نفتالن

نفتالن (Naphthalene) یک ترکیب آلی هیدروکربنی با فرمول شیمیایی ​\( C_{10}H_{8} \)​ است که به‌صورت جامد بلوری سفید با بوی تند و مشخص شناخته می‌شود. این ماده در طبیعت به‌صورت طبیعی در قطران زغال‌سنگ یافت می‌شود و به‌عنوان یک ترکیب پلی‌آروماتیک هیدروکربن (PAH) شناخته می‌شود. نفتالن به دلیل ساختار شیمیایی و خواص فیزیکی‌اش کاربردهای گسترده‌ای در صنایع مختلف دارد، از جمله در تولید مواد شیمیایی، حشره‌کش‌ها و حتی به‌عنوان ماده اولیه در سنتز ترکیبات پیچیده‌تر.

ساختار شیمیایی نفتالن نفتالن از دو حلقه بنزنی تشکیل شده که به‌صورت مشترک به یکدیگر متصل هستند (ساختار دو حلقه‌ای فیوز یا همجوش شده) ،  این ساختار شامل ۱۰ اتم کربن و ۸ اتم هیدروژن است که در آن الکترون‌های π ( پای ) در حلقه‌های بنزنی غیر مستقر(delocalization) شده‌اند، که باعث پایداری شیمیایی بالای این ترکیب می‌شود. پیوندهای کربن-کربن در نفتالن به‌صورت متناوب تک و دوگانه هستند که به آن خاصیت آروماتیکی می‌بخشد.

خواص فیزیکی و شیمیایی نفتالن

 جامد بلوری سفید با بوی تند و مشخص ،نقطه ذوب: حدود ۸۰٫۲۶ درجه سانتی‌گراد ، نقطه جوش: ۲۱۷٫۹۷ درجه سانتی‌گراد ، چگالی: ۱٫۱۴ گرم بر سانتی‌متر مکعب ،حلالیت: در آب کم محلول است (تقریباً ۳۱٫۶ میلی‌گرم بر لیتر در دمای ۲۵ درجه سانتی‌گراد) اما در حلال‌های آلی مانند بنزن، تولوئن و کلروفرم به‌خوبی حل می‌شود.واکنش‌پذیری: نفتالن می‌تواند در واکنش‌های الکتروفیلی مانند نیتراسیون، سولفوناسیون و هالوژناسیون شرکت کند. همچنین به اکسیداسیون حساس است و می‌تواند با اکسیژن یا عوامل اکسیدکننده به فتالیک انیدرید تبدیل شود.

نیتراسیون: واکنش با نیتریک اسید (HNO₃) و سولفوریک اسید  (H₂SO₄) به‌عنوان کاتالیزور، منجر به تولید ۱-نیترونفتالن می‌شود.

​\( C_{10}H_{8}(s)+HNO_{3}(aq)\xrightarrow[\hspace{2.5cm}]{H_{2}SO_{4}/60-80^{\circ}C}C_{10}H_{7}NO_{2}(s)+H_{2}O(l) \)​

سولفوناسیون: با سولفوریک اسید  غلیظ در دماهای مختلف، نفتالن به نفتالن‌سولفونیک اسید تبدیل می‌شود. در دمای پایین (۸۰ درجه سانتی‌گراد)، محصول اصلی ۱-نفتالن‌سولفونیک اسید و در دمای بالا (۱۶۰ درجه سانتی‌گراد)، ۲-نفتالن‌سولفونیک اسید است.

​\( C_{10}H_{8}(s)+H_{2}SO_{4}(aq)\xrightarrow[\hspace{2.5cm}]{80^{\circ}C}C_{10}H_{7}SO_{3}H(aq)+H_{2}O(l) \)​

هالوژناسیون: در حضور کاتالیزورهایی مانند ​\( FeCl_{3} \)​، نفتالن با کلر یا برم واکنش داده و ۱-کلرونفتالن یا ۱-برمونفتالن تولید می‌کند.

​\( C_{10}H_{8}(s)+Cl_{2}(g)\xrightarrow[\hspace{2cm}]{FeCl_{3}}C_{10}H_{7}Cl(s)+HCl(aq) \)​

کاربردها: مشتقات نیترو، سولفو و هالوژن‌دار نفتالن در تولید رنگ‌های آزو، مواد دارویی و واسطه‌های شیمیایی استفاده می‌شوند.

روش‌های تولید نفتالن نفتالن به‌صورت صنعتی عمدتاً از قطران زغال‌سنگ یا از فرآیندهای پالایش نفت استخراج می‌شود. فرآیند تولید شامل مراحل زیر است:

تقطیر قطران زغال‌سنگ: در این روش، قطران زغال‌سنگ تقطیر می‌شود و نفتالن به‌صورت بلورهای جامد جدا می‌گردد.

سنتز شیمیایی: نفتالن می‌تواند از طریق واکنش‌های شیمیایی مانند واکنش هیدروکربن‌های آروماتیک در حضور کاتالیزورها تولید شود.

بازیافت از محصولات پتروشیمی: در برخی فرآیندهای پالایش نفت، نفتالن به‌عنوان محصول جانبی جدا می‌شود.

کاربردهای نفتالن نفتالن به دلیل خواص شیمیایی و فیزیکی‌اش در صنایع مختلف کاربرد دارد:

صنعت حشره‌کش: به‌عنوان ماده اصلی در تولید نفتالین (توپ‌های ضد بید) برای محافظت از لباس‌ها و پارچه‌ها در برابر حشرات

صنعت شیمیایی: ماده اولیه برای تولید فتالیک انیدرید، رنگ‌های آزو، رزین‌ها و پلاستیک‌ها

سنتز مواد شیمیایی: در تولید بت نفتول، مشتقات نفتالن و ترکیبات دارویی

صنعت کشاورزی: به‌عنوان ماده اولیه در برخی آفت‌کش‌ها و قارچ‌کش‌ها

کاربردهای تحقیقاتی: به‌عنوان یک ترکیب مدل در مطالعات شیمی آلی و پلیمرها

خطرات و ایمنی نفتالن نفتالن ماده‌ای سمی است و استفاده نادرست از آن می‌تواند خطرناک باشد:

سمیت: تماس طولانی‌مدت با بخارات نفتالن می‌تواند باعث تحریک پوست، چشم‌ها و دستگاه تنفسی شود.

خطر سرطان‌زایی: برخی مطالعات نشان داده‌اند که نفتالن ممکن است در صورت قرار گرفتن طولانی‌مدت در غلظت‌های بالا خاصیت سرطان‌زایی داشته باشد.

اقدامات ایمنی: هنگام کار با نفتالن باید از دستکش، ماسک و تهویه مناسب استفاده شود. همچنین باید از تماس مستقیم با پوست و استنشاق بخارات آن جلوگیری کرد.

جایگزینی الکتروفیلی آروماتیک: نفتالن در موقعیت‌های آلفا (1 ، 4 ، 5 ، 8) و بتا (2، 3، 6 ، 7 ) می‌تواند با الکتروفیل‌ها واکنش دهد. موقعیت آلفا به دلیل پایداری بیشتر واسطه واکنش، فعال‌تر است.

اکسایش: نفتالن می‌تواند با عوامل اکسیدکننده مانند کرومات یا پرمنگنات به فتالیک اسید یا فتالیک انیدرید اکسید شود.

​\( 2C_{10}H_{8}(s)+9O_{2}(g)\xrightarrow[\hspace{2cm}]{V_{2}O_{5}/350-400^{\circ}C}2C_{8}H_{4}O_{3}(s)+4CO_{2}(g)+4H_{2}O(l) \\ C_{8}H_{4}O_{3}(aq)+H_{2}O(l)\xrightarrow[\hspace{1.5cm}]{}C_{8}H_{6}O_{4}(aq) \)​

هیدروژناسیون: در حضور کاتالیزورهایی مانند نیکل یا پالادیوم، نفتالن می‌تواند به تترالین (1 ، 2، 3، 4 – تتراهیدرونفتالن) یا دکالین تبدیل شود.

​\( C_{10}H_{8}(s)+5H_{2}(g)\xrightarrow[\hspace{1.5cm}]{Ni}C_{10}H_{18}(s) \)​

پلیمرها و مشتقات: نفتالن در سنتز پلیمرهای پیشرفته مانند پلی‌نفتالن‌ها یا رزین‌های خاص کاربرد دارد.

تأثیرات زیست‌محیطی نفتالن نفتالن به دلیل حلالیت کم در آب و فراریت بالا می‌تواند در محیط زیست پایدار بماند و اثرات منفی بر موجودات زنده داشته باشد. این ماده در فهرست آلاینده‌های زیست‌محیطی آژانس حفاظت از محیط زیست (EPA) قرار دارد. برای کاهش اثرات زیست‌محیطی، باید از دفع نامناسب آن جلوگیری شود و روش‌های بازیافت یا خنثی‌سازی به کار گرفته شود.

دیلز-آلدر و واکنش‌های سیکلوافزایی نفتالن به دلیل ساختار آروماتیکش، در مقایسه با بنزن، در واکنش‌های دیلز-آلدر کمتر فعال است، اما در شرایط خاص می‌تواند به‌عنوان دینوفیل عمل کند.

• مکانیسم: نفتالن با دی‌ان‌های قوی مانند مالئیک انیدرید واکنش می‌دهد و محصولات سیکلوافزوده تولید می‌کند. این واکنش معمولاً در موقعیت‌های ۱،۲ یا ۵،۶ رخ می‌دهد و باعث از بین رفتن آروماتیسیته یکی از حلقه‌ها می‌شود.
• شرایط واکنش: دمای بالا و استفاده از کاتالیزورهای لوویس اسید (مانند AlCl₃) برای افزایش بازده.
• کاربردها: این واکنش‌ها در سنتز مولکول‌های پیچیده‌تر مانند پلیمرهای پیشرفته و ترکیبات دارویی استفاده می‌شوند.

فوتوشیمی و واکنش‌های نوری نفتالن نفتالن به دلیل ساختار آروماتیکش در واکنش‌های فوتوشیمیایی نیز فعال است.

• مکانیسم: تحت تابش نور UV، نفتالن به حالت برانگیخته الکترونی می‌رسد و می‌تواند در واکنش‌های فوتواکسیداسیون یا فوتوایزومریزاسیون شرکت کند.
• نمونه واکنش: فوتواکسیداسیون نفتالن در حضور اکسیژن و نور UV می‌تواند به پراکسیدها یا کینون‌ها منجر شود.
• کاربردها: این واکنش‌ها در مطالعات شیمی محیطی و تجزیه آلاینده‌های آروماتیک در جو اهمیت دارند.

پلیمریزاسیون و مشتقات پلیمری نفتالن می‌تواند به‌عنوان مونومر در تولید پلیمرهای پیشرفته مانند پلی‌نفتالن‌ها یا رزین‌های خاص استفاده شود.

• مکانیسم: پلیمریزاسیون نفتالن معمولاً از طریق واکنش‌های کاتالیزوری یا الکتروشیمیایی انجام می‌شود.
• کاربردها: پلی‌نفتالن‌ها به دلیل خواص الکتریکی و حرارتی در مواد رسانا، پوشش‌ها و عایق‌ها کاربرد دارند.

واکنش‌های فلزی‌سازی (Metallation) نفتالن می‌تواند در واکنش‌های فلزی‌سازی مانند لیتیم‌دار شدن (با n-بوتیل‌لیتیوم) شرکت کند.

• مکانیسم: اتم هیدروژن در موقعیت آلفا یا بتا با اتم لیتیوم جایگزین می‌شود و ترکیبات ارگانولیتیوم تولید می‌کند که به‌عنوان واسطه در سنتز ترکیبات آلی پیچیده استفاده می‌شوند.
• کاربردها: این واکنش‌ها در سنتز داروها و مواد شیمیایی خاص کاربرد دارند.

ساختار الکترونی و رفتار آروماتیکی نفتالن
نفتالن دارای ده الکترون π ( پای ) است که در ده اتم کربن با هیبریداسیون ​\( SP^{2} \)​ پخش شده‌اند. این ماده طبق قانون هوکل (4n+2) برای n=2 یک ترکیب آروماتیک پایدار محسوب می‌شود.
مدل رزونانسی آن شامل چندین ساختار است که موجب توزیع یکنواخت بار ​\( \pi \)​ در هر دو حلقه می‌شود. با این حال، حلقه‌ی موسوم به «α» (حلقه بیرونی‌تر) تراکم الکترونی بالاتری دارد، بنابراین در واکنش‌های جانشینی الکتروفیلی، واکنش در موقعیت α (شماره 1 یا 4) سریع‌تر اتفاق می‌افتد.

از دیدگاه نظریه مداری مولکولی (MO theory)، پایین‌ترین تراز غیر اشغال‌شده (LUMO) و بالاترین تراز اشغال‌شده (HOMO) در نفتالن فاصله انرژی نسبتاً کوچکی دارند، که باعث فعالیت نوری و شیمیایی متوسط در مقایسه با بنزن می‌شود.

ترمودینامیک و داده‌های فیزیکوشیمیایی پیشرفته

آنتالپی تبخیر: حدود 46.4 kJ/mol در دمای 298K T، آنتالپی سوختن: تقریبا 5157 – کیلوژول برمول

آنتالپی تشکیل (​\( \Delta H_{f} \)​): +150 kJ/mol (در فاز گازی) ، پتانسیل اکسایش: E° = 1.41 V (در محلول آبی)

ضریب هِنری: ​\( 4.4\times10^{-2}atm.m^{3} \)​ (نسبتاً فرار در آب)

این داده‌ها در طراحی فرآیندهای صنعتی مانند استخراج بخار یا جداسازی حلالی نفتالن از قطران زغال‌سنگ استفاده می‌شوند.

 مشتقات شیمیایی نفتالن و مسیرهای سنتزی
نفتالن یکی از مواد اولیه مهم در شیمی آلی صنعتی است و صدها مشتق مهم از آن به‌دست می‌آید:

انیدرید فتالیک (Phthalic Anhydride): حاصل اکسایش کاتالیستی نفتالن در حضور ​\( V_{2}O_{5}/NaVO_{3} \)​ در دمای حدود 400 °C. این واکنش از مهم‌ترین مسیرهای صنعتی برای تولید رزین‌های آلکیدی، پلی‌استر و پلاستی‌سایزرها است.

نفتول‌ها (​\( 1-Naphtol \)​ و ​\( 2-Naphtol \)​): از سولفوناسیون و سپس هیدرولیز نفتالن به‌دست می‌آیند و در تولید رنگ‌های آزو کاربرد دارند.

نفتیل‌آمین‌ها: از نیتراسیون و سپس احیای مشتقات نیترو نفتالن به‌دست می‌آیند. این ترکیبات پیش‌ماده‌ی داروها، رنگ‌ها و تثبیت‌کننده‌های لاستیک هستند.

تتراهیدرونفتالن (تترازالین یا دکالین): از هیدروژناسیون کامل نفتالن در حضور نیکل یا پالادیم به‌دست می‌آید؛ حلالی پایدار و بی‌بو در صنایع است.

فناوری‌های نوین در استفاده از نفتالن

کربن فعال و گرافن از نفتالن: در فرایند پیرولیز کنترل‌شده، نفتالن می‌تواند پیش‌ماده‌ای برای تولید کربن‌های متخلخل یا گرافن با کیفیت بالا باشد.

کاتالیست‌های مبتنی بر نفتالن‌دی‌ایمید (NDI): در نانوالکترونیک و سلول‌های خورشیدی آلی به عنوان پذیرنده الکترون استفاده می‌شود.

افزودنی‌های بتون بر پایه نفتالن سولفونات: برای بهبود کارپذیری و مقاومت بتن به کار می‌روند (SNF – Sulfonated Naphthalene Formaldehyde Condensate).

تجزیه زیستی و مدل‌های سینتیکی
نفتالن در محیط زیست به‌وسیله میکروارگانیسم‌هایی مثل Pseudomonas putida تجزیه می‌شود. مسیر متابولیکی شامل اکسیداسیون به 1 ، 2 -دی‌هیدرودیول، سپس به1 ، 2 -دی‌هیدروکسی‌ نفتالن و نهایتاً به سالیسیلات و کتکول است.
مدل سینتیکی آن اغلب با معادله مونود (Monod equation) یا مدل هیل (Hill model) توصیف می‌شود تا نرخ تخریب زیستی در محیط‌های آبی یا خاکی تعیین گردد.

تحلیل طیفی و شناسایی

IR Spectrum: باندهای مشخص در ​\( Cm^{-1} \)​3050  (C–H آروماتیک) و​\( Cm^{-1} \)​ 780–800  (ارتعاشات خمشی).

UV–Vis: قله جذب در 220 تا 230 نانو  متر و 275تا 280 نانومتر (π→π* انتقالی).

NMR: پروتون‌های حلقه α در 8 تا 8.3 ppm و پروتون‌های β در ppm 7.4 تا7.8  دیده می‌شوند.

Mass Spectrum: یون مولکولی m/z = 128 (پیک اصلی)، با قطعه‌قطعه شدن به m/z = 102 و 76.

بازار جهانی و آینده نفتالن
بر اساس گزارش‌های صنعتی اخیر (تا سال 2024) ، حجم بازار جهانی نفتالن حدود 1.5 میلیون تن در سال است. بزرگ‌ترین مصرف‌کننده‌ها: چین، هند و اروپا ، انتظار می‌رود رشد سالانه (CAGR) حدود 3.8 ٪ تا سال 2030 ادامه یابد، عمدتاً به دلیل رشد صنایع رنگ و رزین ، جایگزین‌های سبز مانند مشتقات نفتالن از زیست‌توده (Bio-based Naphthalene) در حال توسعه‌اند.

• آیا می توانید گلوله های نفتالن را با دستان خود لمس کنیم ؟ اگر گلوله‌های ضد بید را لمس کنید، می‌تواند وارد بدن شما شود. سطوح پایین آن در برخی از نمونه های بافت چربی و شیر مادر یافت شده است. بدن این ماده را در خون شما حل می کند که آن را به کبد و سایر اندام ها می رساند. سپس از بدن شما عبور می کند و در ادرار و مواد زائد خارج می شود.
• آیا می توانیم گلوله های نفتالن را با دستان خود لمس کنیم؟ اگر گلوله‌های بید را لمس کنید، نفتالن می‌تواند وارد بدن شما شود. سطوح پایین نفتالن در برخی از نمونه های بافت چربی و شیر مادر یافت شده است. بدن نفتالن را در خون شما حل می کند که آن را به کبد و سایر اندام ها می رساند. سپس از بدن شما عبور می کند و از طریق ادرار و مواد زائد خارج می شود.
• آیا می توان گلوله های آن را در آشپزخانه نگه داری کرد ؟ گلوله‌های نفتالن را نباید در اطراف غذا یا محل‌های آماده‌سازی غذا استفاده کرد. استفاده از گلوله‌های آن فقط در ظروف دربسته مجاز است. گازها برای کشتن حشراتی که از الیاف طبیعی تغذیه می‌کنند جمع می‌شوند. این گازها در صورت استفاده نادرست ممکن است خطری برای افراد یا حیوانات خانگی ایجاد کنند
• گلوله های این ماده چقدر فعال هستند؟ چه مدت طول می کشد تا گلوله های آن از بین بروند؟  در هوای آزاد 3 تا 6 ماه طول می کشد تا کاملاً از بین برود. اگر گلوله را زیر لباس قرار دهید یا در هوای آزاد قرار نگیرید، تا 12 ماه طول می کشد تا کاملاً از بین برود.
• آیا نفتالن می تواند از رشد قارچ جلوگیری کند؟ بوهای کپک اغلب ناشی از رشد کپک در مناطق مرطوب است. گلوله های آن می توانند با جذب رطوبت اضافی در هوا، باعث کاهش رشد کپک و از بین بردن بوی کپک شوند .
• آیا گلوله های نفتالن در روغن حل می شوند؟ از آنجایی که نفتالن یک ترکیب غیرقطبی است، بنابراین فقط می تواند در حلال های غیر قطبی مانند نفت سفیدو روغن نیز حل شود.
• آیا نفتالن می تواند ساس را از بین ببرد ؟ خیر
• آیا گلوله های های نفتالین از کوکاکولا ساخته می شوند؟ نفتالن قابل اشتعال و بالقوه قابل انفجار است. از این رو گلوله های نفتالن از قطران زغال سنگ به دست می آید.
• آیا الکل می تواند گلوله های نفتالن را حل کند؟  گلوله‌های داروی ضد بید در الکل (دناتوره شده، اتیل، ایزوپروپیل و غیره) محلول هستند، بنابراین راه‌های موثری برای از بین بردن بو روی سطوح و لباس‌ها پس از از بین رفتن آن از هوا وجود دارد.
• ماده اصلی گلوله های نفتالن چیست؟ گلوله‌های سفید رنگ ضد بید ، حاوی غلظت بسیار بالایی از ماده شیمیایی نفتالن یا پارادی کلروبنزن به عنوان مواد فعال هستند. آنها قرار است در ظروف دربسته و بدون هوا استفاده شوند تا بخار تولید شده توسط آنها به دام بیفتد. بخارهای به دام افتاده جمع شده و هر پروانه لباس داخل آن را می کشد.