Nafteenihapot (NA) ovat useiden syklopentyyli- ja sykloheksyylikarboksyylihappojen seos, joiden molekyylipaino on 120–700 tai enemmän atomimassayksikköä. Pääosa on karboksyylihappoja, joiden hiilirunko on 9-20 hiiliatomia. Tutkijat väittävät, että nafteenihapot (NA) ovat sykloalifaattisia karboksyylihappoja, joissa on 10-16 hiiliatomia, vaikka raskaista öljyistä on löydetty jopa 50 hiiliatomia sisältäviä happoja.
Etymologia
Termin juuret ovat jokseenkin arkaainen termi "nafteeni" (sykloalifaattinen mutta ei-aromaattinen), jota käytetään hiilivetyjen luokitteluun. Sitä käytettiin alun perin kuvaamaan monimutkaista öljypohjaisten happojen seosta, kun 1900-luvun alussa käytettävissä olevilla analyyttisilla menetelmillä pystyttiin tunnistamaan vain muutama tarkasti.nafteenityyppiset komponentit. Nykyään nafteenihappoa käytetään yleisemmin viittaamaan kaikkiin maaöljyssä oleviin karboksyylihappoihin (olipa sitten syklisiä, asyklisiä tai aromaattisia yhdisteitä) ja heteroatomeja, kuten N ja S, sisältäviä karboksyylihappoja. Lukuisat tutkimukset ovat osoittaneet, että useimmat sykloalifaattiset hapot sisältävät myös suoraa ja haaraketjuiset alifaattiset hapot ja aromaattiset hapot. Jotkut hapot sisältävät > 50 % yhdistettyjä alifaattisia ja aromaattisia happoja.
Formula
Nafteenihappoja edustaa yleinen kaava CnH2n-z O2, jossa n on hiiliatomien lukumäärä ja z on homologinen sarja. z-arvo on 0 tyydyttyneille asyklisille hapoille ja kasvaa arvoon 2 monosyklisissä hapoissa, 4:ään bisyklisissä hapoissa, 6:ksi trisyklisissä hapoissa ja 8:aan tetrasyklisissä hapoissa.
Naftenaatteiksi kutsuttuja happojen suoloja käytetään laaj alti hydrofobisina metalli-ionilähteinä monissa sovelluksissa. Nafteenihapon ja palmitiinihapon alumiini- ja natriumsuolat yhdistettiin toisen maailmansodan aikana napalmin valmistamiseksi. Ja napalmi syntetisoitiin onnistuneesti. Sana "napalmi" tulee sanoista "nafteenihappo" ja palmitiinihappo.
Öljyliitäntä
Nafteenihapon luonnetta, alkuperää, uuttamista ja kaupallista käyttöä on tutkittu jo jonkin aikaa. Raakaöljyn tiedetään Romanian, Venäjän, Venezuelan, Pohjanmeren, Kiinan ja Länsi-Afrikan kentiltäsisältää suuren määrän happamia yhdisteitä verrattuna useimpiin yhdysv altalaisiin raakaöljyihin. Joidenkin kalifornialaisten öljytuotteiden karboksyylihappopitoisuus on erityisen korkea (jopa 4 %), missä yleisimpien karboksyylihappoluokkien on raportoitu olevan sykloalifaattiset ja aromaattiset hapot.
Koostumus
Koostumus vaihtelee raakaöljyn koostumuksen sekä käsittelyn ja hapettumisen aikaisten olosuhteiden mukaan. Nafteenihappoja sisältävät jakeet voivat aiheuttaa korroosiovaurioita jalostamon laitteille, joten happokorroosion (NAC) ilmiö on hyvin tutkittu. Korkeahappoista raakaöljyä kutsutaan usein korkean kokonaishappoluvun (TAN) raakaöljyksi tai korkeahappoiseksi raakaöljyksi (HAC). Nafteenihapot ovat merkittäviä saasteita vedessä, joka on peräisin Athabascan öljyhiekasta (AOS) uuttamalla öljyä. Hapoilla on sekä akuuttia että kroonista myrkyllisyyttä kaloille ja muille organismeille.
Ympäristö
Usein siteeratussa Toxicological Sciences -lehdessä julkaistussa artikkelissaan Rogers totesi, että nafteenihapposeokset ovat merkittävimpiä öljyhiekan tuotannon ympäristön saasteita. He havaitsivat, että pahimmassa tapauksessa akuutti myrkyllisyys on epätodennäköistä luonnonvaraisille nisäkkäille, jotka ovat alttiina hapoille vedessä, mutta toistuvalla altistuksella voi olla haitallisia terveysvaikutuksia.
Vuoden 2002 artikkelissaanMainittu yli 100 kertaa, Rogers et al raportoivat liuotinpohjaisesta laboratoriomenetelmästä, joka on suunniteltu uuttamaan tehokkaasti happoja suurista määristä Athabasca Oil Sands Tailings Pond (TPW) -vettä. Nafteenihappoja on AOS Tailings Waterissa (TPW) arvioitu pitoisuus 81 mg/l, mikä on liian alhainen taso, jotta TPW:tä voitaisiin pitää kannattavana lähteenä kaupalliseen t alteenottoon.
Poista
Nafteenihappoa poistetaan maaöljyaineista, ei vain korroosion minimoimiseksi, vaan myös kaupallisesti hyödyllisten tuotteiden t alteenottamiseksi. Tämän hapon suurin nykyinen ja historiallinen käyttö on metallinaftenaattien tuotannossa. Hapot uutetaan maaöljytisleistä emäksisellä uutolla, regeneroidaan happoneutralointiprosessissa ja tislataan sitten epäpuhtauksien poistamiseksi. Kaupallisesti myytävät hapot luokitellaan happoluvun, epäpuhtaustason ja värin mukaan. Käytetään metallinaftenaattien ja muiden johdannaisten, kuten esterien ja amidien, valmistukseen.
Naftenaatit
Naftenaatit ovat happosuoloja, jotka ovat analogisia vastaavien asetaattien kanssa, paremmin määriteltyjä, mutta vähemmän käyttökelpoisia. Naftenaatit, kuten maaöljyn nafteenihapot, liukenevat hyvin orgaanisiin väliaineisiin, kuten maaleihin. Niitä käytetään teollisuudessa, mukaan lukien tällaisten hyödyllisten asioiden valmistuksessa: synteettiset pesuaineet, voiteluaineet, korroosionestoaineet, polttoaineiden ja voiteluöljyjen lisäaineet, säilöntäaineetpuulle, hyönteismyrkkyille, fungisideille, akarisideille, kostutusaineille, napalmin sakeuttamisaineille ja öljynkuivausaineille, joita käytetään maalauksessa ja puun pintakäsittelyssä.
Öljyhiekka
Yhdessä tutkimuksessa todetaan, että nafteenihapot ovat aktiivisin ympäristöä saastuttava aine kaikista öljyhiekasta erotettaessa öljyä. Vuoto- ja saastumisolosuhteissa akuuttia myrkyllisyyttä ei kuitenkaan todennäköisesti esiinny luonnonvaraisissa nisäkkäissä, jotka ovat alttiina rikastushiekka-allasveden hapoille, mutta toistuvalla altistuksella voi olla haitallisia vaikutuksia eläinten terveyteen. Öljyhiekoissa ja jätevesissä on happoja arvioitu pitoisuus 81 mg/l.
Yhdysv altalaiset tutkijat väittivät, että heidän tutkimustensa perusteella puhdistetut NA:t, kun ne otettiin suun kautta, eivät olleet akuutteja genotoksisia nisäkkäille käyttämällä OECD:n (OECD) protokollia toksisuustestaukseen. NDT:n aiheuttamat vauriot lyhytaikaisesta altistumisesta akuutin tai ajoittaisen altistuksen aikana voivat kuitenkin kertyä toistuvassa altistumisessa.
Syklopentaani
Syklopentaani on syttyvä alisyklinen hiilivety, jonka kemiallinen kaava on C5H10 ja CAS-numero 287-92-3 ja joka koostuu viiden hiiliatomin renkaasta, joista kukin on sitoutunut kahteen vetyatomiin tason ylä- ja alapuolella. Se esitetään usein muodossaväritön neste, jonka haju muistuttaa bensiiniä. Sen sulamispiste on -94°C ja kiehumispiste 49°C. Syklopentaani kuuluu sykloalkaanien luokkaan ja on alkaaneja, joissa on yksi tai useampi hiiliatomirengas. Se muodostuu krakkaamalla sykloheksaania alumiinioksidin läsnä ollessa korkeassa lämpötilassa ja paineessa.
Nafteenihappojen, mukaan lukien syklopentaanin, tuotanto on menettänyt entisen massaluonteensa viime vuosina.
Sen valmisti ensimmäisen kerran vuonna 1893 saksalainen kemisti Johannes Wieslikus. Viime aikoina sitä kutsutaan usein nafteenihapoiksi.
Rooli tuotannossa
Syklopentaania käytetään synteettisten hartsien ja kumiliimojen valmistuksessa sekä vaahdotusaineena polyuretaanieristysvaahdon tuotannossa, jota löytyy monista kodinkoneista, kuten jääkaapeista ja pakastimista, ja se korvaa ympäristölle haitallisia vaihtoehtoja, kuten CFC-yhdisteet -11 ja HCFC-141b.
Multiple syklopentaanialkylointi (MAC) -voiteluaineilla on alhainen haihtuvuus, ja niitä käytetään joissakin erikoissovelluksissa.
Yhdysvallat tuottaa yli puoli miljoonaa kiloa tätä kemikaalia vuodessa. Venäjällä nafteenihappoja (mukaan lukien syklopentaani) tuotetaan öljynkäsittelyn luonnontuotteena.
Sykloalkaaneja voidaan valmistaa käyttämällä prosessia, joka tunnetaan nimellä katalyyttinen reformointi. Esimerkiksi 2-metyylibutaani voidaan muuttaa syklopentaaniksi käyttämällä platinakatalyyttiä. Tätä käytetään erityisestiautoja, sillä haarautuneet alkaanit palavat paljon nopeammin.
Fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet
Yllättäen niiden sykloheksaanit alkavat kiehua 10 °C korkeammalla kuin heksahydrobentseeni tai heksanafteeni, mutta tämän arvoituksen ratkaisi vuonna 1895 Markovnikov, N. M. Kishner ja Nikolai Zelinsky, kun he käyttivät heksahydrobentseeniä ja heksanafteenia uudelleen metyylisyklopentaaniksi – odottamattoman vastareaktion seurauksena.
Vaikka sykloheksaani on melko ei-reaktiivinen, se käy läpi katalyyttisen hapettumisen, jolloin muodostuu sykloheksanonia ja sykloheksanolia. Sykloheksanoni-sykloheksanolin seos, jota kutsutaan "KA-öljyksi", on adipiinihapon ja kaprolaktaamin, nailonin esiasteiden, raaka-aine.
Hakemus
Käytetään liuottimena joissakin korjausnesteiden merkeissä. Sykloheksaania käytetään joskus ei-polaarisena orgaanisena liuottimena, vaikka n-heksaania käytetään yleisemmin tähän tarkoitukseen. Sitä käytetään usein myös uudelleenkiteytysliuottimena, koska monilla orgaanisilla yhdisteillä on hyvä liukoisuus kuumaan sykloheksaaniin ja huono liukoisuus matalissa lämpötiloissa.
Sykloheksaania käytetään myös differentiaalisen pyyhkäisykalorimetrian (DSC) laitteiden kalibroimiseen kätevän kiteiden välisen siirtymän ansiosta -87,1 °C:ssa.
Sykloheksaanihöyryjä käytetään tyhjiöhiiletysuuneissa lämpökäsittelylaitteiden valmistuksessa.
Muodonmuutos
Kuuden kärjen rengas ei vastaa täydellisen kuusikulmion muotoa. Tasomaisessa kuusikulmiomuodostelmassa on merkittävä kulmajännitys, koska sen sidokset eivät ole 109,5 astetta. Vääntömuodonmuutos on myös merkittävä, koska kaikki sidokset peittyvät.
Siksi vääntömuodonmuutosten vähentämiseksi sykloheksaani käyttää kolmiulotteista rakennetta, joka tunnetaan nimellä "konformaatiotuoli". On myös kaksi muuta keskitason konformeria - "half chair", joka on epävakain konformeri, ja "twist boat", joka on vakaampi. Hermann Sachs ehdotti näitä omalaatuisia nimiä ensimmäisen kerran jo vuonna 1890, mutta ne hyväksyttiin laaj alti paljon myöhemmin.
Puolet vetyatomeista on renkaan tasossa (ekvatoriaalisesti) ja toinen puolisko on kohtisuorassa tasoon nähden (aksiaalisesti). Tämä konformaatio tarjoaa stabiilimman sykloheksaanirakenteen. On olemassa toinen sykloheksaanin konformaatio, joka tunnetaan nimellä "venerakenne", mutta se muuttuu hieman vakaammaksi "jakkaramuodostelmaksi".
Sykloheksaanilla on kaikista sykloalkaaneista pienin kulma- ja vääntöjännitys, minkä seurauksena sykloheksaanin katsotaan olevan 0 renkaan kokonaisvenymissä. Sama koskee nafteenihappojen natriumsuoloja.
Vaiheet
Sykloheksaanissa on kaksi kiteistä faasia. Korkean lämpötilan vaihe I, stabiili +186 °C:n ja lämpötilan välilläsulamispiste +280 °C, on muovikide, mikä tarkoittaa, että molekyylit säilyttävät jonkin verran liikkumisvapautta. Matalan lämpötilan (alle 186°C) vaihe II on järjestyneempi. Kaksi muuta matalan lämpötilan (metastable) faasia III ja IV saatiin käyttämällä kohtalaisia yli 30 MPa:n paineita, ja faasi IV esiintyy yksinomaan deuteroidussa sykloheksaanissa (huomaa, että paineen käyttö lisää kaikkia siirtymälämpötiloja).
