A nafténsavak (NA) több ciklopentil- és ciklohexilkarbonsav keveréke, amelyek molekulatömege 120-700 vagy több atomtömeg-egység. A fő frakció 9-20 szénatomos szénvázú karbonsavak. A tudósok azt állítják, hogy a nafténsavak (NA) 10-16 szénatomos cikloalifás karbonsavak, bár a nehéz olajokban 50 szénatomos savakat is találtak.
Etimológia
A kifejezés a kissé archaikus „naftén” (cikloalifás, de nem aromás) kifejezésben gyökerezik, amelyet a szénhidrogének osztályozására használnak. Eredetileg kőolaj alapú savak összetett keverékének leírására használták, amikor az 1900-as évek elején rendelkezésre álló analitikai módszerekkel csak néhányat tudtak pontosan azonosítani.naftén típusú alkatrészek. Napjainkban a nafténsavat általánosabban használják a kőolajban előforduló összes karbonsavra (legyen szó ciklikus, aciklusos vagy aromás vegyületekről), valamint heteroatomokat tartalmazó karbonsavakra, például N és S. Számos tanulmány kimutatta, hogy a legtöbb cikloalifás sav tartalmaz egyenes és elágazó láncú alifás savak és aromás savak. Egyes savak > 50% kombinált alifás és aromás savakat tartalmaznak.
Formula
A nafténsavakat a CnH2n-z O2 általános képlettel jelöljük, ahol n a szénatomok száma, z pedig a homológ sorozat. A z-érték 0 a telített aciklusos savaknál, és 2-re nő a monociklusos savakban, 4-re a biciklusos savakban, 6-ra a triciklusos savakban és 8-ra a tetraciklusos savakban.
A savak naftenátoknak nevezett sóit széles körben használják hidrofób fémionforrásként számos alkalmazásban. A nafténsav és a palmitinsav alumínium- és nátriumsóit a második világháború során egyesítették napalm előállításához. A napalmot pedig sikeresen szintetizálták. A "napalm" szó a "nafténsav" és a palmitinsav szavakból származik.
Olajcsatlakozás
A nafténsav természetét, eredetét, kitermelését és kereskedelmi felhasználását már jó ideje tanulmányozzák. Ismeretes, hogy a romániai, oroszországi, venezuelai, északi-tengeri, kínai és nyugat-afrikai mezőkről származó kőolajnagy mennyiségű savas vegyületet tartalmaz a legtöbb amerikai nyersolajhoz képest. Egyes kaliforniai kőolajtermékek karbonsavtartalma különösen magas (akár 4%), ahol a karbonsavak leggyakoribb osztályai a cikloalifás és aromás savak.
Összetétel
Az összetétel a nyersolaj összetételétől, valamint a feldolgozás és oxidáció körülményeitől függően változik. A nafténsavakban gazdag frakciók korróziós károkat okozhatnak a finomítói berendezésekben, ezért a savas korrózió (NAC) jelenségét jól tanulmányozták. A magas savszámú nyersolajat gyakran magas összes savszámú (TAN) kőolajnak vagy magas savasságú nyersolajnak (HAC) nevezik. A nafténsavak az Athabasca olajhomokból (AOS) származó olaj extrakciójából származó víz fő szennyezőanyagai. A savak akut és krónikus toxicitást is fejtenek ki halakra és más szervezetekre.
Környezetvédelem
A Toxicological Sciences-ben megjelent, gyakran idézett cikkében Rogers kijelentette, hogy a nafténsav-keverékek a legjelentősebb környezetszennyező anyagok az olajhomok előállítása során. Azt találták, hogy a legrosszabb körülmények között az akut toxicitás nem valószínű a vízben lévő savaknak kitett vadon élő emlősöknél, de az ismételt expozíció káros egészségügyi hatásokkal járhat.
2002-es cikkébenTöbb mint 100-szor idézték, Rogers és munkatársai egy oldószeralapú laboratóriumi eljárásról számoltak be, amelyet arra terveztek, hogy hatékonyan vonják ki a savakat nagy mennyiségű Athabasca Oil Sands Tailings Pond (TPW) vízből. A nafténsavak 81 mg/l becsült koncentrációban vannak jelen az AOS Tailings Water-ben (TPW), ami túl alacsony ahhoz, hogy a TPW a kereskedelmi hasznosítás életképes forrásának tekinthető.
Törlés
A nafténsavat nemcsak a korrózió minimalizálása, hanem a kereskedelmileg hasznos termékek visszanyerése érdekében is eltávolítják a kőolajból. Ennek a savnak a legnagyobb jelenlegi és történelmi felhasználása a fémnaftenátok gyártása. A savakat a kőolajpárlatokból lúgos extrakcióval vonják ki, savsemlegesítési eljárással regenerálják, majd desztillálják a szennyeződések eltávolítására. A kereskedelemben értékesített savakat savszám, szennyeződési szint és szín szerint osztályozzák. Fémnaftenátok és egyéb származékok, például észterek és amidok előállítására használják.
Naftenátok
A naftenátok a megfelelő acetátokkal analóg savas sók, jobban meghatározottak, de kevésbé hasznosak. A naftenátok, akárcsak a kőolajban lévő nafténsavak, jól oldódnak szerves közegekben, például festékekben. Az iparban használják, beleértve az ilyen hasznos dolgok előállítását is: szintetikus mosószerek, kenőanyagok, korróziógátlók, üzemanyag- és kenőolaj-adalékok, tartósítószerekfához, inszekticidekhez, gombaölőkhöz, akaricidekhez, nedvesítőszerekhez, napalmsűrítőszerekhez és olajszárító szerekhez, amelyeket festéshez és fafelület kezeléshez használnak.
Olajhomok
Egy tanulmány azt állítja, hogy a nafténsavak a legaktívabb környezetszennyező anyagok az olajhomokból történő olajkinyerésből származó anyagok közül. A szivárgás és szennyeződés körülményei között azonban nem valószínű, hogy akut toxicitás lép fel a zagytározó vizében lévő savaknak kitett vadon élő emlősöknél, de az ismételt expozíció káros állat-egészségügyi hatásokkal járhat. A savak az olajos homokban és a zagyvízben 81 mg/l becsült koncentrációban vannak jelen.
A Gazdasági Együttműködési és Fejlesztési Szervezet (OECD) protokolljait használva a toxicitási vizsgálatokhoz, amerikai kutatók azzal érveltek, hogy tanulmányaik alapján a tisztított NA-k szájon át szedve nem voltak akut genotoxikusak az emlősökre nézve. Azonban az akut vagy időszakos expozíció során a rövid távú expozícióból származó NDT által okozott károsodás ismételt expozíció esetén felhalmozódhat.
Ciklopentán
A ciklopentán egy gyúlékony aliciklusos szénhidrogén, amelynek kémiai képlete C5H10 és CAS-szám 287-92-3, és egy öt szénatomos gyűrűből áll, amelyek mindegyike két-két hidrogénatomhoz kapcsolódik a sík felett és alatt. Ezt gyakran formában mutatják beszíntelen, a benzinhez hasonló szagú folyadék. Olvadáspontja -94°C, forráspontja 49°C. A ciklopentán a cikloalkánok osztályába tartozik, és egy vagy több szénatomgyűrűt tartalmazó alkánok. A ciklohexán timföld jelenlétében magas hőmérsékleten és nyomáson történő krakkolása során keletkezik.
A nafténsavak, köztük a ciklopentán gyártása az elmúlt években elvesztette korábbi tömeges jellegét.
Először 1893-ban Johannes Wieslikus német kémikus készítette. Mostanában gyakran nafténsavnak nevezik.
Szerep a gyártásban
A ciklopentánt szintetikus gyanták és gumiragasztók gyártásában használják, valamint habosítószerként a poliuretán szigetelőhab gyártásában, amely számos háztartási készülékben, például hűtőszekrényekben és fagyasztókban megtalálható, helyettesítve a környezetre káros alternatívákat, mint pl. CFC-11 és HCFC-141b.
A többszörös ciklopentán-alkilezésű (MAC) kenőanyagok alacsony illékonyságúak, és bizonyos speciális alkalmazásokban használatosak.
Az Egyesült Államok több mint félmillió kilogrammot állít elő ebből a vegyi anyagból évente. Oroszországban a nafténsavakat (beleértve a ciklopentánt is) az olajfeldolgozás természetes termékeként állítják elő.
A cikloalkánok a katalitikus reformálásként ismert eljárással állíthatók elő. Például a 2-metil-butánt platina katalizátor segítségével ciklopentánná alakíthatjuk. Ezt különösen használjákautók, mivel az elágazó alkánok sokkal gyorsabban égnek.
Fizikai és kémiai jellemzők
Meglepő módon ciklohexánjaik 10 °C-kal magasabban kezdenek forrni, mint a hexahidrobenzol vagy a hexanaftén, de ezt a rejtvényt 1895-ben Markovnikov, N. M. Kishner és Nyikolaj Zelinszkij, amikor újrahasznosították a hexahidrobenzolt és a hexanaftént metilciklopentánként – egy váratlan visszahatás eredményeként.
Bár meglehetősen nem reakcióképes, a ciklohexán katalitikus oxidáción megy keresztül, és ciklohexanont és ciklohexanolt képez. A "KA olajnak" nevezett ciklohexanon-ciklohexanol keverék az adipinsav és a kaprolaktám, a nylon prekurzorai alapanyaga.
Alkalmazás
Egyes korrekciós folyadékokban oldószerként használják. A ciklohexánt néha nem poláros szerves oldószerként használják, bár erre a célra gyakrabban n-hexánt használnak. Gyakran használják átkristályosítási oldószerként is, mivel sok szerves vegyület jól oldódik forró ciklohexánban, és rosszul oldódik alacsony hőmérsékleten.
A ciklohexánt a differenciális pásztázó kalorimetriás (DSC) műszerek kalibrálására is használják a kényelmes kristály-kristály átmenetnek köszönhetően -87,1 °C-on.
A ciklohexán gőzeit vákuum-karburizáló kemencékben használják hőkezelő berendezések gyártása során.
Deformáció
A 6 csúcsú gyűrű nem egyezik a tökéletes hatszög alakjával. A sík hatszög konformáció jelentős szögnyúlással rendelkezik, mivel kötései nem 109,5 fokosak. A torziós alakváltozás is jelentős lesz, mivel minden kötés elhomályosul.
Ezért a torziós deformáció csökkentése érdekében a ciklohexán egy háromdimenziós szerkezetet vesz fel, amelyet "konformációs széknek" neveznek. Van még két másik köztes konformer is - a "félszék", amely a leginstabilabb konformer, és a "twist boat", amely stabilabb. Ezeket a különc neveket először Hermann Sachs javasolta 1890-ben, de sokkal később széles körben elfogadottá váltak.
A hidrogénatomok fele a gyűrű síkjában van (egyenlítői irányban), a másik fele pedig merőleges a síkra (tengelyirányban). Ez a konformáció biztosítja a legstabilabb ciklohexán szerkezetet. A ciklohexánnak van egy másik konformációja is, amelyet „csónakkonformációnak” neveznek, de ez valamivel stabilabb „széklet” formává alakul.
A ciklohexánnak van a legkisebb szöge és torziós feszültsége az összes cikloalkán közül, ami azt eredményezi, hogy a ciklohexánt 0-nak kell tekinteni a teljes gyűrűfeszültségben. Ugyanez igaz a nafténsavak nátriumsóira is.
Fázisok
A ciklohexánnak két kristályos fázisa van. Magas hőmérsékletű I. fázis, +186 °C és hőmérséklet között stabilolvadáspontja +280 °C, műanyag kristály, ami azt jelenti, hogy a molekulák bizonyos fokú mozgásszabadságot megtartanak. Az alacsony hőmérsékletű (186°C alatti) II. fázis rendezettebb. A másik két alacsony hőmérsékletű (metastabil) III. és IV. fázist mérsékelt, 30 MPa feletti nyomás alkalmazásával kaptuk, és a IV. fázis kizárólag deuterált ciklohexánban jelenik meg (megjegyezzük, hogy a nyomás alkalmazása minden átmeneti hőmérsékletet megnövel).
