Бутилен, изобутилен
Общие сведения
Бутилен (систематическое название — бутен) и его структурный изомер изобутилен представляют собой непредельные (ненасыщенные) углеводороды, относящиеся к классу алкенов. Их объединяет общая эмпирическая формула C4H8. При стандартных условиях данные вещества находятся в газообразном агрегатном состоянии, не имеют цвета, но обладают характерным специфическим запахом. С воздухом эти газы способны образовывать взрывоопасные смеси.
В токсикологическом отношении соединения классифицируются как вещества четвертого класса опасности (малоопасные вещества). Тем не менее, они обладают выраженным физиологическим действием: способны оказывать наркотический эффект и вызывать раздражение слизистых оболочек верхних дыхательных путей, по характеру воздействия напоминая пары бензина или керосина. В природе данные углеводороды в свободном виде практически не встречаются, однако в значительных объемах образуются в процессах переработки нефти. В частности, они концентрируются в бутановой фракции, где массовая доля бутенов может составлять от 15 до 25 процентов.
Классификация
В соответствии с химической номенклатурой, углеводороды с формулой C4H8 образуют группу изомеров, различающихся строением углеродного скелета и локализацией кратной связи. К линейным изомерам относятся бутен-1 и бутен-2. Различие между ними заключается в положении двойной углерод-углеродной связи: в молекуле бутена-2 она располагается в середине углеродной цепи, в то время как у бутена-1 — на ее конце.
Изобутилен (систематическое название — 2-метилпропен) отличается разветвленным углеродным скелетом. В его структуре двойная связь находится на конце молекулы, однако главная углеродная цепь имеет разветвление. Данные структурные особенности существенно влияют на физико-химические свойства соединений и определяют методы их промышленного выделения и переработки.
Способы получения
Главным источником получения бутиленов и изобутилена в промышленных масштабах служат газы термического и каталитического крекинга, а также пиролиза жидких фракций нефти. Выделение индивидуальных веществ из бутан-бутиленовой фракции методом традиционной ректификации представляет собой крайне сложную технологическую задачу из-за близости температур кипения компонентов смеси. Дополнительную трудность создает присутствие в нефтепродуктах сернистых соединений (меркаптанов), температуры кипения которых также близки к температурам кипения бутенов. Вследствие этого процесс требует использования специализированной аппаратуры для глубокой очистки газов от серы.
Для разделения углеводородов сложного состава применяются методы селективной адсорбции с использованием молекулярных сит (цеолитов), что является эффективным, но технологически сложным и дорогостоящим процессом.
Специфическим методом выделения изобутилена из углеводородных смесей является способ Бутлерова, базирующийся на экстракции. Процесс заключается в обработке газовой смеси 65-процентным водным раствором серной кислоты. Изобутилен избирательно вступает в реакцию с кислотой, образуя бутилсерную кислоту. В дальнейшем полученный интермедиат подвергают термическому разложению с регенерацией чистого изобутилена. Альтернативным путем является гидролиз бутилсерной кислоты до третичного бутилового спирта с его последующей каталитической дегидратацией, что также позволяет получить целевой изобутилен.
Помимо фракционирования нефтезаводских газов, применяются методы направленного синтеза. Бутилены и изобутилен можно получать путем каталитического дегидрирования соответствующих насыщенных углеводородов — нормального бутана и изобутана. Также широко применяется метод каталитической дегидратации бутанола. Для восполнения потребности в изобутилене промышленность использует процессы каталитической изомеризации линейных бутенов.
Свойства
Бутилены и изобутилен представляют собой бесцветные газы. Температура кипения бутена-1 составляет около минус 6 градусов Цельсия. Важнейшей физической характеристикой является их высокая пожаро- и взрывоопасность.
Химические свойства данных газов типичны для класса алкенов и полностью определяются наличием реакционноспособной пи-связи. Соединения легко вступают в реакции электрофильного присоединения. Взаимодействие с сильными минеральными кислотами (например, серной кислотой) приводит к образованию сложных кислотных эфиров. Алкены способны участвовать в обратимых реакциях гидратации: при присоединении молекулы воды образуются соответствующие спирты (бутанолы), а при дегидратации спиртов вновь образуются исходные углеводороды.
Изобутилен проявляет высокую химическую активность во взаимодействии со спиртами, образуя трет-бутиловые эфиры. Специфической и крайне важной реакцией изобутилена является его способность присоединять формальдегид. Кроме того, как и все олефины, бутилены и изобутилен способны вступать в реакции полимеризации и сополимеризации с образованием высокомолекулярных соединений.
Применение
Бутилен и изобутилен являются важнейшими базовыми продуктами тяжелого органического синтеза. Нормальные бутилены масштабно используются для синтеза бутадиена, бутанола и различных марок бензина. В сфере металлообработки бутилен применяется в качестве горючего компонента в газовых смесях для кислородной резки и сварки металлов. В частности, он входит в состав метилацетилен-алленовой фракции (МАФ), которая служит высокоэффективной заменой взрывоопасному ацетилену. Бутилен также используется в полимерной промышленности в качестве сомономера при полимеризации этилена.
Изобутилен находит широчайшее применение в производстве высокооктановых компонентов моторных топлив. Его каталитическая переработка позволяет получать изооктан — углеводород, отличающийся превосходными характеристиками горения. Реакции изобутилена со спиртами служат основным промышленным методом синтеза трет-бутиловых эфиров, которые массово применяются в качестве антидетонационных добавок к современным бензинам.
В тонком органическом синтезе изобутилен выступает сырьем для получения металлилхлорида, необходимого в производстве синтетических смол. Важнейшим направлением использования изобутилена является его реакция с формальдегидом, в результате которой синтезируется изопрен. Изопрен, в свою очередь, представляет собой ключевой мономер для производства синтетических изопреновых каучуков, свойства которых близки к натуральному каучуку.