بنزن

بنزن (Benzene) یک ترکیب آلی آروماتیک با فرمول شیمیایی ​\( C_{6}H_{6} \)​ است. این ترکیب یکی از ساده‌ترین و مهم‌ترین ترکیبات آروماتیک محسوب می‌شود و در صنایع شیمیایی پایه کاربرد بسیار زیادی دارد.

تاریخچه کشف 

برای اولین بار در سال 1825 توسط مایکل فارادی (Michael Faraday) از گاز نفت کشف شد.بعدها آگوست ککوله (August Kekulé) در سال 1865 ساختار حلقوی را برای این ترکیب آروماتیک پیشنهاد داد. گفته می‌شود که ککوله این ساختار را با رؤیا دیدن یک مار که دمش را می‌خورد الهام گرفت!این ساختار حلقوی توانست بسیاری از خواص خاص اینماده آلی را توضیح دهد.

ساختار و ویژگی‌های آروماتیکی

یک ترکیب آروماتیک است. این اصطلاح به ترکیباتی گفته می‌شود که: حلقه‌های بسته‌ای با الکترون‌های π (پای)مزدوج (conjugated) داشته باشند. قوانین هوکل (Hückel’s rule) را که می‌گوید حلقه باید 4n+2 الکترون π ( پای ) داشته باشد، رعایت کنند. برای بنزن n=1 است (6 الکترون π). الکترون‌های π در بنزن به صورت رزونانس در کل حلقه توزیع شده‌اند و باعث پایداری بالای ساختار می‌شوند.

طول همه پیوندهای کربن-کربن در این ترکیب برابر است و بین طول پیوند یگانه و دوگانه قرار دارد.

خواص فیزیکی :مایعی بی‌رنگ و فرّار است.به خاطر ساختار غیرقطبی، در آب بسیار کم‌حل می‌شود اما در بسیاری از حلال‌های آلی (مثل الکل و اتر) بسیار محلول است.بوی شیرین و قابل تشخیص دارد.

کاربردهای صنعتی : در صنعت پتروشیمی از این ترکیب  به عنوان ماده اولیه برای تولید مواد مهمی مثل استایرن (برای تولید پلاستیک پلی‌استایرن) ، فنول (برای رزین‌ها و پلاستیک‌ها) ، آنیلین (برای رنگ‌ها و داروها) سیکلوهگزان (که به نایلون تبدیل می‌شود) همچنین به عنوان حلال در آزمایشگاه‌ها و صنایع استفاده می‌شود (اگرچه بخاطر سمیتش، جایگزین‌های ایمن‌تر ترجیح داده می‌شوند).

مسمومیت و اثرات زیست‌محیطی

از عوامل مهم آلودگی هواست، مخصوصاً در اطراف کارخانه‌ها و مراکز پالایش نفت ، استنشاق طولانی‌مدت این ماده می‌تواند باعث: آسیب به مغز استخوان ، کاهش تولید گلبول‌های قرمز و سفید خون

بروز سرطان خون (لوسمی) ، در بسیاری کشورها استفاده از این ترکیب آلی به صورت مستقیم در سوخت‌ها و حلال‌ها محدود یا ممنوع شده است.

روش‌های تولید بنزن

از نفت خام به روش‌های ریفورمینگ کاتالیستی (Catalytic reforming) که هیدروکربن‌های زنجیره‌ای بلند را به حلقه‌های آروماتیک تبدیل می‌کند. ریفورمینگ کاتالیستی یکی از فرایندهای مهم در پالایش نفت است که هدف آن افزایش عدد اکتان بنزین و بهبود کیفیت سوخت می‌باشد. در این فرایند، هیدروکربن‌های زنجیره‌ای بلند (پارافین‌ها و نفتن‌ها) در حضور کاتالیست‌های فلزی مانند پلاتین و در دمای بالا (حدود ۵۰۰ درجه سلسیوس) به ترکیبات آروماتیک حلقوی مانند بنزن، تولوئن و زایلن تبدیل می‌شوند.

این واکنش‌ها معمولاً شامل ایزومریزاسیون، دهیدروژناسیون و شکستن ملایم زنجیرها هستند. نتیجه آن تولید سوختی با عدد اکتان بالا و هیدروژن به‌عنوان محصول جانبی است که در سایر واحدهای پالایشگاه (مثلاً هیدروژناسیون) کاربرد دارد.

کراکینگ حرارتی نفتا و گازهای هیدروکربنی سبک ، کراکینگ حرارتی فرایندی در پالایش نفت است که طی آن مولکول‌های بزرگ هیدروکربنی با استفاده از حرارت زیاد (۴۵۰ تا ۷۵۰ درجه سانتی‌گراد) به مولکول‌های کوچکتر و سبک‌تر شکسته می‌شوند.
هدف اصلی این فرایند، تبدیل نفت سنگین به بنزین، گازوئیل و گازهای سبک‌تر است.کراکینگ حرارتی معمولاً بدون کاتالیست انجام می‌شود و بر پایه تجزیه پیوندهای شیمیایی در دما و فشار بالا است.
این روش یکی از نخستین روش‌های تولید سوخت‌های سبک از نفت خام در پالایشگاه‌ها به‌شمار می‌آید.

تبدیل تولوئن و سایر هیدروکربن‌های آروماتیک به بنزن ، تبدیل تولوئن و سایر هیدروکربن‌های آروماتیک به بنزن معمولاً از طریق فرایند دی‌آلکیلاسیون (dealkylation) انجام می‌شود.
در این روش، زنجیره‌های جانبی آلکیلی مانند گروه متیل در تولوئن در حضور کاتالیست و دمای بالا (۵۰۰–۶۰۰درجه سلسیوس ) و معمولاً با هیدروژن شکسته می‌شوند.
نتیجهٔ واکنش، تشکیل بنزن و گاز متان یا سایر هیدروکربن‌های سبک‌تر است.
این فرایند در پالایشگاه‌ها برای تولید بنزن خالص مورد استفاده در صنایع پتروشیمی کاربرد دارد.

​\( C_{6}H_{5}CH_{3}(l)+H_{2}(g)\xrightarrow[\hspace{3cm}]{Pt/500-600^{\circ}C/30-60at}C_{6}H_{6}(l)+CH_{4}(g)\\ C_{6}H_{4}(CH_{3})_{2}(l)+2H_{2}(g)\xrightarrow[\hspace{3cm}]{Ni/550-700^{\circ}C/40-70at}C_{6}H_{6}(l)+CH_{4}(g) \)​

نکات ایمنی و نگهداری

به خاطر قابلیت اشتعال بالا، این ماده باید در محیط‌های خنک، تهویه شده و دور از منابع حرارت نگهداری شود.

استفاده از ماسک‌ها و تجهیزات حفاظتی در مواجهه با بخارات آن ضروری است.در صورت تماس با پوست یا استنشاق، باید سریع به مراکز درمانی مراجعه کرد.

ساختار شیمیایی بنزن

 دارای شش اتم کربن و شش اتم هیدروژن است. اتم‌های کربن در یک حلقه‌ی بسته‌ی شش‌ضلعی قرار گرفته‌اند.بین این اتم‌های کربن، پیوندهای یگانه و دوگانه به‌طور متناوب وجود دارند، ولی در واقعیت این پیوندها رِزونانسی هستند، یعنی همه‌ی پیوندها برابر و بین پیوند یگانه و دوگانه هستند.به دلیل این ساختار، بنزن بسیار پایدار است. فرمول ساختاری رایج بنزن ، یک شش‌ضلعی با یک دایره درون آن (نمایش رزونانس) است .

خواص فیزیکی و شیمیایی

 واکنش‌های شیمیایی مهم بنزن

با توجه به پایداری زیاد ساختار آروماتیک، این ترکیب حلقوی تمایل به انجام واکنش‌های جایگزینی الکتروفیلی آروماتیک دارد، نه افزایشی  ، واکنش های مهم آن  شامل نیتراسیون ( تولید نیتروبنزن ) سولفوناسیون ( تولید بنزن‌سولفونیک‌اسید ) ، آلکیل‌دار شدن فریدل-کرافتس ( افزودن گروه آلکیل ) ، آسیل‌دار شدن فریدل-کرافتس ( افزودن گروه آسیل ) ، هالوژناسیون  (جایگزینی با کلر یا برم در حضور کاتالیزور )

 کاربردهای بنزن

ماده‌ی اولیه‌ی بسیار مهمی در صنایع شیمیایی است، از جمله تولید پلاستیک‌ها (مانند پلی‌استایرن) ، تولید نایلون، رزین‌ها و الیاف مصنوعی ، ساخت رنگ‌ها، داروها، مواد منفجره

تهیه‌ی فنول، آنیلین، استایرن، سیکلوهگزان

خطرات و سمیت بنزن

بسیار سمی و سرطان‌زا است. استنشاق بخارات آن باعث سرگیجه، سردرد، تهوع، و آسیب مغز استخوان می‌شود. قرار گرفتن طولانی‌مدت در معرض آن می‌تواند منجر به سرطان خون (لوسمی) شود.

تماس مستقیم با پوست ممکن است باعث تحریک یا حساسیت شود. این ماده یکی از آلاینده‌های خطرناک محیط‌ زیستی است و باید با احتیاط و تحت کنترل استفاده شود.

 منابع طبیعی و تولید

به‌طور طبیعی در : نفت خام  ، دود حاصل از سوختن ناقص چوب یا سوخت‌های فسیلی یافت می‌شود. و به‌طور صنعتی این ماده از : ریفورمینگ نفتی ، کراکینگ حرارتی نفتا ، تبدیل تولوئن به بنزن

تولید می‌شود.

نکات محیط‌زیستی

بنزن به راحتی وارد هوا، خاک یا آب می‌شود و تجزیه‌پذیری آن در محیط کند است. تنفس بخارات بنزن در محیط شهری (مثلاً از بنزین خودروها) خطرناک است.

واکنش‌های مهم بنزن

نیتراسیون 

 جایگزینی یک گروه نیترو (​\( NO_{2} \)​) به جای یکی از هیدروژن‌های بنزن ، که در این واکنش مخلوط نیتریک اسید (​\( HNO_{3} \)​) و سولفوریک اسید (​\( H_{2}SO_{4} \)​) به عنوان کاتالیزور شرکت دارند .  مکانیسم واکنش به گونه ای است که ​\( HNO_{3} \)​در حضور ​\( H_{2}SO_{4} \)​ تبدیل به یون نیتریوم (​\( NO_{2}^{+} \)​) می‌شود که الکتروفیل قوی است و به حلقه بنزن حمله می‌کند.

محصول مایع روغنی با بوی مشخص و کاربرد آن به عنوان حلال در صنایع شیمیایی و پیش‌ماده برای تولید آنیلین (که در رنگ‌ها و داروها استفاده می‌شود) ، گروه نیترو خاصیت الکترون کِشندگی دارد و واکنش‌های جایگزینی بیشتر را تحت تأثیر قرار می‌دهد .

​\( HNO_{3}(aq)+C_{6}H_{6}(l)\xrightarrow[\hspace{2cm}]{H_{2}SO_{4}}C_{6}H_{5}NO_{2}(l)+H_{2}O(l) \)​

سولفوناسیون بنزن

هدف: جایگزینی گروه سولفونیک اسید (​\( HSO_{3}^{-} \)​) در بنزن ، واکنش‌دهنده: سولفوریک اسید غلیظ یا دود ​\( SO_{3} \)​ در سولفوریک اسید ، مکانیزم: ​\( SO_{3} \)​ به عنوان الکتروفیل به حلقه حمله می‌کند. محصول این واکنش ،  بنزن‌سولفونیک‌اسید (​\( C_{6}H_{5}SO_{3}H \)​) خواهد بود .

که جامد یا مایع محلول در آب بوده و به عنوان واسطه در سنتز مواد شوینده، رنگ‌ها و داروها کاربرد دارد .

​\( C_{6}H_{6}(l)+H_{2}SO_{4}(aq)\xrightarrow[\hspace{2.5cm}]{40-60^{\circ}C}C_{6}H_{5}SO_{3}H(aq)+H_{2}O(l) \)​

هالوژناسیون بنزن

جایگزینی یک هیدروژن با هالوژن (معمولاً کلر یا برم) ، واکنش‌دهنده : کلر یا برم همراه با کاتالیزور (​\( FeCl_{3} \)​ یا ​\( FeBr_{3} \)​) مکانیزم: تشکیل یون هالوژنیوم (​\( Cl^{+} \)​یا ​\( Br^{+} \)​) به عنوان الکتروفیل و حمله به حلقه بنزنی و تشکیل محصول: کلروبنزن یا برم‌وبنزن ، کلروبنزن مایع بی‌رنگ با بوی مشخص و به عنوان حلال در تولید مواد آلی کلردار و پلاستیک‌ها استفاده می شود .

​\( C_{6}H_{6}(l)+Cl_{2}(g)\xrightarrow[\hspace{2.5cm}]{30-50^{\circ}C/FeCl_{3}}C_{6}H_{5}Cl(l)+HCl(aq) \)​

آلکیل‌دار شدن فریدل-کرافتس (Friedel-Crafts Alkylation)

افزودن گروه آلکیل (مثلاً ​\( CH_{3} \)​) به بنزن ،واکنش‌دهنده: هالوآلکیل‌ها (مثل کلروکربن‌ها) در حضور کاتالیزور اسیدی مثل ​\( AlCl_{3} \)​ ، مکانیزم: تشکیل کربوکاتیون (یا کمپلکس کاتالیزوری) به عنوان الکتروفیل ، محصول: آلکیل‌بنزن (مثلاً تولوئن در صورت افزودن گروه متیل) بنزن با یک گروه متیل (-CH₃) جایگزین شده ، خواص فیزیکی: مایع بی‌رنگ، با بوی شیرین‌تر و نقطه جوش حدود 110 درجه سلسیوس ، به عنوان حلال در صنایع رنگ و چسب ، ماده اولیه برای تولید بنزن، دیگر ترکیبات آروماتیک مثل فنل  ، سمیت: کم‌خطرتر از بنزن ولی باز هم باید با احتیاط استفاده شود.

​\( C_{6}H_{6}(l)+CH_{3}Cl(g)\xrightarrow[\hspace{2.5cm}]{30-80^{\circ}C/FeCl_{3}}C_{6}H_{5}CH_{3}(l)+HCl(aq) \)​

آسیل‌دار شدن فریدل-کرافتس (Friedel-Crafts Acylation)

 افزودن گروه آسیل (مثل ​\( COCH_{3} \)​) به بنزن ، واکنش‌دهنده: کلروآسیل (RCOCl) در حضور ​\( AlCl_{3} \)​ ، مکانیزم: تشکیل کاتیون آسیل به عنوان الکتروفیل و حمله به حلقه بنزنی و تشکیل محصول: کتون آروماتیک (مثل استوفنون)

​\( C_{6}H_{6}(l)+CH_{3}COCl(g)\xrightarrow[\hspace{2.5cm}]{20-60^{\circ}C/AlCl_{3}}C_{6}H_{5}COCH_{3}(l)+HCl(aq) \)​

هیدروژناسیون بنزن

تبدیل به سیکلوهگزان (از بین بردن آروماتیسیته) ، واکنش‌دهنده: هیدروژن (​\( H_{2} \)​) در حضور کاتالیزور فلزی (نیکل، پلاتین)، شرایط: فشار و دمای بالا و محصول: سیکلوهگزان (​\( C_{6}H_{12} \)​)

​\( C_{6}H_{6}(l)+3H_{2}(g)\xrightarrow[\hspace{3.5cm}]{80-200^{\circ}C/Ni/1-100atm}C_{6}H_{12} \)​

واکنش با فلزات قلیایی

در دمای بالا، می‌تواند با فلزات قلیایی واکنش داده و ترکیباتی مثل فنولات‌ها بسازد.(​\( C_{6}H_{6} \)​) به طور مستقیم با فلزات قلیایی (مانند لیتیوم، سدیم، پتاسیم) واکنش نمی‌دهد، زیرا این ماده یک ترکیب آروماتیک پایدار است و به دلیل رزونانس، تمایل کمی به واکنش با فلزات قلیایی دارد. با این حال، در شرایط خاص و با استفاده از ترکیبات واسطه یا در واکنش‌های خاص (مانند واکنش برچ یا تشکیل ترکیبات ارگانومتریک)، می‌تواند به طور غیرمستقیم با فلزات قلیایی وارد واکنش شود.

​\( C_{6}H_{5}Cl(l)+2Li(s)\xrightarrow[\hspace{3.5cm}]{0-35^{\circ}C/Et_{2}O }C_{6}H_{5}Li(l)+LiCl(aq) \)​