กรดแนฟเทนิก (NA) เป็นส่วนผสมของกรดไซโคลเพนทิลและไซโคลเฮกซิลคาร์บอกซิลิกหลายชนิดที่มีน้ำหนักโมเลกุล 120 ถึง 700 หน่วยมวลอะตอมหรือมากกว่า ส่วนหลักคือกรดคาร์บอกซิลิกที่มีโครงกระดูกคาร์บอนตั้งแต่ 9 ถึง 20 อะตอมของคาร์บอน นักวิทยาศาสตร์อ้างว่ากรดแนฟเทนิก (NA) เป็นกรดไซโคลอะลิฟาติกคาร์บอกซิลิกที่มีอะตอมของคาร์บอน 10-16 อะตอม แม้ว่าจะพบกรดที่มีอะตอมของคาร์บอนมากถึง 50 อะตอมในน้ำมันหนัก
นิรุกติศาสตร์
คำนี้มีรากศัพท์มาจากคำว่าแนฟธีนที่ค่อนข้างเก่า (ไซโคลอะลิฟาติกแต่ไม่มีอะโรมาติก) ซึ่งใช้ในการจำแนกไฮโดรคาร์บอน เดิมใช้เพื่ออธิบายส่วนผสมที่ซับซ้อนของกรดจากปิโตรเลียมเมื่อวิธีการวิเคราะห์ที่มีอยู่ในช่วงต้นทศวรรษ 1900 สามารถระบุได้เพียงเล็กน้อยเท่านั้นที่มีความแม่นยำส่วนประกอบประเภทแนฟทานิค ทุกวันนี้ กรดแนฟเทนิกถูกใช้โดยทั่วไปเพื่ออ้างถึงกรดคาร์บอกซิลิกทั้งหมดที่มีอยู่ในปิโตรเลียม (ไม่ว่าจะเป็นสารประกอบไซคลิก อะไซคลิก หรืออะโรมาติก) และกรดคาร์บอกซิลิกที่มีเฮเทอโรอะตอม เช่น N และ S การศึกษาจำนวนมากแสดงให้เห็นว่ากรดไซโคลอะลิฟาติกส่วนใหญ่มีกรดตรงและ กรดอะลิฟาติกสายโซ่กิ่งและกรดอะโรมาติก กรดบางชนิดมีกรดอะลิฟาติกและอะโรมาติกรวมกัน > 50%
สูตร
กรดแนฟเทนิกแสดงโดยสูตรทั่วไป CnH2n-z O2 โดยที่ n คือจำนวนอะตอมของคาร์บอนและ z คืออนุกรมคล้ายคลึงกัน ค่า z เป็น 0 สำหรับกรดอะไซคลิกอิ่มตัว และเพิ่มเป็น 2 ในกรดโมโนไซคลิก, 4 ในกรดไบไซคลิก, 6 ในกรดไตรไซคลิก และ 8 ในกรดเตตราไซคลิก
เกลือของกรดที่เรียกว่าแนฟทีเนตใช้กันอย่างแพร่หลายในฐานะแหล่งไอออนของโลหะที่ไม่ชอบน้ำในการใช้งานที่หลากหลาย เกลืออะลูมิเนียมและโซเดียมของกรดแนฟเทนิกและกรดปาลมิติกถูกรวมเข้าด้วยกันในช่วงสงครามโลกครั้งที่สองเพื่อทำนาปาล์ม และนาปาล์มก็สังเคราะห์ได้สำเร็จ คำว่า Napalm มาจากคำว่า Naphthenic acid และ Palmitic acid
ข้อต่อน้ำมัน
ธรรมชาติ แหล่งกำเนิด การสกัด และการใช้กรดแนฟเทนิกในเชิงพาณิชย์ได้รับการศึกษามาระยะหนึ่งแล้ว เป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วว่าน้ำมันดิบจากแหล่งต่างๆ ในโรมาเนีย รัสเซีย เวเนซุเอลา ทะเลเหนือ จีน และแอฟริกาตะวันตกมีสารประกอบที่เป็นกรดในปริมาณมากเมื่อเทียบกับน้ำมันดิบส่วนใหญ่ของสหรัฐ ปริมาณกรดคาร์บอกซิลิกของผลิตภัณฑ์ปิโตรเลียมบางชนิดในแคลิฟอร์เนียมีปริมาณสูงเป็นพิเศษ (มากถึง 4%) โดยที่กรดคาร์บอกซิลิกประเภทที่พบบ่อยที่สุดคือกรดไซโคลอะลิฟาติกและอะโรมาติก
องค์ประกอบ
องค์ประกอบจะแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับองค์ประกอบของน้ำมันดิบและสภาวะระหว่างกระบวนการและการเกิดออกซิเดชัน เศษส่วนที่อุดมไปด้วยกรดแนฟเทนิกอาจทำให้เกิดความเสียหายจากการกัดกร่อนต่ออุปกรณ์โรงกลั่น จึงมีการศึกษาปรากฏการณ์การกัดกร่อนของกรด (NAC) เป็นอย่างดี น้ำมันดิบที่มีกรดสูงมักเรียกกันว่าน้ำมันดิบที่มีปริมาณกรดรวมสูง (TAN) หรือน้ำมันดิบที่มีความเป็นกรดสูง (HAC) กรดแนฟเทนิกเป็นสารปนเปื้อนที่สำคัญในน้ำจากการสกัดน้ำมันจากทรายน้ำมัน Athabasca (AOS) กรดมีทั้งความเป็นพิษเฉียบพลันและเรื้อรังต่อปลาและสิ่งมีชีวิตอื่นๆ
สิ่งแวดล้อม
ในรายงานที่ตีพิมพ์บ่อยครั้งใน Toxicological Sciences โรเจอร์สกล่าวว่าส่วนผสมของกรดแนฟเทนิกเป็นสารก่อมลพิษทางสิ่งแวดล้อมที่สำคัญที่สุดจากการผลิตทรายน้ำมัน พวกเขาพบว่าภายใต้สภาวะที่เลวร้ายที่สุด ความเป็นพิษเฉียบพลันไม่น่าจะเกิดขึ้นกับสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมในป่าที่สัมผัสกับกรดในน้ำ แต่การสัมผัสซ้ำๆ อาจส่งผลเสียต่อสุขภาพ
ในบทความ 2002 ของเขาRogers et al ได้อ้างถึงมากกว่า 100 ครั้งในห้องปฏิบัติการที่ใช้ตัวทำละลายซึ่งออกแบบมาเพื่อสกัดกรดอย่างมีประสิทธิภาพจากน้ำ Athabasca Oil Sands Tailings Pond (TPW) ในปริมาณมาก กรดแนฟเทนิกมีอยู่ใน AOS Tailings Water (TPW) ที่ความเข้มข้นประมาณ 81 มก./ลิตร ซึ่งเป็นระดับที่ต่ำเกินไปสำหรับ TPW ที่จะถูกพิจารณาว่าเป็นแหล่งที่มีศักยภาพสำหรับการกู้คืนในเชิงพาณิชย์
ลบ
กรดแนฟเทนิกถูกกำจัดออกจากสารปิโตรเลียม ไม่เพียงแต่เพื่อลดการกัดกร่อนเท่านั้น แต่ยังช่วยนำผลิตภัณฑ์ที่มีประโยชน์ในเชิงพาณิชย์กลับมาใช้ใหม่อีกด้วย การใช้กรดนี้ในปัจจุบันและในอดีตที่ใหญ่ที่สุดคือการผลิตแนฟธีเนตโลหะ กรดถูกสกัดจากสารกลั่นปิโตรเลียมโดยการสกัดด้วยอัลคาไลน์ สร้างใหม่ในกระบวนการทำให้เป็นกลางด้วยกรด แล้วกลั่นเพื่อขจัดสิ่งสกปรก กรดที่จำหน่ายในเชิงพาณิชย์จำแนกตามจำนวนกรด ระดับสิ่งเจือปน และสี ใช้ในการผลิตแนฟธีเนตโลหะและอนุพันธ์อื่นๆ เช่น เอสเทอร์และเอไมด์
แนฟทีเนต
แนฟทีเนตเป็นเกลือที่เป็นกรดคล้ายกับอะซิเตทที่สอดคล้องกัน กำหนดได้ดีกว่าแต่มีประโยชน์น้อยกว่า Naphthenates เช่นเดียวกับกรดแนฟเทนิกในปิโตรเลียม สามารถละลายได้ดีในตัวกลางอินทรีย์ เช่น สี ใช้ในอุตสาหกรรมรวมถึงการผลิตสิ่งที่มีประโยชน์เช่น: ผงซักฟอกสังเคราะห์, น้ำมันหล่อลื่น, สารยับยั้งการกัดกร่อน, เชื้อเพลิงและสารเติมแต่งน้ำมันหล่อลื่น, สารกันบูดสำหรับไม้ ยาฆ่าแมลง สารฆ่าเชื้อรา สารกำจัดศัตรูพืช สารทำให้เปียก สารเพิ่มความหนืด Napalm และสารดูดความชื้นของน้ำมันที่ใช้ในการทาสีและการรักษาพื้นผิวไม้
ทรายน้ำมัน
การศึกษาหนึ่งระบุว่ากรดแนฟเทนิกเป็นสารก่อมลพิษต่อสิ่งแวดล้อมที่ออกฤทธิ์มากที่สุดของสารทั้งหมดที่ได้จากการสกัดน้ำมันจากทรายน้ำมัน อย่างไรก็ตาม ภายใต้สภาวะของการรั่วไหลและการปนเปื้อน ความเป็นพิษเฉียบพลันไม่น่าจะเกิดขึ้นในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมในป่าที่สัมผัสกับกรดในน้ำในบ่อหางแร่ แต่การได้รับสารซ้ำๆ อาจส่งผลเสียต่อสุขภาพของสัตว์ กรดมีอยู่ในทรายน้ำมันและน้ำแร่ที่มีความเข้มข้นประมาณ 81 มก./ลิตร
การใช้โปรโตคอลขององค์การเพื่อความร่วมมือทางเศรษฐกิจและการพัฒนา (OECD) สำหรับการทดสอบความเป็นพิษ นักวิจัยสหรัฐแย้งว่า จากการศึกษาของพวกเขา การทำให้ NA บริสุทธิ์ เมื่อนำมารับประทาน ไม่เป็นพิษต่อสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมอย่างเฉียบพลัน อย่างไรก็ตาม ความเสียหายที่เกิดจาก NDT จากการได้รับสัมผัสในระยะสั้นระหว่างการรับสัมผัสแบบเฉียบพลันหรือเป็นระยะๆ อาจสะสมเมื่อได้รับสัมผัสซ้ำๆ
ไซโคลเพนเทน
ไซโคลเพนเทนเป็นอะลิไซคลิกไฮโดรคาร์บอนที่ติดไฟได้ โดยมีสูตรทางเคมี C5H10 และหมายเลข CAS 287-92-3 ซึ่งประกอบด้วยวงแหวนของอะตอมของคาร์บอน 5 อะตอม โดยแต่ละอะตอมถูกพันธะกับไฮโดรเจนสองอะตอมด้านบนและด้านล่างระนาบ มักจะนำเสนอในรูปแบบของเหลวไม่มีสีมีกลิ่นคล้ายน้ำมันเบนซิน จุดหลอมเหลวของมันคือ -94°C และจุดเดือดของมันคือ 49°C ไซโคลเพนเทนอยู่ในกลุ่มของไซโคลอัลเคนและเป็นอัลเคนที่มีอะตอมของคาร์บอนตั้งแต่หนึ่งวงขึ้นไป เกิดจากการแตกของไซโคลเฮกเซนต่อหน้าอลูมินาที่อุณหภูมิและความดันสูง
การผลิตกรดแนฟเทนิก ซึ่งรวมถึงไซโคลเพนเทน ได้สูญเสียลักษณะเด่นในอดีตไปในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา
จัดทำขึ้นครั้งแรกในปี พ.ศ. 2436 โดยนักเคมีชาวเยอรมัน Johannes Wieslikus เมื่อเร็ว ๆ นี้มักถูกเรียกว่ากรดแนฟเทนิก
บทบาทในการผลิต
ไซโคลเพนเทนใช้ในการผลิตเรซินสังเคราะห์และกาวยาง และเป็นสารเป่าในการผลิตโฟมฉนวนโพลียูรีเทน ซึ่งพบในเครื่องใช้ในครัวเรือนหลายประเภท เช่น ตู้เย็นและตู้แช่แข็ง แทนที่ทางเลือกที่เป็นอันตรายต่อสิ่งแวดล้อม เช่น สารซีเอฟซี -11 และ HCFC- 141b.
สารหล่อลื่นประเภทอัลคิเลชันไซโคลเพนเทน (MAC) หลายตัวมีความผันผวนต่ำและถูกนำไปใช้งานเฉพาะทางบางประเภท
สหรัฐอเมริกาผลิตสารเคมีนี้มากกว่าครึ่งล้านกิโลกรัมต่อปี ในรัสเซีย กรดแนฟเทนิก (รวมถึงไซโคลเพนเทน) ถูกผลิตขึ้นจากกระบวนการผลิตน้ำมันจากธรรมชาติ
ไซโคลอัลเคนสามารถทำได้โดยใช้กระบวนการที่เรียกว่าปฏิรูปตัวเร่งปฏิกิริยา ตัวอย่างเช่น 2-เมทิลบิวเทนสามารถเปลี่ยนเป็นไซโคลเพนเทนได้โดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาแพลตตินัม โดยเฉพาะอย่างยิ่งใช้ในรถยนต์ เนื่องจากอัลเคนที่แตกแขนงจะเผาไหม้เร็วขึ้นมาก
ลักษณะทางกายภาพและเคมี
น่าแปลกที่ไซโคลเฮกเซนเริ่มเดือด 10 °C สูงกว่าเฮกซาไฮโดรเบนซีนหรือเฮกซานาฟทีน แต่ปริศนานี้ได้รับการแก้ไขในปี พ.ศ. 2438 โดย Markovnikov, NM Kishner และ Nikolai Zelinsky เมื่อพวกเขานำเฮกซะไฮโดรเบนซีนและเฮกซะนาฟทีนมาใช้ใหม่เป็นเมทิลไซโคลเพนเทน ซึ่งเป็นผลมาจากฟันเฟืองที่คาดไม่ถึง
แม้ว่าจะค่อนข้างไม่ทำปฏิกิริยา แต่ไซโคลเฮกเซนผ่านการเร่งปฏิกิริยาออกซิเดชันเพื่อสร้างไซโคลเฮกซาโนนและไซโคลเฮกซานอล ส่วนผสมของไซโคลเฮกซาโนน-ไซโคลเฮกซานอล ที่เรียกว่า "น้ำมัน KA" เป็นวัตถุดิบสำหรับกรดอะดิปิกและคาโปรแลคตัม ซึ่งเป็นสารตั้งต้นของไนลอน
แอปพลิเคชัน
ใช้เป็นตัวทำละลายในน้ำยาลบคำผิดบางยี่ห้อ ไซโคลเฮกเซนบางครั้งถูกใช้เป็นตัวทำละลายอินทรีย์ที่ไม่มีขั้ว แม้ว่า n-เฮกเซนมักถูกใช้เพื่อจุดประสงค์นี้มากกว่า นอกจากนี้ยังมักใช้เป็นตัวทำละลายการตกผลึกอีกครั้ง เนื่องจากสารประกอบอินทรีย์หลายชนิดมีความสามารถในการละลายได้ดีในไซโคลเฮกเซนที่ร้อนและการละลายต่ำที่อุณหภูมิต่ำ
ไซโคลเฮกเซนยังใช้เพื่อสอบเทียบเครื่องมือวัดปริมาณความร้อนด้วยการสแกนเชิงอนุพันธ์ (DSC) เนื่องจากการเปลี่ยนผ่านของผลึกเป็นผลึกสะดวกที่อุณหภูมิ -87.1 °C
ไอไซโคลเฮกเซนใช้ในเตาเผาคาร์บูไรซิ่งแบบสุญญากาศในการผลิตอุปกรณ์บำบัดความร้อน
เสียรูป
แหวนที่มีจุดยอด 6 จุดไม่เข้ากับรูปทรงหกเหลี่ยมที่สมบูรณ์แบบ โครงสร้างรูปหกเหลี่ยมระนาบมีความเครียดเชิงมุมที่สำคัญเนื่องจากพันธะไม่ 109.5 องศา การเปลี่ยนรูปบิดเบี้ยวก็มีความสำคัญเช่นกัน เนื่องจากพันธะทั้งหมดจะถูกบดบัง
ดังนั้น ในการลดการบิดงอ ไซโคลเฮกเซนจึงใช้โครงสร้างสามมิติที่เรียกว่า "เก้าอี้ทรงโค้ง" นอกจากนี้ยังมีตัวประสานระดับกลางอีกสองตัว - "เก้าอี้ครึ่งตัว" ซึ่งเป็นตัวปรับโครงสร้างที่ไม่เสถียรที่สุด และ "ตัวเชื่อมแบบบิดเกลียว" ซึ่งมีความเสถียรมากกว่า Hermann Sachs เสนอชื่อแปลก ๆ เหล่านี้ครั้งแรกในปี 1890 แต่ต่อมาก็เป็นที่ยอมรับกันอย่างกว้างขวาง
อะตอมไฮโดรเจนครึ่งหนึ่งอยู่ในระนาบของวงแหวน (ในเส้นศูนย์สูตร) และอีกครึ่งหนึ่งตั้งฉากกับระนาบ (ตามแนวแกน) โครงสร้างนี้ให้โครงสร้างไซโคลเฮกเซนที่เสถียรที่สุด มีรูปแบบอื่นของไซโคลเฮกเซนที่เรียกว่า "โครงสร้างเรือ" แต่จะเปลี่ยนเป็นรูป "อุจจาระ" ที่เสถียรกว่าเล็กน้อย
ไซโคลเฮกเซนมีมุมต่ำสุดและความเค้นบิดของไซโคลอัลเคนทั้งหมด ส่งผลให้ไซโคลเฮกเซนถูกพิจารณาว่าเป็น 0 ในความเครียดของวงแหวนทั้งหมด เช่นเดียวกับเกลือโซเดียมของกรดแนฟเทนิก
เฟส
ไซโคลเฮกเซนมีสองเฟสผลึก อุณหภูมิสูงเฟส I เสถียรระหว่าง +186 °C และอุณหภูมิจุดหลอมเหลว +280 °C เป็นผลึกพลาสติก ซึ่งหมายความว่าโมเลกุลยังคงมีระดับอิสระในการเคลื่อนไหวอยู่บ้าง เฟส II อุณหภูมิต่ำ (ต่ำกว่า 186°C) ได้รับการจัดลำดับมากขึ้น อีกสองช่วงอุณหภูมิต่ำ (แพร่กระจายได้) III และ IV ได้มาจากการใช้แรงดันปานกลางที่สูงกว่า 30 MPa และเฟสที่ 4 จะปรากฏเฉพาะในไซโคลเฮกเซนแบบดิวเทอเรตเท่านั้น (โปรดทราบว่าการใช้แรงดันจะเพิ่มอุณหภูมิการเปลี่ยนแปลงทั้งหมด)