着含铅汽油的淡出,苯又被重新起用。由于苯对人体有不利影响,对地下水质也有污染,欧美国家限定汽油中苯的含量不得超过1%。至2011年时,美国国家环境保护局将进一步收紧限制,令汽油的苯含量上限进一步降低至0.62%。[17]
苯在工业上最重要的用途是做化工原料。苯可以合成一系列苯的衍生物:
食品中的含量
在若干软性饮品,如部分汽水、果汁饮品、果汁味饮品、葡萄适中,其中的苯甲酸盐类防腐剂(包括苯甲酸钠、苯甲酸钾、苯甲酸钙)[18]会跟维他命C(抗坏血酸)或异抗坏血酸发生化学作用,脱羧,形成少量的致癌物质苯。该反应在光照或加热时加速进行。多数饮料中,苯的含量都在10μg/kg以下,符合世界卫生组织的标准(10ppb),但高于美国(5ppb)[19]、加拿大(5ppb)和欧盟(1ppb)[20]的标准。有少量饮料含有较高含量的苯,含量最高的可达87.9ppb,但与日常生活中吸入的苯含量相比,这个数值仍然较小。例如,人每天吸入的洁净空气中约含苯220μg;人开车一小时会吸入40μg的苯;每天吸20支烟的人约会吸入7900μg的苯(欧盟估计值),通过被动吸烟吸入的苯也有63μg。[21]
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