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(英文名:Naphthalene)是一種芳香烴化合物,分子由兩個苯環通過共用兩個相鄰的碳原子結合而成,其分子式為C??H?。萘在常溫常壓下是一種白色或無色片狀結晶固體,具有強烈的煤焦油氣味和一定的揮發性,其熔點為80.2 ℃,沸點為217.9 ℃,20 ℃時密度為1.16 g/cm3。萘難溶于水,可易溶于乙醇乙醚、揮發性油等溶劑

萘具有芳香性,其化學性質比苯活潑,易發生氧化還原、取代、加成等反應。萘在自然界中廣泛存在于煤炭焦爐氣和石煤中,是一種重要的化工原料和合成中間體,應用廣泛,能夠合成萘酚、甲基萘、萘胺等化合物。以及可制備香料、染料、涂料、橡膠防老劑、塑化劑、殺蟲劑、農藥、防腐劑、高效減水劑等產品,萘還可以合成抗癌、抗精神病、抗抑郁等藥物。萘分為工業萘精萘,工業萘又分為煤焦油萘和石油萘,石油萘的質量高于煤油萘,煤焦油萘可通過酸洗法、催化加氫、溶劑結晶、熔融結晶等方法加工成精萘。

萘具有細胞毒性、致畸性、胚胎毒性,為可疑致癌因子和誘變因素。2020年11月27日,從世界衛生組織(WHO)下屬的國際癌癥研究機構(IARC)更新的致癌物名單可知,萘屬于2B類致癌物。

發現歷史

1819年,蘇格蘭化學家亞歷山大·加登(Alexander Garden)從煤焦油中提取到一種白色結晶體,這白色結晶體即為萘。

1821年,約翰·基德(John Kidd)在其發表的文章中描述了萘的部分性質和生產手段,并將其命名為“naphthalene”(即中文名萘),源自于naphtha(石腦油),因石腦油中含萘。

1826年,英國化學家和物理學家邁克爾·法拉第(Michael Faraday)確定了萘的化學式:C?H?。

1838年,俄羅斯化學家沃斯克列先斯基(Вoскресенский)根據蒸汽密度校正了萘分子式

1866年,俄國化學家愛爾列麥依爾(Эрленмейер)提出了萘的結構式。1868年,化學家格列別(Гребе)繪制出萘的結構式,延續至今仍在使用。

化學結構

分子結構

萘是由10個構成的兩個苯環并聯形成的平面雙環,結構與苯環有相似之處也有不同之處。萘結構中的每個C原子以sp2雜化軌道形成σ鍵,碳原子剩余的一個p軌道都平行重疊形成共軛體系,每個六元環中都含有六電子體系,整個萘結構構成π電子體系。萘與苯環不同的是,每個p軌道的重疊程度不同,電子密度未平均化,因此其C-C鍵的長度并不完全相等,鍵長介于C-C單鍵和C-C雙鍵長度之間。根據分子軌道計算可知,萘中α-C(1、4、5、8位)的電子密度最高,β-C(2、3、6、7位)次之,9、10位的C最低。同苯一樣,萘具有芳香性,但程度低于苯,因此萘的化學性質比苯活潑。

萘的真實結構為多種極限結構的共振雜化體,可以由以下三個Kekule共振式表示。

理化性質

物理性質

萘在常溫常壓下是一種白色或無色片狀結晶固體,具有強烈的煤焦油氣味,其熔點為80.2 ℃,沸點為217.9 ℃,閃點為78.9 ℃,折射率為1.58212,20 ℃時密度為1.16 g/cm3,25 ℃的蒸氣壓為1.13×10?2 kPa,在167.7 ℃的氣化熱為46.42 kJ/摩爾,熔化熱為19.18 kJ/mol,燃燒熱為5159.41 kJ/mo。萘難溶于水,25 ℃時在水中的溶解度僅為的31 mg/L,可易溶于乙醇乙醚、苯、揮發性油等溶劑。萘的臨界溫度為478.5 ℃,臨界壓力為4.2 MPa,臨界密度為0.314 g/cm3。

化學性質

萘的化學性質比苯活潑,更容易發生氧化還原、取代反應。萘的C原子可分為α-C(1、4、5、8位)和β-C(2、3、6、7位),這些C原子上均可發生取代反應,但是產物是α-取代物還是β-取代物或是二者混合物需取決于試劑的性質、催化劑、溶劑、溫度等因素。一般情況下,α-C活性大于β-C,取代基在α位上,這是由動力學控制,溫度較高時,α-C上的取代基會轉移到β位上。

取代反應

鹵化反應。萘環上的H原子可以在催化劑(如Fe)的催化下被鹵族元素所取代,鹵化反應主要發生在α位。

硝化反應。在混酸(濃硫酸硝酸混合物)的作用下,萘環上的H原子可以被硝基(-NO?)所取代,硝化反應也是主要發生在α位。

磺化反應。萘可以發生磺化反應,磺化反應是可逆的。根據反應條件的不同可生成α-萘磺酸和β-萘磺酸,異構體的比例也會隨條件的變化而變化。如溫度較低時,主要產物為α-萘磺酸;溫度較高時,主要產物為β-萘磺酸。甚至隨著溫度的升高,已經生成的α-萘磺酸會轉化為β-萘磺酸。

Friedel-Crafts反應(傅-克反應)。萘環上可以發生Friedel-Crafts酰基化反應,隨著溫度的升高,反應主要發生在β位。

萘的取代反應十分復雜,以上只是簡單的討論,實際產物還需根據反應條件來判斷。

氧化反應

萘非常容易被氧化,在溫和的氧化劑條件下得醌,強烈氧化劑下得酸酐。如在五氧化二釩(V?O?)的催化下可被氧化為鄰苯二甲酸酐(鄰苯二甲酸酐)。

還原反應

萘比苯更容易發生還原反應,而且在不同的反應條件下可被還原為不同產物,如在和醇的作用下,萘部分還原為四氫化萘。或在催化氫化的條件,萘被還原為十氫化萘。

加成反應

萘可表現出部分的雙鍵性質,如在低溫的條件下,可與Cl?發生加成反應;隨著溫度的升高,得到的氯苯又會發生消除反應恢復芳香結構。

萘的衍生物

萘的1-8位點上的H原子均可被其他基團所取代,從而可以衍生成的更為復雜的化合物,如萘甲酸萘酚硝基萘萘酐、β-萘磺酸甲醛縮合物等。這些衍生物在各個領域均有廣泛的應用,如萘酐是一種制備染料或顏料的重要原料。β-萘磺酸甲醛縮合物可作染料分散劑合成橡膠塑料乳化劑、皮革鞣制劑、乳液聚合分散劑、水泥高效減水劑等。

制備方法

萘可以從煤焦油、石油中蒸餾提取。萘產品可以分為精萘工業萘,工業萘中萘的質量分數最高只有95%,其中的主要雜質為苯并噻吩。工業萘還可分為煤焦油萘和石油萘,一般情況下,石油衍生萘的質量高于煤焦油萘的質量。

制備煤焦油萘

由于煤焦油中萘的含量(wt%)約為8%-12%,所以可以通過精餾法和結晶法從煤焦油中得到工業萘。精餾法可根據煤焦油處理量的多少,采用不同的精餾設備,如間歇式和連續的兩塔式、一塔式、多塔式等。例如連續的兩塔式的工藝流程如下,先往煤焦油中加入堿液,并將其加熱到120-130 ℃送入一段蒸發器完成脫水過程。再將無水煤焦油進行二段蒸發,收取198-200 ℃的餾分,即得萘油餾。萘油餾還要再經過重結晶、加酸、中和等步驟才為煤焦油工業萘

制備石油萘

重整油是一種石腦油中間產品,可經過蒸餾、脫基化等過程制備石油萘,而不是只利用分離和提純的方法。由于重整油中的萘系芳香烴含量較低,一般需要對重整油進行提取預處理得到萘系芳烴。然后在加熱條件下或加入合適的催化劑,使萘系芳烴脫烷基轉化為萘。加熱法操作簡單、反應的選擇性好,但是具有反應溫度高、反應程度不易控制、萘產品質量較差等缺點。催化法的工藝溫度低、萘中硫、氫雜質少、產品質量高,但是需要合適的催化劑且生產成本較高。

乙烯焦油205-225 ℃餾分中萘大約占40%-50%,再將餾分物通過萃取法或分步結晶法制備石油萘,此時制備的萘含硫量少、質量高。萃取法操作簡單、萘收率較高,且萃取劑可通過蒸餾的方法回收并可循環使用。萃取劑的種類、用量以及萃取的溫度、時間均會對萘的收率產生影響。

工業萘的精制

可以通過酸洗法、催化加氫、溶劑結晶、熔融結晶等方法將工業萘加工成精萘。酸洗法是傳統的化學精制法,工業萘中的主要雜質苯并噻吩可以與濃硫酸反應生成水溶性磺化物,從而被除去。但是這種方法的苯并噻吩脫除率僅為50%-60%,硫酸的使用量大,且存在污染環境等問題,所以酸洗法已被淘汰。

催化加氫精制是在高溫的條件下,往工業萘中通入氫氣使萘中的雜質轉化為易分離的物質的一種方法。在此過程中,可發生苯并噻吩加氫轉化為乙苯硫化氫甲苯轉化為間二甲苯和氨氣、萘加氫轉化為四氫萘等反應。雖然催化加氫法制備的萘純度高,但是該方法具有收率低、工藝流程復雜、反應條件較苛刻等缺點。

由于萘和苯并噻吩溶劑中的溶解度不同以及其結晶點差49 ℃,所以可以利用溶劑結晶法和熔融結晶法提純萘。溶劑結晶法可制備純度高的萘且制備溫度低,但后續處理溶劑的步驟繁瑣。溶劑可選擇乙醇、磷酸、冰醋等溶液。熔融結晶法過程中不需要溶劑,其原理是熔融的工業萘在冷卻結晶時組分會在固液兩相間重新分布,工業萘的熔點因雜質存在而降低,液態工業萘冷卻時萘會先析出,雜質留在液相中,因此經過多次熔融結晶可提高萘的純度,但萘和苯并噻吩會形成固溶體,制備出的萘純度仍較低。

應用領域

化工原料

萘是一種重要的化工原料和合成中間體,如制備萘酚甲萘胺、苯酐、甲萘酚、乙萘酚、萘等化合物。這些化合物在香料、染料、涂料、表面活性劑、橡膠防老劑塑化劑、聚纖維、農藥、防腐劑等領域均有應用。例如萘可經化學反應制備1-萘乙酸,1-萘乙酸是一種應用廣泛的植物生長調節劑,具有促進作物生長、植物與種子不定根和根的形成、疏花疏果、防止落花落果、誘導開花等作用。

萘系高效減水劑

減水劑是外加劑的一種,建筑行業是減水劑的主要應用領域,將少量減水劑加入混凝土中可以提高混凝土的強度、抗壓、抗滲性、耐腐蝕性、耐久性等性能。萘系高效減水劑的主要成分為萘磺酸甲醛縮合物,由于萘系高效減水劑的減水率高、與水泥適應性好、制備工藝簡單,是一種廣泛應用的減水劑。但低濃型的萘系高效減水劑中硫酸鈉的含量較高,反而會使混凝土的耐久性降低、使用壽命縮短。

制作樟腦丸等殺蟲劑

萘具有一定的毒性,在18世紀時被昆蟲學家用來防止對螨、皮、白蟻和其他害蟲的傷害。之后萘制作成防蟲防蛀的樟腦丸。但是由于長時間接觸萘會導致中毒,所以萘制作的樟腦丸已被多個國家禁止。

在醫學領域的應用

萘雖然具有細胞毒性,但是可以用于制備抗癌、抗菌、抗炎藥、抗病毒、抗高血壓、抗糖尿病、抗精神病、抗抑郁等藥物。已有多種含有萘衍生物的藥物上市使用,如萘吡咯烷酮(Naphyrone;O-2482),是一種具有刺激作用的精神活性藥物,可作為去甲腎上腺素-多巴胺再攝取抑制劑。托萘酯(Tolnaftate)是一種的硫代氨基甲酸酯衍生物抗真菌藥物,被用于治療和預防各種類型的淺部真菌感染,可抑制鯊烯環氧化酶。普萘洛爾(Propranolol)是一種含萘霉素的藥物,可用作β受體阻斷藥,也可治療高血壓和交感神經興奮等引起的心律不齊。萘普生(Naproxen)是一種丙酸類非甾體抗炎藥,可以用于緩解關節痛、神經痛、肌肉痛等輕至中度疼痛。

作溶劑及分析試劑

萘及其化合物可以在有機分析中作難溶性染料結晶的溶劑和液體閃爍計數晶體有機閃爍劑。萘的衍生物四氫萘可作色譜分析劑。

安全事宜

危險性

萘粉末能夠自燃,爆炸極限為0.9-5.9%。萘遇明火、高熱及強氧化劑易燃,會放出有毒的刺激性煙霧。萘的晶體粉末能與空氣形成爆炸性混合物,遇火源發生粉塵爆炸

GHS類別

H302:吞食有害

H351:疑似致癌

H400:對水生生物毒性非常大

H410:對水生生物毒性非常大,具有長期影響

生理毒性

萘具有細胞毒性、致畸性、胚胎毒性,為可疑致癌因子和誘變因素,屬于中等毒性。萘細胞毒性需要代謝激活,萘在人體內會代謝產生萘環氧化物和萘醌,萘環氧化物又會進一步水解萘酚、1,2-二氫-1,2二羥萘、二硫-1,4-二羥萘等多種產物。這些代謝物是引起人體健康危害的主要因素。經動物實驗及臨床觀察證明,萘會損害呼吸系統和眼部,可引發白內障等疾病。

儲存和操作注意事項

萘應儲存在沒有排水管或下水道的場所。萘應該與強氧化劑(如三氧化鉻氯酸鹽高錳酸鉀等)、食品和飼料分開存放。儲存地禁止吸煙并需遠離火種、熱源。在存取萘時,應注重個人防護,避免眼和皮膚與萘的接觸,也避免吸入萘蒸汽。

急救措施

當不小心吸入萘時,應迅速脫離現場并轉移至空氣新鮮處,保持呼吸道通暢。若有任何不適感,請立即前往醫院就醫。當有呼吸困難的癥狀時,請給患者輸氧。若患者心跳停止,請立即進行心肺復蘇術。

當皮膚不小心接觸到萘時,應立即脫去污染的衣著,用肥皂水和清水徹底沖洗接觸部位。若有不適感請立即前往醫院就醫。

當眼晴不小心接觸到萘時,應立即分開眼瞼,并用流動清水或生理鹽水徹底沖洗。沖洗結束后請立即前往醫院就醫。

當不小心誤食萘時,應立即催吐,并立即送往醫院洗胃并服鹽類瀉劑。休養期間禁止食油膩物。

消防措施

當由萘引發的火災時,應用水霧、干粉、泡沫或二氧化碳滅火劑滅火,避免使用直流水滅火,直流水可能導致可燃性液體的飛濺,使火勢擴散。滅火結束后,應注意收集滅火產生的廢水

泄漏應急處理

作業人員防護措施、防護裝備和應急處置程序:

消除萘泄漏點附近的所有點火源,并隔離萘泄漏污染區,限制人員的出入。應急處理人員需戴防塵口罩,穿防毒、防靜電服。人員應禁止接觸或跨越泄漏物避免萘中毒。

環境保護措施:

收容萘泄漏物,避免污染環境。防止萘泄漏物進入下水道、地表水地下水等污染水源。

泄漏化學品的收容、清除方法及所使用的處置材料:

小量泄漏:盡可能將萘泄漏物收集在可密閉的容器中。用沙土、活性炭或其它惰性材料吸收,并轉移至安全場所。禁止利用直流水直接沖洗萘泄漏物進入下水道。

大量泄漏:需要在萘泄漏區構筑圍堤或挖坑收容。在萘泄露區附近的排水管道完全封閉。需要用泡沫等物品將萘泄漏物覆蓋,抑制蒸發。用防爆泵轉移至槽車或專用收集器內,將萘泄漏物回收或運至廢物處理場所處置。

萘的中國國家標準

萘可分為工業萘精萘。根據國家標準GB/T6699-2015:焦化萘,工業萘及精萘的質量指標如表1所示。

表1:工業萘及精萘的質量指標

參考資料 >

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