Акрилонитрил

Акрилонитрил (нитрил акриловой кислоты, винилцианид) — органическое соединение, непредельный нитрил общей формулы CH₂=CH−C≡N. Представляет собой бесцветную, легковоспламеняющуюся и токсичную жидкость с характерным резким запахом. Является важным мономером в промышленности органического синтеза, используемым для производства широкого спектра полимерных материалов, в первую очередь акриловых волокон, синтетического каучука и пластиков.

История

Акрилонитрил был впервые получен в 1893 году французским химиком Шарлем Муро (Charles Moureu) путём дегидратации акриламида. Однако промышленное значение соединение приобрело лишь в середине XX века. Первое крупномасштабное производство акрилонитрила было организовано в 1940-х годах в Германии и США в рамках программы по созданию синтетического каучука (бутадиен-нитрильного каучука, БНК), необходимого для военной промышленности.

До 1960-х годов основным промышленным методом синтеза акрилонитрила было взаимодействие ацетилена с синильной кислотой (реакция Муро). Однако этот процесс был дорогим и опасным из-за высокой токсичности реагентов. Революция в технологии произошла в 1960 году, когда компания Standard Oil of Ohio (Sohio) внедрила процесс аммонолиза пропилена (так называемый «процесс Sohio»). Этот метод, основанный на окислении пропилена аммиаком в присутствии катализатора, оказался значительно более экономичным и экологичным, что привело к бурному росту мирового производства акрилонитрила.

Физические и химические свойства

Физические свойства

• Молекулярная масса: 53,06 г/моль.
• Плотность: 0,806 г/см³ (при 20 °C).
• Температура кипения: 77,3 °C.
• Температура плавления: −83,5 °C.
• Температура вспышки: −1 °C (закрытый тигель).
• Растворимость: умеренно растворим в воде (7,3 г/100 мл при 20 °C), хорошо растворим в большинстве органических растворителей (ацетон, этанол, диэтиловый эфир).
• Давление паров: 11,5 кПа (при 20 °C), что обуславливает высокую летучесть.

Химические свойства

Акрилонитрил — высокореакционноспособное соединение, что обусловлено наличием в его молекуле двух функциональных групп: двойной связи (винильной группы) и нитрильной группы. Основные типы реакций:

1. Полимеризация: акрилонитрил легко полимеризуется по радикальному механизму, образуя полиакрилонитрил (ПАН). Эта реакция лежит в основе его промышленного использования.
2. Сополимеризация: вступает в реакцию сополимеризации с бутадиеном (получение бутадиен-нитрильного каучука), стиролом (получение ABS-пластиков), метилметакрилатом и другими мономерами.
3. Реакции присоединения: по двойной связи акрилонитрил присоединяет воду (гидратация), спирты, амины, галогеноводороды. Гидратация в присутствии кислоты приводит к акриламиду.
4. Реакции по нитрильной группе: нитрильная группа может гидролизоваться до карбоксильной (с образованием акриловой кислоты), восстанавливаться до аминогруппы или вступать в реакции цианэтилирования.

Промышленное производство

Современное производство акрилонитрила практически полностью основано на процессе аммонолиза пропилена (процесс Sohio). Сырьём служат пропилен (получаемый из нефти или природного газа), аммиак и воздух (как источник кислорода). Реакция протекает в газовой фазе при температуре 400–500 °C и давлении 1–2 атм в присутствии сложного многокомпонентного катализатора на основе оксидов молибдена, висмута, железа и других металлов:

\[ 2CH_3CH=CH_2 + 2NH_3 + 3O_2 \rightarrow 2CH_2=CHCN + 6H_2O \]

Выход акрилонитрила по этому методу достигает 80–85% от теоретического. Побочными продуктами являются ацетонитрил, синильная кислота и акролеин. После реакции продукты разделяют путём абсорбции водой, а затем очищают ректификацией.

Мировое производство акрилонитрила в 2023 году оценивалось в 6–7 миллионов тонн в год. Крупнейшими производителями являются Китай, США, Саудовская Аравия и страны Западной Европы. В России акрилонитрил производится на предприятиях «Саратоворгсинтез» (г. Саратов) и «Нижнекамскнефтехим» (г. Нижнекамск).

Применение

Основные области применения акрилонитрила связаны с его полимеризацией и сополимеризацией.

Производство полимеров

1. Полиакрилонитрил (ПАН): около 20–25% производимого акрилонитрила используется для получения ПАН-волокон. Эти волокна, известные под торговыми названиями «нитрон», «орлон», «акрил», «куртель», обладают высокой прочностью, устойчивостью к свету и химическим воздействиям, а также хорошими теплоизоляционными свойствами. Используются для производства трикотажа, ковров, технических тканей, а также как прекурсор для получения углеродного волокна.
2. Бутадиен-нитрильный каучук (БНК): сополимер бутадиена и акрилонитрила. Содержание акрилонитрила в каучуке варьируется от 18% до 50%. Чем выше содержание акрилонитрила, тем выше масло- и бензостойкость каучука. БНК используется для производства уплотнителей, шлангов, прокладок, перчаток, подошв обуви, работающих в контакте с нефтепродуктами.
3. Сополимеры стирола и акрилонитрила (SAN): прозрачные, жёсткие и химически стойкие пластики, используемые для изготовления корпусов приборов, посуды, деталей автомобилей.
4. Акрилонитрил-бутадиен-стирол (ABS): один из наиболее распространённых конструкционных пластиков. Сочетает прочность и ударную вязкость. Широко применяется в автомобилестроении, электронике (корпуса телефонов, компьютеров), производстве бытовой техники, игрушек (например, деталей конструктора «Лего»).
5. Акриловые эмульсии и латексы: используются в качестве связующих в красках, клеях, текстильной отделке.

Другие применения

• Синтез акриламида: акрилонитрил является основным сырьём для получения акриламида, который в свою очередь используется для производства полиакриламида (флокулянта для очистки воды).
• Синтез акриловой кислоты и её эфиров: путём гидролиза акрилонитрила.
• Производство синильной кислоты: акрилонитрил может служить источником HCN в некоторых химических процессах.
• Синтез цианэтилированных производных: используется в производстве поверхностно-активных веществ, лекарственных препаратов и пестицидов.

Токсичность и безопасность

Акрилонитрил является токсичным, легковоспламеняющимся и канцерогенным веществом. Он относится к 1-му классу опасности (чрезвычайно опасные вещества) по ГОСТ 12.1.007-76 в России.

Пути воздействия

• Ингаляционный: пары акрилонитрила легко проникают в организм через дыхательные пути. Вдыхание вызывает головную боль, тошноту, слабость, раздражение слизистых оболочек. При высоких концентрациях возможны потеря сознания, судороги и смерть от острой интоксикации.
• Кожный: жидкость быстро всасывается через неповреждённую кожу, вызывая местное раздражение и системное отравление.
• Пероральный: при попадании внутрь вызывает сильное отравление.

Механизм токсического действия

Токсичность акрилонитрила связана с его способностью метаболизироваться в организме до цианид-иона (CN⁻), который блокирует клеточное дыхание, ингибируя цитохром-с-оксидазу. Кроме того, сам акрилонитрил является алкилирующим агентом, способным повреждать ДНК.

Канцерогенность

Международное агентство по изучению рака (МАИР) классифицирует акрилонитрил как «возможно канцерогенный для человека» (группа 2B). Исследования на животных показали его способность вызывать опухоли лёгких, молочной железы и головного мозга. Эпидемиологические данные среди рабочих, занятых в производстве, также указывают на повышенный риск развития некоторых видов рака.

Меры безопасности

Работа с акрилонитрилом требует строгого соблюдения техники безопасности. Производственные помещения должны быть оборудованы принудительной вентиляцией. Персонал обязан использовать средства индивидуальной защиты: противогазы (с фильтрами марки А или В), резиновые перчатки, защитные очки и спецодежду. При разливах акрилонитрила необходимо использовать инертные сорбенты. Тушение пожаров с участием акрилонитрила производится углекислотными огнетушителями или порошковыми составами, так как вода может усилить распространение пламени.

Экологические аспекты

Попадание акрилонитрила в окружающую среду (воду, почву, воздух) представляет серьёзную экологическую опасность. В водоёмах он медленно гидролизуется и может накапливаться в организмах гидробионтов. Предельно допустимая концентрация (ПДК) акрилонитрила в воде водоёмов хозяйственно-питьевого назначения составляет 0,02 мг/л, в воздухе рабочей зоны — 0,5 мг/м³. Для снижения выбросов на производствах применяются системы каталитического дожига и абсорбции.