Nafteenzuren (NA) zijn een mengsel van verschillende cyclopentyl- en cyclohexylcarbonzuren met een molecuulgewicht van 120 tot 700 of meer atomaire massa-eenheden. De belangrijkste fractie zijn carbonzuren met een koolstofskelet van 9 tot 20 koolstofatomen. Wetenschappers beweren dat nafteenzuren (NA) cycloalifatische carbonzuren zijn met 10-16 koolstofatomen, hoewel zuren met tot 50 koolstofatomen zijn gevonden in zware oliën.
Etymologie
De term heeft zijn wortels in de ietwat archaïsche term 'nafteen' (cycloalifatisch maar niet-aromatisch), die wordt gebruikt om koolwaterstoffen te classificeren. Het werd oorspronkelijk gebruikt om een complex mengsel van op aardolie gebaseerde zuren te beschrijven, toen analytische methoden die beschikbaar waren in de vroege jaren 1900 slechts enkele nauwkeurig konden identificeren.componenten van het nafteentype. Tegenwoordig wordt nafteenzuur meer in het algemeen gebruikt om te verwijzen naar alle carbonzuren die aanwezig zijn in aardolie (cyclische, acyclische of aromatische verbindingen) en carbonzuren die heteroatomen zoals N en S bevatten. Talrijke onderzoeken hebben aangetoond dat de meeste cycloalifatische zuren ook zuivere en vertakte alifatische zuren en aromatische zuren. Sommige zuren bevatten > 50% gecombineerde alifatische en aromatische zuren.
Formule
Nafteenzuren worden weergegeven door de algemene formule CnH2n-z O2, waarbij n het aantal koolstofatomen is en z de homologe reeks. De z-waarde is 0 voor verzadigde acyclische zuren en loopt op tot 2 voor monocyclische zuren, tot 4 voor bicyclische zuren, tot 6 voor tricyclische zuren en tot 8 voor tetracyclische zuren.
Zouten van zuren, naftenaten genaamd, worden veel gebruikt als hydrofobe metaalionenbronnen in een verscheidenheid aan toepassingen. De aluminium- en natriumzouten van nafteenzuur en palmitinezuur werden tijdens de Tweede Wereldoorlog gecombineerd om napalm te maken. En napalm werd met succes gesynthetiseerd. Het woord "napalm" komt van de woorden "nafteenzuur" en palmitinezuur".
Olie aansluiting
De aard, oorsprong, extractie en commercieel gebruik van nafteenzuur zijn al geruime tijd bestudeerd. Het is bekend dat ruwe olie uit velden in Roemenië, Rusland, Venezuela, de Noordzee, China en West-Afrikabevat een grote hoeveelheid zure verbindingen in vergelijking met de meeste Amerikaanse ruwe olie. Het carbonzuurgeh alte van sommige Californische aardolieproducten is bijzonder hoog (tot 4%), waarbij naar verluidt de meest voorkomende klassen van carbonzuren cycloalifatische en aromatische zuren zijn.
Compositie
De samenstelling varieert afhankelijk van de samenstelling van de ruwe olie en de omstandigheden tijdens verwerking en oxidatie. Fracties die rijk zijn aan nafteenzuren kunnen corrosieschade aan raffinaderijapparatuur veroorzaken, dus het fenomeen zuurcorrosie (NAC) is goed bestudeerd. Ruwe olie met een hoog zuurgetal wordt vaak ruwe olie met een hoog totaal zuurgetal (TAN) of ruwe olie met een hoge zuurgraad (HAC) genoemd. Nafteenzuren zijn een belangrijke verontreiniging in water afkomstig van de winning van olie uit de Athabasca-oliezanden (AOS). Zuren hebben zowel acute als chronische toxiciteit voor vissen en andere organismen.
Milieu
In zijn vaak geciteerde artikel, gepubliceerd in Toxicological Sciences, verklaarde Rogers dat mengsels van nafteenzuur de belangrijkste milieuverontreinigende stoffen zijn bij de productie van oliezanden. Ze ontdekten dat acute toxiciteit onder de slechtste omstandigheden onwaarschijnlijk is voor wilde zoogdieren die worden blootgesteld aan zuren in het water, maar herhaalde blootstelling kan nadelige gevolgen voor de gezondheid hebben.
In zijn artikel uit 2002meer dan 100 keer aangehaald, rapporteerden Rogers et al. een op oplosmiddelen gebaseerde laboratoriumprocedure die was ontworpen om efficiënt zuren te extraheren uit grote hoeveelheden Athabasca Oil Sands Tailings Pond (TPW)-water. Nafteenzuren zijn aanwezig in AOS Tailings Water (TPW) in een geschatte concentratie van 81 mg/L, een te laag niveau om TPW als een levensvatbare bron voor commercieel herstel te beschouwen.
Verwijderen
Nafteenzuur wordt verwijderd uit aardoliestoffen, niet alleen om corrosie te minimaliseren, maar ook om commercieel bruikbare producten terug te winnen. Het grootste huidige en historische gebruik van dit zuur is bij de productie van metaalnaftenaten. Zuren worden geëxtraheerd uit aardoliedestillaten door middel van alkalische extractie, geregenereerd in een zuurneutralisatieproces en vervolgens gedestilleerd om onzuiverheden te verwijderen. In de handel verkochte zuren worden geclassificeerd op zuurgetal, onzuiverheidsniveau en kleur. Gebruikt om metaalnaftenaten en andere derivaten zoals esters en amiden te produceren.
Naftenaten
Naftenaten zijn zure zouten, analoog aan de overeenkomstige acetaten, beter gedefinieerd maar minder bruikbaar. Naftenaten zijn, net als de nafteenzuren in aardolie, zeer goed oplosbaar in organische media zoals verven. Ze worden gebruikt in de industrie, inclusief de productie van dergelijke nuttige dingen: synthetische reinigingsmiddelen, smeermiddelen, corrosieremmers, brandstof- en smeerolieadditieven, conserveermiddelenvoor hout, insecticiden, fungiciden, acariciden, bevochtigingsmiddelen, napalmverdikkingsmiddelen en olie-droogmiddelen die worden gebruikt bij het schilderen en de behandeling van houtoppervlakken.
Oliezanden
Eén studie stelt dat nafteenzuren de meest actieve milieuverontreinigende stof zijn van alle stoffen die worden verkregen bij de winning van olie uit oliezanden. Onder omstandigheden van lekkage en verontreiniging is het echter onwaarschijnlijk dat acute toxiciteit optreedt bij wilde zoogdieren die worden blootgesteld aan zuren in residubekkens, maar herhaalde blootstelling kan nadelige gevolgen hebben voor de diergezondheid. Zuren zijn aanwezig in oliezanden en afvalwater met een geschatte concentratie van 81 mg/L.
Met behulp van de protocollen van de Organisatie voor Economische Samenwerking en Ontwikkeling (OESO) voor toxiciteitstesten, voerden Amerikaanse onderzoekers aan dat, op basis van hun studies, gezuiverde NA's, wanneer ze oraal werden ingenomen, niet acuut genotoxisch waren voor zoogdieren. Schade veroorzaakt door NDT door kortdurende blootstelling tijdens acute of intermitterende blootstelling kan zich echter ophopen bij herhaalde blootstelling.
Cyclopentaan
Cyclopentaan is een ontvlambare alicyclische koolwaterstof met de chemische formule C5H10 en CAS-nummer 287-92-3, bestaande uit een ring van vijf koolstofatomen, elk gebonden aan twee waterstofatomen boven en onder het vlak. Het wordt vaak gepresenteerd in de vormkleurloze vloeistof met een geur vergelijkbaar met benzine. Het smeltpunt is -94°C en het kookpunt is 49°C. Cyclopentaan behoort tot de klasse van cycloalkanen en zijn alkanen met een of meer ringen van koolstofatomen. Het wordt gevormd door cyclohexaan te kraken in aanwezigheid van aluminiumoxide bij hoge temperatuur en druk.
De productie van nafteenzuren, waaronder cyclopentaan, heeft de laatste jaren zijn vroegere massakarakter verloren.
Het werd voor het eerst bereid in 1893 door de Duitse chemicus Johannes Wieslikus. Onlangs wordt het vaak nafteenzuren genoemd.
Rol in productie
Cyclopentaan wordt gebruikt bij de productie van synthetische harsen en rubberlijmen, en als blaasmiddel bij de productie van polyurethaan isolatieschuim, dat wordt aangetroffen in veel huishoudelijke apparaten zoals koelkasten en diepvriezers, ter vervanging van milieubelastende alternatieven zoals CFK's -11 en HCFC- 141b.
Multiple cyclopentaan alkylation (MAC) smeermiddelen hebben een lage vluchtigheid en worden gebruikt in sommige gespecialiseerde toepassingen.
De Verenigde Staten produceren meer dan een half miljoen kilo van deze chemische stof per jaar. In Rusland worden nafteenzuren (inclusief cyclopentaan) geproduceerd als een natuurlijk product van olieverwerking.
Cycloalkanen kunnen worden gemaakt met behulp van een proces dat bekend staat als katalytische reforming. 2-methylbutaan kan bijvoorbeeld worden omgezet in cyclopentaan met behulp van een platinakatalysator. Dit wordt vooral gebruikt inauto's, aangezien vertakte alkanen veel sneller verbranden.
Fysische en chemische eigenschappen
Verrassend genoeg beginnen hun cyclohexanen 10 °C hoger te koken dan hexahydrobenzeen of hexanafteen, maar dit raadsel werd in 1895 opgelost door Markovnikov, N. M. Kishner en Nikolai Zelinsky toen ze hexahydrobenzeen en hexanafteen hergebruikten als methylcyclopentaan - het resultaat van een onverwachte reactie.
Hoewel tamelijk niet-reactief, ondergaat cyclohexaan een katalytische oxidatie om cyclohexanon en cyclohexanol te vormen. Een mengsel van cyclohexanon-cyclohexanol, "KA-olie" genoemd, is de grondstof voor adipinezuur en caprolactam, voorlopers van nylon.
Toepassing
Het wordt gebruikt als oplosmiddel in sommige merken correctievloeistof. Cyclohexaan wordt soms gebruikt als een niet-polair organisch oplosmiddel, hoewel n-hexaan vaker voor dit doel wordt gebruikt. Het wordt ook vaak gebruikt als herkristallisatieoplosmiddel, omdat veel organische verbindingen een goede oplosbaarheid vertonen in hete cyclohexaan en een slechte oplosbaarheid bij lage temperaturen.
Cyclohexaan wordt ook gebruikt om differentiële scanning calorimetrie (DSC) instrumenten te kalibreren dankzij de gemakkelijke kristal-naar-kristal overgang bij -87,1 °C.
Cyclohexaandampen worden gebruikt in vacuümcarbureringsovens bij de vervaardiging van warmtebehandelingsapparatuur.
Vervorming
Een ring met 6 hoekpunten komt niet overeen met de vorm van een perfecte zeshoek. De vlakke hexagon-conformatie heeft een aanzienlijke hoekspanning omdat de bindingen niet 109,5 graden zijn. Torsievervorming zal ook significant zijn omdat alle bindingen zullen worden overschaduwd.
Om torsievervorming te verminderen, neemt cyclohexaan daarom een driedimensionale structuur aan die bekend staat als "conformationele stoel". Er zijn ook twee andere tussenliggende conformers - "halve stoel", die de meest onstabiele conformer is, en "twist boat", die stabieler is. Deze excentrieke namen werden al in 1890 voorgesteld door Hermann Sachs, maar werden pas veel later algemeen aanvaard.
De helft van de waterstofatomen bevindt zich in het vlak van de ring (equatoriaal) en de andere helft staat loodrecht op het vlak (axiaal). Deze conformatie biedt de meest stabiele cyclohexaanstructuur. Er is een andere conformatie van cyclohexaan die bekend staat als de "bootconformatie", maar deze zal veranderen in een iets stabielere "ontlasting"-formatie.
Cyclohexaan heeft de laagste hoek en torsiespanning van alle cycloalkanen, waardoor cyclohexaan als 0 wordt beschouwd in de totale ringspanning. Hetzelfde geldt voor natriumzouten van nafteenzuren.
Fases
Cyclohexaan heeft twee kristallijne fasen. Hoge temperatuur fase I, stabiel tussen +186 °C en temperatuursmeltpunt +280 °C, is een plastic kristal, wat betekent dat de moleculen enige bewegingsvrijheid behouden. De lage temperatuur (beneden 186°C) fase II is meer geordend. De andere twee (metastabiele) fasen III en IV bij lage temperatuur werden verkregen door middel van matige drukken boven 30 MPa, en fase IV komt uitsluitend voor in gedeutereerd cyclohexaan (merk op dat het uitoefenen van druk alle overgangstemperaturen verhoogt).
