(英文名:Naphthalene)是一种
有机化合物,是最简单的稠环芳香烃,其
分子式为C₁₀H₈。萘在常温常压下是一种白色或无色片状结晶固体,具有强烈的煤焦油气味和一定的
挥发性,其
熔点为80.2 ℃,
沸点为217.9 ℃,20 ℃时密度为1.16 g/cm³。萘难溶于水,可易溶于
乙醇、
乙醚、
苯、挥发性油等
溶剂。
萘具有
芳香性,其
化学性质比苯活泼,易发生氧化还原、取代、加成等反应。萘是一种重要的
化工原料和合成中间体,应用广泛,能够合成
萘酚、
甲萘胺、
邻苯二甲酸酐等多种化工产品,以及可制备香料、
染料、涂料、橡胶防老剂、
塑化剂、杀虫剂、农药、
防腐剂、高效减水剂等产品,萘还可以合成抗癌、抗精神病、抗抑郁等药物。萘分为
工业萘和
精萘,工业萘又分为煤焦油萘和石油萘,石油萘的质量高于
煤油萘,煤焦油萘可通过酸洗法、
催化加氢、溶剂结晶、熔融结晶等方法加工成精萘。
萘具有
细胞毒性、致畸性、
胚胎毒性,为可疑致癌因子和诱变因素。2020年11月27日,从
世界卫生组织(WHO)下属的
国际癌症研究机构(IARC)更新的致癌物名单可知,萘属于2B类致癌物。
发现历史
1819年,
苏格兰化学家亚历山大·加登(Alexander Garden)从煤焦油中提取到一种白色结晶体,这白色结晶体即为萘。
1821年,约翰·基德(John Kidd)在其发表的文章中描述了萘的部分性质和生产手段,并将其命名为“naphthalene”(即中文名萘),源自于naphtha(
石脑油),因石脑油中含萘。
1826年,
英国化学家和物理学家
迈克尔·法拉第(Michael Faraday)确定了萘的
化学式:C₅H₄。
1838年,
俄罗斯化学家沃斯克列先斯基(Вoскресенский)根据蒸汽密度校正了萘
分子式。
1866年,俄国化学家爱尔列麦依尔(Эрленмейер)提出了萘的
结构式。1868年,化学家格列别(Гребе)绘制出萘的结构式,延续至今仍在使用。
化学结构
分子结构
萘是由10个
碳构成的两个
苯环并联形成的平面双环,结构与苯环有相似之处也有不同之处。萘结构中的每个C
原子以sp²
杂化轨道形成σ键,碳原子剩余的一个p轨道都平行
重叠形成
共轭体系,每个六元环中都含有六电子体系,整个萘结构构成π电子体系。萘与苯环不同的是,每个p轨道的重叠程度不同,
电子密度未平均化,因此其C-C键的长度并不完全
相等,键长介于C-C
单键和C-C
双键长度之间。根据
分子轨道计算可知,萘中α-C(1、4、5、8位)的电子密度最高,β-C(2、3、6、7位)次之,9、10位的C最低。同苯一样,萘具有
芳香性,但程度低于苯,因此萘的
化学性质比苯活泼。
萘的真实结构为多种极限结构的共振杂化体,可以由以下三个Kekule共振式表示。
理化性质
物理性质
萘在常温常压下是一种白色或无色片状结晶固体,具有强烈的煤焦油气味,其
熔点为80.2 ℃,
沸点为217.9 ℃,闪点为78.9 ℃,
折射率为1.58212,20 ℃时密度为1.16 g/cm³,25 ℃的蒸气压为1.13×10⁻² kPa,在167.7 ℃的气化热为46.42 kJ/
摩尔,熔化热为19.18 kJ/mol,
燃烧热为5159.41 kJ/mo。萘难溶于水,25 ℃时在水中的
溶解度仅为的31 mg/L,可易溶于
乙醇、
乙醚、苯、
挥发性油等
溶剂。萘的临界温度为478.5 ℃,临界压力为4.2 MPa,临界密度为0.314 g/cm³。
化学性质
萘的化学性质比苯活泼,更容易发生氧化还原、
取代反应。萘的C
原子可分为α-C(1、4、5、8位)和β-C(2、3、6、7位),这些C原子上均可发生取代反应,但是产物是α-取代物还是β-取代物或是二者
混合物需取决于试剂的性质、
催化剂、溶剂、温度等因素。一般情况下,α-C活性大于β-C,
取代基在α位上,这是由
动力学控制,温度较高时,α-C上的取代基会转移到β位上。
取代反应
卤化反应。萘环上的H原子可以在催化剂(如Fe)的催化下被
卤族元素所取代,卤化反应主要发生在α位。
硝化反应。在混酸(
浓硫酸和
硝酸混合物)的作用下,萘环上的H
原子可以被硝基(-NO₂)所取代,硝化反应也是主要发生在α位。
磺化反应。萘可以发生磺化反应,磺化反应是可逆的。根据反应条件的不同可生成α-萘磺酸和β-萘磺酸,异构体的比例也会随条件的变化而变化。如温度较低时,主要产物为α-萘磺酸;温度较高时,主要产物为β-萘磺酸。甚至随着温度的升高,已经生成的α-萘
磺酸会转化为β-萘磺酸。
Friedel-Crafts反应(傅-克反应)。萘环上可以发生Friedel-Crafts
酰基化反应,随着温度的升高,反应主要发生在β位。
萘的
取代反应十分复杂,以上只是简单的讨论,实际产物还需根据反应条件来判断。
氧化反应
萘非常容易被氧化,在温和的
氧化剂条件下得醌,强烈氧化剂下得
酸酐。如在
五氧化二钒(V₂O₅)的
催化下可被氧化为
邻苯二甲酸酐(邻苯二甲酸酐)。
还原反应
萘比苯更容易发生还原反应,而且在不同的反应条件下可被还原为不同产物,如在
钠和醇的作用下,萘部分还原为四氢化萘。或在催化
氢化的条件,萘被还原为十氢化萘。
加成反应
萘可表现出部分的
双键性质,如在低温的条件下,可与Cl₂发生加成反应;随着温度的升高,得到的
氯苯又会发生
消除反应恢复芳香结构。
萘的衍生物
萘的1-8位点上的H
原子均可被其他
基团所取代,从而可以衍生成的更为复杂的化合物,如萘
甲酸、
萘酚、
硝基萘、
萘酐、β-萘磺酸甲醛缩合物等。这些衍生物在各个领域均有广泛的应用,如萘酐是一种制备
染料或颜料的重要原料。β-萘磺酸甲醛缩合物可作染料
分散剂、
合成橡胶塑料
乳化剂、皮革鞣制剂、乳液聚合分散剂、水泥高效减水剂等。
制备方法
萘可以从煤焦油、石油中
蒸馏提取。萘产品可以分为
精萘和
工业萘,工业萘中萘的质量分数最高只有95%,其中的主要杂质为
苯并噻吩。工业萘还可分为煤焦油萘和石油萘,一般情况下,石油衍生萘的质量高于煤焦油萘的质量。
制备煤焦油萘
由于煤焦油中萘的含量(wt%)约为8%-12%,所以可以通过精馏法和结晶法从煤焦油中得到工业萘。精馏法可根据煤焦油处理量的多少,采用不同的精馏设备,如间歇式和连续的两塔式、一塔式、多塔式等。例如连续的两塔式的工艺流程如下,先往煤焦油中加入
碱液,并将其加热到120-130 ℃送入一段蒸发器完成脱水过程。再将无水煤焦油进行二段蒸发,收取198-200 ℃的馏分,即得萘油馏。萘油馏还要再经过
重结晶、加酸、中和等步骤才为煤焦油
工业萘。
制备石油萘
重整油是一种
石脑油中间产品,可经过
蒸馏、脱基化等过程制备石油萘,而不是只利用分离和
提纯的方法。由于重整油中的萘系
芳香烃含量较低,一般需要对重整油进行提取预处理得到萘系芳烃。然后在加热条件下或加入合适的
催化剂,使萘系芳烃
脱烷基转化为萘。加热法操作简单、反应的选择性好,但是具有反应温度高、反应程度不易控制、萘产品质量较差等缺点。
催化法的工艺温度低、萘中硫、氢杂质少、产品质量高,但是需要合适的催化剂且生产成本较高。
乙烯焦油205-225 ℃馏分中萘大约占40%-50%,再将馏分物通过萃取法或分步结晶法制备石油萘,此时制备的萘含硫量少、质量高。萃取法操作简单、萘
收率较高,且
萃取剂可通过
蒸馏的方法回收并可循环使用。萃取剂的种类、用量以及萃取的温度、时间均会对萘的收率产生影响。
工业萘的精制
可以通过
酸洗法、催化加氢、
溶剂结晶、熔融结晶等方法将工业萘加工成精萘。酸洗法是传统的
化学精制法,工业萘中的主要杂质
苯并噻吩可以与
浓硫酸反应生成水溶性
磺化物,从而被除去。但是这种方法的苯并噻吩脱除率仅为50%-60%,
硫酸的使用量大,且存在污染环境等问题,所以酸洗法已被淘汰。
催化加氢精制是在高温的条件下,往工业萘中通入
氢气使萘中的杂质转化为易分离的物质的一种方法。在此过程中,可发生苯并噻吩加氢转化为
乙苯和
硫化氢、
甲苯转化为
间二甲苯和氨气、萘加氢转化为四氢萘等反应。虽然催化加氢法制备的萘纯度高,但是该方法具有
收率低、工艺流程复杂、反应条件较苛刻等缺点。
由于萘和
苯并噻吩在
溶剂中的
溶解度不同以及其结晶点差49 ℃,所以可以利用溶剂结晶法和熔融结晶法
提纯萘。溶剂结晶法可制备纯度高的萘且制备温度低,但后续处理溶剂的步骤繁琐。溶剂可选择
乙醇、磷酸、
冰醋等溶液。熔融结晶法过程中不需要溶剂,但萘和苯并噻吩会形成
固溶体,制备出的萘纯度较低。
应用领域
化工原料
萘是一种重要的化工原料和合成中间体,如制备
萘酚、
甲萘胺、苯酐、甲萘酚、乙萘酚、萘等化合物。这些化合物在香料、
染料、涂料、
表面活性剂、橡胶
防老剂、
塑化剂、聚纤维、农药、
防腐剂等领域均有应用。例如萘可经化学反应制备
1-萘乙酸,1-萘乙酸是一种应用广泛的
植物生长调节剂,具有促进作物生长、植物与种子不定根和根的形成、疏花疏果、防止落花落果、诱导开花等作用。
萘系高效减水剂
减水剂是
外加剂的一种,建筑行业是减水剂的主要应用领域,将少量减水剂加入混凝土中可以提高混凝土的强度、抗压、抗渗性、耐腐蚀性、耐久性等性能。萘系高效减水剂的主要成分为萘磺酸甲醛缩合物,由于萘系高效减水剂的减水率高、与水泥适应性好、制备工艺简单,是一种广泛应用的减水剂。但低浓型的萘系高效减水剂中
硫酸钠的含量较高,反而会使混凝土的耐久性降低、使用寿命缩短。
制作樟脑丸等杀虫剂
萘具有一定的毒性,在18世纪时被昆虫学家用来防止对螨、皮、白蚁和其他害虫的伤害。之后萘制作成防虫防蛀的樟脑丸。但是由于长时间接触萘会导致中毒,所以萘制作的樟脑丸已被多个国家禁止。
在医学领域的应用
萘虽然具有
细胞毒性,但是可以用于制备抗癌、抗菌、
抗炎药、抗病毒、抗
高血压、抗
糖尿病、抗精神病、抗抑郁等药物。已有多种含有萘
衍生物的药物上市使用,如萘吡咯烷酮(Naphyrone;O-2482),是一种具有刺激作用的精神活性药物,可作为去甲肾上腺素-多巴胺
再摄取抑制剂。
托萘酯(Tolnaftate)是一种的硫代
氨基甲酸酯衍生物抗真菌药物,被用于治疗和预防各种类型的浅部真菌感染,可抑制
鲨烯环氧化酶。普萘洛尔(Propranolol)是一种含萘霉素的药物,可用作β
受体阻断药,也可治疗
高血压和交感神经兴奋等引起的心律不齐。
萘普生(Naproxen)是一种
丙酸类非甾体
抗炎药,可以用于缓解关节痛、
神经痛、肌肉痛等轻至中度疼痛。
作溶剂及分析试剂
萘及其化合物可以在
有机分析中作难溶性
染料结晶的溶剂和液体闪烁
计数中
晶体有机闪烁剂。萘的
衍生物四氢萘可作色谱分析剂。
安全事宜
危险性
萘粉末能够自燃,
爆炸极限为0.9-5.9%。萘遇明火、高热及
强氧化剂易燃,会放出有毒的刺激性烟雾。萘的
晶体粉末能与空气形成爆炸性混合物,遇火源发生
粉尘爆炸。
GHS类别
H302:吞食有害
H351:疑似致癌
H410:对水生生物毒性非常大,具有长期影响
生理毒性
萘具有
细胞毒性、致畸性、
胚胎毒性,为可疑致癌因子和诱变因素,属于中等毒性。萘细胞毒性需要代谢激活,萘在人体内会代谢产生萘环
氧化物和萘醌,萘环氧化物又会进一步
水解成
萘酚、1,2-二氢-1,2二羟萘、二硫-1,4-二羟萘等多种产物。这些代谢物是引起人体健康危害的主要因素。经动物实验及临床观察证明,萘会损害
呼吸系统和眼部,可引发
白内障等疾病。
储存和操作注意事项
萘应储存在没有
排水管或下水道的场所。萘应该与
强氧化剂(如
三氧化铬、
氯酸盐、
高锰酸钾等)、食品和饲料分开存放。储存地禁止吸烟并需远离火种、热源。在存取萘时,应注重个人防护,避免眼和皮肤与萘的接触,也避免吸入萘蒸汽。
急救措施
当不小心吸入萘时,应迅速脱离现场并转移至空气新鲜处,保持
呼吸道通畅。若有任何不适感,请立即前往医院就医。当有
呼吸困难的症状时,请给患者输氧。若患者心跳停止,请立即进行心肺复苏术。
当皮肤不小心接触到萘时,应立即脱去污染的衣着,用肥皂水和清水彻底冲洗接触部位。若有不适感请立即前往医院就医。
当眼晴不小心接触到萘时,应立即分开眼睑,并用流动清水或
生理盐水彻底冲洗。冲洗结束后请立即前往医院就医。
当不小心误食萘时,应立即催吐,并立即送往医院
洗胃并服盐类泻剂。休养期间禁止食油腻物。
消防措施
当由萘引发的火灾时,应用水雾、干粉、泡沫或二氧化碳灭火剂灭火,避免使用直流水灭火,直流水可能导致
可燃性液体的飞溅,使火势扩散。灭火结束后,应注意收集灭火产生的
废水。
泄漏应急处理
作业人员防护措施、防护装备和应急处置程序:
消除萘泄漏点附近的所有点火源,并隔离萘泄漏污染区,限制人员的出入。应急处理人员需戴防尘口罩,穿防毒、防静电服。人员应禁止接触或跨越泄漏物避免萘中毒。
环境保护措施:
收容萘泄漏物,避免污染环境。防止萘泄漏物进入下水道、
地表水和
地下水等污染水源。
泄漏化学品的收容、清除方法及所使用的处置材料:
小量泄漏:尽可能将萘泄漏物收集在可密闭的容器中。用沙土、
活性炭或其它惰性材料吸收,并转移至安全场所。禁止利用直流水直接冲洗萘泄漏物进入下水道。
大量泄漏:需要在萘泄漏区构筑围堤或挖坑收容。在萘泄露区附近的排水管道完全封闭。需要用泡沫等物品将萘泄漏物覆盖,抑制蒸发。用防爆泵转移至槽车或专用收集器内,将萘泄漏物回收或运至废物处理场所处置。
萘的中国国家标准
萘可分为
工业萘和
精萘。根据国家标准GB/T6699-2015:
焦化萘,工业萘及精萘的质量指标如表1所示。
表1:工业萘及精萘的质量指标